Als Mitose (von griechisch μίτος mitos ‚Faden‘) oder Karyokinese (von griechisch κάρυον karyon ‚Kern‘ und κίνησις kinesis ‚Bewegung‘), auch indirekte Kernteilung genannt, wird die Teilung des Zellkerns bezeichnet, bei der zwei Tochterkerne mit gleicher genetischer Information entstehen. Sie findet bei Zellen eukaryotischer Lebewesen statt – Prokaryoten haben keinen Zellkern – und geht zumeist einer Teilung der ganzen Zelle voraus, aus der zwei Tochterzellen hervorgehen.
mini|hochkant=2|Schemazeichnung eines Zellzyklus mit der Interphase und den einzelnen Phasen der Mitose als Kernteilung, bevor es zur Zellteilung kommt
Im Zellzyklus sich teilender Zellen von Eukaryoten sind Kernteilung und Zellteilung aneinander gekoppelt. Mitose und Zytokinese werden so zusammen auch als Mitose- oder M-Phase bezeichnet. Während der Interphase zwischen einander folgenden Mitosen wird das DNA-Molekül eines Chromosoms verdoppelt (Replikation), wonach jedes Chromosom aus zwei gleichen Schwester-Chromatiden besteht. Bei der Mitose werden diese Chromatiden dann getrennt und aufgeteilt, sodass jeder Tochterkern je eine identische Hälfte als Tochterchromosom erhält. Damit kann an zwei Tochterzellen jeweils eine identische Kopie des gesamten chromosomalen Genoms der Mutterzelle weitergegeben werden.
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.
Geschichte Eine Zellteilung beobachtete unter dem Mikroskop erstmals der Tübinger Botaniker Hugo von Mohl 1835 bei der Grünalge Cladophora glomerata, danach auch bei Landpflanzen. Teilungsformen tierischer Zellen beschrieb Robert Remak 1841 zunächst an embryonalen Blutzellen, 1851Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 36. („Remaksche (direkte) Kernteilung“). die Teilungen der befruchteten Eizelle beim Huhn mit der Entwicklung dreier unterschiedlicher Keimblätter.David Lagunoff: A Polish, Jewish Scientist in 19th-Century Prussia. In: Science. Band 298, Nr. 5602, Dezember 2002, S. 2331f, doi:10.1126/science.1080726. Er stellte die Bedeutung des Phänomens der Zellteilung für die Bildung neuer Zellen heraus und vermutete, dass auch die neuen Zellkerne durch Teilung gebildet werden.Robert Remak: Ueber extracellulare Entstehung thierischer Zellen und über die Vermehrung derselben durch Theilung. Archiv für Anatomie, Physiologie und wissenschaftliche Medicin, 1852, S. 47–57. In den folgenden Jahren sahen andere Zellforscher Teilungsvorgänge an den Zellen vieler Pflanzen und Tiere. Hugo von Mohl hatte eine für das Verständnis der Lebensvorgänge im Nachhinein wichtige Entdeckung gemacht. Der Berliner Arzt Rudolf Virchow fasste sie 1855 in dem Ausspruch Omnis cellula e cellula oder
mini|Historische Darstellung der Mitose aus Gray’s Anatomy von 1918 – I bis III: Prophase; IV: Metaphase; V und VI: Anaphase; VII und VIII: Telophase
Noch aber herrschten unklare Vorstellungen über den Feinbau der damals bekannten Zellbausteine und ihre Funktion. Dies betraf insbesondere den Zellkern und seine Rolle bei der Teilung. Erst mit der Weiterentwicklung der Mikroskope und der Färbetechniken in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts konnten die Forscher neue Erkenntnisse gewinnen. So beschrieb 1873 der Giessener Zoologe Anton Schneider bei dem Plattwurm Mesostoma ehrenbergii („Glas-Strudelwurm“) die ablaufenden Veränderungen des Kerns bei der Teilung wie auch eine rosettenförmige Anordnung verdickter Stränge in „Aequatorialebene“.Anton Schneider: Untersuchungen über Plathelminthen. J. Ricker, Giessen 1873, S. 50, doi:10.5962/bhl.title.46840.
Auch dem Bonner Botaniker Eduard Strasburger fielen 1874 in einem Präparat sich teilender Zellen Teilungsstadien auf mit Kernspindeln anstelle eines normalen Zellkerns, in denen längliche, gekrümmte oder abgewickelte Fadengebilde sichtbar waren. Wegen ihrer starken Anfärbbarkeit nannte der Kieler Anatom Walther Flemming deren Substanz Chromatin und bezeichnete den gesamten Vorgang der indirekten Kernteilung 1879 als „Mitose“ (nach dem griechischen Wort für „Faden“). Zuvor hatte er an Zellen des Feuersalamanders festgestellt, dass sich jeder Faden in zwei parallele trennt, dass die neuen Kerne je aus der vollen Hälfte einer Spindel entstehen – und dass nichts übrig bleibt.Walther Flemming: Zur Kenntniss der Zelle und ihrer Theilungs-Erscheinungen. In: Schriften des Naturwissenschaftlichen Vereins für Schleswig-Holstein, Band 3, 1878, (PDF; 1,4 MB). Der Berliner Anatom Wilhelm Waldeyer schlug im Jahre 1888 die Bezeichnung Chromosomen vor. Bei genauerer mikroskopischer Untersuchung stellte man fest, dass jedes Chromosom aus zwei gleichen Hälften besteht, den Chromatiden. Diese liegen eng aneinander, sind aber nur an einer Stelle, dem Centromer, miteinander verbunden.
Chromosomen entdeckte man nicht nur in Pflanzen- und Tierzellen, sondern auch in einigen (eukaryoten) Einzellern. Im Laufe der Zeit fand man heraus, dass jede Pflanzen- und Tierart in allen Körperzellen eine arttypische Anzahl von Chromosomen besitzt. Die Anzahl liegt zwischen zwei Chromosomen beim Pferdespulwurm (Ascaris megalocephala univalens) und einigen hundert bei manchen Pflanzen.
Funktion der Mitose Die Mitose ermöglicht es, die in den Chromosomen enthaltene genetische Information so aufzuteilen, dass zwei Tochterzellkerne wieder die gleiche Erbinformation erhalten. Dafür muss das Erbgut im Kern einer Mutterzelle zuvor – während der vorangehenden Interphase des Zellzyklus – verdoppelt worden sein. Jedes Chromosom, das nach einer Kernteilung zunächst aus einem Chromatid besteht, hat nach der Verdopplung zwei identische Schwesterchromatiden, die am Centromer zusammenhängen. Diese werden in den Mitosephasen verdichtet, angeheftet, angeordnet, je aufgetrennt und jeweils auseinanderbewegt, sodass zwei räumlich verschiedene – jedoch nach Anzahl und Art der Chromosomen identische – geordnete Ansammlungen entstehen, zwischen denen der Kern dann geteilt wird.
500px|mini|Stark vereinfachtes Schema des Zellkernzyklus bei Diplonten.(Chromosomen der Interphase mit den gleichen Symbolen wie die der Mitosephase dargestellt, obgleich ihr wirkliches Aussehen verschieden ist.) Bei einzelligen Eukaryoten bildet die Karyokinese zusammen mit der Zytokinese die Grundlage für ihre Vermehrung, wenn sich die Zelle nach einer Mitose teilt. Bei manchen dieser Protisten verläuft die Mitose ähnlich wie bei den mehrzelligen Eukaryoten als offene Mitose, das heißt, die Kernhülle wird vorübergehend zerlegt. Doch bleibt bei verschiedenen anderen Protisten die Kernhülle erhalten, sodass eine geschlossene Mitose stattfindet.
Bei mehrzelligen Eukaryoten ist die Mitose die Voraussetzung für die Bildung eines neuen Zellkerns und gewöhnlich – von einigen Ausnahmen abgesehen – auch für die Bildung neuer Zellen. In mehrzelligen Organismen wie den Menschen findet eine Zellteilung im Verlauf ihrer Entwicklung nicht mehr bei allen entwickelten Zelllinien statt. So vermehren sich Nervenzellen und Muskelzellen nach abgeschlossener Differenzierung nicht mehr. Diese Zellen verlassen post-mitotisch den Teilungszyklus und treten in die sogenannte G0-Phase ein, sodass die DNA gar nicht erst repliziert wird (siehe Zellzyklus). Reife rote Blutkörperchen des Menschen können sich nicht mehr teilen, da ihnen ihr Zellkern dann fehlt und somit keine Mitose eingeleitet werden kann. Epithelzellen im Darm und in der Oberhaut hingegen vermehren sich wesentlich häufiger als der Durchschnitt und erneuern so innere und äußere Oberflächen des Körpers.
Die eigentliche Kernteilung dauert bei menschlichen Zellen in der Regel ungefähr eine Stunde; die zwischen den Mitosephasen ablaufende Interphase des Zellzyklus sich fortlaufend teilender Zellen währt deutlich länger, abhängig vom Zelltyp etwa 12–24 Stunden. Bei anderen Organismen kann die Mitosedauer länger sein, wie bei der Ackerbohne mit etwa zwei Stunden, oder kürzer, wie bei der Fruchtfliege, wo sie oft nur 9 Minuten lang ist.
Die Mitose kann durch verschiedene sogenannte Mitogene angeregt werden. Eingeleitet wird der Kernteilungsvorgang dann durch den Mitose-promoting factor (MPF), dem Proteinverbund von Cyclin B mit einer davon abhängigen Kinase (CDK 1).
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.
Formen einer Mitose Mitosen in den Zellen eukaryoter Organismen laufen nach einem ähnlichen Prozessschema ab, doch nicht alle in gleicher Form. So lassen sich danach, ob während der Karyokinese die das Karyoplasma mit den Chromosomen umhüllende Kernmembran abgebaut wird oder nicht, offene und geschlossene Mitosen unterscheiden, sowie als Zwischenform mit teilweisem Abbau oder Durchbrüchen der Kernhülle eine halboffene Mitose. Daneben können hinsichtlich der Ausbildung des Spindelapparates annähernd achsensymmetrische Formen als „Orthomitose“ (mittig ausgerichtet) von anderen mit exzentrischen Spindeln geschieden werden, die als „Pleuromitose“ (seitlich verlagert) bezeichnet werden. Mit Bezug auf eine erhaltene Kernhülle ist darüber hinaus nach der Lage der Spindelpole die Unterscheidung in intranukleäre versus extranukleäre Formen möglich.
Eine Zellkernteilung findet überhaupt nur in Zellen von Lebewesen der Domäne der Eukaryoten (Eukaryota) statt, denn die der Bakterien (Bacteria) und der Archaeen (Archaea) haben keinen Kern. Die eukaryotischen Lebewesen werden taxonomisch unterschiedlich klassifiziert und in verschiedenen Gruppen, Obergruppen oder Übergruppen zusammengefasst. Eine Mitose der geschlossenen Form findet sich innerhalb jeder der supergroups, eine Mitose der offenen Form ebenfalls, ausgenommen für Excavata, die ausschließlich geschlossene Mitosen zeigen.B. Boettcher, Y. Barral: The cell biology of open and closed mitosis. In: Nucleus (Austin, Tex.). Band 4, Nummer 3, 2013 May-Jun, S. 160–165, doi:10.4161/nucl.24676, PMID 23644379, .
Eine offene Orthomitose ist typisch für Säugetiere wie für andere Metazoa, und für Landpflanzen; sie tritt aber auch bei einigen Protisten auf.
Eine halboffene Orthomitose kommt in verschiedenen Varianten bei Euamöben vor und bei grünen Flagellaten wie Raphidophyta oder beispielsweise Volvox.
Eine halboffene Pleuromitose ist typisch für die meisten Apicomplexa, beispielsweise Plasmodien.
Eine geschlossene Orthomitose findet sich bei Kieselalgen, bei Wimperntierchen, bei einigen Microsporidien, einzelligen Hefen und auch bei mehrzelligen Pilzen.
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.
Phasen einer Mitose