Mitose

Mitose in einer tierischen Zelle (die Phasen sind gegen den Uhrzeigersinn angeordnet). ⓘ

Bei der Mitose werden die Chromosomen in einem Zellkern geteilt. ⓘ

Markierungsfreies Live-Cell-Imaging von mesenchymalen Stammzellen, die eine Mitose durchlaufen ⓘ

Zwiebelzellen (Allium) in verschiedenen Phasen des Zellzyklus, vergrößert um 800 Durchmesser.
a. sich nicht teilende Zellen
b. Zellkerne, die sich auf die Teilung vorbereiten (Spireme-Stadium)
c. sich teilende Zellen mit mitotischen Figuren
e. Paar von Tochterzellen kurz nach der Teilung ⓘ

In der Zellbiologie ist die Mitose (/maɪˈtoʊsɪs/) ein Teil des Zellzyklus, bei dem replizierte Chromosomen in zwei neue Kerne getrennt werden. Die Zellteilung durch Mitose führt zu genetisch identischen Zellen, bei denen die Gesamtzahl der Chromosomen erhalten bleibt. Daher wird die Mitose auch als gleichberechtigte Teilung bezeichnet. Im Allgemeinen geht der Mitose die S-Phase der Interphase voraus (in der die DNA-Replikation stattfindet), und ihr folgen häufig die Telophase und die Zytokinese, die das Zytoplasma, die Organellen und die Zellmembran einer Zelle in zwei neue Zellen aufteilt, die ungefähr gleiche Anteile dieser Zellbestandteile enthalten. Die verschiedenen Stadien der Mitose definieren insgesamt die mitotische (M) Phase eines tierischen Zellzyklus - die Teilung der Mutterzelle in zwei genetisch identische Tochterzellen. ⓘ

Der Prozess der Mitose ist in Phasen unterteilt, die dem Abschluss einer Reihe von Aktivitäten und dem Beginn der nächsten entsprechen. Diese Stadien sind Präprophase (spezifisch für Pflanzenzellen), Prophase, Prometaphase, Metaphase, Anaphase und Telophase. Während der Mitose kondensieren die Chromosomen, die sich bereits verdoppelt haben, und heften sich an Spindelfasern, die jeweils eine Kopie jedes Chromosoms an die gegenüberliegenden Seiten der Zelle ziehen. Das Ergebnis sind zwei genetisch identische Tochterkerne. Der Rest der Zelle kann sich dann durch Zytokinese weiter teilen, um zwei Tochterzellen zu erzeugen. Die verschiedenen Phasen der Mitose können mit Hilfe von Live-Zellbildgebung in Echtzeit sichtbar gemacht werden. Die Bildung von drei oder mehr Tochterzellen anstelle der normalen zwei ist ein mitotischer Fehler, der als tripolare Mitose oder multipolare Mitose bezeichnet wird (direkte Zellverdreifachung/Multiplikation). Andere Fehler während der Mitose können die Apoptose (programmierter Zelltod) auslösen oder Mutationen verursachen. Bestimmte Arten von Krebs können durch solche Mutationen entstehen. ⓘ

Mitose findet nur in eukaryotischen Zellen statt. Prokaryontische Zellen, die keinen Zellkern haben, teilen sich durch einen anderen Prozess, die so genannte Binärspaltung. Die Mitose ist von Organismus zu Organismus unterschiedlich. So durchlaufen tierische Zellen eine "offene" Mitose, bei der die Kernhülle zerfällt, bevor sich die Chromosomen trennen, während Pilze eine "geschlossene" Mitose durchlaufen, bei der sich die Chromosomen innerhalb eines intakten Zellkerns teilen. Die meisten tierischen Zellen durchlaufen zu Beginn der Mitose eine Formveränderung, die als mitotische Zellrundung bekannt ist und eine nahezu kugelförmige Morphologie annimmt. Die meisten menschlichen Zellen werden durch mitotische Zellteilung erzeugt. Eine wichtige Ausnahme bilden die Keimzellen - Spermien und Eizellen -, die durch Meiose entstehen. ⓘ

Schemazeichnung eines Zellzyklus mit der Interphase und den einzelnen Phasen der Mitose als Kernteilung, bevor es zur Zellteilung kommt ⓘ

Bei der Mitose findet keine Änderung des Chromosomensatzes statt, der Ploidiegrad bleibt gleich. War die Ausgangszelle haploid, so sind auch die Kerne der Tochterzellen haploid. War die Ausgangszelle diploid, so sind auch die Kerne der Tochterzellen diploid. ⓘ

Von der Mitose abzugrenzen ist die Meiose mit grundlegend anderer Weise der Kernteilung, bei der in der Reduktionsteilung die Schwester-Chromatiden nicht getrennt, sondern gemeinsam einem Tochterkern zugeteilt werden. Sie ist in den Generationenzyklus eingebunden und führt zu einer Reduktion des Chromosomensatzes sowie genetisch verschiedenen Tochterzellen. ⓘ

Entdeckung

Im 18. und 19. Jahrhundert gab es zahlreiche Beschreibungen der Zellteilung, die unterschiedlich genau waren. Im Jahr 1835 beschrieb der deutsche Botaniker Hugo von Mohl die Zellteilung bei der Grünalge Cladophora glomerata und stellte fest, dass die Vermehrung von Zellen durch Zellteilung erfolgt. Matthias Jakob Schleiden bestätigte 1838, dass "die Bildung neuer Zellen in ihrem Inneren eine allgemeine Regel für die Zellvermehrung bei Pflanzen" sei, eine Ansicht, die später dank der Beiträge von Robert Remak und anderen zugunsten von Mohls Modell verworfen wurde. ⓘ

Bei tierischen Zellen wurde die Zellteilung mit Mitose 1873 in Hornhautzellen von Fröschen, Kaninchen und Katzen entdeckt und 1875 erstmals von dem polnischen Histologen Wacław Mayzel beschrieben. ⓘ

Bütschli, Schneider und Fol könnten auch die Entdeckung des heute als "Mitose" bekannten Prozesses für sich beanspruchen. Im Jahr 1873 veröffentlichte der deutsche Zoologe Otto Bütschli Daten aus Beobachtungen an Fadenwürmern. Einige Jahre später entdeckte und beschrieb er auf der Grundlage dieser Beobachtungen die Mitose. ⓘ

Der Begriff "Mitose" wurde 1882 von Walther Flemming geprägt und leitet sich vom griechischen Wort μίτος (mitos, "Kettfaden") ab. Es gibt einige alternative Bezeichnungen für den Vorgang, z. B. "Karyokinese" (Kernteilung), ein Begriff, der 1878 von Schleicher eingeführt wurde, oder "Äquationsteilung", vorgeschlagen von August Weismann im Jahr 1887. Der Begriff "Mitose" wird jedoch von einigen Autoren auch im weiteren Sinne verwendet, um Karyokinese und Zytokinese zusammenzufassen. Gegenwärtig wird der Begriff "Äquationsteilung" eher für die Meiose II verwendet, den Teil der Meiose, der der Mitose am ähnlichsten ist. ⓘ

Phasen

Überblick

Zeitraffervideo der Mitose in einem Drosophila melanogaster-Embryo ⓘ

Das wichtigste Ergebnis von Mitose und Zytokinese ist die Übertragung des Genoms einer Mutterzelle auf zwei Tochterzellen. Das Genom besteht aus einer Reihe von Chromosomen - Komplexen aus eng gewundener DNA, die genetische Informationen enthalten, die für eine ordnungsgemäße Zellfunktion unerlässlich sind. Da jede entstehende Tochterzelle genetisch mit der Mutterzelle identisch sein sollte, muss die Mutterzelle vor der Mitose eine Kopie jedes Chromosoms erstellen. Dies geschieht während der S-Phase der Interphase. Die Chromosomenduplikation führt zu zwei identischen Schwesterchromatiden, die durch Kohäsinproteine am Zentromer miteinander verbunden sind. ⓘ

Wenn die Mitose beginnt, kondensieren die Chromosomen und werden sichtbar. Bei einigen Eukaryoten, z. B. Tieren, zerfällt die Kernhülle, die die DNA vom Zytoplasma trennt, in kleine Bläschen. Der Nukleolus, der die Ribosomen in der Zelle bildet, verschwindet ebenfalls. Mikrotubuli ragen aus den gegenüberliegenden Enden der Zelle heraus, setzen an den Zentromeren an und richten die Chromosomen in der Mitte der Zelle aus. Die Mikrotubuli ziehen sich dann zusammen, um die Schwesterchromatiden der einzelnen Chromosomen auseinander zu ziehen. Die Schwesterchromatiden an diesem Punkt werden als Tochterchromosomen bezeichnet. Während sich die Zelle ausdehnt, werden die entsprechenden Tochterchromosomen an die entgegengesetzten Enden der Zelle gezogen und kondensieren in der späten Anaphase maximal. Um die abgetrennten Tochterchromosomen bildet sich eine neue Kernhülle, die zur Bildung von Interphasenkernen dekondensiert. ⓘ

Während des mitotischen Prozesses, in der Regel nach Beginn der Anaphase, kann die Zelle eine Zytokinese durchlaufen. In tierischen Zellen drückt sich eine Zellmembran zwischen den beiden sich entwickelnden Kernen nach innen und es entstehen zwei neue Zellen. In Pflanzenzellen bildet sich eine Zellplatte zwischen den beiden Kernen. Die Zytokinese findet nicht immer statt; coenozytäre Zellen (eine Art mehrkerniger Zustand) durchlaufen die Mitose ohne Zytokinese. ⓘ

Schematische Darstellung der mitotischen Phasen ⓘ

Interphase

Die mitotische Phase ist ein relativ kurzer Abschnitt des Zellzyklus. Sie wechselt sich mit der viel längeren Interphase ab, in der sich die Zelle auf den Prozess der Zellteilung vorbereitet. Die Interphase wird in drei Phasen unterteilt: G₁ (erste Lücke), S (Synthese) und G₂ (zweite Lücke). Während aller drei Teile der Interphase wächst die Zelle, indem sie Proteine und zytoplasmatische Organellen produziert. Die Chromosomen werden jedoch nur während der S-Phase repliziert. Eine Zelle wächst also (G₁), wächst weiter, während sie ihre Chromosomen verdoppelt (S), wächst weiter und bereitet sich auf die Mitose vor (G₂) und teilt sich schließlich (M), bevor sie den Zyklus erneut beginnt. Alle diese Phasen des Zellzyklus werden durch Cycline, cyclinabhängige Kinasen und andere Zellzyklusproteine stark reguliert. Die Phasen folgen in strikter Reihenfolge aufeinander, und es gibt "Kontrollpunkte", die der Zelle Hinweise geben, von einer Phase zur nächsten überzugehen. Zellen können den Zellzyklus auch vorübergehend oder dauerhaft verlassen und in die G₀-Phase eintreten, um sich nicht mehr zu teilen. Dies kann geschehen, wenn die Zellen überfüllt sind (dichteabhängige Hemmung) oder wenn sie sich differenzieren, um spezifische Funktionen für den Organismus zu erfüllen, wie dies bei menschlichen Herzmuskelzellen und Neuronen der Fall ist. Einige G₀-Zellen haben die Fähigkeit, wieder in den Zellzyklus einzutreten. ⓘ

DNA-Doppelstrangbrüche können während der Interphase durch zwei Hauptprozesse repariert werden. Der erste Prozess, die nicht-homologe Endverbindung (NHEJ), kann die beiden gebrochenen DNA-Enden in den Phasen G1, S und G2 der Interphase verbinden. Der zweite Prozess, die homologe rekombinative Reparatur (HRR), ist bei der Reparatur von Doppelstrangbrüchen genauer als NHEJ. HRR ist während der S- und G2-Phasen der Interphase aktiv, wenn die DNA-Replikation entweder teilweise abgeschlossen ist oder nachdem sie beendet wurde, da HRR zwei benachbarte Homologe erfordert. ⓘ

Die Interphase dient der Vorbereitung der Zelle auf die mitotische Teilung. Sie bestimmt, ob die mitotische Zellteilung stattfinden wird. Sie stoppt die Zelle vorsichtig, wenn die DNA der Zelle beschädigt ist oder eine wichtige Phase noch nicht abgeschlossen ist. Die Interphase ist sehr wichtig, da sie darüber entscheidet, ob die Mitose erfolgreich abgeschlossen wird. Sie verringert die Anzahl der entstehenden geschädigten Zellen und die Produktion von Krebszellen. Eine Fehlberechnung der wichtigen Interphasenproteine könnte entscheidend sein, da dadurch möglicherweise Krebszellen entstehen könnten. Heute wird mehr geforscht, um genau zu verstehen, wie die oben genannten Phasen ablaufen. ⓘ

Mitose

Stadien der frühen Mitose in einer Wirbeltierzelle mit mikroskopischen Darstellungen der Chromatiden ⓘ

Präprophase (Pflanzenzellen)

Nur in Pflanzenzellen geht der Prophase eine Vorphase voraus. In stark vakuolisierten Pflanzenzellen muss der Zellkern in das Zentrum der Zelle wandern, bevor die Mitose beginnen kann. Dies geschieht durch die Bildung eines Phragmosoms, einer quer verlaufenden Zytoplasmaschicht, die die Zelle entlang der zukünftigen Teilungsebene halbiert. Zusätzlich zur Bildung des Phragmosoms ist die Präphase durch die Bildung eines Rings aus Mikrotubuli und Aktinfilamenten (das so genannte Präphasenband) unterhalb der Plasmamembran um die Äquatorialebene der zukünftigen mitotischen Spindel gekennzeichnet. Dieses Band markiert die Position, an der sich die Zelle schließlich teilen wird. Die Zellen höherer Pflanzen (z. B. Blütenpflanzen) haben keine Zentriolen; stattdessen bilden die Mikrotubuli eine Spindel auf der Oberfläche des Zellkerns und werden dann von den Chromosomen selbst zu einer Spindel organisiert, nachdem die Kernhülle aufgebrochen ist. Das Präprophasenband verschwindet während des Zerfalls der Kernhülle und der Spindelbildung in der Metaphase. ⓘ

Prophase

Kondensierende Chromosomen. Interphase-Kern (links), kondensierende Chromosomen (Mitte) und kondensierte Chromosomen (rechts). ⓘ

Prophase während der Mitose ⓘ

In der Prophase, die nach der G₂-Interphase eintritt, bereitet sich die Zelle auf die Teilung vor, indem sie ihre Chromosomen fest kondensiert und die Bildung der mitotischen Spindel einleitet. Während der Interphase besteht das genetische Material im Zellkern aus locker gepacktem Chromatin. Zu Beginn der Prophase verdichten sich die Chromatinfasern zu diskreten Chromosomen, die in der Regel unter dem Lichtmikroskop bei starker Vergrößerung sichtbar sind. In diesem Stadium sind die Chromosomen lang, dünn und fadenförmig. Jedes Chromosom hat zwei Chromatiden. Die beiden Chromatiden sind am Zentromer miteinander verbunden. ⓘ

Die Gentranskription kommt während der Prophase zum Stillstand und wird erst in der späten Anaphase bis zur frühen G₁-Phase wieder aufgenommen. Der Nukleolus verschwindet ebenfalls während der frühen Prophase. ⓘ

In der Nähe des Zellkerns tierischer Zellen befinden sich Strukturen, die als Zentrosomen bezeichnet werden und aus einem Paar Zentriolen bestehen, die von einer lockeren Ansammlung von Proteinen umgeben sind. Das Zentrosom ist das Koordinationszentrum für die Mikrotubuli der Zelle. Eine Zelle erbt bei der Zellteilung ein einzelnes Zentrosom, das von der Zelle verdoppelt wird, bevor eine neue Runde der Mitose beginnt, so dass ein Zentrosomenpaar entsteht. Die beiden Zentrosomen polymerisieren Tubulin, um einen Mikrotubuli-Spindelapparat zu bilden. Motorproteine schieben dann die Zentrosomen entlang dieser Mikrotubuli zu den gegenüberliegenden Seiten der Zelle. Die Zentrosomen helfen zwar bei der Organisation des Zusammenbaus der Mikrotubuli, sind aber für die Bildung des Spindelapparats nicht unerlässlich, da sie bei Pflanzen fehlen und auch für die Mitose von Tierzellen nicht unbedingt erforderlich sind. ⓘ

Prometaphase

Zu Beginn der Prometaphase in tierischen Zellen bewirkt die Phosphorylierung der Kernlamine, dass die Kernhülle in kleine Membranbläschen zerfällt. In diesem Moment dringen Mikrotubuli in den Kernraum ein. Dies wird als offene Mitose bezeichnet und kommt bei einigen mehrzelligen Organismen vor. Pilze und einige Protisten, wie Algen oder Trichomonaden, durchlaufen eine Variante, die als geschlossene Mitose bezeichnet wird, bei der sich die Spindel im Inneren des Kerns bildet oder die Mikrotubuli in die intakte Kernhülle eindringen. ⓘ

In der späten Prometaphase beginnen die Kinetochor-Mikrotubuli mit der Suche nach den Kinetochoren der Chromosomen und heften sich an diese. Ein Kinetochor ist eine proteinhaltige Mikrotubuli-Bindungsstruktur, die sich während der späten Prophase am chromosomalen Zentromer bildet. Eine Reihe von polaren Mikrotubuli trifft auf die entsprechenden polaren Mikrotubuli des gegenüberliegenden Zentrosoms und interagiert mit ihnen, um die mitotische Spindel zu bilden. Obwohl die Struktur und Funktion des Kinetochors nicht vollständig geklärt sind, ist bekannt, dass er eine Art molekularen Motor enthält. Wenn sich ein Mikrotubulus mit dem Kinetochor verbindet, wird der Motor aktiviert und nutzt die ATP-Energie, um die Röhre in Richtung des entstehenden Zentrosoms hinaufzukriechen". Diese motorische Aktivität, gekoppelt mit der Polymerisation und Depolymerisation der Mikrotubuli, sorgt für die Zugkraft, die für die spätere Trennung der beiden Chromatiden des Chromosoms erforderlich ist. ⓘ

Metaphase

Eine Zelle in der späten Metaphase. Alle Chromosomen (blau) bis auf eines haben die Metaphasenplatte erreicht. ⓘ

Metaphase während der Mitose ⓘ

Nachdem die Mikrotubuli in der Metaphase die Kinetochoren gefunden und an ihnen befestigt haben, beginnen die beiden Zentrosomen, die Chromosomen in Richtung der gegenüberliegenden Enden der Zelle zu ziehen. Die daraus resultierende Spannung bewirkt, dass sich die Chromosomen entlang der Metaphaseplatte oder Äquatorialebene ausrichten, einer imaginären Linie, die sich mittig zwischen den beiden Zentrosomen befindet (ungefähr in der Mitte der Zelle). Um eine gleichmäßige Verteilung der Chromosomen am Ende der Mitose zu gewährleisten, stellt der Metaphase-Kontrollpunkt sicher, dass die Kinetochoren ordnungsgemäß an der mitotischen Spindel befestigt sind und die Chromosomen entlang der Metaphaseplatte ausgerichtet sind. Wenn die Zelle den Metaphase-Kontrollpunkt erfolgreich durchlaufen hat, geht sie in die Anaphase über. ⓘ

Anaphase

Anaphase während der Mitose ⓘ

Während der Anaphase A werden die Kohäsine, die die Schwesterchromatiden zusammenhalten, gespalten, wodurch zwei identische Tochterchromosomen entstehen. Durch die Verkürzung der Kinetochor-Mikrotubuli werden die neu gebildeten Tochterchromosomen an die entgegengesetzten Enden der Zelle gezogen. Während der Anaphase B schieben sich die polaren Mikrotubuli gegeneinander, wodurch sich die Zelle ausdehnt. In der späten Anaphase erreichen die Chromosomen auch ihr maximales Kondensationsniveau, um die Chromosomentrennung und die Neubildung des Zellkerns zu unterstützen. In den meisten tierischen Zellen geht die Anaphase A der Anaphase B voraus, doch bei einigen Eizellen von Wirbeltieren ist die Reihenfolge der Ereignisse umgekehrt. ⓘ

Telophase

Telophase während der Mitose ⓘ

Die Telophase (von dem griechischen Wort τελος für "Ende") ist eine Umkehrung der Prophase und der Prometaphase. In der Telophase verlängern sich die polaren Mikrotubuli weiter, wodurch sich die Zelle noch mehr ausdehnt. Wenn die Kernhülle zerbrochen ist, bildet sich eine neue Kernhülle aus den Membranbläschen der alten Kernhülle der Mutterzelle. Die neue Hülle bildet sich um jeden Satz der abgetrennten Tochterchromosomen (die Membran umschließt jedoch nicht die Zentrosomen), und der Nukleolus taucht wieder auf. Beide Chromosomensätze, die nun von einer neuen Kernmembran umgeben sind, beginnen sich zu entspannen" oder zu dekondensieren. Die Mitose ist abgeschlossen. Jeder Tochterkern hat einen identischen Chromosomensatz. Je nach Organismus kann zu diesem Zeitpunkt eine Zellteilung stattfinden oder auch nicht. ⓘ

Darstellung zweier Tochterzellen in der Telophase. Zu sehen ist der Spindelapparat (anti-Tubulin-Immunfärbung; orange), das Aktin-Zytoskelett (Phalloidinfärbung; grün) und das Chromatin (DAPI-Färbung; cyan). ⓘ

Erreichen die Tochterchromosomen schließlich die Spindelpole, so depolymerisieren die immer weiter verkürzten Kinetochorfasern weitgehend. Die polaren Fasern können sich zunächst noch weiter verlängern, bis die Pole ihren maximalen Abstand erreicht haben, dann löst sich der Spindelapparat auf. Größtenteils aus Fragmenten der alten Kernmembran wird nun die Kernhülle der Tochterkerne aufgebaut. Die Chromosomen dekondensieren wieder. Auch die Nukleoli erscheinen wieder als Körperchen im jeweiligen Kern (Nukleus). ⓘ

Die Teilung des Zytoplasmas und damit der Zelle wird durch die Zytokinese beschrieben. ⓘ

Zytokinese

Illustration der Zytokinese ⓘ

Zellhülse in der Zytokinese, die Spaltfurche ist deutlich sichtbar ⓘ

Die Zytokinese ist keine Phase der Mitose, sondern ein separater Prozess, der für den Abschluss der Zellteilung erforderlich ist. In tierischen Zellen entsteht an der Stelle der ehemaligen Metaphasenplatte eine Spaltfurche (Pinch) mit einem kontraktilen Ring, der die getrennten Zellkerne abklemmt. Sowohl in tierischen als auch in pflanzlichen Zellen wird die Zellteilung auch durch Vesikel vorangetrieben, die aus dem Golgi-Apparat stammen und sich entlang von Mikrotubuli zur Mitte der Zelle bewegen. In Pflanzen wächst diese Struktur in der Mitte des Phragmoplasten zu einer Zellplatte zusammen und entwickelt sich zu einer Zellwand, die die beiden Kerne trennt. Der Phragmoplast ist eine für höhere Pflanzen typische Mikrotubuli-Struktur, während einige Grünalgen während der Zytokinese eine Phykoplast-Mikrotubuli-Anordnung verwenden. Jede Tochterzelle besitzt eine vollständige Kopie des Genoms ihrer Mutterzelle. Das Ende der Zytokinese markiert das Ende der M-Phase. ⓘ

Es gibt viele Zellen, bei denen Mitose und Zytokinese getrennt voneinander ablaufen und einzelne Zellen mit mehreren Kernen bilden. Dies ist vor allem bei Pilzen, Schleimpilzen und coenocytischen Algen der Fall, kommt aber auch bei verschiedenen anderen Organismen vor. Auch bei Tieren können Zytokinese und Mitose unabhängig voneinander ablaufen, zum Beispiel in bestimmten Stadien der Embryonalentwicklung von Fruchtfliegen. ⓘ

Funktion

Die "Funktion" oder Bedeutung der Mitose beruht auf der Erhaltung des Chromosomensatzes; jede gebildete Zelle erhält Chromosomen, die in ihrer Zusammensetzung und Anzahl den Chromosomen der Mutterzelle entsprechen. ⓘ

Die Mitose findet unter den folgenden Umständen statt:

Entwicklung und Wachstum: Die Zahl der Zellen in einem Organismus nimmt durch Mitose zu. Dies ist die Grundlage für die Entwicklung eines mehrzelligen Körpers aus einer einzelnen Zelle, d. h. einer Zygote, und auch die Grundlage für das Wachstum eines mehrzelligen Körpers.
Zellersatz: In einigen Teilen des Körpers, z. B. in der Haut und im Verdauungstrakt, werden ständig Zellen abgestoßen und durch neue ersetzt. Die neuen Zellen werden durch Mitose gebildet und sind somit exakte Kopien der Zellen, die ersetzt werden. Auch die roten Blutkörperchen haben eine kurze Lebensdauer (nur etwa 4 Monate), und neue Erythrozyten werden durch Mitose gebildet.
Regeneration: Einige Organismen können Körperteile regenerieren. Die Produktion neuer Zellen erfolgt in solchen Fällen durch Mitose. Seesterne zum Beispiel regenerieren verlorene Arme durch Mitose.
Ungeschlechtliche Fortpflanzung: Einige Organismen erzeugen durch ungeschlechtliche Fortpflanzung genetisch ähnliche Nachkommen. Die Hydra zum Beispiel vermehrt sich ungeschlechtlich durch Knospung. Die Zellen an der Oberfläche der Hydra unterliegen der Mitose und bilden eine Masse, die als Knospe bezeichnet wird. Die Mitose setzt sich in den Zellen der Knospe fort und diese wächst zu einem neuen Individuum heran. Die gleiche Teilung findet bei der ungeschlechtlichen Fortpflanzung oder vegetativen Vermehrung von Pflanzen statt. ⓘ

Variationen

Formen der Mitose

Der Mitoseprozess in den Zellen eukaryontischer Organismen läuft nach einem ähnlichen Muster ab, das sich jedoch in drei wesentlichen Details unterscheidet. Die "geschlossene" und die "offene" Mitose lassen sich danach unterscheiden, ob die Kernhülle intakt bleibt oder abbricht. Eine Zwischenform mit teilweisem Abbau der Kernhülle wird als "halboffene" Mitose bezeichnet. Hinsichtlich der Symmetrie des Spindelapparats während der Metaphase wird eine annähernd achsensymmetrische (zentrierte) Form als "Orthomitose" bezeichnet, im Gegensatz zu den exzentrischen Spindeln der "Pleuromitose", bei denen der mitotische Apparat eine bilaterale Symmetrie aufweist. Ein drittes Kriterium ist schließlich die Lage der zentralen Spindel bei der geschlossenen Pleuromitose: "extranukleär" (Spindel im Zytoplasma) oder "intranukleär" (im Zellkern). ⓘ

geschlossen
intranukleär
Pleuromitose
geschlossen
extranukleär
Pleuromitose
geschlossen
Orthomitose
halboffen
Pleuromitose
halboffen
Orthomitose
offen
Orthomitose ⓘ

Die Kernteilung findet nur in Zellen von Organismen des eukaryotischen Bereichs statt, da Bakterien und Archaeen keinen Kern besitzen. Bei Bakterien und Archaeen findet eine andere Art der Teilung statt. Innerhalb jeder der eukaryotischen Übergruppen findet sich sowohl die offene Mitose als auch die geschlossene Mitose, mit Ausnahme der Excavata, die ausschließlich die geschlossene Mitose aufweisen. Nachfolgend das Vorkommen der Mitoseformen bei Eukaryonten:

Geschlossene intranukleare Pleuromitose ist typisch für Foraminifera, einige Prasinomonadida, einige Kinetoplastida, die Oxymonadida, die Haplosporidia, viele Pilze (Chytriden, Oomyceten, Zygomyceten, Ascomyceten) und einige Radiolaria (Spumellaria und Acantharia); sie scheint der primitivste Typ zu sein.
Geschlossene extranukleäre Pleuromitose kommt bei Trichomonadida und Dinoflagellata vor.
Geschlossene Orthomitose findet sich bei Kieselalgen, Wimpertierchen, einigen Mikrosporidien, einzelligen Hefen und einigen mehrzelligen Pilzen.
Die halboffene Pleuromitose ist typisch für die meisten Apicomplexa.
Halboffene Orthomitose kommt in verschiedenen Varianten bei einigen Amöben (Lobosa) und einigen grünen Flagellaten (z. B. Raphidophyta oder Volvox) vor.
Die offene Orthomitose ist typisch für Säugetiere und andere Metazoa sowie für Landpflanzen; sie kommt aber auch bei einigen Protisten vor. ⓘ

Eine geschlossene intranukleäre Pleuromitose ist typisch für Kinetoplastiden, beispielsweise Trypanosomen, für Oxymonadiden, Foraminiferen, Strahlentierchen sowie einige grüne Flagellaten. ⓘ

Eine geschlossene extranukleäre Pleuromitose tritt bei Trichomonaden und bei Dinoflagellaten auf. ⓘ

Irrtümer und andere Abweichungen

Eine abnormale (tripolare) Mitose (12-Uhr-Position) in einer Präkanzerose des Magens (H&E-Färbung) ⓘ

Während der Mitose können Fehler auftreten, insbesondere während der frühen Embryonalentwicklung des Menschen. Bei jedem Schritt der Mitose gibt es normalerweise auch Kontrollpunkte, die den normalen Ausgang der Mitose steuern. Gelegentlich bis fast nie kommt es jedoch zu Fehlern. Durch mitotische Fehler können aneuploide Zellen entstehen, die zu wenige oder zu viele von einem oder mehreren Chromosomen haben, ein Zustand, der mit Krebs in Verbindung gebracht wird. Bei frühen menschlichen Embryonen, Krebszellen, infizierten oder vergifteten Zellen kann es auch zu einer pathologischen Teilung in drei oder mehr Tochterzellen kommen (tripolare oder multipolare Mitose), was zu schweren Fehlern in der Chromosomenergänzung führt. ⓘ

Bei der Nondisjunktion trennen sich die Schwesterchromatiden während der Anaphase nicht. Eine Tochterzelle erhält beide Schwesterchromatiden des nicht vereinigten Chromosoms, die andere Zelle erhält keine. Infolgedessen erhält die erste Zelle drei Kopien des Chromosoms, was als Trisomie bezeichnet wird, während die zweite Zelle nur eine Kopie erhält, was als Monosomie bezeichnet wird. Gelegentlich kann es vorkommen, dass eine Zelle die Zytokinese nicht abschließt und beide Zellkerne in einer Zelle verbleiben, was zu zweikernigen Zellen führt. ⓘ

Eine Anaphasenverzögerung tritt auf, wenn die Bewegung eines Chromatids während der Anaphase behindert wird. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass sich die mitotische Spindel nicht richtig an das Chromosom anlagern kann. Das zurückgebliebene Chromatid wird von beiden Kernen ausgeschlossen und geht verloren. Daher wird eine der Tochterzellen für dieses Chromosom monosomisch sein. ⓘ

Endoreduplikation (oder Endoreplikation) liegt vor, wenn sich Chromosomen verdoppeln, die Zelle sich anschließend aber nicht teilt. Dies führt zu polyploiden Zellen oder, wenn sich die Chromosomen wiederholt duplizieren, zu polytenen Chromosomen. Die Endoreduplikation kommt bei vielen Arten vor und scheint ein normaler Teil der Entwicklung zu sein. Endomitose ist eine Variante der Endoreduplikation, bei der die Zellen ihre Chromosomen während der S-Phase replizieren und in die Mitose eintreten, diese aber vorzeitig beenden. Anstatt sich in zwei neue Tochterkerne zu teilen, bleiben die replizierten Chromosomen im ursprünglichen Kern erhalten. Die Zellen treten dann erneut in die G₁- und S-Phase ein und replizieren ihre Chromosomen erneut. Dies kann mehrfach geschehen, wobei sich die Chromosomenzahl mit jeder Replikationsrunde und Endomitose erhöht. Blutplättchen produzierende Megakaryozyten durchlaufen während der Zelldifferenzierung eine Endomitose. ⓘ

Die Amitose bei Wimpertierchen und im Plazentagewebe von Tieren führt zu einer zufälligen Verteilung der elterlichen Allele. ⓘ

Bei der Karyokinese ohne Zytokinese entstehen mehrkernige Zellen, so genannte Koenozyten. ⓘ

Diagnostischer Marker

Mitoseerscheinungen bei Brustkrebs ⓘ

In der Histopathologie ist die Mitoserate (Mitosezahl oder Mitoseindex) ein wichtiger Parameter in verschiedenen Arten von Gewebeproben, sowohl für die Diagnose als auch für die weitere Spezifizierung der Aggressivität von Tumoren. So wird beispielsweise bei der Klassifizierung von Brustkrebs routinemäßig eine Quantifizierung der Mitosezahl vorgenommen. Die Mitosen müssen in einem Bereich mit der höchsten mitotischen Aktivität gezählt werden. Die visuelle Identifizierung dieser Bereiche ist bei Tumoren mit sehr hoher mitotischer Aktivität schwierig. Auch der Nachweis atypischer Formen der Mitose kann sowohl als diagnostischer als auch als prognostischer Marker verwendet werden. So weist z. B. die Mitose vom Lag-Typ (nicht gebundenes, kondensiertes Chromatin im Bereich der mitotischen Figur) auf ein hohes Risiko für Gebärmutterhalskrebs im Zusammenhang mit einer Infektion durch das humane Papillomavirus hin. Um die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Mitosezählung zu verbessern, wurde eine automatisierte Bildanalyse mit auf Deep Learning basierenden Algorithmen vorgeschlagen. Bevor diese Algorithmen in der Routinediagnostik eingesetzt werden können, sind jedoch weitere Forschungsarbeiten erforderlich. ⓘ

Normale und atypische Formen der Mitose in Krebszellen. A, normale Mitose; B, Chromatinbrücke; C, multipolare Mitose; D, Ringmitose; E, dispergierte Mitose; F, asymmetrische Mitose; G, lag-type Mitose; und H, Mikrokerne. H&E-Färbung. ⓘ

Entwicklung

Einige Arten der Zellteilung bei Prokaryonten und Eukaryonten ⓘ

Es gibt prokaryotische Homologe aller Schlüsselmoleküle der eukaryotischen Mitose (z. B. Aktine, Tubuline). Da es sich bei der Mitose um eine universelle eukaryotische Eigenschaft handelt, ist sie wahrscheinlich an der Basis des eukaryotischen Stammbaums entstanden. Da die Mitose weniger komplex ist als die Meiose, könnte die Meiose nach der Mitose entstanden sein. Allerdings ist die sexuelle Fortpflanzung mit Meiose auch ein primitives Merkmal der Eukaryoten. Meiose und Mitose könnten sich also beide parallel aus ursprünglichen prokaryotischen Prozessen entwickelt haben. ⓘ

Während bei der bakteriellen Zellteilung nach der Verdoppelung der DNA zwei zirkuläre Chromosomen an einer speziellen Region der Zellmembran befestigt werden, ist die eukaryotische Mitose in der Regel durch das Vorhandensein vieler linearer Chromosomen gekennzeichnet, deren Kinetochoren an den Mikrotubuli der Spindel befestigt sind. In Bezug auf die Formen der Mitose scheint die geschlossene intranukleare Pleuromitose die primitivste Form zu sein, da sie der bakteriellen Teilung ähnlicher ist. ⓘ

Galerie

Mitotische Zellen können mikroskopisch sichtbar gemacht werden, indem man sie mit fluoreszierenden Antikörpern und Farbstoffen anfärbt. ⓘ

Frühe Prophase: Die polaren Mikrotubuli, die als grüne Stränge dargestellt sind, haben eine Matrix um den noch intakten Zellkern gebildet, wobei die kondensierenden Chromosomen blau dargestellt sind. Die roten Knötchen sind die Zentromere.
Frühe Prometaphase: Die Kernmembran hat sich gerade aufgelöst, so dass die Mikrotubuli schnell mit den Kinetochoren interagieren können, die sich auf den Zentromeren der kondensierenden Chromosomen aufbauen.
Metaphase: Die Zentrosomen sind zu den Polen der Zelle gewandert und haben die mitotische Spindel gebildet. Die Chromosomen haben sich an der Metaphasenplatte zusammengefunden.
Anaphase: Kinetochore-Mikrotubuli ziehen die beiden Chromosomensätze auseinander, und sich verlängernde polare Mikrotubuli schieben die Hälften der sich teilenden Zelle weiter auseinander, während die Chromosomen maximal kondensiert sind.
Telophase: Umkehrung der Prophase und Prometaphase und damit Abschluss des Zellzyklus. ⓘ

Funktion der Mitose

Abgrenzung der Meiose

Von der Mitose abzugrenzen ist eine besondere Art von Kernteilung, bei der eine Reduktion des Chromosomensatzes erfolgt und keine identischen Tochterkerne entstehen. Sie tritt als Meiose oder Reifeteilung bei der Bildung von Keimzellen für die geschlechtliche Vermehrung auf und kann aus einer diploiden Ausgangszelle in zwei Teilungsschritten vier haploide Zellen entstehen lassen. Hierbei wird im ersten Schritt (Reduktionsteilung) der Chromosomensatz halbiert, während die zweite Teilung (Äquationsteilung) in etwa dem Ablauf einer Mitose entspricht. ⓘ

Phasen einer Mitose

Neben einem zum Vergleich dargestellten Zellkern in der Interphase (links) sind aufeinanderfolgend verschiedene Stadien der Mitose gezeigt (entsprechend der deutschen Literatur, daher ohne Prometaphase). ⓘ