Molbio H24.pptx

# Overzicht van de celcyclus Dit onderwerp biedt een gedetailleerd overzicht van de celcyclus, de opeenvolgende fasen die een cel doorloopt om te groeien en zich te delen, inclusief de verschillende tussenliggende fasen en de regulerende mechanismen. ## 1. De celcyclus: een overzicht De eukaryote celcyclus is een reeks gebeurtenissen die leiden tot de deling van een moedercel in twee dochtercellen. Het kan grofweg worden onderverdeeld in twee hoofdperioden: interfase en de M-fase (mitose en cytokinese). ### 1.1 Fasen van de celcyclus De celcyclus bestaat uit de volgende fasen: * **Interfase:** Dit is de periode waarin de cel groeit en de DNA-replicatie plaatsvindt. De interfase zelf is onderverdeeld in drie subfasen: * **G1-fase (Gap 1):** De cel is metabolisch actief, groeit in omvang, en synthetiseert eiwitten en RNA. De duur van deze fase is variabel en afhankelijk van de celtype en omstandigheden. * **S-fase (Synthese):** Tijdens deze fase vindt de replicatie van het DNA plaats. Dit is een kritieke stap om ervoor te zorgen dat elke dochtercel een complete set chromosomen ontvangt. * **G2-fase (Gap 2):** De cel bereidt zich voor op de mitose. Hierbij worden noodzakelijke eiwitten gesynthetiseerd en vindt verdere groei plaats. * **M-fase (Mitose en Cytokinese):** Dit is de fase van de eigenlijke celdeling. * **Mitose:** De kern van de cel deelt zich, waarbij het DNA wordt verdeeld over twee nieuwe kernen. * **Cytokinese:** Het cytoplasma van de cel deelt zich, wat resulteert in de vorming van twee afzonderlijke dochtercellen. ### 1.2 De G0-fase De G0-fase is een rustfase waarin cellen tijdelijk stoppen met delen. Dit kan gebeuren bij terminale differentiatie (cellen die gespecialiseerd zijn en niet meer delen, zoals veel zenuwcellen) of wanneer cellen wachten op een groeisignaal. Cellen in G0 zijn metabolisch actief, maar delen niet. ### 1.3 Generatietijd en Mitotische Index * **Generatietijd:** Dit is de totale duur van de celcyclus, van het moment dat een cel ontstaat tot het moment dat deze zich deelt. Voor sneldelende cellen in celcultuur bedraagt de generatietijd doorgaans 18 tot 24 uur. De M-fase zelf duurt slechts 30 tot 45 minuten in deze cellen. * **Mitotische Index:** Dit is het percentage cellen in een populatie dat zich in de mitosefase bevindt. Voor sneldelende cellen in cultuur ligt de mitotische index typisch tussen de 3 en 5%. ### 1.4 Technieken voor het bestuderen van de celcyclus * **Flowcytometrie:** Deze techniek maakt het mogelijk om optische (vorm en grootte) en fluorescentiekarakteristieken van individuele cellen in suspensie te meten. Door gebruik te maken van fluorescente kleurstoffen die zich binden aan DNA (zoals propidiumjodide) of eiwitten, kan de hoeveelheid DNA per cel en daarmee de celcyclusfase worden bepaald. Flowcytometrie kan ook worden gebruikt om cellen te sorteren op basis van hun eigenschappen (Fluorescence-activated cell sorting - FACS). > **Tip:** Flowcytometrie is een krachtige techniek om de verdeling van cellen over de verschillende celcyclusfasen te analyseren en om celpopulaties te identificeren en te isoleren op basis van specifieke kenmerken. ## 2. De M-fase: kern- en celdeling De M-fase omvat zowel de mitose (kerndeling) als de cytokinese (cytoplasmische deling). ### 2.1 Mitose: de kerndeling Mitose is een complex proces dat wordt gekenmerkt door de zichtbaar worden van chromosomen, de vorming van de mitotische spoel, en de scheiding van zusterchromatiden. * **Profase:** De chromosomen condenseren en worden zichtbaar als dubbele structuren (zusterchromatiden). De nucleoli verdwijnen. Twee centrosomen, die fungeren als microtubuli-organisatiecentra (MTOC's), beginnen zich naar tegenovergestelde polen van de cel te bewegen. Elk centrosom bevat twee centriolen, opgebouwd uit microtubuli-tripletten. * **Prometafase:** Het kernmembraan fragmentatieert door de fosforylering van lamines. Microtubuli beginnen te interageren met de kinetochoren, specifieke eiwitstructuren op de centromeren van de chromosomen. Elk zusterchromatide heeft een eigen kinetochoor, gericht naar een tegenovergestelde pool. * **Metafase:** De chromosomen zijn uitgelijnd in het midden van de cel, het equatorvlak, en vormen de metafaseplaat. De zusterchromatiden zijn aan weerszijden verbonden met microtubuli die afkomstig zijn van de tegenovergestelde polen. * **Anafase:** De cohesine die de zusterchromatiden bij elkaar houdt, wordt afgebroken. * **Anafase A:** Kinetochoor-microtubuli worden korter, waardoor de chromatiden naar de tegenovergestelde polen van de cel worden getrokken. * **Anafase B:** Polaire microtubuli worden langer, waardoor de polen van de cel verder van elkaar worden gescheiden. Motor-eiwitten, zoals kinesines en dyneïnen, spelen een cruciale rol bij deze bewegingen door ATP te hydrolyseren om de chromosomen te verplaatsen en de polen uit elkaar te duwen. * **Telofase:** De chromosomen beginnen te decondenseren, de nucleoli verschijnen weer, en een nieuw kernmembraan wordt gevormd rond elke set chromosomen. Cytokinese begint ook al tijdens de telofase. ### 2.2 Cytokinese: de celdeling Cytokinese is de daadwerkelijke deling van het cytoplasma. * **Cytokinese in dierlijke cellen:** Dit gebeurt door de vorming van een contractiele ring van actine- en myosinefilamenten, die insnoert en de cel in tweeën deelt. Dit proces resulteert in een midsom (midbody) en uiteindelijk abscissie. * **Cytokinese in plantencellen:** Hierbij fuseren Golgi-vesikels, die glycoproteïnen en polysacchariden bevatten, om een celplaat te vormen. Dit proces wordt geleid door de fragmoplast, die bestaat uit polaire microtubuli. > **Tip:** De celcyclus is strikt gereguleerd om ervoor te zorgen dat elke fase correct en volledig wordt doorlopen. Verstoringen in deze regulatie kunnen leiden tot ernstige problemen, waaronder kanker. ## 3. Regulatie van de celcyclus De celcyclus wordt nauwkeurig gereguleerd door een complex netwerk van eiwitten, met name cycline-afhankelijke kinasen (CDK's) en cyclines, en door middel van controlepunten (checkpoints). ### 3.1 Cycline-afhankelijke Kinasen (CDK's) en Cyclines * **CDK's:** Dit zijn enzymen die andere eiwitten fosforyleren en daardoor de voortgang door de celcyclus reguleren. Ze zijn alleen actief wanneer ze gebonden zijn aan een cycline. * **Cyclines:** Dit zijn eiwitten waarvan de concentratie fluctueert gedurende de celcyclus. Ze fungeren als activatoren voor specifieke CDK's. Verschillende cycline-CDK complexen zijn verantwoordelijk voor het reguleren van specifieke transitiepunten in de celcyclus. ### 3.2 Sleutel Transitiestransities en Controlepunten De celcyclus wordt gereguleerd bij drie belangrijke transitiepunten, bewaakt door checkpoints: * **G1/S transitiepunt:** Dit punt bepaalt of de cel de G1-fase kan verlaten en de S-fase (DNA-replicatie) kan ingaan. Het wordt beïnvloed door groeifactoren en de status van de cel. Het eiwit Rb speelt hierbij een belangrijke rol; wanneer het gefosforyleerd wordt door G1-CDK's, wordt de transcriptiefactor E2F vrijgegeven, die genen activeert die nodig zijn voor de S-fase. * **G2/M transitiepunt (Replicatiecontrolepunt):** Dit checkpoint zorgt ervoor dat de cel niet de mitose ingaat als het DNA nog niet volledig is gerepliceerd of als er DNA-schade is. Het ATR kinase is betrokken bij de herkenning van replicatievorken en inactiveert fosfatases die nodig zijn voor de activering van het mitotische CDK/cyclin complex (MPF). * **Metafase-anafase transitiepunt (Mitotisch Controlepunt of Spindle Assembly Checkpoint - SAC):** Dit checkpoint garandeert dat alle chromosomen correct zijn uitgelijnd op de metafaseplaat en verbonden zijn met de spoeldraden van de juiste polen voordat de zusterchromatiden worden gescheiden. Het Anafase Promoting Complex (APC), een E3 ubiquitine ligase, speelt hierbij een cruciale rol door de afbraak van eiwitten zoals securine en cyclines te katalyseren. ### 3.3 DNA-schade Controlepunt Dit checkpoint detecteert DNA-schade en kan de celcyclus stoppen in G1, S, of G2/M om reparatie mogelijk te maken. Het p53 eiwit speelt hierbij een sleutelrol; het induceert de expressie van p21, een CDK-remmer, en Puma, een inductor van apoptose. ### 3.4 S-fase Replicatie Licensing Om te voorkomen dat DNA meerdere keren wordt gerepliceerd in één celcyclus, is er een proces van "replicatie licensing" dat ervoor zorgt dat de replicatieapparatuur (zoals MCM-helicasen) correct wordt geactiveerd en gedeactiveerd. In de G1-fase worden pre-replicatiecomplexen gevormd. Tijdens de S-fase worden CDK's geactiveerd die de componenten van deze complexen fosforyleren, wat leidt tot deactivering van licensering en de start van de replicatie. Geminin, een eiwit dat door het APC complex in de anafase wordt afgebroken, voorkomt dat het MCM complex opnieuw aan het DNA bindt. > **Tip:** De celcyclus wordt gereguleerd door de balans tussen activiteit van CDK-cycline complexen en de aanwezigheid van CDK-remmers. Controlepunten grijpen in om de cel te stoppen wanneer er problemen zijn, zoals DNA-schade of onjuiste chromosoomuitlijning. ## 4. Groeifactoren en celproliferatie Groeifactoren, ook wel mitogenen genoemd, zijn externe signalen die de cel aanzetten tot groei en deling. * **Positieve regulatie:** Groeifactoren zoals Epidermale Groeifactor (EGF) en Bloedplaatjesafgeleide Groeifactor (PDGF) binden aan receptoren op het celoppervlak, wat een cascade van intracellulaire signalen activeert (zoals de Ras-MAPK pathway). Dit leidt tot de transcriptie van "early genes" en uiteindelijk tot de genen die nodig zijn voor de G1/S transitie en de S-fase zelf. * **Negatieve regulatie:** Groei-inhibitoren zoals Transformerende Groeifactor bèta (TGF-β) werken daarentegen als remmers. TGF-β activeert de SMAD-eiwitten, die de transcriptie van genen die coderen voor CDK-remmers, zoals p15 en p21, induceren. * **Balans:** De proliferatie van cellen in meercellige organismen wordt bepaald door de balans tussen stimulerende en remmende groeifactoren. Hormonen zoals insuline spelen ook een rol door de celgroei te stimuleren en apoptose te voorkomen via kinases zoals AKT en TOR. > **Voorbeeld:** In reactie op een verwonding geven bloedplaatjes PDGF af, wat de deling van fibroblasten stimuleert om het beschadigde weefsel te herstellen. ## 5. Apoptose: geprogrammeerde celdood Apoptose is een actief proces van geprogrammeerde celdood dat essentieel is voor de embryonale ontwikkeling, weefselhomeostase en de verwijdering van beschadigde of geïnfecteerde cellen. Het verschilt van necrose, wat een ongecontroleerde vorm van celdood is door letsel. * **Mechanismen:** Apoptose kan worden geïnduceerd door externe signalen via "death receptors" op het celoppervlak (bv. Fas-receptor, TNF-receptor) of door interne signalen, zoals ernstige DNA-schade. * **Rol van Caspasen:** Een centrale rol in apoptose wordt gespeeld door caspasen, een familie van protease-enzymen die de cascade van celdood initiëren en uitvoeren. Caspase-9 is bijvoorbeeld cruciaal voor de activatie van andere caspasen. > **Tip:** Het correct functioneren van apoptose is van vitaal belang; een tekort hieraan kan leiden tot overmatige celgroei en kanker, terwijl een overmaat kan resulteren in degeneratieve ziekten. --- # Kern en celdeling (mitose en cytokinese) Dit onderdeel bespreekt de mitose, de kerndeling, en cytokinese, de celdeling, inclusief de verschillende stadia van mitose, de rol van motor-eiwitten, de kernspoel, en de vorming van de mitotische spoel, evenals de celdeling in dierlijke en plantencellen. ### 2.1 Mitose: kerndeling Mitose is een essentieel proces waarbij een diploïde cel zich deelt in twee genetisch identieke diploïde dochtercellen. Dit proces is cruciaal voor groei, herstel en voortplanting. De mitotische fase ($M$-fase) van de celcyclus omvat zowel mitose (kerndeling) als cytokinese (cytoplasmadeling). #### 2.1.1 Fasen van mitose Mitose verloopt via een reeks nauwkeurig gereguleerde fasen: * **Profase:** * De chromosomen condenseren en worden zichtbaar als zusterchromatiden, die verbonden zijn bij het centromeer. * De nucleoli verdwijnen. * De centrosomen, die fungeren als microtubule-organisatiecentra (MTOCs), beginnen naar de tegenovergestelde polen van de cel te bewegen. Elk centrosoom bestaat uit twee loodrecht op elkaar staande centriolen, die elk zijn opgebouwd uit negen tripletten van microtubuli. Deze centrosomen nucleëren en verankeren microtubuli, wat leidt tot de vorming van de mitotische spoel. * **Prometafase:** * De kernmembraan fragmentatie vindt plaats, wat wordt veroorzaakt door de fosforylering van lamines, de eiwitten die de nucleaire lamina vormen. De nucleaire lamina is een vezelachtig netwerk aan de binnenzijde van het kernmembraan dat de structuur van de celkern ondersteunt. * Microtubuli van de mitotische spoel binden aan de kinetochoren van de chromosomen. Kinetochoren zijn complexe eiwitstructuren die zich op de centromeren bevinden. De centromeren bevatten repetitief DNA en een specifieke histon H3-variant (CENP-A) die het kinetochoorcomplex aantrekt. Microtubuli binden met hun positieve uiteinde aan de kinetochoren. Elk zusterchromatide heeft een eigen kinetochoor, en de oriëntatie van deze kinetochoren (elk naar een andere pool) is een willekeurig proces. De microtubuli die aan één kinetochoor binden, komen allemaal van dezelfde pool. * Het proces van 'chromosomencongressie' begint, waarbij de chromosomen zich naar het midden van de cel, het evenaarsvlak, bewegen. Dit gebeurt door de dynamische instabiliteit van microtubuli (polymerisatie en depolymerisatie) die de chromosomen heen en weer trekken en duwen. Motor-eiwitten zoals kinesines en dyneïnen spelen hierbij ook een rol. * Andere microtubuli worden onderverdeeld in: * **Polaire microtubuli:** Deze lopen van pool tot pool. * **Astrale microtubuli:** Deze hebben contact met eiwitten van de celcortex, een laag van actine-microfilamenten die geassocieerd is met het celmembraan. * **Metafase:** * De chromosomen zijn uitgelijnd in het midden van de cel, het equatoriale vlak, en vormen de metafaseplaat. * Elke zusterchromatide is verbonden met microtubuli die afkomstig zijn van tegengestelde polen van de spoel. * De microtubuli blijven dynamisch, zelfs in de metafase. * **Anafase:** * De binding tussen de zusterchromatiden wordt verbroken door de afbraak van cohesine, het eiwitcomplex dat hen bij elkaar houdt. * **Anafase A:** De kinetochoor microtubuli worden korter, waardoor de zusterchromatiden naar de tegenovergestelde polen van de spoel worden getrokken. * **Anafase B:** De polaire microtubuli worden langer en duwen de polen verder uit elkaar, waardoor de cel groter wordt. * **Telofase:** * De chromosomen condenseren niet verder, maar de kernmembraan wordt opnieuw gevormd rond de twee sets chromosomen aan elke pool. * De nucleoli verschijnen weer. * De mitotische spoel desintegreert. * Tijdens de telofase begint ook al de cytokinese. #### 2.1.2 Rol van motor-eiwitten en de kernspoel Motor-eiwitten spelen een cruciale rol tijdens de anafase: * **Kinesines:** Sommige kinesines, gebonden aan de plus-uiteinden van kinetochoor microtubuli, bewegen de chromosomen naar de polen van de spoel tijdens anafase A, in combinatie met microtubuli depolymerisatie. Andere kinesines aan de minus-uiteinden induceren microtubuli depolymerisatie, wat helpt bij het ‘binnenhalen’ van de chromosomen. Bipolaire kinesine motor-eiwitten binden aan overlappende polaire microtubuli en bewegen naar de plus-uiteinden, waardoor de polen tijdens anafase B verder uit elkaar worden geduwd. * **Dyneïnen:** Cytoplasmatische dyneïnen zijn gebonden aan de celcortex en binden aan astrale microtubuli. Door naar de minus-uiteinden van de microtubuli te bewegen, trekken ze de polen van de kernspoel naar de celcortex toe. ### 2.2 Cytokinese: celdeling Cytokinese is het proces waarbij het cytoplasma van de cel wordt verdeeld na de kerndeling (mitose), wat resulteert in twee afzonderlijke dochtercellen. Dit proces verschilt enigszins tussen dierlijke en plantencellen. #### 2.2.1 Cytokinese in dierlijke cellen * Bij dierlijke cellen wordt de plasmamembraan ingesnoerd in een vlak dat door het evenaarsvlak van de chromosomen loopt. * Dit gebeurt door een contractiele ring die bestaat uit actine-microfilamenten en myosine, een motor-eiwit. Het motor-eiwit myosine beweegt de actinefilamenten langs elkaar, waardoor de ring samentrekt. * Het Rho A-GTP signaalpad stimuleert actinepolymerisatie en activeert myosine (via Rho-kinase). * De contractiele ring vormt een 'midbody' en uiteindelijk vindt 'abscissie' plaats, de daadwerkelijke scheiding van de twee dochtercellen. * Mitose zonder cytokinese leidt tot de vorming van multinucleaire cellen (cellen met meerdere kernen). #### 2.2.2 Cytokinese in plantencellen * Bij plantencellen fuseren Golgi-vesikels, die glycoproteïnen en polysacchariden bevatten, om een celplaat te vormen in het midden van de cel. * De vesikels worden geleid door de fragmoplast, die gevormd wordt door polaire microtubuli. * De celplaat groeit naar buiten toe en wordt uiteindelijk het nieuwe celmembraan en de celwand tussen de twee dochtercellen. #### 2.2.3 Asymmetrische deling Soms is de celdeling asymmetrisch, wat betekent dat de twee dochtercellen verschillen in grootte of in hun toekomstige bestemming ('fate'). Dit is met name belangrijk tijdens embryonale ontwikkeling en bij stamcellen. Eén dochtercel kan een stamcel blijven, terwijl de andere zich verder differentieert. Asymmetrische deling kan worden veroorzaakt door een asymmetrisch geplaatste kernspoel of door de asymmetrische verdeling van cytoplasmatische componenten. #### 2.2.4 Cytokinese in bacteriën en eukaryotische organellen * Bij bacteriën speelt het cytoskeletale eiwit FtsZ een rol, dat een ringstructuur vormt die de celdeling initieert. * Mitochondriën en chloroplasten delen volgens vergelijkbare mechanismen als bacteriële celdeling. > **Tip:** Het begrijpen van de specifieke rol van motor-eiwitten zoals kinesines en dyneïnen is cruciaal om de beweging van chromosomen en polen tijdens mitose te verklaren. Let op de dynamische aard van microtubuli en hoe dit wordt benut voor de uitlijning en scheiding van chromosomen. > **Voorbeeld:** Blebbistatin, een inhibitor van myosine, blokkeert de contractiele ring in dierlijke cellen. Dit leidt tot mitose zonder cytokinese, resulterend in multinucleaire cellen. Dit illustreert het belang van myosine voor de voltooiing van cytokinese in dierlijke cellen. --- # Regulatie van de celcyclus en controlepunten Dit onderwerp behandelt de complexe mechanismen die de celcyclus reguleren, inclusief de sleuteltransitiepunten, de rol van cycline-afhankelijke eiwitkinasen (cdk's) en cyclines, en de verschillende controlepunten (checkpoints) die de correcte voortgang van de celcyclus waarborgen. ### 3.1 Overzicht van de celcyclus regulatie De celcyclus is een nauwkeurig gereguleerd proces dat essentieel is voor de groei en voortplanting van cellen. Deze regulatie wordt gekenmerkt door scherpe overgangen tussen de verschillende fasen (G1, S, G2 en M) en vereist de juiste volgorde van gebeurtenissen, gestuurd door interne en externe signalen. #### 3.1.1 Sleuteltransitiepunten De voortgang door de celcyclus wordt gecontroleerd op drie belangrijke transitiepunten: * **G1/S transitiepunt:** Dit punt bepaalt of de cel de celcyclus ingaat om zich voor te bereiden op DNA-replicatie. Externe signalen zoals groeifactoren spelen hierbij een cruciale rol. * **G2/M transitiepunt:** Dit punt zorgt ervoor dat de celcelcyclus niet begint met mitose zolang er nog replicatievorken aanwezig zijn of er DNA-schade is. * **Metafase-anafase transitiepunt:** Dit controlepunt zorgt ervoor dat alle chromosomen correct zijn uitgelijnd op het equatorvlak en correct zijn verbonden met de spoelfiguur voordat de zusterchromatiden worden gescheiden. #### 3.1.2 Mechanismen van celcyclus regulatie Verschillende experimentele benaderingen hebben geleid tot ons begrip van celcyclus regulatie: * **Celfusie-experimenten:** Deze toonden aan dat cytoplasmatische factoren de voortgang van de celcyclus in andere cellen kunnen induceren. * **Genetica (gistmutanten):** De identificatie van cell-division-cycle (CDC) genen in gist leverde sleutelcomponenten op, zoals cycline-afhankelijke kinasen (bijvoorbeeld Cdc2, nu Cdk1). * **Biochemie:** De ontdekking van Mitosis Promoting Factor (MPF), een complex van Cdk1 en mitotische cycline, wat cruciaal is voor de overgang naar mitose. #### 3.1.3 Cycline-afhankelijke eiwitkinasen (Cdk's) en Cyclines Cdk's zijn enzymen die een fosfaatgroep overbrengen op specifieke eiwitten, en hun activiteit is afhankelijk van de binding met cyclines. Verschillende cyclines reguleren specifieke fasen van de celcyclus: * **G1 cyclines (bijv. Cycline D):** Spelen een rol bij de overgang van G1 naar S. * **S cyclines (bijv. Cycline E):** Belangrijk voor de initiatie van DNA-replicatie. * **G2/M cyclines (bijv. Cycline B):** Vormen het MPF complex met Cdk1 en zijn essentieel voor de G2/M transitie. De activiteit van Cdk's kan verder worden gereguleerd door fosforylering en defosforylering door andere kinasen en fosfatases. #### 3.1.4 Het anafase-promoting complex (APC) Het anafase-promoting complex (APC) is een E3 ubiquitine ligase dat cruciaal is voor de metafase-anafase transitie. Het ubiquitineert eiwitten zoals securine en cyclines, wat leidt tot hun afbraak door het proteasoom. Dit proces maakt de scheiding van zusterchromatiden en de voortgang naar anafase mogelijk. ### 3.2 Controlepunten (Checkpoints) van de celcyclus Controlepunten zijn mechanismen die de celcyclus stoppen als er problemen zijn, zoals DNA-schade, onvolledige replicatie of verkeerde chromosoomuitlijning, om zo de integriteit van het genoom te waarborgen. #### 3.2.1 G1/S controlepunt en de rol van p53 Dit controlepunt reageert op DNA-schade. * **p53:** Een transcriptiefactor die wordt gestabiliseerd bij DNA-schade. * **p21:** Een Cdk-remmer die door p53 wordt geïnduceerd en de G1 Cdk-cycline complexen remt, waardoor de celcyclus stopt in G1. * **Puma:** Een eiwit dat apoptose (geprogrammeerde celdood) kan induceren als de schade niet hersteld kan worden. #### 3.2.2 S-fase controlepunten * **Licentie voor replicatie:** Zorgt ervoor dat DNA slechts éénmaal per celcyclus wordt gerepliceerd. Dit wordt gecontroleerd door eiwitten zoals ORC (origin recognition complex), helicase loaders en MCM (minichromosome maintenance complex). * **DNA-replicatie controlepunt:** Voorkomt dat mitose begint zolang er nog replicatievorken aanwezig zijn of er DNA-schade is. Het eiwitkinase ATR speelt hierbij een rol door een fosfatase te inactiveren dat nodig is voor de activatie van MPF. #### 3.2.3 G2/M controlepunt Dit controlepunt zorgt ervoor dat de celcelcyclus niet begint met mitose zolang er nog replicatievorken aanwezig zijn of er DNA-schade is. #### 3.2.4 Metafase-anafase controlepunt (Spindle Assembly Checkpoint - SAC) Dit controlepunt, ook wel het mid-mitose controlepunt genoemd, waarborgt dat alle chromosomen correct zijn uitgelijnd op het equatorvlak en verbonden zijn met de spoelfiguur. * **Mad en Bub eiwitten:** Vormen een complex dat Cdc20 remt. * **Cdc20:** Een activator van het APC. * Als alle kinetochoren correct zijn verbonden met microtubuli, wordt de remming van Cdc20 opgeheven, waardoor APC geactiveerd wordt en de cel kan overgaan naar anafase. #### 3.2.5 Rol van asymmetrische celdeling Asymmetrische celdeling is belangrijk voor de differentiatie van cellen, met name bij stamcellen, waarbij één dochtercel een stamcel blijft en de andere een meer gedifferentieerd lot heeft. Dit kan worden beïnvloed door de oriëntatie van de spoelas en de asymmetrische verdeling van cytoplasmatische componenten. ### 3.3 Regulatie van de celcyclus door groeifactoren Groeifactoren, ook wel mitogenen genoemd, zijn essentiële externe signalen die de cel proliferatie stimuleren, met name door het passeren van het restrictiepunt in G1. * **Stimulerende groeifactoren (bijv. EGF, PDGF):** * Bindend aan receptoren activeert intracellulaire signaalcascades (bijv. Ras-Raf-MEK-MAPK pathway). * Deze cascades leiden tot de transcriptie van "early genes" die transcriptiefactoren produceren. * Deze transcriptiefactoren induceren vervolgens de transcriptie van genen die nodig zijn voor de G0-G1 overgang, en uiteindelijk voor de G1/S transitie (bijv. E2F) en de synthese van S-fase cyclines en Cdk's. * **Insuline en AKT:** Insuline kan via de AKT kinase pathway apoptose remmen en celgroei stimuleren, onder andere door de activering van TOR kinase. * **Remmende groeifactoren (bijv. TGF-β):** * Deze factoren stimuleren de synthese van inhibitoren van Cdk's (bijv. p21, p15) via de SMAD signaalroute. * Dit resulteert in een remming van Cdk-cycline complexen en dus een vertraging of stopzetting van de celcyclus. De balans tussen stimulerende en remmende groeifactoren bepaalt of een cel prolifereert. ### 3.4 Apoptose (Geprogrammeerde celdood) Apoptose is een essentieel proces voor de verwijdering van beschadigde, overbodige of geïnfecteerde cellen, cruciaal tijdens de embryonale ontwikkeling en voor weefselhomeostase. * **Apoptose vs. Necrose:** Apoptose is een gecontroleerd proces dat leidt tot celkrimp en vorming van apoptotische lichaampjes, terwijl necrose een ongecontroleerde celbeschadiging is. * **Inductie van Apoptose:** * **Via 'death receptors':** Receptoren zoals de Fas-receptor of TNF-receptor op het celoppervlak kunnen signalen ontvangen die een cascade van caspases (cysteïne-aspartaat proteasen) activeren, wat leidt tot celdood. * **Withdrawal of survival factors:** Het wegvallen van overlevingssignalen kan apoptose induceren. * **DNA-schade:** Ernstige DNA-schade kan, via de p53 pathway, leiden tot de expressie van pro-apoptotische factoren zoals Puma, die de activiteit van anti-apoptotische eiwitten zoals Bcl-2 remmen. * **Caspases:** Deze enzymen zijn de effectoren van apoptose en breken intracellulaire componenten af. Caspase-9 speelt een sleutelrol in de intrinsieke apoptose route. > **Tip:** Begrip van de celcyclusregulatie en de bijbehorende controlepunten is essentieel voor het begrijpen van kanker, aangezien kanker wordt gekenmerkt door ongecontroleerde celproliferatie door defecten in deze mechanismen. > **Voorbeeld:** Overexpressie van cycline D, dat een G1 Cdk-cycline complex vormt, kan leiden tot ongecontroleerde passage van het G1/S restrictiepunt, zelfs zonder normale groeifactor signalen, en vermindert de effectiviteit van DNA-schade controlemechanismen, wat bijdraagt aan het ontstaan van kanker. --- # Groeifactoren en celproliferatie Groeifactoren spelen een cruciale rol in de regulatie van de celcyclus, met name in de overgang van de G1-fase naar de S-fase, door specifieke signaleringsroutes te activeren die leiden tot celgroei en celdeling. ### 4.1 De rol van groeifactoren in de celcyclus In multicellulaire organismen is celgroei en -deling niet alleen afhankelijk van voeding, maar ook van coördinatie tussen cellen, in tegenstelling tot kankercellen. Groeifactoren, ook wel mitogenen genoemd, zijn essentieel om de cel te stimuleren het restrictiepunt (G1/S-overgang) te passeren en zo de celcyclus te hervatten. Voorbeelden van dergelijke factoren zijn serum, epidermale groeifactor (EGF) en plaatjesafgeleide groeifactor (PDGF). Tegenovergesteld aan groeifactoren, zijn er ook groei-inhibitoren, zoals transformerende groeifactor bèta (TGF-$\beta$), die de celcyclus remmen via de inductie van Cdk-inhibitoren. ### 4.2 Signaleringsroutes van groeifactoren Groeifactoren initiëren hun effecten door binding aan specifieke receptoren op het celoppervlak. Deze binding activeert intracellulaire signaalcascades. #### 4.2.1 De Ras-pathway Een veelvoorkomende route is de Ras-pathway, geactiveerd door groeifactoren zoals EGF en PDGF. 1. **Binding aan receptor:** De groeifactor bindt aan zijn receptor op de celmembraan. 2. **Receptor dimerisatie en activatie:** De receptor dimeriseert en activeert intracellulaire signaalmoleculen. 3. **Ras-GTP:** Dit leidt uiteindelijk tot de activatie van Ras, een GTP-bindend eiwit. 4. **Raf-kinase activatie:** Ras-GTP activeert de eiwitkinase Raf. 5. **MEK-kinase activatie:** Raf activeert op zijn beurt de eiwitkinase MEK. 6. **MAPK-kinase activatie:** MEK activeert mitogeen-geactiveerde proteïne kinase (MAPK). 7. **Activatie van transcriptiefactoren:** MAPK's dringen de celkern binnen en fosforyleren en activeren transcriptiefactoren, zoals Ets en Jun/Fos. Deze transcriptiefactoren initiëren de expressie van "early genes", die coderen voor eiwitten die nodig zijn voor de G0-G1 overgang. Vervolgens worden "late genes" geïnduceerd, waaronder genen die coderen voor de transcriptiefactor E2F (essentieel voor de G1/S-transitie), S-fase cyclines (bv. cycline E) en S-fase Cdk's (bv. Cdk2). Deze moleculen faciliteren de overgang naar de S-fase. De Ras-pathway bevat amplificatiestappen die een nauwkeurige controle mogelijk maken. #### 4.2.2 De PI3K/Akt-pathway Andere groeifactoren, zoals insuline, activeren de fosfoinositide-3-kinase (PI3K)/Akt-pathway. 1. **Binding aan receptor:** Insuline bindt aan de insulinereceptor. 2. **PI3K activatie:** Dit leidt tot de vorming van PIP2 en PIP3, wat op zijn beurt de activatie van PI3K bevordert. 3. **Akt activatie:** PI3K activeert de kinase Akt. Akt fungeert als een overlevingskinase en heeft twee belangrijke functies: * **Remming van apoptose:** Akt fosforyleert het pro-apoptotische eiwit BAD. Fosfo-BAD is inactief, waardoor celdood wordt voorkomen. * **Stimulatie van celgroei:** Akt fosforyleert eiwitten die leiden tot celgroei. Een voorbeeld hiervan is de fosforylering van het GTP-bindende eiwit Rheb, dat op zijn beurt de eiwitkinase TOR activeert. TOR stimuleert eiwitsynthese, wat essentieel is voor celgroei tijdens de G1-fase. > **Tip:** Groeifactoren dragen dus bij aan zowel de stimulatie van celgroei als de preventie van celdood, wat cruciaal is voor de proliferatie van cellen. ### 4.3 Groei-inhibitoren en de celcyclus Naast stimulerende groeifactoren zijn er ook inhibitore factoren die de celcyclus reguleren. Transformerende groeifactor bèta (TGF-$\beta$) is een voorbeeld van een dergelijke factor. #### 4.3.1 Werking van TGF-$\beta$ TGF-$\beta$ bindt aan een complex van type I en type II receptoren, wat leidt tot de activatie van Smad-eiwitten. Deze Smad-eiwitten transloceren naar de celkern en fungeren als transcriptiefactoren. Ze activeren genen die coderen voor Cdk-inhibitoren, zoals p21. Deze inhibitoren binden aan Cdk-cycline complexen en remmen hun activiteit, waardoor de celcyclus wordt vertraagd of gestopt. > **Tip:** De balans tussen stimulerende groeifactoren en inhibitore groeifactoren bepaalt of een cel prolifereert en hoe snel dit proces verloopt. Omgevingsfactoren in multicellulaire organismen zijn dus belangrijke determinanten van celgroei en celdood. ### 4.4 Interactie tussen EGF en TGF-$\beta$ EGF en TGF-$\beta$ beïnvloeden de functie van Cdk-cycline complexen, zij het op verschillende manieren. * **EGF (mitogeen):** Reguleert het Cdk-cycline complex positief op transcriptioneel niveau. Het activeert de Ras-pathway, wat leidt tot een verhoogde transcriptie van genen die coderen voor cyclines en Cdk's via transcriptiefactoren zoals Myc en Jun/Fos. * **TGF-$\beta$ (inhibitor):** Reguleert het Cdk-cycline complex negatief op transcriptioneel niveau. Het activeert de Smad-pathway, wat leidt tot een verhoogde transcriptie van genen die coderen voor Cdk-inhibitoren (bv. p15 en p21). Wanneer een cel wordt blootgesteld aan zowel EGF als TGF-$\beta$, werken de geactiveerde signaalcascades tegen elkaar in. Dit mechanisme maakt een zeer precieze controle van celproliferatie mogelijk. ### 4.5 Groeifactoren en kanker Verstoringen in de signalering van groeifactoren kunnen leiden tot ongecontroleerde celproliferatie en kanker. Zo kan overexpressie van cycline D, dat samen met Cdk een G1 Cdk-cycline complex vormt, leiden tot kanker. * **Ontregeling van de G1/S-overgang:** Een verhoogde hoeveelheid cycline D leidt tot meer gefosforyleerd Rb-eiwit, waardoor cellen gemakkelijker het restrictiepunt passeren en de S-fase ingaan, zelfs zonder normale groeifactorstimulatie. * **Ontregeling van het DNA-schade controlepunt:** Verhoogde expressie van cycline D kan het DNA-schade controlepunt verzwakken. Hoewel p21 (een Cdk-inhibitor) tot expressie komt bij DNA-schade, is het aantal Cdk-cycline complexen zo hoog dat p21 niet alle complexen kan inactiveren. Deze ontregelingen leiden tot verhoogde proliferatie en andere problemen die geassocieerd worden met kanker. --- # Apoptose (geprogrammeerde celdood) Dit onderwerp introduceert apoptose, geprogrammeerde celdood, als een essentieel proces voor ontwikkeling en het verwijderen van beschadigde cellen, en contrasteert het met necrose. ## 5.1 Apoptose: een essentieel proces Apoptose is een cruciaal proces dat plaatsvindt tijdens de embryonale ontwikkeling en voor de verwijdering van beschadigde of onnodige cellen. Het is een actief, energieafhankelijk proces van celdood, dat verschilt van necrose, wat een passieve vorm van celbeschadiging is. ### 5.1.1 Apoptose versus necrose * **Apoptose:** Geprogrammeerde celdood, gekenmerkt door gecontroleerde celkrimp, fragmentatie en fagocytose zonder ontstekingsreactie. * **Necrose:** Pathologische celdood door externe factoren (trauma, gifstoffen), wat leidt tot celzwelling, lyses en een ontstekingsreactie. ### 5.1.2 Rol in ontwikkeling en celhomeostase Apoptose speelt een vitale rol bij: * **Embryonale ontwikkeling:** Vorming van structuren zoals vingers en tenen door het verwijderen van overtollig weefsel. * **Weefselhomeostase:** Handhaven van een balans tussen celgroei en celverlies in volwassen weefsels. * **Verwijdering van beschadigde of geïnfecteerde cellen:** Voorkomen van de verspreiding van schadelijke elementen. ### 5.1.3 Inductie van apoptose Apoptose kan worden geïnitieerd door twee hoofdroutes: 1. **Extrinsieke route (doodreceptor-gemedieerd):** * Gemedieerd door "death receptors" op het celoppervlak, zoals de Fas-receptor (ligand: FasL) en TNF-receptor (ligand: TNF). * Binding van een ligand aan de receptor triggert een signaalcascade die leidt tot activering van caspases. 2. **Intrinsieke route (mitochondriaal-gemedieerd):** * Geïnitieerd door stressfactoren zoals DNA-schade, oxidatieve stress of groei-onthouding. * Leidt tot veranderingen in de permeabiliteit van het mitochondriale membraan, vrijlating van cytochroom c en activering van caspases. * Regulatie door de balans tussen pro-apoptotische (bv. Bax, Bak) en anti-apoptotische (bv. Bcl-2, Bcl-XL) eiwitten in de mitochondriale membraan. De proteïne Bad, een pro-apoptotisch eiwit, wordt geïnactiveerd door fosforylering, wat de apoptose remt. ### 5.1.4 De rol van caspases Caspases zijn een familie van cysteïneproteases die een centrale rol spelen in de uitvoering van apoptose. Ze worden inactief geproduceerd en worden geactiveerd in een cascade, waarbij initiërende caspases effector caspases activeren. * **Initiërende caspases:** Worden direct geactiveerd door de inductiesignalen (bv. pro-caspase-8 geactiveerd door de death receptor-route). * **Effector caspases:** Worden geactiveerd door initiërende caspases en breken cellulaire componenten af die leiden tot de karakteristieke kenmerken van apoptose (bv. pro-caspase-3). ### 5.1.5 Mechanismen van celdood Tijdens apoptose ondergaat de cel specifieke veranderingen: * Celkrimp en condensatie van chromatine. * Vorming van apoptotische lichamen (fragmenten van de cel) die worden opgeruimd door fagocyten, wat voorkomt dat celinhoud vrijkomt en ontstekingen veroorzaakt. * Fragmentatie van het DNA. > **Tip:** Een belangrijke regulator van de intrinsieke route is de balans tussen de Bcl-2 familie eiwitten. Een verhoogde expressie van anti-apoptotische eiwitten remt apoptose, terwijl een verhoogde expressie van pro-apoptotische eiwitten apoptose bevordert. > **Voorbeeld:** Bij de ontwikkeling van het zenuwstelsel ondergaan veel neuronen apoptose. In knock-out muizen van het caspase-9 gen (een initiator caspase) is er minder apoptose in de hersenen, wat leidt tot een overmaat aan cellen en embryonale sterfte. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Celcyclus | De reeks gebeurtenissen die plaatsvinden in een cel tussen de ene celdeling en de volgende, bestaande uit interfase (G1, S, G2) en de M-fase (mitose en cytokinese). | | Mitose | Een proces van kerndeling waarbij een enkele moedercel zich deelt in twee genetisch identieke dochtercellen, essentieel voor groei, herstel en aseksuele voortplanting. | | Cytokinese | De fysieke celdeling die volgt op mitose (of meiose), waarbij het cytoplasma van de moedercel zich splitst om twee afzonderlijke dochtercellen te vormen. | | Interfase | De periode in de celcyclus tussen twee opeenvolgende celdelingen, waarin de cel groeit, zijn DNA repliceert en zich voorbereidt op de mitose. | | G1-fase | De eerste groeifase van de interfase, waarin de cel groeit, eiwitten en RNA synthetiseert en zich voorbereidt op DNA-replicatie. | | S-fase | De synthesefase van de interfase, waarin de cel zijn DNA repliceert, zodat elke chromosoom uit twee zusterchromatiden bestaat. | | G2-fase | De tweede groeifase van de interfase, waarin de cel verder groeit en zich voorbereidt op de mitose door de synthese van eiwitten die nodig zijn voor celdeling. | | G0-fase | Een rusttoestand buiten de celcyclus waarin cellen zich tijdelijk of permanent terugtrekken uit de deling, bijvoorbeeld na terminale differentiatie of in afwachting van een groeistimulus. | | M-fase | De mitotische fase van de celcyclus, bestaande uit mitose (kerndeling) en cytokinese (cytoplasmadeling), resulterend in twee dochtercellen. | | Chromosoom | Een drager van genetische informatie, bestaande uit een lange, opgerolde streng DNA, die zichtbaar wordt tijdens de mitose. | | Zusterchromatiden | Twee identieke kopieën van een DNA-molecuul die na replicatie aan elkaar vastzitten bij het centromeer, en die tijdens de mitose gescheiden worden. | | Homologe chromosomen | Paren van chromosomen in diploïde cellen die dezelfde genen bevatten, één geërfd van elke ouder. | | Kinetochoor | Een eiwitcomplex op het centromeer van een chromosoom waaraan de microtubuli van de spoelfiguur binden tijdens de mitose en meiose. | | Mitotische spoel | Een structuur gevormd door microtubuli die zich uitstrekt tussen de twee polen van een delende cel, verantwoordelijk voor de scheiding van de chromosomen. | | Centrosomen | Organellen in dierlijke cellen die fungeren als microtubulus-organiserende centra (MTOC) en een belangrijke rol spelen bij de vorming van de mitotische spoel. | | Microtubuli | Holle buisvormige structuren die deel uitmaken van het cytoskelet en essentieel zijn voor celvorm, celbeweging en het transport van organellen, en ook voor de mitotische spoel. | | Congression | Het proces waarbij de chromosomen zich naar het midden (equatorvlak) van de cel bewegen en daar worden uitgelijnd op de metafaseplaat tijdens de mitose. | | Metafaseplaat | Het denkbeeldige vlak in het midden van de cel waar de chromosomen zich verzamelen tijdens de metafase van de mitose. | | Cohesine | Een eiwitcomplex dat zusterchromatiden aan elkaar bindt vanaf de S-fase tot aan de anafase, wanneer het wordt afgebroken. | | Anafase A | De eerste fase van de anafase, waarbij de kinetochoor microtubuli korter worden en de gescheiden chromatiden naar de tegenovergestelde polen van de cel trekken. | | Anafase B | De tweede fase van de anafase, waarbij de polaire microtubuli langer worden en de twee polen van de cel verder van elkaar verwijderen. | | Motor-eiwitten | Eiwitten zoals kinesine en dyneïne die energie uit ATP-hydrolyse gebruiken om beweging te genereren, zoals het verplaatsen van chromosomen of het verlengen/verkorten van microtubuli. | | Telofase | De laatste fase van de mitose, waarin de chromosomen de polen bereiken, decondenseren, en nieuwe kernmembranen en nucleoli zich vormen. | | Contractiele ring | Een ring van actine- en myosinefilamenten die zich vormt rond de evenaar van een delende dierlijke cel en samentrekt om cytokinese te bewerkstelligen. | | Celplaat | Een structuur die zich vormt in het midden van een delende plantencel tijdens de cytokinese, waaruit de nieuwe celwand wordt gevormd. | | Asymmetrische deling | Een celdeling waarbij de twee dochtercellen verschillen in grootte, inhoud of uiteindelijke 'lot', wat belangrijk is voor differentiatie en stamcelbehoud. | | Cycline-afhankelijke eiwitkinasen (Cdk's) | Enzymen die een cruciale rol spelen bij de regulatie van de celcyclus door cyclines te binden en specifieke eiwitten te fosforyleren, waardoor de celovergang naar de volgende fase wordt gestimuleerd. | | Cyclines | Eiwitten waarvan de concentratie fluctueert gedurende de celcyclus en die nodig zijn voor de activatie van Cdk's. | | Checkpoints (controlepunten) | Signaalmechanismen die de celcyclus controleren en stoppen indien er fouten zijn opgetreden, zoals DNA-schade of onjuiste chromosoomuitlijning, om de integriteit van het genoom te waarborgen. | | G1/S transitiepunt | Een belangrijk controlepunt aan het einde van de G1-fase dat bepaalt of de cel overgaat naar de S-fase voor DNA-replicatie, vaak gereguleerd door Rb en E2F. | | G2/M transitiepunt | Een controlepunt aan het einde van de G2-fase dat ervoor zorgt dat de cel overgaat naar de mitose nadat de DNA-replicatie is voltooid en eventuele schade is hersteld. | | Metafase-anafase transitie | Een controlepunt dat ervoor zorgt dat alle chromosomen correct zijn uitgelijnd op de metafaseplaat en verbonden zijn met microtubuli van beide polen voordat de zusterchromatiden worden gescheiden. | | Anafase Promoting Complex (APC) | Een E3 ubiquitine ligase dat essentieel is voor de metafase-anafase transitie door het afbreken van specifieke eiwitten, zoals securine en cyclines, waardoor anafase wordt geïnitieerd. | | Replicatie licentie | Het proces dat ervoor zorgt dat het DNA slechts één keer per celcyclus wordt gerepliceerd, gereguleerd door de interactie van ORC, helicase laders, MCM complexen en geminine. | | DNA-schade controlepunt | Een controlepunt dat de celcyclus stopt als er schade aan het DNA wordt gedetecteerd, waardoor tijd ontstaat voor DNA-herstel of inductie van apoptose, vaak via p53. | | Groeifactoren (mitogenen) | Signaalmoleculen die de celgroei en celdeling stimuleren door te binden aan receptoren op het celoppervlak en signaleringscascades te activeren die leiden tot de overgang door het restrictiepunt. | | TGF-β (Transforming Growth Factor-beta) | Een signaalmolecuul dat in veel contexten celgroei remt door de expressie van Cdk-inhibitoren te induceren. | | Apoptose | Geprogrammeerde celdood, een gecontroleerd proces dat essentieel is voor de ontwikkeling, weefselhomeostase en de verwijdering van beschadigde of onnodige cellen. | | Necrose | Ongecontroleerde celdood veroorzaakt door externe factoren zoals letsel of infectie, wat leidt tot celzwelling en lysis, en vaak ontstekingsreacties teweegbrengt. | | Death receptors | Receptoren op het celoppervlak die, bij binding van specifieke liganden, een signaalcascade initiëren die leidt tot apoptose. | | Bcl-2 familie | Een groep eiwitten die de mitochondriële membraanpermeabiliteit reguleert en een sleutelrol speelt in de regulatie van apoptose, met zowel pro-apoptotische als anti-apoptotische leden. | | Caspase-9 | Een initiërende caspase die betrokken is bij de intrinsieke route van apoptose, geactiveerd door het cytochroom c-Apaf-1 complex en die vervolgens andere caspases activeert om de celdood te bewerkstelligen. | | Flow cytometrie | Een techniek die de fysieke en chemische kenmerken van individuele cellen in een suspensie meet door ze één voor één door een laserbundel te leiden en de verstrooiing en fluorescentie te analyseren. | | Fluorescence-activated cell sorting (FACS) | Een geavanceerde vorm van flow cytometrie die cellen selecteert en sorteert op basis van hun fluorescentie-eigenschappen, waardoor specifieke celpopulaties geïsoleerd kunnen worden. |