Entwicklungsbiologi e

Werner A . Müller
Monika Hassel
Entwicklungsbiologi e
der Tiere und des Menschen
Einführendes Lehrbuch der Embryologie ,
Entwicklungsgenetik und Entwicklungsphysiologi e
2., überarbeitete und erweiterte Auflage
1
Entwicklung : ein Vorwort zur Bedeutung des Begriffs
1 .1
Lebewesen konstruieren und organisieren sich selbst
auf der Basis ererbter Information Entwicklung bedeutet auch Zunahme an Komplexität ;
dieser Komplexitätsgewinn resultiert aus der Kooperation
der Gene und der Zellen
1 .2
1
3
Box 1 Von der Seele zur Information :
zur Geschichte der Entwicklungsbiologie
4
Zusammenfassung des Kapitels 1
12
2
Etappen und Prinzipien der Entwicklun g
2 .1
2 .1 .1
Etappen der Entwicklung, Fachausdrücke Das Tier durchläuft im Regelfall eine Embryonalentwicklung ,
ein Larvalstadium, eine Metamorphose und ein Adultstadium
Die Eizelle ist in ihrer inneren Struktur polar ,
d .h . asymmetrisch gebaut
Furchung ist eine Serie rasch ablaufender Zellteilungen
Während der Gastrulation wird die Bildung innerer Organe
vorbereitet
Organbildung und Gewebedifferenzierung ermögliche n
ein eigenständiges Leben
2 .1 .2
2 .1 .3
2 .1 .4
2 .1 .5
2 .2
2 .2 .1
13
13
15
16
17
20
Allgemeine Prinzipien in Kurzfassung Bei aller Mannigfaltigkeit der tierischen Entwicklun g
gibt es doch einige grundlegende und wiederkehrend e
Vorgänge
21
Zusammenfassung des Kapitels
23
2
Anhang : allgemeine Regeln zur Schreibweise
21
24
3
Entwicklung bedeutsamer Modellorganismen I : Wirbellos e
3 .1
Der Seeigel-Keim : Modell für tierische Entwicklung
schlechthin und Objekt historisch bedeutsame r
Experimente
Der Seeigel-Keim ist Referenzmodell für Befruchtun g
und frühe Embryonalentwicklung
Die bilateralsymmetrische Larve entwickelt in der
Metamorphose aus Imaginalscheiben die Organisatio n
des radiärsymmetrischen Seeigels
Bedeutsame Experimente 1 : Aus halbierten Embryonen gehe n
zwei vollständige Tiere hervor ; Embryonen sind folglich kein e
Maschinen und fähig zur Regulation - aber man muss richti g
halbieren
Bedeutsame Experimente 2 : Es gibt Wechselwirkunge n
zwischen den Zellen des Embryo ; sie gaben Anlass,
die jahrzehntelang kontrovers diskutierte Gradiententheorie
weiter zu entwickeln
Möglicherweise gibt es im Seeigelkeim Morphogene, die de n
Morphogenen des Amphibienkeims gleichen ; Lithium-Ionen
interferieren in beiden Fällen mit den Gradientensystemen . .
Mikromeren sind auch Ursprung eines induktiven Signal s
mit Nahwirkung, das die Bildung des Urdarms einleitet . . . .
Schon vor der Gastrulation lassen sich mit molekularbiologischen Methoden Territorien abgrenzen, in dene n
unterschiedliche Gene aktiv sind und die das künftig e
Schicksal dieser Territorien ankündigen
3 .1 .1
3 .1 .2
3 .1 .3
3 .1 .4
3 .1 .5
3 .1 .6
3 .1 .7
3.2
3 .2 .1
3 .2 .2
3 .2 .3
3 .3
3 .3 .1
3 .3 .2
25
25
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29
32
32
33
Dictyostelium discoideum : Wechsel von Zuständen
Kooperation hilft dem Überleben der Art: von amöbenhafte n
Einzelzellen zum vielzelligen Verband Bei der Aggregation werden von Schrittmacherzellen
im Sammelzentrum rhythmisch chemotaktische Signal e
in Form von cAMP-Molekülen ausgesandt ; die Signale
werden von Amöben der Umgebung verstärk t
und im Staffetenverfahren in die Peripherie geleitet Im Zuge der Aggregation kommt es zu eine r
Zelldifferenzierung, die eine wechselseitige Absprache
erfordert
34
der unsterbliche Süßwasserpolyp . . . . . . . . . . . . . . .
Mit Regenerationsstudien an Hydra begann um 174 0
die experimentelle Entwicklungsbiologie Man kann Hydren in einzelne Zellen zerlegen ;
Aggregate solcher Zellen können sich selbst zu ganze n
Tieren reorganisieren
38
Hydra :
34
36
37
38
39
3 .3 .3 Obzwar Hydra Nervenzellen besitzt, ist sie potentiel l
unsterblich ; denn sie kann alle gealterten und verbrauchten
Zellen durch neue ersetzen
3 .3 .4 Ein erstes Schwerpunktthema ist Musterbildung un d
Positionsinformation : Wo entsteht der Kopf, wo der Fuß? . . .
3 .3 .5 Erneuerung aus Stammzellen und die Kontrolle vo n
Zellproliferation und Zelldifferenzierung sind ein zweite s
Schwerpunktthema
3 .3 .6 Hydren ohne Nerven(zellen) : Sie leben und gedeihen ,
wenn sie fürsorglich behandelt werden
3 .3 .7 Was sonst noch mit Hydrozoen gemacht wird :
Metamorphose-induzierende Neuropeptide ,
morphogenetische Faktoren, Transdifferenzierung Caenorhabditis elegans : ein Beispiel für invariante
Zellstammbäume
3 .4 .1 Ein kleiner Fadenwurm (Nematode) mit äußerst präzis e
programmiertem Entwicklungsgang macht Karrier e
im Labor
3 .4 .2
C. elegans erlaubt eine ausgeklügelte Genetik . Ein kurze r
Lebenslauf führt zu Zwittern oder zu Weibchen un d
Männchen; man kann Mutanten herstellen und kreuzen . . . .
3 .4 .3 In der Embryonalentwicklung entstehen über exakt festgelegt e
Zellstammbäume Individuen mit stets gleicher Zellenzahl ;
zur Zellkonstanz trägt auch programmierter Zelltod bei
3 .4 .4 Besondere Beachtung verdient ein Stammbaum ,
der zu den Urkeimzellen führt: die Keimbahn
3 .4 .5 Nicht allein die Genealogie der Zellen ist entscheidend ;
vielmehr gibt es Wechselwirkungen zwische n
benachbarten Zellen
3 .4 .6
C. elegans ist der erste tierische Organismus ,
dessen Genom vollständig sequenziert worden ist 41
42
43
43
44
3 .4
3 .5
Spiralier: ein in der Natur oft benutztes Furchungsmuster 3 .5 .1 Spiralfurchung kennzeichnet mehrere wirbellos e
Tierstämme
3 .5 .2 Die Gründerzelle 4d lässt das Mesoderm hervorgehen
3 .5 .3 Einheit und Vielfalt: Trotz gleichartiger frühembryonale r
Entwicklung lässt die spätere Entwicklung eine große Vielfal t
an Formen entstehen
Drosophila melanogaster: Referenzorganismus der gene tischen und molekularbiologischen Entwicklungsbiologie 3 .6 .1 Eine kleine Fliege macht Geschichte
3 .6 .2 Ein kurzer Lebenslauf : In 24 Stunden ist die Embryonal entwicklung abgeschlossen
45
45
46
47
48
49
50
50
50
50
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3.6
53
53
53
3 .6.3
3 .6.4
3 .6.5
3 .6.6
3 .6.7
3 .6.8
3 .6.9
3 .6.10
3 .6 .11
3 .6 .12
3 .6 .13
3 .6 .14
3 .6 .15
3 .6 .16
3 .6 .17
In der Oogenese füttern Ammenzellen die Oocyte, und e s
wird detaillierte Vorsorge für die Zukunft getroffen
Im Zuge der superfiziellen Furchung werden zunächs t
in rascher Folge Kerne hergestellt, die erst späte r
mit Zellmembranen umhüllt werden . Die ersten Zellen,
die Polzellen, werden zu den Urkeimzellen In der Gastrulation wird von vorn und hinten her de r
künftige Verdauungskanal eingestülpt, während Mesoder m
und die Neuroblasten der Bauchganglienkette über ein e
ventrale Primitivrinne eingesenkt werden
Nur kurz erwähnt: Rückenschluss, Bewegungen
des Keimstreifs
Der Körper wird in Segmente gegliedert, die sich anfänglich
wenig unterscheiden, in der fertigen Fliege aber sehr Entwicklungssteuernde Gene:
Meistergene beherrschen andere Gene
Anfänglich hat die Mutter das Sagen:
Maternale Gene sind für die Festlegung der Körperkoordinaten (Achsendetermination) zuständig
Das bicoid Gen macht Wissenschaftsgeschichte :
Das BICOID-Protein gilt als das erste identifizierte
Morphogen und ist zugleich Beispiel eine s
Transkriptionsfaktors mit Homöodomäne
Nicht alles läuft über Transkriptionskontrolle ; auch
Hemmung der Translation trägt zur regionspezifische n
Verteilung von wichtigen Proteinen bei. Beispiel: NANOS . . .
Die Rücken-Bauchachse wird von einem externen Signa l
vorherbestimmt, das über eine Signaltransduktionskaskad e
den Transkriptionsfaktor DORSAL in ventrale Kerne lenkt . .
Bei der Untergliederung des Keims entlang der Rücken Bauch-Strecke in Ektoderm, Neuralbereich und Mesoder m
spielen zwei Morphogene eine Rolle, die in ähnlicher For m
auch in Wirbeltieren vorkommen In der Längsrichtung des Keims bereiten ganze Kaskade n
von Genen die Segmentierung vor Homöotische Gene der Antennapedia- und der bithorax Klasse verleihen den Segmenten ihre unverwechselbar e
Identität
Die Metamorphose ist eine dramatische zweit e
Embryogenese
Mit transplantierten Imaginalscheiben entdeckte ma n
das Phänomen der Transdetermination und die Hereditä t
des Determinationszustandes 55
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61
62
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71
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3 .7
3 .7 .1
3 .7 .2
Tunikaten : „Mosaikentwicklung " im Stam m
der Chordaten?
Tunikaten sind marine Organismen, die - obzwar wirbellos zum Stamm der Chordaten gehören
Ein Muster an maternalen Determinanten bereitet eine früh e
Determination vor ; doch haben auch Zellinteraktionen
Bedeutung
Zusammenfassung des Kapitels
3
4
Entwicklung bedeutsamer Modellorganismen II : Wirbeltiere
4.1
4.1 .1
Xenopus: Referenzmodell der Wirbeltierentwicklung
Amphibien, und mit ihnen der Krallenfrosch, gelten al s
Prototypen der Wirbeltierentwicklung, und die Keim e
sind gut zu handhaben
4.1 .2 Die Oogenese von Xenopus hat als Modellfall grundlegende ,
auch für den Menschen gültige Erkenntnisse geliefert 4.1 .3 Bei der Festlegung der Körperkoordinaten, und dami t
der Bilateralsymmetrie, wirken äußere Richtungsgeber mit :
Schwerkraft und Spermium
4.1 .4 Furchung und Gastrulation verlaufen lehrbuchmäßig . Bei der
Involution des Urdarms gelangt auch Zellmaterial ins Innere,
das zunächst das Urdarmdach und später Chorda
und Mesoderm bildet
4.1 .5 Neurulation : Die Anlage von Gehirn und Rückenmar k
wird als Neuralrohr herausgeformt
4.1 .6 Aus dem Mesoderm gehen besonders viele innere Organ e
und Gewebe hervor : Chorda, Skelett, Muskulatur, Herz,
Blut, Nieren und manches mehr
4.1 .7 Aus dem Entoderm gehen hervor : Magen-Darmtrakt ,
Lunge, Leber und Harnblase
4.1 .8 Berühmte Experimente am Amphibien-Frühkeim I :
Kerntransplantationen, Klonen, Chimären
4.1 .9 Berühmte Experimente II : Transplantationen führte n
zur Entdeckung der embryonalen Induktion 4.1 .10 Induktion : Ein Sender schickt entwicklungssteuernd e
Signale in die Nachbarschaft ; besonders wirkungsvoll
ist ein Signalzentrum, das man heute Spemann-Organisato r
nennt
4.1 .11 Der Organisator gliedert sich auf in Kopf- und Rumpf Induktor
4.1 .12 Induktion basiert auf Signalkaskaden ; man unterscheidet
mehrere frühembryonale Induktionssysteme :
mesodermalisierende, dorsalisierende und neuralisierend e
(und andere mehr)
78
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100
4 .1 .13 Man hat bereits eine größere Zahl von Signalmoleküle n
identifiziert; für manche liegt schon im Ei maternale
mRNA vor
4 .1 .14 Im Keim interagieren BMP-4 und CHORDIN ; indem si e
sich wechselseitig binden und neutralisieren, bildet sich ei n
BMP-4-Morphogengradient aus
4.1 .15 Das dorsale Ektoderm der Blastula hat eine autonome
Tendenz, Nervengewebe zu bilden ; es muss davo n
abgehalten werden
4.1 .16 Während der Gastrulation kommt es zu eine r
Regionalisierung in Kopf- und Rumpfterritorien
4.1 .17 Es gibt Kaskaden primärer, sekundärer, tertiäre r
Induktionsvorgänge
4 .1 .18 Homöoboxgene und andere für Transkriptionsfaktore n
codierende Gene sind an den Induktionsprozessen beteiligt 4.1 .19 Von der Kaulquappe zum Frosch: Die Metamorphose wir d
über Hormone gesteuert
4.2
Ein neuer Modellorganismus : der Zebrafisch Danio rerio
4 .2.1 Fische können viele Vorteile bieten ; beispielsweise kan n
man Mutationen erzeugen und Genetik betreiben 4 .2.2 Auf der Eikugel bildet sich im Zuge der Furchung
eine Keimscheibe
4 .2 .3
Gastrulation und die Bildung der Achsenorgane
erscheinen gegenüber den Amphibien anfangs fremdartig ,
führen aber zu einer ähnlichen Körpergrundgestalt
4 .2 .4 Bei der Expresssion von entwicklungssteuernden Gene n
werden wieder mancherlei Übereinstimmungen zwische n
Fischen und Amphibien offenkundig
10 2
10 5
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10 6
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10 9
10 9
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11 5
4 .3
Hühnchen, Wachtel und Chimären von beiden 4 .3 .1 Wir sehen nicht nur riesige Eizellen ; wir haben es erstmal s
11 5
mit echten Landwirbeltieren zu tun, mit Amnioten
4 .3 .2 Auf der Keimscheibe entsteht erst der Rückenteil des Embryo 11 5
4 .3 .3 Zwei Neuerungen sind Dottersack und Allantois
11 7
11 8
4 .3 .4 Eine weitere, bleibende Neuerung ist das Amnion
4 .3 .5 Experimente am Vogelkeim I : Zur Analys e
der Entwicklungspotenz der Neuralleisten erzeugt man
12 0
Chimären aus Hühnchen und Wachtel 4 .3 .6 Experimente am Vogelkeim II : Musterbildung i n
der Flügelknospe und retinotektale Projektion sin d
120
weitere Forschungsschwerpunkte 4.4
4.4 .1
4 .4 .2
4.4.3
4 .4.4
4 .4.5
Die Maus: Stellvertreter für den Menschen
Medizinisches Interesse, die Verfügbarkeit von Mutanten
und rasche Entwicklung machen die Maus zum Modell
eines Säugers ; als solcher tritt er früh in enge Beziehun g
zu seiner Mutter
Mäuse können sich bald nach ihrer Gebur t
und das ganze Jahr über fortpflanzen ; die Generationszeit
beträgt nur neun Wochen
Die Embryonalentwicklung einer Maus ist seltsa m
und nicht leicht zu verstehen
Mäuse scheinen einen Vater zu brauche n
(es sei denn, sie werden geklont) Chimärenmäuse haben eine Möglichkeit eröffnet ,
Mäuse genetisch zu manipulieren
120
Zusammenfassung des Kapitels
128
4
5
Anwendungsorientierte Experimente an Frühkeime n
der Wirbeltiere: Klonen, Chimären, Teratome, transgene Tiere
5 .1
Klonen : die Herstellung genetisch identischer Kopien Klonen ist in der Pflanzenwelt und bei vielen Wirbellose n
in Form der vegetativen Fortpflanzung ein natürliche s
Ereignis ; die Pflanzenzüchtung hat seit alters die natürliche n
durch künstliche Verfahren erweitert
Ein biotechnisch nicht besonders interessantes Verfahre n
des Klonens ist die Zerteilung junger Embryonen Klonen durch Kerntransplantation: Pionierexperiment e
mit Xenopus eröffneten die Möglichkeit, zahlreiche
Nachkommen mit bekannten Eigenschaften zu züchten Beim Klonen von Säugern gibt es besondere Probleme ,
so müssen Ammenmütter mitwirken
Klonen von Säugern durch Verwendung frühembryonale r
Spenderkerne ist schon vor mehreren Jahren gelungen ;
doch das Wunschziel war damit noch nicht erreicht
Klonen mit Spenderkernen von ausgewachsenen Säuger n
ist möglich: Dolly war der erste Beweis
Wird Klonen von Menschen möglich und erwünscht sein?
5 .1 .1
5 .1 .2
5 .1 .3
5.1 .4
5.1 .5
5.1 .6
5 .1 .7
5.2
5 .2 .1
Versuche mit Chimären und Teratomen und was solche Versuche (nicht) bringen
Eine Chimäre ist ein mosaikartig zusammengesetzte r
Organismus, dessen Teile unterschiedlicher elterliche r
Herkunft und folglich erb-ungleich sind
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12 1
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13 1
13 1
13 2
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13 4
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13 7
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139
5 .2 .2
5.3
5 .3 .1
5 .3 .2
5 .3 .3
Teratome sind missglückte, chaotisch disorganisiert e
Embryonen, die Eigenschaften eines Tumors entwickel n
können
Genetische Manipulationen an Mausembryonen :
k .o.-Mutanten und transgene Tiere
Mit gezielter Mutagenese auf der Basis homologe r
Rekombination können tierische Modelle für genetisc h
bedingte menschliche Krankheiten erzeugt werden
Es gelingt auch schon der gezielte Austausch gege n
funktionsfähige Gene fremder Herkunft oder willkürliche r
Konstruktion
Transgene Tiere können auch extern steuerbare Gen e
und Gene anderer Arten tragen und zur Expression bringen
Zusammenfassung des Kapitels
5
14 1
142
14 2
144
144
14 6
6
Die Embryonalentwicklung des Mensche n
6.1
Der Mensch und Modellorganismen Inwieweit hilft die Kenntnis der Entwicklung einer Fliege ,
die Entwicklung des Menschen zu verstehen? 14 7
Von den Urkeimzellen bis zur Befruchtung Oogenese : Frauen haben schon lange vor ihrer Geburt genug
Eizellen angelegt; Wachstum und Reifung dieser Eizelle n
benötigen aber noch viel Zeit
Nur eines von vielen Millionen Spermien kommt zum Zug
14 8
Von der Befruchtung bis zum phylotypischen Stadium
Der Keim entwickelt zuallererst spezielle extraembryonale
Organe, um die Mutter anzuzapfen ; deshalb kann de r
Embryo später enorm wachsen In der Embryonalentwicklung kommen evolutiv alt e
Strukturen zum Vorschein : Keimscheibe, Primitivrinne ,
Dottersack, Amnion und Allantois
Das Besondere an der menschlichen Entwicklung ist da s
ungeheure, pränatale Wachstum des Gehirns ; die Größ e
des Kopfes erzwingt schließlich die Geburt durch den nich t
beliebig dehnbaren Geburtskanal
14 9
Schnittstelle Mutter/Kind : die Plazenta
Die Plazenta ist ein Organ, mit dem sich das Kind veranker t
und durch das es mit der Mutter Stoffe austauscht Das ungeborene Kind hat ein Kreislaufsystem ähnlic h
dem eines Fisches und seine Plazentazotten sin d
funktionell Kiemen 15 8
6.1 .1
6.2
6.2 .1
6.2 .2
6.3
6 .3 .1
6.3 .2
6.3 .3
6.4
6 .4 .1
6 .4 .2
14 7
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14 9
15 2
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158
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6 .4 .3
Schwangerschaft und Geburt sind Ereignisse auf Lebe n
und Tod
15 9
Zusammenfassung des Kapitels
16 0
6
7
Ein vergleichender Rückblick: Gemeinsames ,
Trennendes, Aspekte der Evolution
7 .1
Die phylotypische Periode der Wirbeltiere
Wirbeltiere durchlaufen bei aller Verschiedenheit ihre r
Anfangs- und Endentwicklung ein für den Tierstam m
charakteristisches, phylotypisches Stadium
Im phylotypischen Stadium wird über zahlreich e
Induktionsprozesse die Entwicklung innerer Organe i n
die Wege geleitet ; daher sind die Entwicklungsweise n
historischen Zwängen unterworfen In der phylotypischen Periode werden viele einzelne
Organe angelegt
16 3
Das „biogenetische Grundgesetz"
In ihrer Embryonalentwicklung sollen die Organisme n
in verkürzter Form ihre Stammesgeschichte rekapitulieren . .
Das „biogenetische Grundgesetz " hat viel Kritik
herausgefordert, aber auch den Blick auf die Evolutio n
der Entwicklungswege gelenkt
17 0
7 .1 .1
7.1 .2
7 .1 .3
7.2
7 .2 .1
7 .2 .2
7 .3
7 .3 .1
7 .3 .2
7.3 .3
7.3 .4
7.3 .5
7 .3 .6
7 .4
Konservative Wege versus Neuerungen in der Entwicklun g
der Wirbeltiere
Ist der Schädel, wie Goethe meinte, aus Wirbel n
hervorgegangen? - Die Embryonalentwicklung sagt :
„teilweise" - und verrät noch mehr Die Gehörknöchelchen sind viel genannte Beispiel e
für evolutionäre Transformationen, die sich i n
der Embryonalentwicklung nachvollziehen lassen Umfangreiche Umgestaltungen in den Epithelien des
Kiemendarms bringen weitere „branchiogene Organe" hervor :
mancherlei Hormondrüsen und lymphatische Organe
Auch die Blutgefäße des Kiemendarms erfahre n
eine weitgehende Umgestaltung
Auch nach der phylotypischen Periode spiegelt die zeitlich e
Reihenfolge, in der Organe angelegt werden, die zeitlich e
Reihenfolge evolutionärer Großereignisse wider
So manches passt freilich nicht in das Bild eine r
Rekapitulation ; der Fachmann findet allerlei Heterochronien
Konservative Wege versus Neuerungen in der Entwicklung
von Wirbellosen
16 3
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172
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7 .4 .1
7 .4 .2
7.5
7.5 .1
7.5 .2
Spiralfurchung deutet auf umfassende evolutiv e
Zusammenhänge zwischen mehreren wirbellose n
Tierstämmen ; fehlende Spiralfurchung trennt aber auch
die Arthropoden von ihren mutmaßlichen Vorfahren ,
den Anneliden
Sind bei Wirbeltieren und Arthropoden Bauch und Rückenseite vertauscht?
180
18 1
Homologe, orthologe und paraloge Organe und Gene
Homologien auf der Ebene von Organen und auf der Eben e
von Genen sind nicht notwendigerweise identisch Es ist zwischen orthologen und paralogen Strukture n
oder Genen zu unterscheiden
182
Zusammenfassung des Kapitels
184
7
182
183
8
Gametogenese: Das Herstellen von Ei und Spermium
und deren Ausstattung mit einer Mitgift
8.1
Keimbahn und Urkeimzellen Urkeimzellen werden oft schon früh in Reserve gelegt
Ob der Differenzierungsweg zu Eizellen oder Spermien führt ,
wird bei Wirbeltieren in den Gonaden entschieden 18 7
18 7
Die Oogenese: Herstellung und Bevorratung der Eizelle Bei vielen Tieren, so auch bei Wirbeltieren, findet man
im Kern der Oocyten Lampenbürstenchromosomen,
rDNA-Amplifikation und multiple Nucleolen
Oft übernehmen somatische Zellen zusätzliche
Ammenfunktion und helfen, Rieseneizellen heranzuziehen Bei Drosophila werden die Oocyten von Ammenzellen
mit allem versorgt
Oocyten werden polar, d .h. asymmetrisch, und von
extrazellulären Membranen und Hüllen umschlossen
Bei Wirbeltieren leiten hormonelle Signal e
die Polkörperbildung und Endreifung ein
19 1
Die Spermatogenese : das Herstellen von Spermien Bei Säugern werden Spermien laufend frisch erzeugt;
die Meiose findet in einem Zug erst am End e
der Spermatogenese statt
Das fertige Spermium : Es ist nicht viel mehr
als ein Genom mit Antrieb 197
Weitere Mitgift: Maternale und paternale Prägung Spermien und Eizellen sind genetisch nicht vollständig
gleichwertig; ein erster Unterschied kan n
im Methylierungsmuster begründet sein 200
8 .1 .1
8 .1 .2
8 .2
8 .2 .1
8 .2 .2
8 .2 .3
8 .2 .4
8 .2 .5
8.3
8 .3 .1
8.3 .2
8.4
8.4 .1
InI=••
190
19 1
194
194
195
196
197
199
200
8 .4.2 Mitochondrien sind eine Quelle zusätzlicher genetische r
Information . Bei Wirbeltieren sollen Mitochondrien nu r
über die Oocyten, und damit nur über die mütterliche Linie ,
vererbt werden
8 .5
Genetische Konsequenzen der Soma-Keimbahn Trennung 8 .5 .1 Die Keimbahn trägt die genetische Informatio n
von Generation zu Generation; nur in der Keimbahn
werden Mutationen und gezielt veränderte genetische
Konstrukte weitergetragen
Zusammenfassung des Kapitels 8 9
20 0
20 0
20 0
20 1
Der Start: Befruchtung und Aktivierung des Eie s
9.1
Die Befruchtung
9.1 .1 Wann beginnt das Leben?
9.1 .2 Terminologische Puristen unterscheiden zwischen Besamun g
und Befruchtung
9 .1 .3 Die Eizelle lockt das Spermium an ; die Befähigung
zur Befruchtung erlangt das Spermium erst durch eine n
Aktivierungsprozess, die Kapazitation 9 .1 .4 Akrosom : Ein chemischer Bohrer ermöglich t
das Durchdringen der Eihüllen
9 .1 .5 Artspezifische Rezeptoren der Eihülle kontrollieren
das eingefangene Spermium
9 .1 .6 Weiteren Spermien wird in der Regel der Zutritt verwehrt 20 3
20 3
Aktivierung des Eies
9 .2
9 .2 .1 Dornröschen wird wachgeküsst 208
208
Box 2 Das PI-Signaltransduktionssystem
und seine Rolle bei der Befruchtung
209
9 .3
Humanmedizinische Sonderfälle
9 .3 .1 Befruchtung ohne ausgereifte Spermien? Sie kann bisweilen
kinderlosen Ehepaaren zum Wunschkind verhelfen 9.3 .2 Für eine Normalentwicklung ist ein Spermium, und dami t
ein Vater, unentbehrlich - solange nicht ein göttliche s
Wunder geschieht oder Klonen die natürlich e
Fortpflanzungsweise ersetzt
Zusammenfassung des Kapitels 9
20 3
204
204
204
207
21 3
21 3
21 3
215
10
Furchung und MPF-Oszillato r
10 .1
Das zeitliche Muster der Furchungsteilungen 10 .1 .1 Weil der Embryo auf seine mütterliche Mitgift zurückgreife n
kann, lässt sich der frühembryonale Zellzyklus auf
die S- und M-Phase verkürzen
10 .1 .2 Die Furchungsteilungen werden von einem molekulare n
Oszillator angetrieben
10.2 Zum räumlichen Muster der Zellteilungen 10.2 .1 Zellteilungsfolgen können nach starren Mustern vonstatte n
gehen, so dass artspezifische Zellstammbäume erstell t
werden können
10.2 .2 Bei anderen Keimen, so beispielsweise bei den Keime n
der Wirbeltiere, ist viel Variabilität erlaubt
Zusammenfassung des Kapitels 10
11
21 7
21 7
21 8
22 0
22 0
22 0
22 1
Frühe Determinationsereignisse :
Spezifikation der Körperachse n
und das Starten ortsgerechter Entwicklungsprogramm e
11 .1
Das Problem : Ortsgerechte Entwicklun g
bei genomischer Äquivalenz
11 .1 .1 Die anfängliche genetische Gleichwertigkeit und Totipoten z
der Zellen verlangt Entscheidungen, welche genetische n
Teilprogramme in einer Zelle zum Zuge kommen sollen . . . .
11 .1 .2 Determination, Spezifikation, Commitment : Die Zellen
werden auf verschiedene Aufgaben programmiert ; dabei wir d
zugleich ihre weitere Entwicklungsmöglichkeit eingeschränkt
11 .1 .3 Vor ihrer definitiven „Berufswahl " benötigen die Zelle n
Information über ihre Lage im Embryo . Teratome zeigen es :
Bei gestörter Koordination entsteht Chaos 11 .1 .4 Wo ist vorn, wo hinten, wo ist oben, wo unten ?
Arbeitshypothesen über mögliche Quellen primäre r
Positionsinformation
11 .2 Festlegung der Raumkoordinaten 11 .2 .1 Erst müssen die Raumkoordinaten (oben-unten ; vorn-hinten )
festgelegt werden ; dazu werden auch extern e
Orientierungshilfen benutzt 11 .2 .2 Bei Wirbeltieren sind für eine der beiden Raumachsen
externe Richtungsgeber maßgeblich
11 .2 .3 Bei Drosophila nimmt die Mutter dem Kind all e
Entscheidungen ab und legt im voraus die Raumkoordinate n
fest; dabei werden die Entscheidungen von Gene n
der Mutter abhängig 22 3
22 3
22 3
224
22 5
22 6
22 6
22 6
229
11 .3
Determination als Prozess alternativer Entscheidunge n
und der Aufspaltung von Entwicklungswegen
11 .3 .1 Im Cytoplasma des Eies können maternale Determinante n
enthalten sein, die richtungsweisend für die künftige
Entwicklung von Körperpartien, Organen, Geweben
und Zelltypen sind 11 .3 .2 Man unterscheidet zwei basale Mechanisme n
der Determination : asymmetrische Zellteilun g
und Zeltinteraktion
11 .3 .3 „Mosaikkeime" und „Regulationskeime" unterscheiden sic h
im zeitlichen Ablauf der Determination
11 .4
11 .4 .1
11 .4 .2
11 .4 .3
12
12.1
12 .1 .1
12 .1 .2
12 .1 .3
12 .1 .4
23 1
23 1
23 1
23 2
Progression, Stabilität und Heredität der Determination Determinationsmodus und -zustand müssen experimentel l
ermittelt werden; manch alte und neue Begriffe
nehmen Bezug auf den experimentell geprüfte n
Determinationszustand
Bei der Determination können Selektorgene in den Zustan d
anhaltender Aktivität oder Inaktivität gebracht werden ;
dieser Zustand ist stabil und hereditär, d .h . übe r
Zellteilungen hinweg vererbbar
Verlust der Determination und Transdetermination:
Der Determinationszustand kann bei krebsartiger Entartung
der Zellen verloren gehen oder er erfährt - so z .B.
bei Imaginalscheiben von Drosophila - einen unerwarteten ,
sprunghaften Wechsel, eine Transdetermination 234
Zusammenfassung des Kapitels 11
23 7
234
236
236
Positionsinformation, Musterbildun g
und embryonale Induktion
Positionsinformation und epigenetische Erzeugun g
neuer Muster
Was ermöglicht es Zellen, sich wohlgeordnet
und ihrem Platz gemäß zu differenzieren? - Wir entwickel n
Arbeitshypothesen
Ooplasmatische Segregation: Im Cytoplasma des Eies kann
es zu einer ersten neuen Musterbildung durch physikalisc h
bedingte Umverteilung von Determinanten kommen
Beim Aufbau der Körperarchitektur werden epigenetisch neu e
Muster geschaffen, die noch nicht im Ei vorgeprägt sind . . .
Im Embryo ermöglicht Positionsinformation ortsgemäße s
Verhalten ; ein klassisches Transplantationsexperimen t
belegt ihr Wirken
23 9
23 9
24 0
24 0
242
Box 3 Modelle zur biologischen Musterbildun g
Hypothesen
Computermodelle
B3 .1 Positionsinformation nach Wolpert B3.2 Reaktions-Diffusionsmodelle nach Turing
B3.3 Grenzen der vorgestellten Modelle, erweitert e
und alternative Denkansätze
12 .2
12 .2 .1
12 .2 .2
Musterbildung durch Signalaustausch zwischen direkten
Nachbarn : laterale Inhibition und laterale Hilfe
Nervenzelle oder Epidermis, das ist hier die Frage ; das
NOTCH/DELTA System trägt zur Entscheidungsfindun g
nach dem Prinzip der lateralen Inhibition bei
Hier ist die Frage : Photorezeptor Nr. 7 oder sevenless;
ein Positionssignal gibt laterale Hilfestellung 12 .3 Embryonale Induktion
12 .3 .1 Induktion : Sender schicken Signale an
12 .3 .2 Der Empfänger muss kompetent sein ihre Nachbarn
Induktion von Köpfen und Rümpfen im Wirbeltierembry o
mit transplantiertem Organisatorgewebe 12 .4.1 Kleine Transplantate aus dem dorso-caudalen Bereic h
der frühen Gastrula (Spemann-Organisator, Hensen-Knoten )
können die Entwicklung komplexer Strukturen wie Köpfe n
und Rümpfen auslösen
12 .4.2 Die Entwicklung eines Embryos beruht auf Kaskade n
nacheinander ablaufender Prozesse der Musterbildun g
und Induktion
12 .4 .3 Die Induktion der Augenlinse ist ein Schulbeispiel eine s
nachgeordneten Induktionsprozesses 243
243
243
245
246
24 9
24 9
25 2
25 4
25 4
25 4
12 .4
12.5
12 .5 .1
12 .5 .2
12 .5 .3
12 .5 .4
Proteine als Induktionsfaktoren Induktive Substanzen sind äußerst schwer zu identifizieren ;
Biochemie und Molekularbiologie in Verbindun g
mit geeigneten Biotests haben den Durchbruch gebracht . . .
Auch isolierte Induktionsfaktoren können die Entwicklun g
von vielerlei ortsspezifischen Zelltypen auslösen ; so können
komplexe mesodermale und neurale Strukture n
gebildet werden
Konzentrationsabhängigkeit, Synergie, Antagonismu s
und Redundanz sind häufige Prinzipien der Induktio n
und Musterbildung
Auch das Fehlen induzierender Substanzen könnte ein Signal
sein : Nach einer verbreiteten Hypothese werden ektodermale
25 5
25 5
25 6
257
258
258
259
260
12 .5 .5
Zellen von selbst zu Nervenzellen, wenn sie nicht daran
gehindert werden
Viele Signalmoleküle, beispielsweise SONIC HEDGEHO G
oder Retinsäure, werden mehrfach in der Entwicklun g
zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt
12 .6 Das Herz am rechten Fleck : links-rechts Asymmetrien
12 .6 .1 Asymmetrien gehören zum Grundbauplan eines jede n
bilateralsymmetrischen Tieres ; doch es gibt noch lokal e
links-rechts Asymmetrien im Inneren 12 .6 .2 Im Frosch- und Vogelkeim kündigt eine asymmetrisch e
Genexpression die künftige Asymmetrie an ; und man kan n
sie dirigieren
12 .6 .3 Ursache der links-rechts-Asymmetrie könnte langreichweitig e
Konkurrenz sein
Morphogene, morphogenetische Felder
und Gradiententheorie
12 .7 .1 Induktoren können auch Morphogene sein ; der Begriff
Morphogen wird im Folgenden definiert
12 .7 .2 Das morphogenetische Feld : Es hat nichts Transzendentes
an sich, aber beachtenswerte Eigenschaften 12 .7 .3 Die Gradiententheorie: Eine alte, lange umstrittene Theori e
der Entwicklungsbiologie ist heute durch mehrere Beispiele
bestätigt
12 .7 .4 Wie man ein morphogenetisches Feld unterteilt und eine n
Punkt darin definiert : Imaginalscheiben als Beispiel 26 3
26 3
26 7
26 7
26 7
26 8
12 .7
269
269
27 0
27 2
273
12.8 Modellfelder : die Knospen für Vogelflügel und Mäusebein
12.8 .1 Ein Morphogen, FGF-10, kennzeichnet in der Flank e
des Embryos ein Feld, aus dem die Extremitätenknosp e
auswächst
12 .8 .2 In der proximo-distalen Achse von der Schulter bis
zu den Fingern wird ein Zeitprogramm in ein räumliche s
Muster übersetzt
12 .8 .3 Die Reihenfolge 2 . bis 4 . Finger wird von eine m
Morphogensender spezifiziert
12 .8 .4 Im Zuge der Musterspezifikation werden nac h
und nach Gene der Hox-Klasse aktiviert
27 4
12.9 Musterkontrolle und Positionsgedächtnis bei Hydra
12 .9 .1 Die Zellen einer Hydra benötigen ständi g
Positionsinformation
12 .9 .2 Die Musterkontrolle umfasst weit reichende Interaktione n
zwischen den Körperteilen
12 .9 .3 Relativ stabile Positionswerte vermittel n
ein Positionsgedächtnis
28 0
27 5
27 6
27 7
27 9
28 0
28 1
281
Bei der Einstellung des Positionswertes, und dami t
bei der Fähigkeit, Kopf oder Fuß zu bilden ,
ist Signaltransduktion von Bedeutung 12 .9 .5 Die experimentellen Ergebnisse haben zur Formulierun g
verschiedener Modelle Anlass gegeben
12 .9 .4
12 .10 Musterkorrektur durch Interkalation
12 .10 .1 Fehlende Positionswerte können durch Interkalation einge schoben werden ; das Hydrozoon Hydractinia als Beispiel
12 .10 .2 Auch im Insektenbein ermöglichen gradierte Positionswerte ,
die Vollständigkeit des Hergestellten zu kontrollieren 12.11 Periodische Muster
12 .11 .1 Bei der Mehrzahl der vielzelligen Organismen findet ma n
Bauelemente, die in Form gleichartiger Module wiederhol t
hergestellt werden
12 .11 .2 Eine „haarige" aber spannende Angelegenheit : Oszillierend e
Aktivitäten eines Gens der hairy Familie helfen, Somiten
zu erzeugen und ihre Zahl abzuzählen Zusammenfassung des Kapitels 12 13
284
28 5
28 5
28 5
28 6
28 8
28 8
29 0
29 1
Entwicklung und Gen e
Box 4 Genetische und molekularbiologische Methoden
der Entwicklungsbiologie
B4.1 Aufspüren entwicklungsrelevanter Gene B4 .1 .1 Wie man Mutanten gewinnen und analysieren kann B4 .1 .2 Wie man mit reverser Genetik Gene aufspürt
B4.2 Von der mRNA über die cDNA zu unbekannten Genen ,
und Studium ihrer Expression
B4.2.1 Die Suche nach differentiell exprimierten Genen mittel s
cDNA Subtraktion
B4.2.2 Die Suche nach differentiell exprimierten Genen
mit DDRT-PCR
B4.2.3 In-situ-screening: Wie man zelltyp- und stadienspezifisch e
Genexpression sichtbar machen kann B4.3 Studien zur Funktion von Genen, Anwendungen B4.3.1 Wie man die Funktion eines Gens testen kann
B4.3.2 Wie man Gene gegen mutierte Varianten austausche n
und fremde Gene einführen kann B4.3.3 Bleibende Markierung lebender Zelle n
und ihrer Abkömmlinge mit Reportergenen B4.3.4 Leuchtendes Sichtbarwerden einer Genexpression
in der lebenden Zelle
B4.3.5 Induzierbare Promotoren : Wie man Gene geziel t
ein- und ausschalten kann
296
29 6
296
299
300
300
301
30 1
302
302
304
305
305
306
13 .1
13 .1 .1
13 .1 .2
13 .1 .3
13 .2
13 .2 .1
13 .2 .2
13.3
13 .3 .1
13 .3 .2
13 .3 .3
13 .3 .4
13 .3 .5
13 .4
13 .4 .1
13 .4 .2
13 .4 .3
Differentielle Genexpression als Basis der Differenzierung .
Ursprünglich sind Zellen genetisch äquivalent;
ihre Differenzierung basiert auf differentieller Genexpression ,
die bei der Determination programmiert wird
Das Puffingmuster in den Riesenchromosomen :
Man sieht wechselnde Muster der Genexpression ,
aber auch eine irreversible Genomamplifikation Kerntransplantationen bei Xenopus galten der Frage ,
ob Kerne im Zuge der Zelldifferenzierung totipotent bleiben ;
diese Transplantationen haben eine Technik des Klonen s
erschlossen
30 7
Gene zur Programmierung von Zelltypen
Der Paradefall eines zelltypspezifischen Steuergens :
Die MyoD/Myogenin-Familie programmiert einen Myo blasten ; dessen Abkömmlinge übernehmen das Programm NeuroD, neurogenin oder die Suche nach weitere n
Zelltyp-spezifischen Steuergenen
31 0
307
308
31 0
31 0
31 2
Gene zur Spezifikation von Körperregionen und Organen
Historische Paradefälle : die Fliege mit den Beinen am Kopf
und das Antennapedia Gen
Die homöotischen Gene der Hom/Hox-Klasse helfen, Ort e
zu kennzeichnen und die Eigenheiten von Körperregione n
festzulegen
Meistergene der Hox-Klasse sind auf den Chromosome n
in Gruppen zusammengefasst, und zwar in einer Reihenfolge ,
die mit dem räumlichen und zeitlichen Expressionsmuste r
im Körper korreliert
Eine Überraschung : Manche Hox-Proteine sind wohl nich t
nur Transkriptionsfaktor, sondern können auch die Funktio n
eines extrazellulären Signalmoleküls wahrnehmen
Eine Monsterfliege mit 14 Augen zeigt, dass Augen
von Insekten und Mäusen mehr gemeinsam haben ,
als dem Morphologen erkennbar ist
31 4
Entwicklungssteuernde Gene und Transkriptionskontrolle
Entwicklungssteuernde Gene sind oft Meistergen e
(Selektorgene), die ganze Batterien nachgeordneter Gene
unter Kontrolle halten
Meistergene und viele andere entwicklungssteuernde Gen e
codieren für Transkriptionsfaktoren ; diese enthalten ein e
besondere, DNA-bindende Domäne
Andere entwicklungssteuernde Gene codieren
für Signalsubstanzen, Rezeptoren, Element e
der Signaltransduktion oder extrazelluläre Enzyme
32 3
31 4
31 5
31 6
32 1
32 1
32 3
32 3
325
13 .4 .4
13 .4 .5
13 .5
13 .5 .1
13 .5 .2
13 .5 .3
13 .5 .4
Gene für Signalsubstanzen und Gen e
für Transkriptionsfaktoren können gekoppelt sein Entwicklungssteuernde Gene sind zu interaktiven Netzwerke n
verschaltet ; Kombinatorik schafft Vielfalt
326
32 6
Das epigenetische zelluläre Gedächtnis Der Determinationszustand ist über Zellteilungen hinwe g
auf Tochterzellen übertragbar ; man spricht von eine m
epigenetischen zellulären Gedächtnis
Manche Gene können sich selbst in einen Zustan d
der Daueraktivität versetzen und dies nach jeder Zellteilun g
wiederholen
Methylierung und Heterochromatisierung können zu eine r
Stilllegung von Genen führen, die auch über Zellteilunge n
hinweg dauerhaft ist
Es gibt besondere Gene, deren Produkte in spezifische r
Weise Abschnitte auf den Chromosomen zugänglich ode r
unzugänglich machen; einmal hergestellt, bleiben diese
Zustände über Zellgenerationen hinweg erhalten 32 7
Zusammenfassung des Kapitels
33 3
13
32 7
32 8
32 8
33 1
14
Irreversible Veränderungen und programmierter Zelltod -
14.1
14 .1 .1
Reversible und irreversible Differenzierungszustände Ein reversibler Determinations- und Differenzierungszustan d
macht mancherlei Regenerationsleistungen möglich
Vielfach ist die Zelldifferenzierung irreversibel und führ t
zum Tod der Zelle ; ein früher Zelltod kann auc h
vorprogrammiert sein 14.1 .2
14.2
14.2 .1
14.2 .2
14.3
14.3 .1
14.3 .2
Verlust der vollständigen Verfügbarkeit genetische r
Information
Bei der Entwicklung der Lymphocyten kommt es zu eine r
irreversiblen somatischen Rekombination . . . . . . . . . . . . . . .
Quantitative Veränderungen im Genbestand :
Gen-Amplifikation, Genom-Amplifikation, Chromatin Elimination 33 7
33 7
33 7
33 8
338
340
Apoptose : Der programmierte Zelltod
Programmierter Zelltod ist Teil der normalen Entwicklung ,
auch im Nerven- und Immunsystem
Bei Lymphoblasten steht der Zelltod im Dienste
eines Lernprozesses 34 1
Zusammenfassung des Kapitels 14
343
34 1
342
15
Gestaltbildung durch Zellbewegun g
und differentielle Zelladhäsion
15 .1 . Aktive Zellbewegung und Ortsveränderung
15 .1 .1 Anders als bei Pflanzen spielt in der Entwicklung der Tier e
aktive Zellbewegung eine wichtige Rolle
15 .1 .2 Verlagerung und Migration von Zellen erlauben es, Geweb e
und Organe im Keimesinneren und an entfernten Orte n
herzustellen - ein erster Überblick
34 5
15.2 Faltung und Invagination von epithelialen Zellverbänden 15 .2 .1 Faltung und Invagination : Zellen in geschlossene m
Epithelverband entwickeln kohärente Biegemomente 15.2 .2 Adhäsionskräfte können Zellen und Zellverbänd e
gegeneinander verschieben
34 7
15.3
34 9
Zelladhäsionsmoleküle und Zellerkennung
Spezifische Adhäsionsmoleküle dienen auc h
der Zellerkennung
15 .3 .2 Zelladhäsionsmoleküle vermitteln Haften und Ablösen, ziehe n
Grenzen, setzen Signale und vermitteln noch manches mehr
34 5
34 5
34 7
34 7
15.3 .1
Zusammenfassung des Kapitels 15 16
34 9
35 1
35 2
Zellen auf Wanderschaft
16.1
Urkeimzellen und Blutzellen Beispiel Urkeimzellen ; sie wandern oftmals lange Wege,
um in die Gonaden zu gelangen
16 .1 .2 Blutzellen entstehen im Wirbeltierembryo in verstreute n
Blutinseln
35 3
16 .2 Neuralleisten-Abkömmlinge
16 .2 .1 Die Zellen der Neuralleisten wandern aus und habe n
vielfältige Entwicklungspotentiale 16 .2 .2 Die Zielgebiete werden auf bevorzugten Wanderroute n
angestrebt
16 .2 .3 Herkunftsort, Wegstrecke und Zielort bestimmen
das Schicksal der Emigranten 35 5
16 .1 .1
Zusammenfassung des Kapitels
16
35 3
354
35 5
356
357
358
17
Zur Entwicklung des Nervensystems :
Wandernde Zellen, Zielfindun g
und Selbstorganisation bei der Synapsenbildun g
17.1 Das Zentralnervensystem : Gehirn und Rückenmark
17 .1 .1 Das Nervensystem geht aus Zellen der Blastul a
(bei Amphibien) hervor, die durch maternale mRN A
neuralisierender Faktoren auf ihre Aufgaben vorbereitet sind ;
Induktionsfaktoren erlauben dann das Einschalten Nervenzellspezifischer Transkriptionsfaktoren
17 .1 .2 Morphologisch wird das Zentralnervensystem als Neuralroh r
in der Gastrula angelegt, während das periphere Nerven system von Neuralleistenzellen hergestellt wird 17 .1 .3 Das Gehirn geht aus dem vorderen Neuralrohr hervo r
und gliedert sich erst in drei, dann in fünf Abschnitte
17 .1 .4 Seit den Tagen Goethes diskutiert : Ist der Kopf, und damit
auch das Gehirn, segmental gegliedert? - In seinem letzte n
Abschnitt ja!
17 .1 .5 Der Anschluss der Fernsinnesorgane: Das Gehirn bildet selbs t
den zentralen Teil des Auges, während Geruchsorga n
und Innenohr separat entstehen 17.2 Zellwanderungen beim Wachstum des Gehirns
und zur Konstruktion des peripheren Nervensystems
17.2 .1 Beim Wachstum und der Ausgestaltung
des Zentralnervensystems kommt es zu umfangreiche r
Zellmigration
17 .2 .2 Das periphere Nervensystem mit dem sympathischen Syste m
und dem Nervennetz des Magen-Darm-Traktes wird
von ausgewanderten Neuralleistenzellen hergestellt ;
Weg und Zielort bestimmen ihr Schicksal 17.3 Wachstum und Vernetzung von Nervenzellen 17 .3 .1 Die Vernetzung der Nervenzellen untereinande r
ist ein Prozess der Selbstorganisation . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17.3 .2 Auswachsende Axone haben mit ihrem Wachstumskege l
eine mit Sensoren ausgestattete motile Führungsstruktur . . .
17 .3 .3 Nervenwachstumsfaktoren können chemotaktisch e
Orientierungshilfe geben und dienen als Überlebensfaktoren
17 .3 .4 Festverankerte Adhäsions- und Erkennungsmoleküle weise n
Pionierfasern den Weg und bündeln Fasern zum Kabelstrang
17 .3 .5 Von der Pionierfaser zum Kabelstrang :
Zelladhäsionsmolekiile dienen als Bindemittel 35 9
359
36 1
36 4
367
367
36 8
36 8
368
37 1
37 1
37 1
37 3
37 3
375
17.4
17.4 .1
17.4 .2
17 .4 .3
17 .5
17 .5 .1
17 .5 .2
17 .5 .3
17 .5 .4
17 .5 .5
17 .5 .6
Beispiel: Innervation der Muskulatur
Motorische Fasern wissen, welches Ziel sie erreiche n
müssen
Überschüssige und inkorrekte Verknüpfunge n
werden nachträglich abgebaut
Regeneration von Nervenfasern erlaubt in günstigen Fälle n
eine Rehabilitation
Retinotektale Projektion : Die Verkabelung des Auge s
mit dem Gehirn
Die Verschaltung des Auges mit dem Gehirn
ist das große Thema der Entwicklungsneurobiologie Wie wird das Projektionsgebiet erkannt? Nach experimenteller Störung kann das Ziel erneut
gefunden werden
Nachträgliche Korrektur unpräziser Verknüpfungen ist ein
allgemeines Prinzip der Selbstorganisation im Nervensystem
Noch nach der Geburt werden - unter dem Einfluss vo n
Umweltinformationen - Bahnen neu erstellt, andere reduziert
Lernen und Langzeitgedächtnis könnten auch Ausdruck einer
fortwährenden Neu- und Umbildung von Synapsen sein
Zusammenfassung des Kapitels
17
18
Herz und Blutgefäße
18 .1
18 .1 .1
Vom scheinbaren Chaos zur Ordnung Herz und Gefäße entstehen in vielen räumlich getrennte n
Entwicklungslinien und bilden am Ende doch ei n
geschlossenes System
Blutgefäße und Herz werden von wandernde n
Vorläuferzellen gebildet
18 .1 .2
18 .2
18 .2 .1
18 .2 .2
18.3
18 .3 .1
18.3 .2
18 .3 .3
375
375
376
37 8
37 8
37 8
38 1
38 2
38 3
38 3
38 4
384
387
387
387
Das Herz
Der „springende Punkt" des Aristoteles, das Herz, entsteh t
aus herbeigewanderten Angioblasten und Myoblasten Vom sich krümmenden Schlauch zum gekammerten Herzen
38 8
Blutgefäße : Vasculogenese und Angiogenese
Vasculogenese : Die Blutgefäße entstehen unabhängi g
voneinander an vielen verschiedenen Orten Angiogenese : Blutgefäße werden durch angiogene Faktore n
zu Wachstum und Verzweigung stimuliert
Wachsende Kapillaren finden ihr Zielgebiet ähnlich wi e
Nervenfasern: Sensorische, motile Terminalzellen haben
Pfadfinderfunktion
39 2
38 8
39 1
39 2
39 2
393
18 .3 .4
Tumoren sorgen für ihre gute Versorgung, indem si e
angiogene Faktoren aussenden ; es gibt jedoch auc h
anti-angiogene Faktoren und damit Hoffnung 394
18.4 Anpassung des Kreislaufs vor und nach der Geburt
18 .4 .1 Der frühe Embryo hat einen Kreislauf ähnlic h
dem eines Fisches
18 .4 .2 Die Umstellungen nach der Geburt sind dramatisc h
und müssen vorbereitet werden
394
18 .5
Die Plazenta
Die Plazenta ist ein Organ des Kindes, mit dem es in eng e
Beziehung zur Mutter gelangt
Der Kontakt zur Mutter kann auch gefährlich werden ;
ihr Immunsystem muss erfolgreich unterdrückt werden 39 8
Zusammenfassung des Kapitels
400
18 .5 .1
18 .5 .2
19
18
394
39 5
398
398
Stammzelle n
19 .1 Stammzellen: Reservoir für Wachstum und Erneuerung . . .
19 .1 .1 Kurzlebige Zellen müssen durch neu erzeugte Zelle n
ersetzt werden ; Ersatz liefern stets teilungsbereite
Stammzellen
19 .1 .2 Das Prinzip der Stammzellen ist evolutionsgeschichtlic h
uralt
40 1
40 1
40 1
19.2 Unipotente und pluripotente Stammzellen 19 .2 .1 Unipotente Stammzellen haben nur eine Entwicklungsoption ;
wir finden solche beispielsweise in Haut und Muskel 19.2 .2 Pluripotente Stammzellen können mehrere Zelltype n
hervorbringen ; sie liefern beispielsweise Ersatz für Zelle n
der Darmzotten, die im Dienste der Verdauung lysieren 40 2
19.3 Die hämatopoietischen (blutbildenden) Stammzellen 19 .3 .1 Hämatopoietische Stammzellen entstehen im Embryo
in Blutinseln ; ins Knochenmark einwandernde Stammzelle n
bleiben zeitlebens erhalten
19 .3 .2 Der Umsatz ist gewaltig ; pro Sekunde sterben 6 Millione n
Erythrocyten und müssen durch neue ersetzt werden
19 .3 .3 Die Nachkommen der Stammzellen werden alternativ wiede r
zu Stammzellen oder sie werden zu Blutzellen determinier t
und hernach in Amplifikationsteilungen vermehrt 19 .3 .4 Ein Ereignisbaum führt beim Säuger/Menschen zu ach t
Haupttypen von Blutzellen
19 .3.5 Determination und Menge der Blutzellen werden über viel e
lösliche Faktoren bzw. Hormone gesteuert 404
Zusammenfassung des Kapitels
19
40 2
403
404
406
406
40 6
40 7
408
20
Signalsubstanzen und Signaltransduktio n
20.1
20 .1 .1
Morphogene, Induktoren, Wachstumsfaktoren Zahlreiche, „Morphogene", „Induktoren" oder sonstige
„Faktoren" steuern Entwicklung und Wachstum 40 9
40 9
Box 5 Wie Zellen miteinander kommunizieren und interagieren . . .41 0
Nach dem biologischen Einsatzbereich lasse n
sich Determinationsfaktoren, Morphogene, Induktore n
und Differenzierungsfaktoren unterscheiden
20 .1 .3 Nach Empfänger und Reichweite lassen sich autokrine ,
parakrine und endokrine Faktoren (Hormone )
unterscheiden
20.1 .4 Proteinfaktoren werden nach Übereinstimmungen i n
der Aminosäuresequenz in Familien zusammengefasst
20.1 .2
Hormone
Reguläre Hormone greifen spät in die Entwicklung ein ;
sie wirken als Synchronisatoren für umfangreich e
Umgestaltungsprozesse
20 .2 .2 Zunächst kann die Mutter das Sagen haben
20 .2 .3 Was später „Hormon" heißt, kann vorher
ein „Wachstumsfaktor " sein
20 .2 .4 Physiologisch sind Hormonsysteme hierarchisch gegliedert ;
neurosekretorische Zellen vermittel n
zwischen Führungsinstanzen im Gehir n
und den hormonproduzierenden Drüsen 20 .2
20 .2 .1
20 .3
20 .3 .1
20 .3 .2
41 4
41 7
41 7
41 8
41 8
41 8
41 9
Zusammenfassung des Kapitels
42 3
20
Wachstumskontrolle und Krebs
21 .1
21 .1 .1
Wachstumskontrolle
Vielzellige Lebewesen als Ganze wie auch die Größe all ihre r
Organe unterliegen einer Wachstumskontrolle
Zellpopulationen in vielzelligen Lebewesen übe n
eine Vermehrungs-Selbstkontrolle aus Auch die Nachbarschaft greift steuernd ein 21 .1 .3
41 3
Signaltransduktion und Steuerung der Genaktivität Polare Signalmoleküle, namentlich Peptide und Proteine,
werden über membranverankerte Rezeptoren und System e
der Signaltransduktion wirksam
Retinoide, Steroidhormone und Thyroxin steuer n
über nukleäre Rezeptoren Genaktivitäten
21
21 .1 .2
41 3
41 9
420
42 5
42 5
42 5
426
21 .2
21 .2 .1
21 .2 .2
21 .3
21 .3 .1
21 .3 .2
21 .3 .3
21 .4
21 .4 .1
21 .4.2
21 .4.3
21 .4 .4
21 .4.5
Krebs : Wesenszüge, Vorkommen, Begriffe
Krebs basiert auf gestörter Wachstums und Differenzierungskontrolle Die Terminologie des Krebsforschers lässt erkennen ,
welche Zelltypen zur krebsartigen Entartung neigen 42 6
Besondere Eigenschaften von Krebszellen und Tumoren Krebszellen sind oft immortal, von Wachstumsfaktore n
unabhängig und zeigen ein selbstsüchtiges ,
unsoziales Verhalten
Metastasen bilden zu können, ist eine besonders gefährlich e
Eigenschaft vieler Krebszellen Viele Tumoren können deshalb besonders schnell wachsen ,
weil sie sich eine besonders gute Blutversorgung sichern 42 8
Ursachen einer Cancerogenese Die Mehrzahl der Krebserkrankungen wird von exogene n
Agentien ausgelöst ; diese sind in aller Regel
mutationsauslösend
Man kennt zwei Klassen von Tumor-erzeugenden Genen :
Onkogene und defekte Tumor-Suppressor-Gene
Die von krebsauslösenden Genen codierten Proteine sin d
in der Regel mit der Kontrolle des Zellzyklus befasst
Zu unserem Glück führen in der Regel erst mehrer e
Mutationen zu Krebs ; die Hypothese der Mehrstufen Carcinogenese postuliert darüber hinaus eine Stimulatio n
des Tumorwachstums durch nicht-mutagene
Tumor-Promotoren
Es gibt auch Tumoren, die mutmaßlich nicht auf Mutatione n
zurückzuführen sind : die aus Keimzellen hervorgehende n
Teratocarcinome
43 0
Zusammenfassung des Kapitels
21
22
Metamorphose und ihre hormonale Steuerun g
22 .1
Metamorphose: ein zweiter Phänotyp aus eine r
„zweiten Embryogenese "
Die meisten Amphibien und wirbellosen Tiere wandeln sic h
von einem ersten in einen zweiten Phänotyp um Während der Metamorphose kommt es zu dramatische n
Umgestaltungen und zu einer molekularen Neuaustattung 22 .1 .1
22 .1 .2
22.2
22 .2 .1
Hormonale Steuerung der Metamorphose
Bei der inneren Steuerung der Metamorphose durc h
Hormone gibt es viele Analogien zwischen Insekten
und Amphibien
42 7
42 7
42 8
42 9
43 0
43 0
43 2
43 3
43 4
43 5
436
43 7
43 7
43 9
44 2
442
22 .2 .2
Falsche Hormone: Pflanzen wehren sich
44 5
22 .3
22 .3 .1
22 .3 .2
Auslösung der Metamorphose
Auslöser der Metamorphose sind oft externe Faktoren Bei Insekten hat oft die Tageslänge Einfluss auf Beginn ,
Verlauf und Resultat der Metamorphose, und es kan n
eine Entwicklungspause (Dormanz, Diapause)
eingeschaltet werden
44 5
Zusammenfassung des Kapitels
449
22
23
Determination und Entwicklung des Geschlecht s
23 .1
23 .1 .1
Geschlechtsbestimmung
Sex dient der Weitergabe neu kombinierter genetischer
Information über Gameten an Nachkommen ; dabei steuern
im Regelfall weibliche und männliche Individuen über ihre
Gameten Gene bei, über deren Auswahl der Zufall waltet . . .
Vielzellige Organismen besitzen grundsätzlich bisexuell e
Potenz; doch ein Schlüsselgen oder Umweltgegebenheite n
treffen eine Entscheidung
Bei phänotypischer Geschlechtsbestimmung treffe n
Umweltfaktoren die Entscheidung
Bei genotypischer Geschlechtbestimmung treffen besonder e
Schaltergene (Selektorgene) die Entscheidung ; diese können
auf besonderen „Geschlechtschromosomen " liegen
23 .1 .2
23 .1 .3
23 .1 .4
23 .2
23 .2 .1
23 .2 .2
23 .2 .3
23 .2 .4
23 .2 .5
23 .2 .6
23 .2 .7
44 5
44 7
45 1
45 1
45 2
453
45 3
Die Sexualentwicklung bei Säugern und dem Menschen Sexualentwicklung ist ein Vielstufenprozess, bei dem ei n
indifferenter Ausgangszustand in divergente Bahnen gelenk t
wird, die bei divergenten Verhaltensweisen enden
Das genetische Geschlecht: Ein einzelnes, dominierende s
Gen bestimmt, ob man Mann oder Frau wird Das gonadale Geschlecht : Aus einer zwittrig angelegten
Gonade wird alternativ ein Hoden oder ein Ovar
Das somatische Geschlecht : Hormone dirigieren eine
indifferente Anlage für Sexualorgane in eine alternativ e
Fortentwicklung; dabei kommt dem Testosteron besondere
Bedeutung zu
Das psychische Geschlecht: Nach Befunden an Tieren
ist auch die Verhaltensdisposition Testosteron-abhängig Pubertät ist eine Art Metamorphose, im Zuge derer
die sexuelle Entwicklung vollendet wird
Periodische Hormonzyklen koordinieren Zyklen
der sexuellen Entwicklung
45 5
Zusammenfassung des Kapitels
465
23
45 5
45 7
46 0
46 0
46 3
464
464
24
Erneuerung und Regeneratio n
24.1
24 .1 .1
Die stetige Grunderneuerung des Organismus Ein Organismus muss im Mindestfall laufend seinen Bestan d
an Makromolekülen erneuern
Ohne fortlaufende Erneuerung auch des Zellenbestande s
durch beständige Regeneration neuer Zellen wäre das Lebe n
bald zu Ende
Auch asexuelle Fortpflanzung ist eine Regeneration 467
Reparative Regeneration und Rekonstitution
Die Fähigkeit, verlorene Körperteile regenerieren zu können ,
ist nicht klar mit dem Evolutionsniveau korreliert
Epimorphose oder Morphallaxis? - und weitere ,
aufregende Fragen
Rekonstitution schlägt alle Rekorde, ist abe r
ein künstlicher Sonderfall
Ganze Tiere können (noch nicht) aus einzelnen ,
differenzierten somatischen Zellen wiedergewonne n
werden
46 8
Fallbeispiel Hydra und andere Wirbellose
Hydra besitzt unter den echten vielzelligen Tiere n
das wohl größte Regenerationsvermögen
Die umfassendste Fähigkeit, durch Transdifferenzierung eine r
einzigen differenzierten Zellart andere Zelltypen hervorgehen
zu lassen, wurde bei Hydromedusen entdeckt Planarien : Parallelen zu Hydren und ihre bedauernswert e
Rolle als Versuchsobjekte in einer fruchtlosen Phas e
der Gedächtnisforschung
47 0
Regeneration und Transdifferenzierung bei Wirbeltieren
Die Regeneration der Extremitäten der Amphibie n
ist abhängig von der Zufuhr von Neurotrophinen Bekanntester Fall einer Transdifferenzierung bei Wirbeltiere n
ist die Linsenregeneration Regeneration aus Stammzellen beim Menschen :
Die beschränkte Fähigkeit zur regenerativen Erneuerung
führt zum Tod 475
Zusammenfassung des Kapitels
478
24 .1 .2
24 .1 .3
24.2
24 .2 .1
24 .2 .2
24 .2 .3
24 .2 .4
24 .3
24 .3 .1
24 .3 .2
24 .3 .3
24 .4
24 .4 .1
24 .4 .2
24 .4 .3
25
24
467
46 7
46 8
468
46 9
46 9
47 0
47 0
47 3
473
475
477
478
Unsterblichkeit oder Altern und Tod :
Was will die Natur?
25.1
Möglichkeit und Unmöglichkeit einer Immortalität 25 .1 .1 Es gibt Leben ohne Tod; es ist jedoch an fortwährend e
Zellteilungen gebunden
47 9
479
25 .1 .2
25.2
25.2 .1
25 .2 .2
25 .2 .3
25 .2 .4
Man kennt viele molekulare und organismische Ursache n
des Alterns
480
Der Tod als genetisch vorprogrammiertes Ereignis
Artspezifische Lebenserwartung ist ein erstes Indiz dafür,
dass der Tod ein genetisch vorprogrammiertes Ereignis ist . .
Es gibt Gene, deren Mutation rasches Altern bedingt, und bei Pilzen - Gene, deren Ausfall unsterbliches Leben beschert
Es werden mehrere Mechanismen diskutiert ,
wie Tod genetisch programmiert sein könnte
Der Tod hat eine wichtige biologische Bedeutung 48 1
Zusammenfassung des Kapitels
48 5
25
48 1
48 2
48 3
484
Literatur
48 7
Glossar
533
Abkürzungen, die den Charakter von Fachausdrücke n
tragen
533
Biologische Wirksubstanzen (Wachstumsfaktoren ,
Morphogene, Induktoren, Hormone) 533
Intrazelluläre Faktoren
535
DNA-bindende Domänen von Transkriptionsfaktore n
und nukleären Hormonrezeptoren 53 5
Adjektive, Orte und Richtungen anzeigend 535
Fachausdrücke der Entwicklungsbiologie
536
Deutsch-Englisch
536
Englisch-Deutsch
552
Sach- und Namensverzeichnis
555