Metaphase

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 3. Juni 2017
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Die Kernteilung (Mitose) von Zellen eukaryotischer Lebewesen mit Replizierung der DNA kann in vier Hauptphasen unterteilt werden. Die zweite Hauptphase wird als Metaphase bezeichnet, in deren Verlauf sich die Chromosomen spiralförmig zusammenziehen und in der Äquatorialebene mit etwa gleichem Abstand zu beiden entgegengesetzten Polen positionieren. Die Spindelfasern sind, von beiden Polen ausgehend, mit den Centromeren der Chromosomen verbunden.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Metaphase?

Die Metaphase ist die zweite von insgesamt vier Hauptphasen, in die sich die Kernteilung eukaryotischer Zellen, Mitose genannt, unterteilen lässt. Während der Metaphase ist die Anordnung der Chromosomen in der sogenannten Äquatorialebene oder Metaphasenplatte charakteristisch.

Jedes einzelne Chromosom besteht aus vier Chromatiden, von denen je zwei „baugleich“ sind. Die Chromatiden werden zunächst noch von ihrem gemeinsamen Centromer zusammengehalten. An den Centromeren bilden sich kleine Proteinstrukturen aus, an denen die Fasern der Spindelpole anheften, um die Schwesterchromatiden zu den jeweils entgegengesetzten Polen zu ziehen. Das Auseinanderziehen der Chromatiden gehört bereits zur Anaphase, die auf die Metaphase folgt.

Während der Metaphase laufen alle Vorbereitungen, die notwendig sind, um die Chromatiden von den Centromeren zu lösen, um zu den Polen gezogen werden zu können. Erst, wenn alle Centromere mit den entsprechenden Polfasern bzw. Mikrotubuli verbunden sind, werden die Bindungen der Chromatiden an ihrem Centromer gelöst, so dass ihre Verfrachtung zu dem jeweiligen Pol beginnt.

Funktion & Aufgabe

Im menschlichen Körper besteht laufender Bedarf für Wachstum auf der Basis der Zellvermehrung, die meist dem Prinzip der Zellteilung folgt. Die Teilungen beinhalten bei kernhaltigen Zellen ein- und mehrzelliger Lebewesen (Eukaryoten) die Teilung des Zytoplasmas und ihrer Zellkerne.

Die bei der Teilung entstehenden beiden Tochterzellen sind auch in ihren diploiden Chromosomensätzen identisch mit der jeweiligen „Mutterzelle“, so dass das Wachstum bestimmter Gewebe im Körper auf Basis der nichtgeschlechtlichen Zellteilung theoretisch unbegrenzt ist, sofern der Teilungsprozess nicht durch wachstumshemmende Substanzen unterbrochen oder beendet wird.

Mit dem Zellteilungsprozess ist auch der Kernteilungsprozess verbunden, der als Mitose bezeichnet wird. Innerhalb der Mitose wird die zweite von insgesamt vier Hauptphasen als Metaphase bezeichnet. Sie ist ein wichtiges Kettenglied innerhalb des Kernteilungsprozesses. Die Metaphase ist wichtig, um die Chromatiden des doppelten Chromosomensatzes so in der Äquatorialebene oder Metaplatte zu postieren, dass sie in der darauf folgenden Anaphase von den Mikrotubulifilamenten in Richtung der beiden Pole gezogen werden können.

Eine besonders wichtige Funktion der Metaphase besteht in der Überprüfung (Checkpoint) und Überwachung der von den Polen ausgehenden Spindelfasern (Mikrotubuli). Es muss sichergestellt sein, dass die Mikrotubuli mit dem jeweils „richtigen“ Centromer verbunden sind. Hierdurch wird erreicht, dass die beiden Chromosomensätze, die sich während der folgenden Anaphase an den Polen gruppieren, absolut identisch sind. Das kann nur dadurch erreicht werden, dass sich nach der erfolgten Kernteilung je ein Chromatid eines Chromosoms an jedem der beiden Pole befindet.

Falls sich beispielsweise zwei identische Schwesterchromatiden an einem der beiden Pole befänden und an dem anderen Pol fehlen, käme es zu erheblichen Störungen mit der Unmöglichkeit weiteren Zellwachstums oder ungebremsten Wachstums. Im Falle von Parenchymzellen käme es zu einem Verlust des spezifischen Funktionsvermögens der Zellen.

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Krankheiten & Beschwerden

Die Mitose verkörpert einen sehr komplexen Prozess, der innerhalb der Replikation der DNA-Stränge und der Verteilung der Chromatiden auf die beiden Pole das Risiko von Fehlern birgt mit zum Teil weitreichenden Folgen. Beispielsweise kann es relativ häufig zu „falschen“ Anheftungen von Mikrotubuli an die Kinetochore der Centromere kommen. So können etwa bestimmte Kinetochore frei bleiben, also nicht mit einem Mikrotubulus verbunden sein oder beide Chromatiden werden an ihren Centromeren mit Mikrotubuli des gleichen Pols verbunden. In der Überprüfung auf „richtige“ und vollständige Anheftung der Mikrotubuli an die Kinetochore liegt eine der wichtigsten Funktionen der Metaphase.

Das Auseinanderziehen der Chromosomen in der Anaphase wird normalerweise erst freigegeben, wenn der Check der Spindelfasern erfolgreich verläuft und sämtliche Kinetochore die korrekte Anbindung signalisieren. Der mitotische Checkpoint wird durch eine Gruppe spezialisierter Proteine realisiert, die den Übergang zur Anaphase unterdrücken bzw. einkassieren, wenn die Verklebung nicht dem Sollwert entspricht. Der Vorgang ist ein wenig vergleichbar mit einem Boxenstop bei einem Formel 1-Rennen, wenn alle vier Monteure nach dem Radwechsel Vollzug melden müssen, bevor der Formel 1-Pilot wieder durchstarten kann.

Ein weiteres größeres Problem entsteht, wenn es zu Fehlern bei der Aufspaltung der DNA-Stränge kommt. Es kann dadurch zu einem Funktionsverlust der Zellen kommen und zu kontinuierlichen schnell oder langsam ablaufenden weiteren Mitosen, die nicht mehr auf körpereigene Wachstumshemmer reagieren. Das ungehemmte Wachstum charakterisiert gutartige (benigne) oder bösartige (maligne) Tumoren.

Weitere Probleme können durch eine DNA-Methylierung entstehen. Bei der Aufspaltung der DNA-Stränge kann es durch die Aktivität von DNA-Methyltransferasen zu Anlagerungen von Methylgruppen (-CH3) an die DNA kommen. Der Vorgang entspricht zwar nicht einer Genmutation im herkömmlichen Sinn, wohl aber einer epigenetischen Veränderung des betroffenen Gens. Die „Genmethylierung“ führt meist zu phänotypisch erkennbaren Veränderungen des betroffenen Individuums und wird meist an die nächsten Zellgenerationen – ähnlich einer Vererbung – weitergegeben.

Inwieweit die Entstehung benigner und maligner Tumore sowie die DNA-Methylierung auf Vorgänge innerhalb der Metaphase zurückgeführt werden können, ist nicht hinreichend erforscht.

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