CENTRIOLEN: FUNKTIONEN UND EIGENSCHAFTEN - WISSENSCHAFT - 2025

Die Zentriolen sind zylindrische Strukturen, die aus Zellclustern von Mikrotubuli bestehen. Sie bestehen aus dem Protein Tubulin, das in den meisten eukaryotischen Zellen vorkommt.

Ein assoziiertes Paar von Zentriolen, umgeben von einer formlosen Masse dichten Materials, das als perizentrioläres Material (PCM) bezeichnet wird, bildet eine Struktur, die als Zentrosom bezeichnet wird.

Zentriolen sind zylindrische Strukturen, die aus Clustern von Mikrotubuli bestehen. Die meisten Zentriolen bestehen aus neun Sätzen von Mikrotubuli-Trios, die in einem Zylinder angeordnet sind.

Die Funktion der Zentriolen besteht darin, den Aufbau von Mikrotubuli zu steuern, die an der Zellorganisation (Position des Kerns und räumliche Anordnung der Zelle), der Bildung und Funktion von Flagellen und Zilien (Ciliogenese) und der Zellteilung (Mitose und Meiose) beteiligt sind.

Centriolen kommen in zellulären Strukturen vor, die als Zentrosomen in tierischen Zellen bekannt sind, und fehlen in Pflanzenzellen.

Defekte in der Struktur oder Anzahl der Zentriolen in jeder Zelle können erhebliche Konsequenzen für die Physiologie eines Organismus haben und unter anderem Veränderungen in der Reaktion auf Stress während Entzündungen, männlicher Unfruchtbarkeit, neurodegenerativen Erkrankungen und Tumorbildung hervorrufen.

Ein Zentriol ist eine zylindrische Struktur. Ein Paar assoziierter Zentriolen, umgeben von einer formlosen Masse dichten Materials (als "perizentrioläres Material" oder PCM bezeichnet), bildet eine Verbundstruktur, die als "Zentrosom" bezeichnet wird.

Sie galten bis vor einigen Jahren als unwichtig, als der Schluss gezogen wurde, dass sie die Hauptorganellen bei der Leitung der Zellteilung und -duplikation (Mitose) in eukaryotischen Zellen (hauptsächlich bei Menschen und anderen Tieren) waren.

Die Zelle

Der letzte gemeinsame Vorfahr allen Lebens auf der Erde war eine einzelne Zelle, und der letzte gemeinsame Vorfahr aller Eukaryoten war eine Flimmerzelle mit Zentriolen.

Jeder Organismus besteht aus einer Gruppe interagierender Zellen. Organismen enthalten Organe, Organe bestehen aus Geweben, Gewebe bestehen aus Zellen und Zellen bestehen aus Molekülen.

Alle Zellen verwenden dieselben molekularen "Bausteine", ähnliche Methoden zur Speicherung, Aufrechterhaltung und Expression genetischer Informationen sowie ähnliche Prozesse des Energiestoffwechsels, des molekularen Transports, der Signalübertragung, der Entwicklung und der Struktur.

Mikrotubuli

In den frühen Tagen der Elektronenmikroskopie beobachteten Zellbiologen lange Tubuli im Zytoplasma, die sie Mikrotubuli nannten.

Es wurden morphologisch ähnliche Mikrotubuli beobachtet, die die Fasern der mitotischen Spindel als Bestandteile der Axone von Neuronen und als Strukturelemente in den Zilien und Flagellen bildeten.

Eine sorgfältige Untersuchung der einzelnen Mikrotubuli ergab, dass sie alle aus 13 Längseinheiten (jetzt Protofilamente genannt) bestanden, die aus einem Hauptprotein (bestehend aus einer eng verwandten α-Tubulin- und β-Tubulin-Untereinheit) und mehreren damit verbundenen Proteinen bestanden Mikrotubuli (MAPs).

Zusätzlich zu ihren Funktionen in anderen Zellen sind Mikrotubuli für das Wachstum, die Morphologie, die Migration und die Polarität des Neurons sowie für die Entwicklung, Aufrechterhaltung und das Überleben eines effizienten Nervensystems von wesentlicher Bedeutung .

Die Bedeutung einer empfindlichen Wechselwirkung zwischen Komponenten des Zytoskeletts (Mikrotubuli, Aktinfilamente, Zwischenfilamente und Septine) spiegelt sich in mehreren neurodegenerativen Erkrankungen des Menschen wider, die mit einer abnormalen Dynamik der Mikrotubuli zusammenhängen, einschließlich Parkinson und Alzheimer.

Zilien und Flagellen

Zilien und Flagellen sind Organellen, die sich auf der Oberfläche der meisten eukaryotischen Zellen befinden. Sie bestehen hauptsächlich aus Mikrotubuli und Membran.

Die Beweglichkeit der Spermien beruht auf mobilen Zytoskelettelementen im Schwanz, die Axoneme genannt werden. Die Struktur von Axonemen besteht aus 9 Gruppen von jeweils 2 Mikrotubuli, molekularen Motoren (Dyneinen) und deren regulatorischen Strukturen.

Centriolen spielen eine zentrale Rolle bei der Ciliogenese und dem Fortschreiten des Zellzyklus. Die Reifung des Zentriols führt zu einer Funktionsänderung, die von der Zellteilung zur Ziliumbildung führt.

Defekte in der Struktur oder Funktion des Axonems oder der Zilien verursachen beim Menschen multiple Störungen, die als Ciliopathien bezeichnet werden. Diese Krankheiten betreffen verschiedene Gewebe, einschließlich Augen, Nieren, Gehirn, Lunge und Spermienmotilität (was häufig zu männlicher Unfruchtbarkeit führt).

Das Zentriol

Neun Tripletts von Mikrotubuli, die um einen Umfang angeordnet sind (einen kurzen Hohlzylinder bilden), sind die "Bausteine" und die Hauptstruktur eines Zentriols.

Viele Jahre lang wurde die Struktur und Funktion der Zentriolen ignoriert, obwohl das Zentrosom in den 1880er Jahren lichtmikroskopisch sichtbar gemacht worden war.

Theodor Boveri veröffentlichte 1888 eine wegweisende Arbeit, in der die Herkunft des Zentrosoms aus Spermien nach der Befruchtung beschrieben wurde. In seiner kurzen Mitteilung von 1887 schrieb Boveri:

„Das Zentrosom repräsentiert das dynamische Zentrum der Zelle. Seine Teilung schafft die Zentren der gebildeten Tochterzellen, um die alle anderen zellulären Komponenten symmetrisch organisiert sind… Das Zentrosom ist das wahre Teilungsorgan der Zelle, es vermittelt die Kern- und Zellteilung “(Scheer, 2014: 1). . .

Kurz nach der Mitte des 20. Jahrhunderts, mit der Entwicklung der Elektronenmikroskopie, wurde das Verhalten von Zentriolen von Paul Schafer untersucht und erklärt.

Leider wurde diese Arbeit zum großen Teil ignoriert, da sich die Forscher allmählich auf die Ergebnisse von Watson und Krick zur DNA konzentrierten.

Das Zentrosom

Ein Paar von Zentriolen, die sich neben dem Kern und senkrecht zueinander befinden, sind "ein Zentrosom". Eine der Zentriolen ist als "Vater" (oder Mutter) bekannt. Der andere ist als "Sohn" (oder Tochter; er ist etwas kürzer und hat seine Basis an der Basis der Mutter befestigt) bekannt.

Die proximalen Enden (an der Verbindung der beiden Zentriolen) sind in eine Proteinwolke (möglicherweise bis zu 300 oder mehr) eingetaucht, die als Mikrotubuli-Organisationszentrum (MTOC) bekannt ist, da sie das für den Aufbau erforderliche Protein liefert Mikrotubuli.

MTOC ist auch als "perizentrioläres Material" bekannt und negativ geladen. Umgekehrt sind die distalen Enden (von der Verbindung der beiden Zentriolen entfernt) positiv geladen.

Das Paar von Zentriolen wird zusammen mit dem umgebenden MTOC als "Zentrosom" bezeichnet.

Duplikation von Zentrosomen

Wenn sich die Zentriolen zu duplizieren beginnen, trennen sich Vater und Sohn leicht, und dann beginnt jedes Zentriol an seiner Basis ein neues Zentriol zu bilden: der Vater mit einem neuen Sohn und der Sohn mit einem eigenen neuen Sohn (ein "Enkel"). .

Während eine Zentriolduplikation auftritt, dupliziert und trennt sich auch die Kern-DNA. Das heißt, aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass die Duplikation von Zentriolen und die DNA-Trennung irgendwie miteinander verbunden sind.

Zellduplikation und -teilung (Mitose)

Der mitotische Prozess wird häufig als Initiatorphase beschrieben, die als "Schnittstelle" bezeichnet wird, gefolgt von vier Entwicklungsphasen.

Während der Interphase duplizieren sich die Zentriolen und trennen sich in zwei Paare (eines dieser Paare beginnt sich zur gegenüberliegenden Seite des Kerns zu bewegen) und die DNA teilt sich.

Nach der Verdoppelung der Zentriolen dehnen sich die Mikrotubuli der Zentriolen aus und richten sich entlang der Hauptachse des Kerns aus und bilden die "mitotische Spindel".

In der ersten der vier Entwicklungsphasen (Phase I oder "Prophase") kondensieren die Chromosomen und rücken näher zusammen, und die Kernmembran beginnt sich zu schwächen und aufzulösen. Gleichzeitig wird die mitotische Spindel mit den Zentriolenpaaren gebildet, die sich jetzt an den Enden der Spindel befinden.

In der zweiten Phase (Phase II oder "Metaphase") richten sich die Ketten der Chromosomen nach der Achse der mitotischen Spindel aus.

In der dritten Phase (Phase III oder "Anaphase") teilen sich die Chromosomenketten und bewegen sich zu entgegengesetzten Enden der nun verlängerten mitotischen Spindel.

Schließlich bilden sich in der vierten Phase (Phase IV oder "Telophase") neue Kernmembranen um die getrennten Chromosomen, die mitotische Spindel fällt auseinander und die Zelltrennung beginnt mit der Hälfte des Zytoplasmas, das zu jedem neuen Kern gehört, zu vervollständigen.

An jedem Ende der mitotischen Spindel üben die Zentriolenpaare während des gesamten Zellteilungsprozesses einen wichtigen Einfluss aus (offensichtlich im Zusammenhang mit den Kräften, die durch die elektromagnetischen Felder ausgeübt werden, die durch die negativen und positiven Ladungen an ihrem proximalen und distalen Ende erzeugt werden).

Das Zentrosom und die Immunantwort

Stress beeinflusst die Funktion, Qualität und Lebensdauer eines Organismus. Der Stress, der beispielsweise durch eine Infektion erzeugt wird, kann zu einer Entzündung des infizierten Gewebes führen und die Immunantwort im Körper aktivieren. Diese Reaktion schützt den betroffenen Organismus und eliminiert den Erreger.

Viele Aspekte der Funktionalität des Immunsystems sind bekannt. Die molekularen, strukturellen und physiologischen Ereignisse, an denen das Zentrosom beteiligt ist, bleiben jedoch ein Rätsel.

Jüngste Studien haben unerwartete dynamische Veränderungen in Struktur, Lage und Funktion des Zentrosoms unter verschiedenen stressbedingten Bedingungen entdeckt. Beispielsweise wurde nach Nachahmung der Infektionsbedingungen eine Zunahme der PCM- und Mikrotubuli-Produktion in Interphasenzellen festgestellt.

Zentrosomen an der Immunsynapse

Das Zentrosom spielt eine sehr wichtige Rolle in der Struktur und Funktion der immunologischen Synapse (SI). Diese Struktur wird durch spezialisierte Wechselwirkungen zwischen einer T-Zelle und einer Antigen-präsentierenden Zelle (APC) gebildet. Diese Zell-Zell-Wechselwirkung initiiert die Migration des Zentrosoms zum SI und dessen anschließende Kopplung an die Plasmamembran.

Das Andocken von Zentrosomen im SI ähnelt dem während der Ciliogenese beobachteten. In diesem Fall initiiert es jedoch nicht den Aufbau der Zilien, sondern beteiligt sich an der Organisation des SI und der Sekretion von zytotoxischen Vesikeln, um die Zielzellen zu lysieren, und wird zu einem Schlüsselorgan bei der Aktivierung von T-Zellen.

Das Zentrosom und Hitzestress

Das Zentrosom ist das Ziel von "molekularen Chaperonen" (einer Reihe von Proteinen, deren Funktion darin besteht, die Faltung, den Zusammenbau und den zellulären Transport anderer Proteine ​​zu unterstützen), die Schutz vor Hitzeschock und Stress bieten.

Zu den Stressfaktoren, die das Zentrosom beeinflussen, gehören DNA-Schäden und Hitze (wie sie die Zellen von Fieberpatienten erleiden). DNA-Schäden lösen DNA-Reparaturwege aus, die die Zentrosomenfunktion und die Proteinzusammensetzung beeinflussen können.

Die durch Wärme erzeugte Spannung bewirkt eine Modifikation der Zentriolstruktur, die Zerstörung des Zentrosoms und die vollständige Inaktivierung seiner Fähigkeit zur Bildung von Mikrotubuli, wodurch die Bildung der mitotischen Spindel verändert und eine Mitose verhindert wird.

Eine Störung der Funktion der Zentrosomen während des Fiebers könnte eine adaptive Reaktion sein, um die Spindelpole zu inaktivieren und eine abnormale DNA-Teilung während der Mitose zu verhindern, insbesondere angesichts der möglichen Funktionsstörung mehrerer Proteine ​​nach hitzeinduzierter Denaturierung.

Außerdem könnte es der Zelle zusätzliche Zeit geben, um ihren Pool an funktionellen Proteinen wiederherzustellen, bevor die Zellteilung wieder aufgenommen wird.

Eine weitere Folge der Inaktivierung des Zentrosoms während des Fiebers ist seine Unfähigkeit, auf den SI zu übertragen, um es zu organisieren und an der Sekretion von zytotoxischen Vesikeln teilzunehmen.

Abnormale Entwicklung der Zentriolen

Die Entwicklung des Zentriols ist ein recht komplexer Prozess, und obwohl eine Reihe von regulatorischen Proteinen daran beteiligt sind, können verschiedene Arten von Fehlern auftreten.

Wenn es ein Ungleichgewicht im Anteil der Proteine ​​gibt, kann das Tochterzentriol defekt sein, seine Geometrie kann verzerrt sein, die Achsen eines Paares können von der Rechtwinkligkeit abweichen, es können sich mehrere Tochterzentriolen entwickeln, das Tochterzentriol kann vorher die volle Länge erreichen Zeit oder die Entkopplung der Paare kann verzögert sein.

Wenn eine falsche oder falsche Duplikation von Zentriolen (mit geometrischen Defekten und / oder mehrfacher Duplikation) vorliegt, wird die DNA-Replikation geändert, und es kommt zu einer chromosomalen Instabilität (CIN).

In ähnlicher Weise führen Zentrosomendefekte (z. B. ein vergrößertes oder vergrößertes Zentrosom) zu CIN und fördern die Entwicklung mehrerer Tochterzentriolen.

Diese Entwicklungsfehler verursachen Schäden an Zellen, die sogar zu bösartigen Erkrankungen führen können.

Abnormale Zentriolen und maligne Zellen

Dank der Intervention von regulatorischen Proteinen können die Zellen eine Selbstkorrektur der Anomalien durchführen, wenn bei der Entwicklung der Zentriolen und / oder des Zentrosoms Anomalien festgestellt werden.

Wenn jedoch keine Selbstkorrektur der Abnormalität erreicht wird, können abnormale oder Mehrtochter-Centriolen ("überzählige Centriolen") zur Erzeugung von Tumoren ("Tumorentstehung") oder zum Zelltod führen.

Die überzähligen Zentriolen neigen dazu, sich zu vereinigen, was zur Gruppierung des Zentrosoms ("Zentrosomenamplifikation", charakteristisch für Krebszellen) führt, die Zellpolarität und die normale Entwicklung der Mitose verändert, was zum Auftreten von Tumoren führt.

Zellen mit überzähligen Zentriolen sind durch einen Überschuss an perizentriolarem Material, eine Unterbrechung der zylindrischen Struktur oder eine übermäßige Länge der Zentriolen und Zentriolen gekennzeichnet, die nicht senkrecht oder schlecht positioniert sind.

Es wurde vorgeschlagen, dass Cluster von Zentriolen oder Zentrosomen in Krebszellen als "Biomarker" bei der Verwendung von therapeutischen und bildgebenden Mitteln wie superparamagnetischen Nanopartikeln dienen könnten.

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