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News: Ohne Umkehr in die Zellteilung

Der Eintritt in die Zellteilung und das Beenden sind irreversibel, um eine mögliche Fehlerquote klein zu halten. Diese Vorhersage eines mathematischen Modells hat sich nun auch experimentell bewahrheitet.
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Will sich eine Zelle teilen, so darf sie nicht zaudern. Bei der primären Verdopplung und anschließenden Aufteilung ihrer Chromosomen – der Mitose – kann sie sich einen plötzlichen Rückzieher nicht erlauben, ohne ein großes Risiko für mögliche Fehler in der Basenabfolge in Kauf zu nehmen. Die so genannte Mitose ist daher eine "Alles-oder-Nichts"-Reaktion: Einmal gestartet, durchläuft sie im Normalfall alle nötigen Stadien, bis sich die Zelle in zwei Tochterzellen aufgeteilt hat.

Am erfolgreichen Ablauf dieses Programms sind bestimmte Regulatorproteine beteiligt, die so genannten Cyclin-abhängigen Proteinkinasen (Cdk). Allerdings liegen jene Cdks während des Zellzyklus stets in der gleichen Konzentration in der Zelle vor und können somit nicht die Funktion eines Taktgebers der Zellteilung übernehmen. Hierfür greift die Zelle auf eine andere Proteingruppe zu: die Cycline.

Ihren Namen tragen sie aus gutem Grund, wechselt ihre Konzentration in der Zelle doch zyklisch, da sie einem periodischen Auf- und Abbau unterworfen sind. Und eben jene Cycline benötigen die Cyclin-abhängigen Proteinkinasen, um aktiv zu werden. Erst wenn das passende Cyclin gebunden hat, kann das Cdk-Protein in den Prozess der Zellteilung eingreifen.

Der Zusammenhang zwischen Mitose und Cdk ist eigentlich denkbar einfach. Die Zelle beginnt mit ihrer Mitose, wenn das Enzym Cdc2 aktiv ist und verlässt die Mitose, wenn die Aktivität von Cdc2 nachlässt. Und dies wiederum ist eine Folge des passenden Cyclins, das in hoher Konzentration Cdc2 aktiviert und bei seiner Zerstörung für eine nachlassende Wirkung sorgt.

Aber welcher Vorgang sorgt dafür, dass Cdc2 nach dem Eintritt in den empfindlichen Mitosevorgang dauerhaft aktiv bleibt, bis es nach fehlerfreiem Abschluss genauso dauerhaft ausgestellt wird? Muss die hohe Konzentration ständig gesichert sein oder genügt ein einzelner Auslöser? Dieser Frage gingen Jill Sible und John Tyson von der Virginia Tech nach, indem sie die Konzentration von Cyclin im Cytoplasma von Froscheiern veränderten.

Warum Frösche? Frösche eignen sich hervorragend für Studien über den Verlauf des Zellzyklus, da ihre Zykluskomponenten mit denen menschlicher Zellen identisch sind, wie unter anderem die Nobelpreisträger für Physiologie und Medizin des Jahres 2001, Leland Hartwell, Timothy Hunt und Paul Nurse, entschlüsselten.

Diesen Umstand machten sich Sible und Tyson zunutze, als sie die Cyclinkonzentrationen manipulierten. Zuerst starteten sie die Mitose durch ein Minimum von 40 Einheiten Cyclin. Dann senkten sie die Cyclinkonzentration kontinuierlich von 30 auf 20 Einheiten – doch Cdc2 blieb, davon unbeeindruckt, weiterhin aktiv und der Schalter somit auf "An" stehen. Um den Schalter auf "Aus" zu stellen, musste die Cyclinkonzentration unter den Wert von 16 Einheiten gefallen sein.

Das System besteht demnach aus zwei stabilen Zuständen, wie es für einen Schalter typisch ist, und ähnelt nicht etwa einem Klingelknopf, bei dem während des gesamten Prozesses ständig der Finger auf dem Knopf bleibt – beziehungsweise die Cyclinkonzentration aufrecht erhalten werden muss.

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