Aufgaben: Der Zellzyklus und seine Regulation

Nennen Sie die beiden Hauptabschnitte des Zellzyklus und die drei Phasen, in die die Interphase unterteilt ist, und geben Sie an, was in jeder Phase allgemein geschieht.

Was geschieht während der S-Phase des Zellzyklus? Begründen Sie, warum diese Phase unbedingt abgeschlossen sein muss, bevor die Zelle in die Teilung eintritt.

Was ist ein Kontrollpunkt des Zellzyklus? Nennen Sie einen davon und erklären Sie, was er überprüft, bevor er den Fortgang des Zyklus erlaubt.

Das Schema stellt den vollständigen Zyklus einer Zelle dar, die $24\ \text{h}$ für eine Teilung benötigt. Berechnen Sie, wie viele Stunden ihre S-Phase dauert, und erklären Sie, welcher Zellvorgang währenddessen abläuft.

Erklären Sie, was Cycline und cyclinabhängige Kinasen (CDK) sind und wie sie gemeinsam das Voranschreiten des Zellzyklus regulieren.

Einige Zellen, wie ausgewachsene Nervenzellen, verlassen den Zellzyklus und verbleiben in einer Phase, die G0 genannt wird. Erklären Sie, was es bedeutet, sich in G0 zu befinden, und welche Konsequenz dies für die Regenerationsfähigkeit des Nervengewebes hat.

In einem onkologischen Labor werden zwei Kulturen menschlicher Zellen untersucht, die einer mäßigen Dosis ultravioletter Strahlung ausgesetzt wurden:

• Kultur A: Die meisten Zellen halten ihren Zyklus am G1/S-Übergang an; nach 24 Stunden reparieren sie die Schäden oder leiten die Apoptose ein.

• Kultur B: Die Zellen replizieren trotz nicht reparierter Thymindimere weiterhin aktiv ihre DNA in der S-Phase und sammeln in den folgenden Mitosen Chromosomenaberrationen an.

1. a) Leiten Sie begründet ab, welche Veränderung im Signalweg des TP53-Gens das Verhalten von Kultur B im Vergleich zu Kultur A erklärt.
2. b) Wird beiden Kulturen ein Wirkstoff verabreicht, der die Cyclin-CDK-Komplexe hemmt, die für den Eintritt in die S-Phase verantwortlich sind, sagen Sie die Reaktion jeder Kultur voraus und begründen Sie, warum diese Behandlung die Vermehrung bremst, die bereits fixierten Mutationen in Kultur B aber nicht rückgängig macht.

Mittels Durchflusszytometrie wird die DNA-Menge pro Zelle in einem sich vermehrenden tierischen somatischen Gewebe ($2n = 8$) untersucht. Die Analyse identifiziert drei klar abgegrenzte Zellsubpopulationen: Subpopulation 1 mit 4 pg DNA, Subpopulation 2 mit kontinuierlichen Zwischenwerten zwischen 4 und 8 pg und Subpopulation 3 mit 8 pg DNA.

1. a) Ordnen Sie jede Subpopulation begründet der entsprechenden Phase der Interphase (G1, S oder G2) zu. Bestimmen Sie, wie viele Chromosomen, wie viele Chromatiden und wie viele Doppelstrang-DNA-Moleküle eine einzelne Zelle der Subpopulation 3 besitzt.
2. b) Wird der Kultur Colchicin zugesetzt (ein Wirkstoff, der die Mikrotubuli des Spindelapparats depolymerisiert), sagen Sie voraus, in welcher Subpopulation sich die Zellen anreichern werden, und leiten Sie ab, wie viele Chromosomen und wie viele Chromatiden eine Zelle enthält, wenn sie die Mitose ohne Teilung umgeht (Endomitose).

Ein Antitumorwirkstoff blockiert irreversibel die Aktivität der DNA-Helikase während der Interphase. Er wird einer Kultur sich aktiv vermehrender menschlicher somatischer Zellen zugesetzt.

1. a) Begründen Sie, an welchem Kontrollpunkt des Zellzyklus die Zellen blockiert werden, die bei Zugabe der Substanz bereits mit der Replikation ihrer DNA begonnen hatten, und erklären Sie, welche Folgen es für die Zelle hätte, diesen Punkt ohne abgeschlossene Replikation zu überschreiten.
2. b) Ein Schüler behauptet, nach zwei Stunden seit der Zugabe des Wirkstoffs seien 100 % der Zellen der Kultur in der S-Phase arretiert. Widerlegen Sie seine Vorhersage, indem Sie ableiten, was zunächst mit den Zellen geschieht, die sich zum Zeitpunkt der Verabreichung in G2 und Mitose befanden, und in welcher Phase sie sich schließlich anreichern, wenn der Wirkstoff im Medium verbleibt.