Cellesyklus og mitose

Denne siden tar for seg cellesyklusen ganske nøye, samt mitose.
For å lese om meiose må du gå her.

Cellesyklus

Hver celle i kroppen følger et nøye koordinert program for å vokse, kopiere sitt DNA og dele seg videre. Dette programmet kalles cellesyklus, og er helt sentralt for utvikling, vedlikehold og reparasjon av vev. Når du forstår hvordan cellene regulerer denne prosessen, får du også nøkkelen til å forstå både normal cellefunksjon og sykdomstilstander som kreft.

Vi deler cellesyklusen inn i flere faser, som hver har sine oppgaver og kontrollpunkter. Disse fasene sørger for at cellen er godt forberedt til neste steg – og at feil fanges opp og rettes før de får alvorlige konsekvenser.

Interfase – forberedelsens lange fase

Mesteparten av livet til en celle tilbringes i interfasen, en rolig, men travel periode der cellen vokser, kopierer DNA og gjør seg klar til å dele seg. Interfasen består av tre underfaser: G1-fase, S-fase og G2-fase.

G1-fase (Gap 1) – Cellevekst og opprydding etter deling

Etter at en celle har gjennomgått mitose og cytokinese, trer den inn i den første fasen av interfase, kalt G1-fasen. Dette er en aktiv og viktig periode der cellen begynner å bygge seg opp igjen etter delingen.

I løpet av G1-fasen øker cellen i størrelse, og den starter intensiv produksjon av proteiner og organeller som er nødvendige for dens funksjon og videre vekst. Det er en slags “oppryddings- og oppbyggingsfase”, der cellen sørger for å gjenopprette balansen etter at den nettopp har delt seg.

G1-fasen er også et kontrollpunkt. Her vurderer cellen sin egen tilstand og miljøet rundt.
Den spør: Er det nok næring? Er DNA-et intakt? Er det gunstige forhold for å gå videre? Hvis svaret er ja, forbereder cellen seg på å kopiere sitt DNA i neste fase, S-fasen. Dersom forholdene ikke er optimale – for eksempel ved skade på DNA eller mangel på næringsstoffer – kan cellen utsette videre deling eller tre inn i en mer varig hviletilstand, kalt G0-fasen.

G1 er derfor en avgjørende fase som balanserer mellom vekst og vurdering, og som setter kursen for cellens videre skjebne.

S-fase (Syntesefasen) – Når DNAet dobles

Etter at cellen har gjennomgått vekst og vurdering i G1-fasen, går den videre til S-fasen, også kalt syntesefasen. Dette er en avgjørende fase i cellesyklusens forløp – her kopierer cellen hele sitt genetiske materiale.

DNA-molekylene i cellekjernen består av lange dobbelttråder organisert i kromosomer. I S-fasen dupliseres hver av disse trådene nøyaktig, slik at det dannes to identiske kopier av hvert kromosom.
Disse kopiene kalles søsterkromatider, og de holdes sammen av en struktur som kalles centromer.
På denne måten forbereder cellen seg på å kunne fordele nøyaktig én kopi til hver av de to nye dattercellene som vil dannes senere.

Samtidig som DNA-et replikeres, kopieres også centrosomene – spesialiserte strukturer som organiserer mikrotubuli og får en sentral rolle under den kommende celledelingen. De vil blant annet bidra til å trekke kromosomene riktig fra hverandre i mitosen.

Selv om hovedoppgaven i S-fasen er DNA-syntese, stopper ikke cellens øvrige aktivitet helt opp. Det skjer fortsatt proteinsyntese og en viss grad av vekst, men i bakgrunnen – det meste av cellens energi og ressurser går nå til å sikre korrekt og fullstendig kopiering av arvestoffet.

S-fasen er dermed en fase der nøyaktighet og presisjon er avgjørende, og feil her kan få alvorlige konsekvenser for cellens videre liv og funksjon.

G2-fase (Gap 2) – Kontroll og siste finpuss

Etter at cellen har kopiert hele sitt DNA i S-fasen, går den videre til G2-fasen – den siste delen av interfasen før selve celledelingen. Dette er en fase preget av forberedelser og kontroll, der cellen gjør seg helt klar for mitose.

Cellen fortsetter å vokse i G2-fasen, og den produserer fortsatt proteiner og organeller som skal brukes under celledelingen. Men det aller viktigste som skjer i denne fasen, er en grundig kvalitetskontroll. Cellen undersøker om DNA-replikasjonen i S-fasen har forløpt riktig: Er alt arvestoffet kopiert? Er det oppstått feil eller mutasjoner som må repareres? Dersom det oppdages skader på DNA, aktiveres reparasjonsmekanismer – og hvis skadene er for alvorlige til å fikses, kan celledelingen stanses helt.

På denne måten fungerer G2-fasen som en slags sikkerhetssjekk.
Først når cellen har bekreftet at alt er i orden, og at alt nødvendig utstyr er på plass, kan den gå videre til M-fasen – selve delingsfasen, der kromosomene fordeles og to nye datterceller dannes.

G2-fasen markerer derfor slutten på interfasen, som samlet har bestått av tre sentrale steg: vekst og vurdering (G1), kopiering av DNA (S) og kontroll og forberedelse (G2). Når alt dette er fullført, er cellen klar for å ta det siste steget: å dele seg og gi opphav til to genetisk identiske celler.

Hvordan DNA pakkes

Før cellen kan starte selve delingsprosessen i M-fasen, må det lange DNA-et organiseres og pakkes.
En vanlig menneskecelle inneholder omtrent to meter DNA i hver cellekjerne – og alt dette må få plass i en struktur som er mindre enn én tidel av et sandkorn.

I G2-fasen begynner cellen å gjøre seg klar for dette: DNA må pakkes tett sammen slik at det danner de kompakte kromosomene som er synlige under mitose. Denne prosessen kalles kondensering, og den har tre viktige funksjoner:

– Den reduserer volumet av DNA, slik at det er håndterbart og får plass i kjernen
– Den beskytter DNA-trådene mot skade, sammenfiltring og brudd
– Den gjør det mulig å separere kromosomene korrekt under mitose og meiose

Uten denne kondenseringen ville DNA-et vært for skjørt og uorganisert til å kunne fordeles nøyaktig mellom dattercellene. Kondensering er med andre ord en kritisk forutsetning for en vellykket celledeling – og det er først når denne pakkingen er på plass at cellen kan gå videre til neste fase: mitose.

For å få plass inne i en cellekjerne, pakkes det tett og organisert ved hjelp av spesialiserte proteiner kalt histoner.

DNA vikles rundt disse histonene som tråd rundt en snelle og danner strukturer som kalles nukleosomer.
Flere nukleosomer etter hverandre danner en perle-på-en-snor-struktur som utgjør det vi kaller kromatin.

For å gå dypere inn i detaljer på dette, må du gå nederst på siden DNA replikasjon.

Men kromatin finnes i ulike tilstander.
Når DNA må være tilgjengelig for transkripsjon eller replikasjon, er det pakket løst og kalles eukromatin.
Når det er tettpakket og inaktivt, kalles det heterokromatin.
Disse pakkingsgradene reguleres av kjemiske modifikasjoner på histonene. 
Acetylering gjør DNA mer tilgjengelig, mens metylering ofte gjør det mindre tilgjengelig. Også fosforylering og ubiquitinering bidrar til å kontrollere hvordan DNA pakkes og uttrykkes.

Før cellen går inn i delingsfasen, skjer ytterligere oppstramming.
I profase kondenseres DNA maksimalt, og det er først da vi kan se kromosomer tydelig i mikroskop. Hvert kromosom består da av to søsterkromatider, klart til å separeres.
Denne kondenseringen er helt avgjørende for at kromosomene skal kunne flyttes effektivt under celledelingen.

På endene av kromosomene finner vi spesialiserte strukturer kalt telomerer.
Disse består av repeterte DNA-sekvenser som beskytter kromosomets ytterpunkter.
Hver gang en celle deler seg, blir telomerene litt kortere. Når de blir for korte, går cellen inn i en tilstand kalt senescence, der den ikke lenger kan dele seg. Dette er en viktig mekanisme for å beskytte kroppen mot ukontrollert celledeling og utvikling av kreft.

Centromeren, som holder søsterkromatidene sammen, er også et funksjonelt senter for kromosomets bevegelighet. Under celledelingen dannes det en struktur kalt kinetokor i centromerområdet, som fungerer som feste for mikrotubuli. Mikrotubuliene trekker kromosomene fra hverandre mot hver sin pol i cellen – en prosess som er helt essensiell for korrekt kromosomsegregering.

Hvert menneske har 23 kromosompar, til sammen 46 kromosomer i hver celle.
Av disse er 22 par autosomer, og ett par er kjønnskromosomer: XX hos kvinner og XY hos menn. Hvert kromosompar består av én kopi fra mor og én fra far, og disse kalles homologe kromosomer.
De inneholder de samme genene, men kan ha ulike varianter (alleler) av hvert gen.

Ved replikasjon dannes det to identiske kromatider for hvert kromosom.
I mitosen fordeles disse til to nye celler, slik at begge får nøyaktig samme genetiske informasjon.
I meiosen, derimot, skjer det først en separasjon av homologe kromosomer (meiose I), og deretter en separasjon av søsterkromatidene (meiose II), slik at kjønnscellene kun får én kopi av hvert kromosom – de blir haploide. Les om meiosen her.

Hele denne strukturelle organiseringen – fra dobbelheliksen og replikasjonen, til histonpakking, kromatinstruktur og kromosomkondensering – er helt avgjørende for at cellen skal kunne fordele arvematerialet sitt korrekt. Uten denne kontrollen kan celledelingen føre til alvorlige feil, som genetiske sykdommer, kromosomavvik eller utvikling av kreft.

Mitose

Etter at cellen har vokst, kopiert sitt DNA og kontrollert at alt er i orden, går den inn i M-fasen, også kjent som mitose. Dette er den delen av cellesyklus hvor arvestoffet fordeles, og selve celledelingen finner sted.

Mitose er viktig for kroppens vekst, reparasjon og vedlikehold. Når du får et sår, når kroppen utvikler seg, eller når gamle celler må erstattes – er det mitose som sørger for at nye, genetisk identiske celler dannes. For at dette skal skje på en trygg og presis måte, må både DNA og andre cellekomponenter fordeles korrekt. Her spiller en sentral struktur en viktig rolle: sentrosomet.

Sentrosom-syklus – cellens “kommandosentral” under deling

Sentrosomet fungerer som cellens organiseringssenter for mikrotubuli – tynne, dynamiske proteintråder som sammen danner det som kalles spindelapparatet. Dette apparatet trekker kromosomene fra hverandre og sørger for at hver dattercelle får akkurat én kopi av hvert kromosom.

Et sentrosom består av to små, sylinderformede strukturer kalt sentrioler, som ligger i vinkel mot hverandre. Sentrosomet følger sin egen livssyklus, tett koordinert med cellesyklusens faser:

• I G1-fasen har cellen ett sentrosom med to sentrioler.
• Under S-fasen dupliseres sentrosomet – én ny sentriol dannes ved siden av hver av de opprinnelige.
• I G2-fasen modnes de to sentrosomene og forbereder seg på å lede delingen.
• Under mitosen beveger de seg til motsatte poler i cellen og organiserer spindelapparatet. Mikrotubuli vokser ut og fester seg til kromosomene slik at de kan trekkes presist fra hverandre.

Til slutt får hver dattercelle ett sentrosom, klart til å ta over styringen i neste cellesyklus.

Mitosens faser

Mitose deles gjerne inn i fem faser: profase, prometafase, metafase, anafase og telofase. Hver fase markerer en ny endring i hvordan cellens kromosomer og strukturer organiseres, slik at de kopierte kromosomene kan fordeles korrekt til to datterceller.

1. Profase

Mitose starter med profasen. Her begynner kromatinet, det løst pakkede DNA-et, å kondenseres til mer kompakte, synlige kromosomer. Hvert kromosom består nå av to søsterkromatider, bundet sammen i et felles centromer.

Parallelt begynner sentrosomene å bevege seg til motsatte poler av cellen.
Fra dem vokser mikrotubuli ut – og disse danner starten på spindelapparatet, som senere skal stå for selve kromosomfordelingen.
Kjernen er fortsatt intakt, men forandringene er i gang.

2. Prometafase

I prometafasen brytes kjernemembranen gradvis ned.
Dette gjør at mikrotubuli fra spindelapparatet får direkte tilgang til kromosomene, som nå er kondenserte og tydelig atskilt i søsterkromatider.

På hvert kromatid finnes en spesialisert struktur kalt kinetokor, som sitter ved centromeret.
Det er her mikrotubuli fester seg. Når festene er etablert, begynner kromosomene å bevege seg mot midten av cellen, drevet av spenning i spindelfibrene og justering av mikrotubuli-lengde.

Dette er en overgangsfase der kontakt etableres og alt forberedes til nøyaktig plassering i neste steg: metafasen.

3. Metafase

Alle kromosomene har nå blitt trukket til cellens midtplan, der de danner en tydelig linje – kjent som metafaseplaten. Dette er ikke en fysisk struktur, men et tenkt plan midt mellom de to cellepolene, der kromosomene organiseres før separasjon.

Spindelapparatet er nå fullt utviklet, og hver søsterkromatid er festet til mikrotubuli fra hver sin pol gjennom kinetokorene. Cellen gjennomfører nå et siste kontrollpunkt – den forsikrer seg om at alle kromosomer er riktig festet og under spenning. Først når dette er bekreftet, går cellen videre til neste fase, der kromatidene skilles.

4. Anafase – kromosomene skilles

Så skjer det: anafase starter. Det spesielle enzymet separase aktiveres. Dette enzymet klipper over proteinet cohesin, som har holdt søsterkromatidene sammen siden S-fasen.

Cohesin fungerer som en glidelås som holder søsterkromatider sammen etter DNA-replikasjon. Det er veldig viktig for at kromosomene skal separeres rett. Cohesin er primært lokalisert ved centromerene, men det finnes også langs hele kromosomene.

APC/C (anaphase-promoting complex/cyclosome) er en ubiquitin ligase, et enzym som markerer proteiner for nedbrytning ved å feste små ubiquitin-proteiner på dem.

Når alle kromosomer er korrekt festet til mikrotubuli, frigjøres APC/C og aktiveres.
APC/C begynner da å ubiquitinylere proteiner som Securin.

Securin er en inhibitor av separase, et enzym som bryter ned cohesin-komplekset. Når APC/C ubiquitinyliserer securin, brytes det ned i proteasomer, og separasen frigjøres. Da går separase bort og bryter ned cohesin, slik at søstrene løsner fra hverandre og kan trekkes mot motsatt side av cellen.

Nå kan mikrotubuliene begynne å trekke søsterkromatidene mot hver sin pol. Det som tidligere var ett kromosom med to kromatider, blir nå to selvstendige kromosomer – ett til hver dattercelle.

Samtidig forlenges de interpolare mikrotubuliene og skyver cellens poler fra hverandre. Cellen begynner å strekke seg ut og få en avlang form.

5. Telofase – ny struktur dannes

I telofasen har kromosomene nådd hver sin pol av cellen.
De begynner å dekondensere, det vil si at de pakkes ut igjen til et mer løst og uorganisert kromatin – slik de var før delingen startet. Dermed blir de mindre synlige i mikroskopet.

Samtidig dannes det en ny kjernemembran rundt hvert kromosomsett, og spindelapparatet brytes ned. Dette markerer slutten på selve mitosen, og cellen har nå to separate kjerner med identisk DNA-innhold.

Midt i cellen begynner også aktin og myosin å samle seg i en ring– en forberedelse til det siste trinnet i celledelingen: cytokinese.

---

Cytokinese – når én celle blir til to

Etter at kjernene har blitt dannet i telofasen, gjenstår bare én ting: å dele selve cellen i to. Dette skjer i cytokinesen – prosessen der cytoplasma og organeller fordeles mellom dattercellene.

Midt i cellen danner aktin og myosin en kontraktil ring like under cellemembranen.
Denne ringen begynner å stramme til, og det dannes en gradvis innsnevring i midtpartiet – ofte kalt kløvingskløfta. Etter hvert som ringen trekker seg sammen, deles cellen fysisk i to.
Etter delingen dannes en intercellulær bro kjent som en midbody, som består av antiparallelle mikrotubuli-fibre fra det sentrale spindelet.
Dette gir strukturell støtte mellom de to cellene før de separeres helt.

Resultatet er to genetisk identiske datterceller, hver med sitt eget cellekjerne, et komplett sett organeller og ett sentrosom. Begge cellene går nå tilbake til G1-fasen – og er klare til å starte en ny runde i cellesyklusen.

Mikrotubuli: Cellens trekktråder

Under celledeling spiller mikrotubuli en sentral rolle. Dette er tynne, sylindriske strukturer bygget opp av proteinet tubulin, og de vokser ut fra sentrosomene – cellens organiseringssentre. Mikrotubuli fungerer som cellens trekktråder og sørger for at kromosomene fordeles riktig når cellen deler seg.

I mitosen organiseres mikrotubuli i tre hovedtyper, hver med sin spesifikke funksjon i spindelapparatet:

• Astrale mikrotubuli strekker seg ut fra sentrosomene mot cellemembranen. De bidrar til å forankre og posisjonere sentrosomene, og er viktige for å orientere spindelapparatet korrekt i cellen.
• Kinetokor-mikrotubuli fester seg direkte til kromosomene via kinetokorene, spesialiserte strukturer som ligger på centromeret – det området som holder søsterkromatidene sammen. Når disse mikrotubuliene forkortes, trekkes kromatidene mot motsatte poler av cellen.
• Interpolare mikrotubuli vokser ut fra hvert sitt sentrosom og møtes i midten av cellen, der de overlapper. De bidrar til å skyve sentrosomene fra hverandre og forlenge cellen under anafase, slik at delingen skjer symmetrisk.

Til sammen utgjør disse mikrotubulitypene et nøye koordinert system som sørger for at celledelingen går riktig for seg – en forutsetning for at begge dattercellene får likt genetisk materiale.

Motorproteiner:

Langs mikrotubuliene beveger det seg spesialiserte motorproteiner. De viktigste av disse er kinesin og dynein. Disse proteinene fungerer nesten som små «gåmaskiner» – de bruker energi fra ATP til å bevege seg langs mikrotubuli og frakte ulike typer last.

Noen motorproteiner er ansvarlige for å transportere strukturer, som kromosomer eller organeller, til bestemte steder i cellen. Andre deltar mer indirekte, ved å regulere mikrotubulienes lengde – enten ved å forkorte dem eller stabilisere dem. Denne evnen er spesielt viktig under mitose, hvor mikrotubuli må tilpasses nøyaktig for å sikre at kromosomene flyttes korrekt.

---

Kromosomfordeling i praksis

I anafase, når søsterkromatidene skal separeres, begynner kinetokor-mikrotubuliene å forkortes. Dette skjer samtidig som motorproteiner ved kinetokorene bidrar til å trekke kromatidene mot hver sin cellepol.
Denne kombinasjonen av forkorting og aktiv transport sørger for forflytning av arvestoffet.

Samtidig fortsetter interpolare mikrotubuli å skyve mot hverandre midt i cellen.
Dette dytter cellepolene fra hverandre og strekker cellen i lengderetningen, noe som forbereder den på selve delingen.

Til slutt, i cytokinese, deles cellen fysisk i to – og hver dattercelle sitter igjen med ett komplett DNA-sett, et sentrosom og et fungerende cellemiljø, klar til å starte en ny syklus.

Hvordan måler vi cellesyklus i praksis?

Flowcytometri

For å forstå hvordan celler beveger seg gjennom cellesyklusens ulike faser, trenger vi gode verktøy. Ett av de mest effektive er flowcytometri – en teknikk som gjør det mulig å analysere store mengder celler én og én, og samtidig måle deres DNA-innhold.
Når celler farges med et DNA-bindende fluorescerende fargestoff (som propidiumjodid), kan mengden lys som emitteres ved laserpåvirkning gi oss et direkte mål på hvor mye DNA cellen inneholder.

Dette har stor betydning i cellebiologi og kreftforskning: Ved å analysere DNA-mengden, kan man fordele cellene i tre hovedgrupper – de som er i G1-fase (normal DNA-mengde), S-fase (DNA er i ferd med å bli kopiert), og G2/M-fase (doblet DNA-mengde). Slik kan man studere cellepopulasjonens syklusstatus, og undersøke hvordan ulike faktorer påvirker celledeling og vekst.

Karyotyping

Karyotyping er en cytogenetisk teknikk som brukes for å visualisere og analysere kromosomene i en celle. Her er en oversikt over karyotyping:

Definisjon: En karyotype er en organisert profil av en organismes kromosomer, ordnet etter størrelse, form og antall.