Før mitosen depolymeriserer mikrotubuli, og repolymeriserer før profase til et ringformet preprofasebånd (PPB) på stedet for den nye celleveggen. I profase samles mikrotubuli til en profasespindel på to sider av cellekjernen, og disse organiserer mikrotubuli. Ligner på centrosom hos dyr. I metafase forsvinner kjernemembranen, preprofasebåndet, mikrotubuli reorganiseres til en mitosespindel. Noen mikrotubuli er festet til kromosomene som kinetokor i centromeren, noen er ikke festet. Celleplaten med pektin virker som forløper for ny ellevegg. Celleplaten er dannet ved samling av vesikler i midtsonen av spindel organisert av fragmoplast bestående av endoplasmatisk retikulum (ER) og mikrotubuli. Dette skjer i overgang anafase-telofase . Fragmoplasten deltar i avlevering av sekretoriske vesikler med celleveggmateriale som er med å bygger opp den nye celleveggen hos planter.
Cellesyklus og kontroll av celledelingen
Sekvensen G1 (forberedelse til DNA replikasjon, prereplikasjonskompleks ved replikasjon) - S (syntese og DNA-replikasjon) - G2 (forberedelse til mitose) - M (mitose) kalles cellesyklus. En gruppe proteiner kalt cycliner starter cellesyklus og initierer mitosen. Mengden cykliner forandrer seg betydelig gjennom syklus fra nær null tidlig i G1 til en topp ved starten av mitosen, for deretter å falle tilbake til null seinere i mitosen. Genene som koder for cykliner har blitt klonet og de er konserverte. I planter behøver nødvendigvis ikke mitosen etterfølge replikasjonen av kromosomer, selv om det vanligvis skjer i meristematiske celler. Celler som forlater G2 vil bli tetraploide. Celler i bladmesofyll kan ofte være tetraploide. Polyploidi oppstår fordi cellene går igjennom G1-S-G2 flere ganger uten å gå inn i mitosen. Tre prosesser i celledelingen spiller en viktig rolle i plantenes utvikling:
1) Start av organdannelse fra celledelinger i et meristem.
2) Celledelingsplanet bestemmer formen på et planteorgan.
3) Start av celledifferensiering.
I mosetning til røtter har stengelvev liten vekst når stengelbiter dyrkes kunstig i et enkelt kulturmedium. Det er først når det dannes adeventivrøtter på stengelbitene at veksten tiltar. Det må være en rotavledet faktor som regulerer vekst av skuddet. Plantehormonene auxin og cytokinin deltar i cellesyklus hvor auxin regulerer hendelser tilknyttet DNA replikasjonen og cytokinin regulerer hendelser tilknyttet mitosen. Krongalle på planter forårsaket av bakterien Agrobacterium tumefasciens er et eksempel på en form for kallusvekst styrt av auxin og cytokinin. Cytokininer må ikke forveksles med cytokiner fra immunsystemet hos vertebrater.
Dannelse av lukkecellene i spalteåpningene i epidermis er et eksempel på ulik celledeling hvor den mitotiske spindel ikke er sentrert i cellen og de to dattercellene får forskjellig størrelse. Lukkecellene har i tillegg kloroplaster, noe de andre cellene i epidermis ikke har. Utvikling av rothår er et annet eksempel på ulik celledeling.
I 2001 fikk Leland Hartwell, Tim Hunt og Paul Nurse nobelprisen i fyiologi og medisin for banebrytende studier av reguleringen av cellesyklus. Det startet på 1970-tallet med bruk av enkle modellorganismer. Selv om ikke alle studiene er gjort på planteceller er det svært mange likhetspunkter i cellesyklus hos alle eukaryoter, som viser det evolusjonære slektskapet.
Fire faser i cellesyklus
Cellesyklus består av 4 faser:
M - Mitose hvor kromosomene kondenseres og atskilles og det skjer en celledeling (cytokinese). Kjernemembranen brytes ned, mitotisk spindel dannes, replikerte kromosomer festes til spindel. I overgang metafase til anafase skilles to kromatider lag. Datterkromosomer trekkes til motsatte poler.
S - Syntese av DNA og replikasjon av kjerne-DNA. Mengden DNA dobles i S-fasen og halveres i mitosen.
G1 - Gap som atskiller M og S. Kromosomene er diffuse og det er ingen tydelig struktur i kjernen. Cellen gjør forberedelser til DNA-replikasjon. Kraftig regulering ved G1.
G2 - Gap mellom S og M hvor cellen forbereder seg til mitose og celledeling.
Celler som deler seg må igjennom syklusen G1-S-G2-M for å kunne gi to datterceller. Hos planter lages det en celleplate mellom de to nye cellekjernene før de atskilles med en cellevegg. Hartwell brukte vanlig knoppskytende bakegjær (Saccharomyces cerevisiae) til sine studier og identifiserte gener som kodet for delingen av disse eukaryote cellene. Nurse brukte fisjonsgjæren Schizosaccharomyces pombe. Det ble isolert cdc celledelingsmutanter (cdc - “cell division control”). Celledelingen ble med forskjellige metoder synkronisert og med disse metodene kunne de vise at mange proteiner deltar i cellesyklus i en dynamisk opp- og nedbygging ved kontrollpunkter. Protein kinaser og protein fosfataser deltar i styringen av celledlingen.
Sykliner
Cykliner (sykliner) er en familie med reguleringsproteiner som lages og brytes ned under cellesyklus. Sykliner er i rask omsetning via merking med ubiquitin og nedbrytning i proteasomer. Når et syklin binder seg til en syklinavhemgig protein kinase (CDK) eksponeres det katalytiske sete og fosforyleringen av proteiner starter.
Det finnes fire hovedtyper sykliner:
G1/S-cykliner hvor cyklin E aktiverer seint i G1.
S-cykliner hvor cyklin A aktiverer ved start av S
M-cykliner hvor cyklin B aktiverer like før M
G1-cykliner hvor cyklin D aktiverer tidlig i G1.
Hos planter kan plantehormonene cytokinin og brassinosteroid kan virke via økning i cycD3.
Hos dyr er det flere enn ti forskjellige sykliner (syklin A, syklin B, syklin C osv.) og minst åtte forskjellige syklinavhengige protein kinaser (CDK1, CDK2, CDK3,..CDK8, “cyklin dependent protein kinase”) som regulerer og kontrollerer forskjellige stadier av cellesyklus. Både vekstfaktorer og cytokiner hos dyr gir via MAPK kaskade økt syntese og aktivering av sykliner og cyklinavhengige protein kinaser via transkripsjonsfaktorene Jun (cJun), Fos (cFos) og E2F. Cytokiner er en gruppe små peptider som deltar i immunreaksjoner og blir laget av flere immunceller. Transkripsjonsfaktorer i familien E2F deltar i overgangen mellom G1 og S. Jun-c virker i G1.
Aktiviteten til de cyklinavhengige kinasene er under streng reguleringskontroll. Aktiviteten til cyklinavhengige kinaser skjer ved fosforylering og defosforylering av CDK eller via regulering av syntesen av CDK. CDK finnes i både aktive og inaktive former avhengig av hvilke av aminosyrene threonin eller tyrosin på enzymet som er fosforylert. Reguleringen kan også skje ved separate inhibitorer (CDI) (“cyklin dependent kinase inhibitor”). Hos planter kan plantehormonet abscisinsyre kan bl.a. indusere syntese av CDI.
CDK er konserverte proteiner gjennom evolusjonen og de har bindingssete for ATP i den N-terminale enden. De har også et PSTAIRE-domene som kan binde cykliner. CDK1 bestemmer om celler skal gå fra G2 til M. CDK 2 og CDK3 avgjør om cellene skal gå fra G1 til S, og CDK4 og CDK 6 i G1 bestemmer om det skal bli en ny syklus eller ikke. Hvis det har skjedd et brudd i DNA i en celle som skal dele seg så stopper cellesyklus. Ved skader og brudd i DNA virker syklinavhengige protein kinaser via retinoblastomprotein (pRb). Fosforylert retinoblastomprotein deltar i vanlig celledeling, men når retinoblastomprotein ikke er fosforylert ved dobbeltbrudd i DNA registrert av proteinkomplekset MRN (Mre11, Rad50, Nbs1) så binder ikke-fosforylert pRb det seg til transkripsjonsfaktoren E2F og blokkerer cellesyklus fra å gå over fra fase G1 til S-fase. Retinoblastomprotein har fått navn fra en cellelinje fra retinablastom. Nå kan enten DNA-skaden repareres før cellesyklus fortsetter, e.g. ved homolog rekombinasjon, eller cellen kan inngå i programmert celledød (apoptose).
Hunt arbeidet med oocytter i sjøpinnsvin og fant at mitoseforberedende faktorer (MPF - “mitosis promoting factor”) var nødvendige for å få cellene inn i mitosen. Økningen i MPF fulgte økning i cykliner. Mengden cykliner i sjøpinnsvinegg øker og minker periodisk gjennom cellesyklus. Starten på DNA-replikasjonen må være nøyaktig bestemt og skje bare en gang i løpet av cellesyklus. Celler i S-fase inneholder en aktivator som får kjerner i G1-fase til å gå inn i S, og en repressor hemmer DNA-replikasjonen før cellene går inn i M. Kontrollpunktene i cellesyklus hindrer at celler som har hatt feil ved dupliseringen av kromosomer går inn i mitose. Kontrollpunktene finnes både i og før S-fase og i G2. I G1 bestemmes det om cellene skal gå inn i en ny cellesyklus. Hvis det skulle skje en mitose i G1 vil dette gi tap av kromosom (aneuploidi).
MCM-proteiner (MCM -“minichromosome maintenance) er nødvendige for replikasjonen og finnes i cellekjernen i G1-fase, men i cytoplasma i S og G2. MCM-proteiner og cdc - proteiner (cdc-“cell division control”) danner et kompleks som gir cellen lisens til å starte DNA-replikasjon. Det finnes 6 forskjellige MCM-proteiner hos eukaryoter. Disse har en konservert sekvens på 210 aminosyrer med likheter til en DNA-avhengig ATPase. For å øke hastigheten på DNA-replikasjonen starter replikasjonen på mange steder langs kromosomene. Starten på hver av replikasjonspunktene merkes med et gjenkjennelseskompleks med proteiner (ORC -“origin recognition complex”) inkludert MCM-proteiner. Replikasjonspunktene kan gjenkjennes som replikasjonsbobler langs DNA-heliksen.
I profase i mitosen er kromosomene tykke og består av 2 kromatider. Både kjernemembranen, nukleolus og preprofasebåndet forsvinner og det begynner å dannes en spindel fra pol til pol i cellen. Topoisomeraser lager supertvinning av DNA og kromosomene kan observeres i et lysmikroskop. Kjernemembranen blir opprettholdt intakt av intermediære filamenter i cytoskjelettet bestående av proteinet lamin. Når lamin bli fosforylert av syklinavhengige protein kinaser starter nedbrytning av kjernemembranen.
I metafase samles alle kromosomene i cellens ekvator, og celledelingen kan ikke fortsettes før alle kromosomene ligger i ett plan. Kinetokore mikrotubuli binder seg til centromerene på kromosomene og det går polare mikrotubuli til de to polene i cellen. Kondensiner og kohesiner er proteiner som lages i S-fase og pakker DNA og kromatin slik at det blir mulig å trekke dem gjennom cytoplasma uten at DNA ødelegges.
Anafaseforberedene kompleks (APC - “anaphase promoting complex”) er et stort proteinkompleks som gjør at søsterkromatidene kan atskilles i anafase. Protein som holder kromatidene sammen nedbrytes og det samme gjør M-fase cykliner. Proteiner som har utspilt sin rolle i cellesyklus og skal nedbrytes blir merket ved å binde dem til ubiquitin. Ubiquitinmerkete proteiner gjenkjennes av 26S proteasomer går til videre nedbrytning. Overgangen fra metafase til anafase skjer via fosforylering av APC styrt av cyklinavhengig protein kinase (CDC5) som virker som en biokjemisk bryter.
I telofase omgis kromatidene av kjernemembraner. Kinetochore mikrotubuli forsvinner, kromosomene dekondenseres og oppbyggingen av celleplaten påbegynnes.
Ved cytokinesen er det to datterceller atskilt av en ny cellevegg hos planter, men hvor cellene står i kontakt med hverandre gjennom primære plasmodesmata hos planter, tilsvarende gapkoblinger hos dyr. Cellekjernen er omgitt av en fullstendig kjernemembran og nukleolus gjendannes. CDK deltar også i virkningen av motorproteinene ATP-drevet myosin og aktin.
Celldeling planter
Plantehormonene auxin og cytokinin gir økt mengde G1-cykliner. Cytokinin kan få celler til å gå inn i mitose ved å aktivere en fosfatase som fjerner fosfat fra tyrosin og gjør at en cyklinavhengig protein kinase (CDK) igjen blir aktiv. Abscisinsyre kan hemme CDK.
Polyploidi er vanlig i planteceller og oppstår hvis cellen hopper over M-fase og gjennomgår cellesyklus flere ganger før den endelige celledelingen. Polyploidi er korrelert med alderen til cellevevet og i eldre celler i en plante er polyploidi mer utbredt enn i unge celler. Polyploidi i de reproduktive strukturer kan gi raskere genevolusjon og artsdannelse med økt tilpasning. Det er ikke bare i cellekjernen hvor det skjer DNA replikasjon. Organelle DNA i plastider og mitokondrier blir også replikert. Det kan finnes fra 20-100 kopier med mitokondrie DNA (mtDNA) i et mitokondrium og fra 50-150 kopier med kloroplast DNA (cp-DNA) per plastide.
DNA-skader
Fra gjærceller er det kjent at skader på DNA kan aktivere RAD gener. RAD proteiner kan f.eks. gi beskyttelse mot radioaktiv stråling. RAD3 er en DNA-avhengig protein kinase som aktiveres ved binding av enkelttrådet DNA, og som videre aktiverer en kontrollpunkt kinase chk1 (“check point kinase”) som kan stoppe cellesyklus ved å hemme en cyklinavhenig protein kinase. ATM (Ataxia Telangiectasia mutasjon) hos mennesker er en homolog til RAD3, og hvis det skjer en mutasjon i genet som lager dette proteinet gir dette økt kreftfrekvens. Hos pattedyr er det retinoblastomproteiner (Rb-proteiner) som styrer overgangen fra G1 til S. Rb-proteinene må fosforyleres for å være aktiv og ved fosforyleringen fjernes transkripsjonsfaktoren E2F fra Rb-proteinet. Mutasjoner i genet som lager Rb-proteinet kan gi økt mulighet for kreft.
Ukontrollert celldeling
Til tross for det usedvanlige komplekse reguleringsapparatet som styrer celledeling, så kan det forekomme ukontrollert celldeling. Hos planter kan det dannes kallus. Hos dyr kan det gi kreft, spesielt i celler hvor det foregår kontinuerlig aktiv celledeling som i epitelceller og hudceller. Årsaken til feil i celledelingen er DNA-skader og mutasjoner forårsaket av kortbølget elektromagnetisk stråling (UV-stråling, røngten-stråling), radioaktiv stråling (gamma-, beta-, alfa-stråling), kjemiske stoffer (mutagener, karsinogener, teratogener) eller virus. Det kan skje mutasjoner i noen av genene som styrer reguleringsfaktorer i cellesyklus (protein kinaser, G-proteiner, vekstfaktorer (epidermale vekstfaktor reseptorer (EGFR, HER2, ERRB-familien), transkripsjonsfaktorer (Fos, Jun), reseptorkinaser (tyrosin kinase RTK, ATM serin-threonin kinase), hormonreseptorer (østrogen-, progesteron-reseptor) og disse befinner seg i DNA (genomet) som onkogener. Onkogener ble først oppdaget i virus som kan fremkalle kreft (kreftvirus) og de hadde sin opprinnelse fra proto-onkogener i vertscellen. Ved en virusinfeksjon hvor et virus plasserer sitt genom i vertsgenomet kan viruset ta med seg gener. I virus er det ofte høy mutasjonsrate, og muterte onkogener kan bli plassert tilbake til vertscellens DNA og kan der forstyrre kontrollmekanismene i cellesyklus. Onkogener kan i visse tilfeller bidra til ukontrollert celledeling. Eksempler på onkogener hos mennesket er ras, erB2. Tumorsupressorgener koder for tumorsupressorproteiner som stopper celledeling, og mutasjoner i disse genene kan gi ukontrollert celledeling når de befinner som som dobbeltrecessive alleler. Eksempler er mutasjoner i tumorsupressorgenene p53 , p21og apc.
Det er i de seinere år utviklet en rekke meget kostbare legemidler som interferer med og blokkerer molekylære signalveier som induserer celledeling.