Kapitel 47: Entwicklung der Tiere

Entwicklung der Tiere

Zygote (einzelne Zelle)

Mensch (Milliarden differenzierter Zellen)

•  Die Frage, wie aus einer befruchteten Eizelle ein Tier wird, hat Wissenschaftler schon seit Jahrhunderten beschäftigt

•  Noch im 19. Jahrhundert war die Präformationslehre die

am weitesten verbreitete Theorie •  Man nahm an, dass die Eizelle oder das Spermium einen

vollständig vorgebildeten (präformierten) Embryo enthält, der im Lauf seiner Entwicklung lediglich größer wird

Geschichtliches

•  Die Entwicklung eines Organismus wird gesteuert vom Genom der Zygote und von Molekülen, die von der Mutter im Ei platziert wurden und cytoplasmatische Determinanten genannt werden

•  Zelldifferenzierung ist der Prozess der

Zellspezialisierung in Struktur und Funktion •  Die Morphogenese ist der Prozess, durch den ein

Organismus Gestalt annimmt

Determinanten, Zelldifferenzierung, Morphogenese

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•  Ein Modellorganismus ist eine Art, die sich für die Untersuchung einer bestimmten Frage eignet und sich leicht im Labor halten und züchten lässt

•  Bei den klassischen embryologischen Untersuchungen

sind die folgenden Modellorganismen eingesetzt worden: Seeigel, Frosch, Huhn und der Nematode Caenorhabditis elegans

Modellorganismen

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Entwicklungsvorgänge verschiedener Vertebraten sind ähnlich

•  Die Entwicklung von Embryonen verschiedener Vertebraten sind sehr ähnlich: Fisch, Molch, Hühnchen, Mensch (v.l.n.r) ‚Biogenetische Grundregel von Haeckel� •  Frühentwicklung sehr ähnlich Hühnchen und Mensch sind im Stadium der Organbildung (Mitte) noch sehr ähnlich •  Auf Molekularer Ebene auch hohe Aehnlichkeit: Homöotische Gene bei Drosophila und Maus

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Uebersicht Modellsysteme für Entwicklungsstudien

Beobachtung der frühen Entwicklung Besamung aktiviert die Entwicklung: Seeigel, Maus Furchungsteilungen Seeigel, Maus, Frosch Gastrulation: der Embryo wird mehrschichtig Frosch Neurulation: Einfaltung des Neuralrohr Frosch, Hühnchen Oganbildung im Embryo Hühnchen Extraembryonale Hüllen, Plazenta Hühnchen, Mensch Studium von Mechanismen der Entwicklung Verteilung von Eikomponenten als Morphogene Polgranula von C. elegans Polarität im frühen Embryo grauer Halbmond beim Froschei Embryonale Induktion primäre primäre Induktion beim Frosch, Molch Musterbildung und Determination im Embryo Drosphila Determination von Extremitäten Zone Polarizing activity (ZPA) beim Hühnchen Veränderung der Zellform bei der Neurulation von Amphibien Zellwanderung Neuralleistenzellen

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Vom Ei zum Embryo in einigen Tagen: Molchentwicklung

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Auslösung der Embryonalentwicklung durch die Befruchtung

Nach der Befruchtung schreitet die Embryonalentwicklung durch Furchung,

Gastrulation und Organogenese fort

•  Nach der Befruchtung durchläuft der wachsende Embryo drei für die weitere Entwicklung und Gestaltbildung wichtige Stadien: –  Furchung: durch Zellteilung entsteht aus der Zygote

eine vielzellige Hohlkugel, die Blastula –  Gastrulation: die Blastula wird zu einem

mehrschichtigen Embryo, der Gastrula, umgestaltet –  Organogenese: das Zusammenspiel und die

Bewegung der drei Schichten führen zu Organanlagen, aus denen sich die adulten Strukturen entwickeln

Besamung und Befruchtung

•  Die Hauptfunktion der Befruchtung besteht im Zusammenführen der haploiden Chromosomensätze zweier Individuen zu einer einzigen, diploiden Zelle, der Zygote

•  Das Eindringen des Spermiums in die Eizelle löst

Stoffwechselreaktionen aus, die die Embryonalentwicklung in Gang setzen

Die Akrosomreaktion

•  Die Akrosomreaktion wird ausgelöst, wenn das Spermium die Eizelle berührt

•  Das Akrosom setzt im Spermienkopf hydrolytische

Enzyme frei, die die Eigallerte ankauen

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Die Corticalreaktion

•  Kontakt und Fusion der Membranen depolarisieren die Eizellmembran und setzen einen schnellen Block gegen Polyspermie in Gang

•  Die Fusion der Plasmamembranen von Eizelle und Spermium löst auch die Corticalreaktion aus

•  Diese Reaktion induziert einen Anstieg an Ca2+ und stimuliert damit

Corticalgranula, ihren Inhalt in den perivitellinen Raum zu entlassen •  Diese Änderungen bewirken die Bildung einer Befruchtungshülle, die

als langsamer Block gegen Polyspermie wirkt

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Reaktion des Seeigeleis: Ca++ Welle pflanzt sich fort

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Zeitverlauf der Befruchtung beim Seeigel-Ei

Aktivierung des Eies

•  Der starke Ca2+-Anstieg im Cytosol bewirkt eine bedeutende Zunahme der Zellatmung und Proteinsynthese im Ei

•  Diese raschen Änderungen im Stoffwechsel werden als

Aktivierung des Eies bezeichnet •  Der Spermienkern verschmilzt mit dem Eikern und ein

diploider Zygotenkern entsteht

Befruchtung bei Säugern

•  Die Befruchtung bei landlebenden Tieren, einschließlich Säugern, erfolgt in der Regel im Körperinneren

•  Bei der Befruchtung von Säugern katalysiert die Corticalreaktion Veränderungen in der Zona pellucida, die extrazelluläre Matrix des Eies, die dann als langsamer Block gegen Polyspermie wirken

Erste Zellteilung und Furchung

•  Die erste Zellteilung erfolgt bei Säugern erst 12–36 Stunden nach der Spermienbindung

•  Der diploide Zellkern liegt erst nach dieser ersten Teilung vor

•  Kurz nach der Befruchtung folgt bei vielen Arten die Furchung, eine Reihe rascher Zellteilungen

•  Die Furchung unterteilt das Cytoplasma einer einzigen, großen Zelle, der Zygote, in viele kleinere Zellen, Blastomeren genannt

•  Die Blastula ist eine vielzellige Kugel, in der sich eine flüssigkeitsgefüllte Höhle, das Blastocoel, bildet

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Furchung, die ersten Teilungen des Seeigelembryos, verteilt das Cytoplasma in immer kleinere Zellen den

Blastomeren

Erste Furchung: Zweizellstadium

Zweite Furchung: Vierzellstadium

Morula mit 32 Zellen (Befruchtungshülle noch vorhanden)

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Frühentwicklung eines Amphibienembryos bis zur Blastula

Acht-Zell Stadium

Morula (16-64 Zellen)

Blastula (flüssigkeits-

gefüllter Hohlraum, das

Blastocoel)

Querschnitt durch

Blastula

Die Eizellen und Zygoten vieler Tieren – mit Ausnahme der Säuger – weisen eine

erkennbare Polarität auf •  Die Polarität wird durch Konzentrationsgefälle

cytoplasmatischer Komponenten und Dotter definiert •  Am vegetativen Pol befindet sich mehr Dotter; am animalen

Pol ist die Dotterkonzentration meist gering •  Die drei Körperachsen werden festgelegt durch die Polarität

des Eis und durch eine corticale Rotation in Richtung der Spermieneintrittsstelle

•  Durch die Rotation entsteht ein grauer Halbmond entgegengesetzt von der Eintrittsstelle des Spermiums

Die Furchungsebenen folgen gewöhnlich einem bestimmten Muster relativ zum animalen und

zum vegetativen Pol der Zygote

Gastrulation

•  Bei der Gastrulation ordnen sich die Blastula-Zellen zu einem dreischichtigen Embryo, Gastrula genannt

•  Veränderung der Zellmobilität, Zellform und Affinität zu benachbarten Zellen und Komponenten der extrazellulären Matrix

•  Lage der Zellschichten in der Gastrula ermöglicht Zellen neu in Wechselwrirkung zu treten

•  Die drei Zellschichten, die im Verlauf der Gastrulation entstehen, werden als embryonale Keimblätter bezeichnet: –  das Ektoderm (Haut und Nervensystem) –  das Entoderm (Darm und Anhänge) –  das Mesoderm (Bindegewebe, Muskulatur etc)

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Gastrulation im Amphibienembryo: Entstehung des dreischichtigen Embryos

Nach Bildung der drei Keimblätter (am Ende der Gastrulation) kann der Embryo zur Organogenese übergehen

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Regionen der Keimblätter bilden Organanlagen

Strukturierung eines Organs: erfordert morphogenetische Veränderungen von Zellen: •  Faltung •  Abspaltung •  Kondensation Bei Fröschen beginnt die Organogenese mit der Bildung des Neuralrohrs

Organogenese

•  Im Zuge der Organogenese entwickeln sich aus den drei embryonalen Keimblättern die Organe

•  Der Frosch dient als Modellorganismus für die

Organogenese •  Während der frühen Organogenese entsteht die Chorsa

dorsalis aus dem dorsalen Mesoderm und das Ektoderm entwickelt sich zur Neuralplatte

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Neurulation: das zentrale Nervensystem entsteht

1.  Einwanderung des Mesoderms in der Gastrulation: Bildung der Chorda durch Kondensation. Später verlängert sich die Chorda (entwickelt sich später zur Wirbelsäule) und streckt Embryo entlang der embryonalen Längsachse (noch später entstehen Wirbel).

2. Neuralrohrbildung aus dorsalem Ektoderm 3.  Neurulation: Einrollen der Ränder zum

Neuralrohr vom anterioren zum posterioren Pol des Embryos.

4.  Die Neuralleistenzellen werden abgeschieden: vielseitige Zellen für verschiedene Zwecke (Zähne, Rinde der Nebenniere, einigen Knochen des Schädels)

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Neurulation im Hünchenembryo

Die Neuralleistenzellen wandern in verschiedene Regionen des Embryos und bilden periphere

Nerven, Zahnelemente, Schädelknochen und viele andere verschiedene Zelltypen

Die Entwicklung von Säugern

•  Bei Säugereiern –  werden nur wenig Nahrungsreserven in Form von

Dotter gespeichert und sie sind sehr klein –  ist die Furchung der Zygote holoblastisch –  konnte bisher noch keine Polarität nachgewiesen

werden •  Die erste Furchungsteilung verläuft beim Menschen und

bei anderen Säugern relativ langsam

•  Nach Beendigung der Furchung bildet sich die Blastocyste •  Eine Gruppe von Zellen, die als innere Zellmasse

bezeichnet wird, entwickelt sich zum eigentlichen Embryo und trägt zur Bildung der extraembryonalen Membranen bei

•  Der Trophoblast, das äußere Epithel der Blastocyste, bildet gemeinsam mit dem Mesoderm den fetalen Anteil der Placenta

•  Die Placenta ermöglicht den Austausch von Nährstoffen, Gasen und stickstoffhaltigen Abfallprodukten zwischen Mutter und Embryo

•  Nach abgeschlossener Einnistung beginnt die Gastrulation •  Nach abgeschlossener Gastrulation haben sich die

embryonalen Keimblätter ausgebildet

Die Entwicklung von Säugern (cont’d)

An der tierischen Morphogenese sind spezifische Veränderungen in Zellform, Zellposition und Zelladhäsion beteiligt

•  Morphogenese ist ein wichtiger Aspekt der Entwicklung von Tieren wie auch Pflanzen

•  Aber nur bei Tieren spielen dabei Zellbewegungen eine Rolle

Cytoskelett, Zellbewegung und konvergente Ausdehnung

•  Veränderungen der Zellform erfordern gewöhnlich eine Reorganisation des Cytoskeletts

•  Mikrotubuli und Mikrofilamente bewirken die Bildung des

Neuralrohrs

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Tierische Morphogenese führt zu Veränderungen in Zellform, Zellposition und Zelladhäsion geleitet von

der Reorganisation des Cytoskeletts

Zellen der Neuralplatte strecken sich unter Einfluss von Microtubuli Durch Kontraktion werden Zellen keilförmig Ektoderm krümmt sich nach Innen

•  Die Zellwanderung, die aktive Bewegung von Zellen, wird auch vom Cytoskelett angetrieben

•  Während der Gastrulation vollzieht sich die Invagination durch Veränderungen in der Zellschicht und durch Wanderung

•  Kriechbewegungen von Zellen spielen bei der konvergenten Ausdehnung eine Rolle, einer Form der morphogenetischen Bewegung, bei der die Zellschicht schmaler wird während sie sich gleichzeitig in Längsrichtung ausdehnt

Konvergenten Ausdehnung

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Konvergente Ausdehnung

Zellen verschieben sich wie Keile zueinander: Zellschicht wird schmaler und länger

Rolle der Zelladhäsionsmoleküle und der extrazellulären Matrix

•  Zelladhäsionsmoleküle (CAMs) an der Zelloberfläche tragen zur Zellwanderung und zu stabilen Gewebestrukturen bei

•  Eine wichtige Klasse der CAMs sind die Cadherine, die wichtig für die Bildung der Froschgastrula sind

•  Die extrazelluläre Matrix (ECM) trägt dazu bei, Zellen bei morphogenetischen Bewegungen zu lenken und zu leiten

•  Verschiedene Arten extrazellulärer Glycoproteine fördern die Zellwanderung, indem sie sich bewegenden Zellen eine spezielle molekulare Verankerung bieten

Das Schicksal von sich entwickelnden Zellen ist von ihrer Vorgeschichte und induktiven

Signalen abhängig

•  Jede Zelle im Körper eines vielzelligen Organismus hat dasselbe Genom

•  Während der Differenzierung veranlassen bestimmte Mechanismen die Zellen dazu, verschiedene Wege der Genexpression einzuschlagen

•  Zwei allgemeine Prinzipien liegen der Differenzierung zugrunde:

•  Im Lauf der ersten Furchungsteilungen müssen die embryonalen Zellen Unterschiede entwickeln –  das heterogene Cytoplasma wird durch asymmetrische

Zellteilungen auch ungleich auf die Blastomeren verteilt

•  Nachdem die anfänglichen Zellasymmetrien einmal etabliert sind, beeinflussen die darauffolgenden Interaktionen zwischen den embryonalen Zellen ihr Schicksal, und zwar gewöhnlich dadurch, dass sie Veränderungen in der Genexpression bewirken –  Dieser Mechanismus, der als Induktion bezeichnet

wird, wird möglicherweise durch diffundierende Signalmoleküle oder durch Zell-Zell-Wechselwirkungen vermittelt

•  Sobald die embryonale Zellteilung Zellen schafft, die sich voneinander unterscheiden, beginnen die Zellen, einander durch Induktion zu beeinflussen

Induktion

•  Signalmoleküle beeinflussen die Genexpression in den Zellen, die sie empfangen

•  Signalmoleküle führen zur Differenzierung und Entwicklung bestimmter Strukturen

•  Die Hox-Gene spielen bei der Musterbildung von Extremitäten ebenfalls verschiedene Rollen

HOX-Gene