Vorlesung Zellbiologie Teil Biologie:

Evolution – Zellbiologie – Entwicklung(Alberts, Kapitel 17)

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Institut für Biologie II

Jörg Mey

Jörg Mey

Institut für Biologie IIRWTH Aachen

Entwicklungsbiologie

Einleitung: Zellkern, Spindelapparat

1. Mitose – Zellzyklus

2. Meiose - Keimbahn

3. Gametenbildung

4. Beginn der Embryonalentwicklung

Wiederholung: Übungsfragen

Institut für Biologie II

Jörg Mey

Entwicklungsbiologie

Einleitung: Zellkern, Spindelapparat

1. Mitose – Zellzyklus

2. Meiose - Keimbahn

3. Gametenbildung

4. Beginn der Embryonalentwicklung

Wiederholung: Übungsfragen

Institut für Biologie II

Jörg Mey

Funktion der Mitose

Einzeller: VermehrungVielzeller: Entwicklung der Gewebe, Wachstum, Ersetzen

toter Zellen (turnover)Beispiele, Mensch: Erythrozyten t(1/2) = 120 d

Leberzellen t (1/2) = 1 aNervenzellen = werden in der Regel nicht erneuert

Ausdifferenzierte Zellen sind nicht oder nur eingeschränkt teilungsfähig.

Stammzellen teilen sich, ersetzen ausdifferenzierte Zellen.diffus (z.B. Blut, Spermien)in Blastemen (z.B. Epidermis)

Entwicklungsbiologie

Einleitung: Zellkern, Spindelapparat

1. Mitose – Zellzyklus

2. Meiose - Keimbahn

3. Gametenbildung

4. Beginn der Embryonalentwicklung

Wiederholung: Übungsfragen

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Jörg Mey

Schema des Zellzyklus:

InterphaseG0/G1

Regulationspunkt am Ende von G1S (DNA-Synthese)G2

Regulationspunkt am Ende von G2

M-PhaseProphaseMetaphaseAnaphaseTelophaseCytokinese

M-Phase

Zellzyklus =Interphase + M-Phase

Interphase =G0/G1 + S + G2

Zellteilung =Mitose + Cytokinese

Kernhülle

nicht kondensierteChromosomen im Zellkern

• Während der Interphase nimmt die Zellgröße zu.• Die DNA der Chromosomen wird repliziert • und das Centrosom verdoppelt.

Interphase

verdoppeltes Centrosom

frühe Prophase

Prophase

Prometaphase

Metaphase

Anaphase

Telophase

Interphase

Mitose

Interphase• Kern im Lichtmikroskop: nur der Nucleolus ist sichtbar• „Ruhekern“ = Arbeitskern: DNA-Replikation (S-Phase), RNA-Synthese• Verdopplung der Centriolen/Centrosomen• ggf. Wachstum der Zelle

Prophase• Volumenzunahme• Auflösung des Nucleolus• Chromosomen kondensieren zu fädigen Strukturen, (P) von H1• Schwesterchromatiden sind längs durch Proteinbrücken verbunden Prometaphase• Kernhülle löst sich in einzelne Vesikel auf• ER, Golgi-Apparat zerfallen in einzelne Vesikel• Centriolenpaare rücken auseinander, Bildung der Aster (Mikrotubuli)

Mitose

Metaphase• Teilungsspindel wird ausgebildet: 20-40 Mikrotubuli/Faser• Chromosomen sind maximal kondensiert, Längsspalt zwischen den Chromatiden sichtbar, Verbindung am Centromer• Anordnung der Chromosomen in der Äquatorialebene• Metaphaseplatte, Aufteilung der Mitochondrien, Organellen

Fixierung in der Metaphase: Karyogramm

Anaphase• Transportphase, plötzlicher Übergang: gleichzeitige Trennung aller Chromatiden, die zu entgegengesetzten Polen der Zelle wandern• Verkürzung der Chromosomenfasern im Bereich der Centriolen• Entlanghangeln der Chromatiden entlang der Mikrotubuli• Aneinandergleiten der Zentralfasern – Auseinaderweichen der Centriolen

Mitose

Telophase• Ausbildung der neuen Kernhülle, Lamina – zwei Tochterkerne• Neubildung von ER und Golgi-Apparat aus Vesikeln• Auflockerung der Chromosomen, Dephosphorylierung von H1 u.a.• Neubeginn der Transkription

Cytokinese• Einschnürung in der Äquatorialebene: Aktin, Myosin-Filamente• eng gepackte, überlappende Mikrotubuli in der Mitte: Fleming-Körper

- viele unterschiedliche Zellteilungsmuster (äqual, inäqual etc.)- Endomitose: Mitose ohne Cytokinese

Kondensation der Chromosomen

• Die DNA ist verdoppelt, daher 2 Chromatiden/Chromosom

• Centromer • Kinetochor

Abb.: Immunfärbung des KinetochorChromatinschleifen im EMSchwesterchromatiden

Länge der Metaphase-Chromosomen:

µm-Bereich

Länge der DNA des menschlichen Chromosomensatzes:

ca. 2 m

Kondensation der Chromosomen

Abb.: Kondensationder Chromosomen

Abb.:Alpha-/Beta-TubulinAufbau der Mikrotubuli

Mantelfasern Chromosomenfasern Zentralfasern

Mikrotubulus: d= 21 – 25 nm Spindelfasern: 20 – 40 Mikrotubuli

Colcemid/Colchizin: depolymerisieren Mikrotubuli, Mitosegiftekeine Anaphase, Chromosomen bleiben kondensiert

Abb.:Kondensationsstufen der DNA/Chromosomen (Wiederholung)Aufbau der Mikrotubuli, Centriolen (Wiederholung)

Aufbau des Spindelapparats

Steuerung der Zellzyklus

Wichtige Proteine, die and er Steuerung des Zellzyklus beteiligt sind:

Cycline • allmähliches Ansteigen während der Interphase, schlagartiger Rückgang

beim Übergang Metaphase/Anaphase• Abbau: Ubiquitinylierung, Proteasomen

CdK – cyclin dependent kinases• sind an verschiedenen Stellen des Zyklus wichtig•z.B. MPF (mitosis promoting factor), in großer Menge zu Beginn der Metaphase• durch Cycline aktivierte CdK phosphorylieren Proteine• z.B. H1, Lamina-Proteine, Mikrotubuli – Chromatin-Kondensation, • Inaktivierung der CdK durch schnellen Abbau der Cycline

Fehler bei der Steuerung des Zellzyklus: Krebs

Steuerung der Zellzyklus

Restriktionspunkt

DNA-Replikation

Entwicklungsbiologie

Einleitung: Zellkern, Spindelapparat

1. Mitose – Zellzyklus

2. Meiose - Keimbahn

3. Gametenbildung

4. Beginn der Embryonalentwicklung

Wiederholung: Übungsfragen

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Jörg Mey

Meiose

Mitosen: ungeschlechtliche Vermehrung, Bildung von Gewebenvegetative Vermehrung, genetisch identische Individuen (= Klone)

Meiose: Reduktionsteilung, GametenbildungGrundlage der geschlechtlichen Fortpflanzungzwei Gameten (1n) verschmelzen zur Zygote (2n)Kompensation 2n 1n nur bei der Bildung der Keimzellen

Zweck der Sexualität?genetische RekombinationVerbreitung von rezessiven, positiven MutationenParasitismus-Hypothese

Definition: weiblich = Geschlecht mit den großen, nährstoffhaltigen i.d.R. unbeweglichen Gameten (Oozyten)

Meiose

zwei Zellteilungen in Folge

Interphase: Verdoppelung der Chromatiden (DNA: 4n)

1. Meiotische Teilung: Aufteilung der homologen Chromosomen (je 2n) auf zwei Tochterzellen (4n 2n + 2n, homolog, nicht identisch)

2. Meiotischen Teilung: Aufteilung der Chromatiden auf zweimal zwei Tochterzellen 2 x (2n 1n + 1n, identisch)

Problem: Paarung der homologen Chromosomendauert lang, auch ohne Wartestadium, beim Mann 16 Tagebei der Frau Wartestadium (dauert Jahre)

Prophase ILeptotän

Prophase IBukettstadium

Prophase IZygotän

Prophase IPachytän

Metaphase IDiakinese

Anaphase I

Anaphase II

Meiose

Prophase I, Leptotän• dünne Chromosomenfäden sichtbar, an die Lamina angeheftet• perlenartige Chromomeren (kondensierte Seitenschleifen)• Bukett-Stadium: U-förmige Schlaufen von der Lamina ins Karyoplasma

Prophase I, Zygotän• Paarung der homologen Chromosomen, von den Telomeren ausgehend =

Synapsis• n Bivalente (4 Chromatiden), Schwesterchromatiden identisch,

Nicht-Schwesterchromatiden nur homolog (von V, M)• Synaptinemaler Komplex: zentrale Fibrillen, die die homologen Chromosomen verbinden, Abstand 100 nm• Paarung der Geschlechtschromosomen, kleine homologe Abschnitte X/Y

Mitose Meiose

homologe Chromosomen nebeneinander homologe Chromosomen gepaartWie groß ist hier n? Wieviel DNA-Material (...xn)? Wieviel Chromosomen (...xn)?

Meiose

Prophase I, Pachytän• Verkürzung der Bivalente, Chromosomenkondensation, Anheftungspunkte an die Kernhülle verlagern sich, 4 Chromatiden sichtbar• Kernvolumen wächst• Crossover-Ereignisse – Bruch an homologen Stellen, kreuzweises Verheilen,

enzymatisch katalysiert, Rekombination (M/V), Ort zufällig

Prophase I, Diplotän• weitere Verkürzung der Chromosomen, die homologen weichen etwas

auseinander• Überkreuzungdn lichtmikroskopisch sichtbar: Chiasmata• Crossover kurz vor dem Auftreten der ChiasmataDiakinese• Teminalisierung der Chiasmata beim Auseinanderweichen der Chromosomen• Auflösung der Kernhülle, Teilungsspindel bildet sich

Meiose

Metaphase I• Anordnung der Chromosomen in der Äquatorialebene• Kinetochoren liegen nebeneinander, nicht gegenüber• Ausrichtung der homologen Chromosomen ist zufällig (für n Bivalente

gibt es 2n Anordnungsmöglichkeiten)

Anaphase I• Trennung der gepaarten homologen Chromosomen, zu den Polen• Schwesterchromatiden bleiben am Centromer verbunden

Telophase I• Auflockerung der Chromosomen

Interkinese• keine DNA-Synthese• vorübergehende Bildung einer Kernhülle

Meiose

2. meiotische Teilung• Auflösen der Kernhülle• erneute Verkürzung der Chromosomen• Metaphaseplatten• Kinetochore verlagern sich, so dass sie sich wie bei der Mitose im Centromerbereich gegenüber liegenMetaphase IIAnaphase IITelophase II• Dekondensieren der Chromosomen• Kernhülle und Nukleoli entstehen neu

Reduktion der DNA-Menge auf 1n pro GametRekombination von M- und V-Erbgut2n verschiedene Gameten möglich (Mensch: 223 246, daraus ergeben sich 1013 genetisch verschiedene Nachkommen, Erde 6 x 109)

Entwicklungsbiologie

Einleitung: Zellkern, Spindelapparat

1. Mitose – Zellzyklus

2. Meiose - Keimbahn

3. Gametenbildung

4. Beginn der Embryonalentwicklung

Wiederholung: Übungsfragen

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Jörg Mey

Bildung der Gameten

Proliferationsphase,VermehrungsphaseEinwanderung der Urkeimzellen in die Gonadenmitotische Teilungen, VolumenvelusteErgebnis (2n): Oogonien, Spermatogonien

Wachstumsphasebesonders bei Oogonien exzessives WachstumEinlagerung von Speicherstoffen (Dotter), Bildung von Zellorganellen auf VorratErgebnis (2n): Oocyten I, Spermatocyten I

ReduktionsphaseErgebnis: Oocyte I Oocyte II + Polkörperchen

Oocyte II Eizelle + 2. PolkörperchenSpermatocyte I 2 Spermatocyten II 4 Spermatiden

Bildung der Gameten beim Menschen

SpermatogeneseVermehrungsphase bis zur Pubertätdifferentielle Teilungen: Spermatogonien (weiter teilungsfähig)

+ Spermatocyten I (2n)bis ins hohe Alter bleibt ein Stamm von Spermatogonien erhaltenWachstumsphase, Reduktionsphase

Spermiogenese (sensu strictu): Spermatiden (1n)

Spermiocytogenese: Reifung der SpermatidenDifferenzierungsprozess der Spermien• spezifische Funktionen: Eigenbeweglichkeit, gerichtete Bewegung, • Durchdringen der Eihülle (Säuger: Schicht von Follikelzellen)• Erkennungmechanismen (besonders wichtig bei extrakorporaler Befruchtung z.B. bei Fischen, marinen Invertebraten)• Fusion mit der Oocyte, Übertragung der DNA

Bildung der Gameten beim MenschenWeitergabe der Organellen mit der Eizelle (extrachromosomale Vererbung in den Mitochondrien), Erbgut im Kern äquivalent

Oogenese

Beginn während der Embryonalentwicklung, endet erst nachdem die Oocyte II besamt worden istEmbryonalentwicklung: Proliferationsphase, gefolgt von Wachstums und Reduktionsphase, die nicht scharf getrennt sindbis zum 7. Monat: Oocyten I treten in die Meiose I ein, verharren im späten DiplotänWartestadium (im Diplotän) = Dictyotänbei Geburt ca. 500.000 Oocyten, 90% degenerieren bis zur Pubertätab Geschlechtsreife: Wiederaufnahme der Meiose, bis Metaphase IIOvulation einer einzigen Oocyte II bei Befruchtung Abschluss der Meiose

Bildung der Gameten beim Menschen

Oogenese

Embryonalentwicklung: Proliferations-, Wachstums-, Reduktionsphase

bis zum 7. Monat: mehr und mehr Oocyten I treten in die Meiose I ein, verharren im späten Diplotät: Bivalente lockern sich auf, homologe bleiben gepaart, Kernhülle und Nucleolus werden neu gebildetWartestadium (im Diplotän) = Dictyotän, kann Jahrzehnte dauernGeburt: ca. 500.000 Oocyten, die alle im Dictyotän vorliegen, 90% davon degenerieren bis zur Pubertät

Geschlechtsreife: in der ersten Hälfte eines jeden Zyklus wird von 10-50 Oocyten I die Meiose wieder aufgenommen (Auslöser: LH)Ablauf bis zur Metaphase II unter Abgabe des 1. PolkörperchensOvulation einer Oocyte II, die übrigen degenerierenBefruchtung im Eileiter: Vollendung der Meiose, 2. Polkörperchen

Keimbahn

Schema: Keimbahn vs Soma

Entwicklungsbiologie

Einleitung: Zellkern, Spindelapparat

1. Mitose – Zellzyklus

2. Meiose - Keimbahn

3. Gametenbildung

4. Beginn der Embryonalentwicklung

Wiederholung: Übungsfragen

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Jörg Mey

EmbryonalentwicklungMaus, Huhn, Krallenfrosch (nicht klausurrelevant)

Abbildungen:

Furchungsteilungen (Amphibien, Maus)Gastrulation beim HühnerembryoNeurulation beim Hühnerembryo

Determination der ventral-dorsalen Achse im NeuralrohrMigration der Neuraleistenzellen

EmbryonalentwicklungMaus, Huhn, Krallenfrosch(nicht klausurrelevant)

Abbildungen:

Differentielle ZelladhäsionZelloberflächenadhäsionsmoleküle:

Cadherine – Cadherine (Zelle/Zelle)CAMs – CAMs (Zelle/Zelle; cell adhesion moleules)Integrine – ECM (Zelle/extracellular matrux)

Entwicklung der Keimblätter:EndodermMesodermEktoderm

Entwicklungsbiologie

Einleitung: Zellkern, Spindelapparat

1. Mitose – Zellzyklus

2. Meiose - Keimbahn

3. Gametenbildung

4. Beginn der Embryonalentwicklung

Wiederholung: Übungsfragen

Institut für Biologie II

Jörg Mey

Welcher Teilungstyp ist hier dargestellt?

Reduktionsteilung, Meiose

Beschriften Sie die Teilungsstadien

Leptotän Bukettstadium Zygotän

Pachytän Diakinese oder Metaphase I Anaphase I Anaphase II

Beschriften Sie die Teilungsstadien

Prophase Metaphase Anaphase Telophase

Welcher Teilungstyp ist hier dargestellt?

Mitose

Wann finden Crossover-Ereignisse statt?

Im Pachytän (der Prophase I der Meiose)

Wofür steht die Abkürzung CdK?

Cyclin dependent Kinase

Was ist der Unterschied zwischen Chiasma und Crossover?

Crossover: molekulares Ereignis bei der Paarung der homologen Chromosomen in der Prophase I der MeioseChiasma: sichtbares lichtmikroskopisches Ereignis beim Auseinandergehen der homologen Chromosomen in der Diakinese der Meiose

Skizzieren sie den Zellzyklus und benennen Sie seine Stadien und die Kontrollpunkte

1

2

S

M-Phase

G1/G0G2

Nennen Sie die Phasen bei der Gametenbildung

Proliferationsphase, Wachstumsphase, Reduktionsphase

Wieviele DNA-Äquivalente liegen bei einem diploiden Organismus bei folgenden Stadien des Zellzyklus/der Zellteilung jeweils vor?

(DNA, Vielfache von n) Wieviele Chromosomen?

G0/G1-PhaseG2-PhaseMitose, Prophase Mitose, MetaphaseMitose, Anaphase nach Abschluss der Diakinese

Meiose, Prophase IMeiose, Metaphase IInach Abschluss der Meiose

2 n 2 n4 n 2 n4 n 2 n4 n 2 n4 n 4 n2 n 2 n

4 n 2 n2 n 1 n1 n 1 n