Mitose

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Zellzyklus
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Interphase
M-Phase
Zellteilung
Gene Ontology
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Schemazeichnung der Mitose (mit Interphase, die streng genommen nicht dazu gehört, sondern zum ganzen Zellzyklus)

Mitose (griech. μίτος: Faden), Karyokinese oder indirekte Kernteilung (griech. κάρυον: Kern; κίνησις: Bewegung) ist die Zellkernteilung bei Zellen von eukaryotischen Lebewesen. Im Anschluss an die Kernteilung erfolgt meistens die Teilung des Zellleibs (Zytokinese), sodass aus einer Zelle zwei Tochterzellen entstehen. Mitose und Zytokinese werden auch als M-Phase (Mitose-Phase) zusammengefasst. Falls mehrere Zellteilungen nacheinander erfolgen, bilden sie mit den zwischen M-Phasen liegenden Interphasen den Zellzyklus.

Während der S-Phase wird der in den Chromosomen enthaltene DNA-Doppelstrang verdoppelt, wonach jedes Chromosom aus zwei Schwester-Chromatiden besteht, die beide eine Kopie des DNA-Doppelstrangs enthalten und am Zentromer zusammenhängen. Bei der nachfolgenden Mitose wird jedes Chromosom so aufgeteilt, dass beide Tochterkerne von jedem Chromosom ein Schwester-Chromatid erhalten. Beide Kerne erhalten dadurch eine Kopie des Erbguts der Mutterzelle. Im Unterschied zur Meiose ändert sich der Ploidiegrad einer Zelle durch die Mitose nicht.

Geschichte

Historische Darstellung der Mitose aus Gray’s Anatomy von 1918 - I bis III: Prophase; IV: Metaphase; V und VI: Anaphase; VII und VIII: Telophase

Im Jahre 1835 beobachtete der Tübinger Botaniker Hugo von Mohl zum ersten Mal die Teilung einer Pflanzenzelle (der Alge Cladophora glomerata) unter dem Mikroskop. Ernst Julius Remak gelang dies an embryonalen Blutzellen im Jahr 1841. In den folgenden Jahren sahen andere Zellforscher den gleichen Vorgang an den Zellen vieler Pflanzen und Tiere. Hugo von Mohl hatte im Nachhinein eine für das Verständnis der Lebensvorgänge wichtige Entdeckung gemacht. Der Berliner Arzt Rudolf Virchow drückte sie 1855 in einem Lehrsatz aus:

„Omnis cellula e cellula: Zellen entstehen nur aus Zellen.“

Rudolf Virchow

[1]

Noch aber herrschten unklare Vorstellungen über den Feinbau der damals bekannten Zellbausteine und ihre Funktion. Dies betraf insbesondere den Zellkern und seine Rolle bei der Teilung. Erst mit der Weiterentwicklung der Mikroskope und der Färbetechniken in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts konnten die Forscher neue Erkenntnisse gewinnen. So sah der Bonner Botaniker Eduard Strasburger 1874 in einem Präparat sich teilender Zellen bisher unbekannte Teilungsstadien, in denen statt eines normalen Zellkerns längliche, gekrümmte oder abgewickelte Gebilde sichtbar waren. Wegen ihrer starken Anfärbbarkeit bezeichnete sie der Berliner Arzt Heinrich Wilhelm Waldeyer im Jahre 1888 als Chromosomen. Bei genauerer mikroskopischer Untersuchung stellte man fest, dass jedes Chromosom aus zwei gleichen Hälften besteht, den Chromatiden. Diese liegen eng aneinander, sind aber nur an einer Stelle, dem Centromer, miteinander verbunden. Der Begriff „Mitose“ wurde durch den Zellbiologen Walther Flemming geprägt.

Chromosomen entdeckte man nicht nur in Pflanzen-, sondern auch in Tierzellen. Im Laufe der Zeit fand man heraus, dass jede Pflanzen- und Tierart in allen Körperzellen eine arttypische Anzahl von Chromosomen besitzt. Die Anzahl liegt zwischen zwei Chromosomen beim Pferdespulwurm (Ascaris megalocephala univalens) und einigen hundert bei manchen Pflanzen.

Funktion der Mitose

Schematische Darstellung des Zellzyklus bei diploiden Zellen. Zur besseren Veranschaulichung sind Chromosomen hier auch in Interphase so gezeichnet, wie sie in der Mitose aussehen. Dies entspricht jedoch nicht der Wirklichkeit.

Die Mitose ermöglicht, dass beide Tochterzellkerne die gleiche Anzahl an Chromosomen und damit die gleiche Erbinformation erhalten. Um das Erbgut einer Mutterzelle auf zwei Tochterzellen zu verteilen, werden die Chromosomen in der Interphase, einer voran gehenden Phase des Zellzyklus, verdoppelt. Jedes Chromosom, das nach einer Kernteilung zunächst aus einem Chromatid besteht, hat nach der Verdopplung zwei identische Schwesternchromatiden, die am Centromer zusammenhängen. Die Mitose wird durch sogenannte Mitogene ausgelöst.

Bei einzelligen Eukaryoten (Protisten) ist die Mitose zusammen mit der Zytokinese Grundlage der Vermehrung. Bei vielen Protisten verläuft die Mitose wie bei den mehrzelligen Eukaryoten als offene Mitose, das heißt die Kernhülle wird vorübergehend aufgelöst. Eine Ausnahme bilden die Dinoflagellaten, bei denen eine geschlossene Mitose, ohne Auflösung der Kernmembran stattfindet.

Bei mehrzelligen Eukaryoten ist die Mitose die Voraussetzung für die Bildung eines neuen Zellkerns und somit üblicherweise für die Bildung neuer Zellen. Einige Ausnahmen von dieser Regel sind im Artikel über Zellkerne beschrieben. In mehrzelligen Organismen wie den Menschen findet die Zellteilung im Laufe der Entwicklung nicht mehr bei allen Zellen statt. So vermehren sich Nervenzellen und Muskelzellen nach abgeschlossener Differenzierung nicht mehr. Hier verbleibt die Zelle in der sogenannten G0-Phase, so dass die DNA gar nicht erst repliziert wird (siehe Zellzyklus). Fertige Rote Blutkörperchen können sich nicht mehr teilen, da ihr Zellkern fehlt und damit keine Mitose eingeleitet werden kann. Epidermalzellen v.a. im Darm und der Oberhaut hingegen vermehren sich wesentlich häufiger als der Durchschnitt.

Die eigentliche Kernteilung dauert bei menschlichen Zellen in der Regel etwa eine Stunde (im Vergleich dauert die Interphase bei sich fortlaufend teilenden Zellen insgesamt durchschnittlich 24 Stunden). Bei Fliegen ist die Mitose allerdings teilweise nur 8 Minuten lang.

(Bei der Bildung von Keimzellen tritt eine ganz andere Form der Kernteilung auf, die man Meiose oder Reduktionsteilung nennt und bei der im Normalfall aus einer diploiden Ausgangszelle in zwei Teilungsschritten vier haploide Zellen entstehen. Hier entspricht nur die zweite Teilung ziemlich genau einer normalen Mitose.)

Phasen

Zusammenfassung

Neben einem zum Vergleich dargestellten Zellkern in der Interphase sind verschiedene Stadien der Mitose gezeigt (entsprechend der deutschen Literatur, daher ohne Prometaphase).

Die Mitose wird in 4 oder 5 fließend ineinander übergehende Phasen eingeteilt. (Die Prometaphase wird besonders in der englischsprachigen Literatur als eigenständige Phase gesehen, während in der klassischen deutschen Literatur die Metaphase direkt an die Prophase anschließt.)

  • In der Prophase der tierischen Zelle trennen sich die beiden Zentrosomen und wandern an entgegengesetzte Pole der Zelle. Die Zentrosomen wirken als Mikrotubuli-organisierende Zentren (englisch MTOC: Microtubule organising center) und sind der Ausgangspunkt der Mitosespindelbildung. (Die Zellen der höheren Pflanzen besitzen keine Zentrosomen, hier fungieren andere Zellbestandteile als MTOCs.) Die Chromosomen kondensieren und werden sichtbar (nur jetzt ist eine meist dargestellte X-Fom zu erkennen; in der Interphase sind sie mit Lichtmikroskopen gar nicht zu sehen, weil sie in ausgestreckter Form zwar mehrere Zentimeter lang sein können, aber viel zu dünn sind). Da die Chromosomen bereits zuvor in der Interphase verdoppelt wurden, bestehen sie aus je zwei identischen Schwestern-Chromatiden, die nur am Zentromer zusammenhängen. Das Ende der Prophase ist erreicht, wenn die Kernhülle fragmentiert (englischsprachige Literatur) oder wenn die Kondensation der Chromosomen abgeschlossen ist (klassische deutsche Literatur).
  • In der Prometaphase zerfällt die Kernhülle und die Spindelfasern dringen in den Bereich des jetzt hüllenlosen Kerns ein. An den Zentromeren setzen die dreischichtigen Kinetochor-/Chromosomenmikrotubuli an, durch die die Chromosomen in der Metaphase im Zentrum der Zelle ausgerichtet und in der Anaphase mit Hilfe der Polfasern auseinandergezogen werden können.
  • In der Metaphase werden die kondensierten Metaphasechromosomen durch die Mikrotubuli der Spindel zwischen den Spindelpolen in der Äquatorialebene ausgerichtet. Die Metaphase ist abgeschlossen, wenn alle Chromosomen in dieser Metaphaseplatte angekommen sind.
  • In der Anaphase werden die beiden Chromatiden eines Chromosoms durch die Spindelfasern getrennt und (mit dem Zentromer voran) in Richtung Spindelpole auseinander gezogen. So erhält jeder Pol einen vollständigen Chromatidensatz. Damit ist die Basis für die beiden zukünftigen Tochterzellen geschaffen. Die Anaphase gilt als beendet, wenn sich die Chromosomen der beiden zukünftigen Tochterzellen nicht mehr weiter auseinander bewegen.
  • Als Telophase wird die letzte Phase der Mitose bezeichnet. Sie folgt übergangslos auf die vorausgegangene Anaphase. Die Kinetochorfasern depolymerisieren, die Kernhülle wird wieder gebildet und die Chromosomen dekondensieren. Nach Abschluss der Dekondensation können die Gene wieder abgelesen werden, der Kern hat wieder die Arbeitsform.

Auf die Telophase folgt in den meisten Fällen die Zytokinese, die Zellteilung. Diese ist jedoch nicht Bestandteil der Mitose.

Prophase

Prophase
Lichtoptischer Schnitt durch zwei Mauszellkerne in der Prophase. Durch die hohe Auflösung des verwendeten 3D-SIM-Mikroskops sind die kondensierten Chromosomen (rot) ungewöhnlich genau dargestellt. Die Kernhülle (blau) und Mikrotubuli (grün) sind durch Immunfärbung eingefärbt. Oben rechts ist ein Centrosom zu erkennen. Der Maßstabsbalken entspricht 5 µm.

Im Anschluss an die Interphase und der damit fast abgeschlossenen Replikation der DNA kondensiert das Chromatin, so dass die Chromosomen sichtbar werden. Dabei falten und verdichten sich die Chromatiden soweit, dass der genetische Code nicht mehr exprimierbar ist. Nun ist die meistens dargestellte Chromosomenstruktur mit dem Chromatidenpaar und dem zentralen Centromer erkennbar. In dieser Phase lösen sich zudem die Nukleoli (Kernkörperchen) auf, da auch die Produktion der Ribosomenbestandteile wegen der Chromosomenverdichtung nicht mehr stattfinden kann. (Zu diesem Zeitpunkt ist die Replikation noch nicht abgeschlossen.)

Kondensation der Chromosomen

Während der Interphase liegen die Chromosomen im Zellkern dekondensiert vor. Während der Prophase verdichten und verkürzen sich die Chromatinfäden wahrscheinlich durch Aufschraubung und Faltung. Es entstehen lichtmikroskopisch sichtbare Gebilde, die Kernschleifen oder Chromosomen. Sie sind nicht grundsätzlich neue Strukturen, sondern sie stellen nur eine kompaktere, für den Transport geeignete Form der Chromatinfäden dar. In diesem Zustand ist die DNA nicht exprimierbar.

Jedes Chromosom zeigt jetzt einen deutlichen Längsspalt. Es besteht nämlich aus zwei Längsstrukturen, den Chromatiden, den Kopien des ursprünglichen Chromosoms. An einer Einschnürungsstelle, dem Centromer, werden die Chromatiden zusammengehalten.

Polfaserbildung

Von jedem der durch Verdopplung während der S-Phase der Interphase entstandenen zwei Zentrosomen (Zentriolenpaare) wandert eins auf gegenüberliegende Seiten des Kerns und sie bilden so die Pole der Spindel. Die Zentriolen, welche sich ebenfalls in der S-Phase der Interphase verdoppelt haben, organisieren den Aufbau des Spindelapparates. Hierbei werden aus den Tubulin-Untereinheiten der depolymerisierten Mikrotubuli des Cytoskeletts (siehe Weitere Ereignisse) die Elemente der Spindel aufgebaut, die sich zunächst sternförmig um die Zentriolen anordnen. Man spricht hier auch von der Aster.


(Die Zentriolen sind nicht alleinige Zentren der Mikrotubuliorganisation. Auch die zu ihnen assoziierte amorphe Masse der Zentrosomen scheint für die Funktion der Spindel zuständig zu sein. Nach Zerstörung der Zentriolen durch einen Laser bleibt die Funktionalität der Spindel nämlich erhalten.)

Pflanzenzellen benötigen selbst keine Zentriolen für ihre Zellteilung.

Weitere Ereignisse

Es depolymerisieren die Mikrotubuli des Zytoskeletts, woraufhin sich die Zelle abrundet.

Prometaphase

Prometaphase
Dreidimensionale Darstellung eines Mauszellkerns aus verschiedenen Blickwinkeln während des Zusammenbruchs der Kernhülle. Die Chromosomen (rot) liegen bereits kondensiert vor. Durch die verbesserte Auflösung des verwendeten 3D-SIM-Mikroskops lässt sich am rechten Ende erkennen, wie die Kernhülle (grün) durch eindringende Mikrotubuli (nicht gefärbt) verformt wird. Die zweite Eindringstelle ist links oben zu sehen. Die Kernhülle zeigt im unteren Bereich in der Mitte einen Riss.

Die Kernhülle beginnt sich nun durch Phosphorylierung der Lamine aufzulösen. Nachdem sich die Zentrosomen an den entgegengesetzten Polen organisiert haben, dringt die entstehende Spindel in das Nukleoplasma ein. An den Zentromeren der Chromosomen bilden sich nun dreischichtige Kinetochore, an die sich entsprechende Kinetochormikrotubuli anheften. Diese sind für den Transport der später getrennten Chromosomenteile zuständig und ordnen sich parallel zu den Polfasern an.

Auflösen der Kernhülle

Die Prometaphase beginnt mit der Auflösung der Kernhülle. Die Restteile sind kaum noch unterscheidbar zum endoplasmatischen Retikulum, da beide homologer Abstammung sind.

Bei einigen Eukaryoten Einzellern (Protozoa) bleibt die Kernhülle während des Kernteilungsprozesses enthalten, z. B. bei den Dinoflagellaten. Dort setzt sich die Spindel außerhalb der Kernmembran an und bildet dort kinetochorähnliche Strukturen.

Vervollständigung des Spindelapparates

Die äußeren Sternfasern nehmen Kontakt mit dem Zytoskelett auf. Auch entstehen Faserbildungen von einem Pol der Zelle zum anderen, Polfasern. An den Zentromeren der Chromosomen bilden sich sogenannte dreischichtige Kinetochore. Diese speziellen Strukturen lösen eine Polymerisierung von Mikrotubuli aus, worauf sich in Richtung der Pole jeweils drei Kinetochorfasern bilden. Diese ermöglichen die Bewegung und Ausrichtung sowie Teilung der Chromosomen an der Stelle der Zentromere.


Metaphase

Metaphase

Die Chromosomen sind jetzt maximal verkürzt. Durch Zug und Schub des Spindelapparates werden die Chromosomen in die Äquatorialebene zwischen den Polen transportiert. Damit liegen sie quasi genau zwischen den Zentriolen in einer Ausgangsstellung, aus der heraus die Chromatiden der Chromosomen auseinandergezogen werden können.


Die Kinetochormikrotubuli liegen dabei parallel zu den Polfasern. Nach neueren Forschungen wird angenommen, dass nicht Zugkräfte von den Polrichtungen ausschlaggebend für das Auseinanderdriften der Chromatiden sind, sondern Proteine an den Zentromerstellen, welche an den Mikrotubulifilamenten in Richtung der Zentrosomen wandern. Dieser Mechanismus funktioniert dann nach dem gleichen Prinzip, wie die Dynein- beziehungsweise Kinesinproteine dem Mikrotubulus folgen. Die Chromatiden werden dadurch von der zentralen Position her langsam auseinandergezogen. Die Metaphase tritt genau in dem Moment in die Anaphase über, indem sich die Chromatiden der Chromosomen an der Zentromerstelle trennen und die beiden Tochterchromosomen, die jetzt nur noch aus einem Chromatid bestehen, zu den einzelnen Polen wandern.

Anaphase

Anaphase

Die beiden Chromatiden eines Chromosoms werden voneinander getrennt. Diese Tochterchromosomen (Ein-Chromatid-Chromosomen) werden zu den entgegengesetzten Polen der Zelle transportiert. Dabei verkürzen sich die Kinetochorfasern.

Gleichzeitig verlängern sich die Polfasern, wodurch sich die Pole voneinander abstoßen.

Chromatidenwanderung

Damit sich die beiden Chromatidenteile zu den Polen bewegen können, werden die Kinetochorfasern depolymerisiert. Durch die damit verbundene Verkürzung wandern die Kinetochoren an den Spindelfasern in die Richtung, in der die Dichte der Polfasern zunimmt. Die an die Kinetochoren über das Zentromer gebundenen Chromatidenteile werden dabei durch das Plasma wie kleine Ärmchen hinterhergezogen.

Anaphase I und Anaphase II

In der Anaphase wird zwischen dem Auseinanderrücken der Chromosomen (Anaphase I) und dem Auseinanderrücken der Spindelpole (Anaphase II) unterschieden.

Einleitung der Zellteilung

Gleichzeitig verlängern sich die Polfasern, mit dem Effekt, dass sich die beiden Polregionen, die sich in der Zelle gebildet haben, voneinander abstoßen und so die Voraussetzung der Zytokinese, also die eigentliche Zellteilung geben. Die anschließende die Zellkernteilung abschließende Telophase tritt mit dem Ankommen der Chromosomen an den Polen ein.

Telophase

Telophase

Dreidimensionale Darstellung zweier Tochterzellen in der Telophase. Zu sehen ist der Spindelapparat (anti-Tubulin-Immunfärbung; orange), Aktin-Zytoskelett (Phalloidinfärbung; grün) und das Chromatin (DAPI-Färbung; cyan).

Erreichen die Chromosomen die Pole, depolymerisieren die immer weiter verkürzten Kinetochorfasern schließlich. Kernhülle (zum großen Teil aus Fragmenten der alten Zellkernmembran der Mutterzelle) und Nukleoli werden wieder gebildet und der Spindelapparat löst sich auf. Die Chromosomen dekondensieren wieder. Zudem verlängern sich die Polfasern noch weiter, bis die Pole die maximale Abstoßung voneinander erreicht haben.

(Die eigentliche Teilung des Zytoplasmas und damit der Zelle wird durch die Zytokinese beschrieben.)

Mitose und Zellzyklus

Zellteilung

In den meisten Fällen erfolgt nach der abgeschlossenen Kernteilung eine Zellteilung, die Cytokinese. Sie wird nicht zur Mitose gezählt. Bei tierischen Zellen wird schon während der Telophase oder sogar Anaphase ein kontraktiler Ring aus Aktinfasern gebildet, der zusammen mit Myosin soweit verengt wird, bis die Plasmamembranen fusionieren und sich die Tochterzellen voneinander trennen.

In der nachfolgenden Phase, der Interphase, kann sich der Chromosomensatz wieder replizieren, um eine neue Mitose zu ermöglichen.

Besonderheiten

Im Anschluss an die Mitose muss nicht in jedem Fall eine Zytokinese stattfinden.

So sind Muskelfaserzellen wie auch Leberzellen, Osteoklasten und manche anderen Körperzellen mehrkernig.

Der Zellkern der Wimpertierchen (Ciliata) durchläuft in der Konjugation zwei Mitosen, ohne das Zellplasma zu teilen.

Bei den Geißeltierchen (Flagellata) kommt es vor, dass sich der Zellkern bis zu 8 Mal teilt, so dass eine Zelle mit 16 Zellkernen vorkommt. Solch eine Zelle wird auch Plasmodium genannt. Erst dann wird die Zelle in einem Schritt in 16 Tochterzellen getrennt.

Plasmodien der Schleimpilze können sogar Tausende von Zellkernen aufweisen. Einige dieser Ansammlungen kommen aber eher durch Zellverschmelzungen oder Aggregationen zustande. In diesem Fall spricht man eher von einem Synzytium, einer Riesenzelle, deren Zellkerne von vielen verschiedenen Zellen stammen und nicht von einer Urzelle.

Siehe auch

Weblinks

 Wiktionary: Mitose – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Mitose – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Waldeyer, W.: Ueber Karyokinese und ihre Beziehungen zu den Befruchtungsvorgängen. In: Arch. mikr. Anat. 32 (1888) S.1