Zusammenfassung Wehner-Gehring: "Zoologie", 22. Auflage (Thieme, Stuttgart)

3 Entwicklung

3.1 Fortpflanzung und Sexualität

3.1.1 Ungeschlechtliche Fortpflanzung

Lebewesen haben die Fähigkeit, sich selbst zu reproduzieren und damit fortzupflanzen. Fortpflanzung ist ein zyklischer Prozeß, in dessen Verlauf die Genetische Inforation an die folgenden Generationen weitergegeben wird. Bei Einzellern (Protisten) ist die asexuelle Fortpflanzung die normale Art der Vermehrung. Die Zelle teilt sich in zwei gleiche Tochterzellen (Abb. 3.1, Abb. 12.3), wobei sie als Individuum aufhört zu existieren.

Abb. 3.1: Zellteilung beim Sonnentierchen (Actinophrys sol).  Interphase: Der Zellkern (Nu) ist umgeben vom Cytplasma, das Fetttropfen (Fe) und Vakuolen (Va) enthält und steife Axopodien (Ax) ausbildet, die aus Mikrotubuli bestehen und als Schwebefortsätze und zur Nahrungsaufnahme dienen. Kerndurchmesser ca. 10 µm. ‚ Prophase: Die Chromosomen (Ch) kondensieren und werden mikroskopisch sichtbar. ƒ Metaphase: Die Kernhülle (Kh) bleibt intakt. Die Spindel (Sp) liegt innerhalb des Kerns. Außerhalb des Kerns bilden sich die beiden Polkappen (Pk), Centriolen fehlen. Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialplatte an. „ Anaphase: Die Chromosomen werden zu den Polen gezogen. … Telophase: Die Chromosomen sind an den Polen angekommen. † Cytokinese

Die beiden entstehenden Nachkommen sind genetisch identische Klone. Außer der Zweiteilung kommt v.a. bei parasitischen Protozoen (Trypanosomen, Sporozoen) die Vielteilung vor, bei der sich der Kern mehrach teilt und bestimmte cytoplasmatische Organellen mehrfach repliziert werden. Doch schon bei Protisten (z.B. Chlamydomonas) gibt es sexuelle Fortpflanzung. Diese wird meist durch sich ändernde Umweltbedingungen ausgelöst.
Ungeschlechtliche Fortpflanzung gibt es auch bei Mehrzellern (Metazoen, aber eher die Ausnahme) und ist hier polycytogen: das neue Individuum stammt von mehreren Zellen ab. Bei primitiven Metazoa ist sie oft ein Regenerationsvorgang (z.B. bei Süßwasserpolypen (Hydra), Strudelwürmern (Planaria)), ähnlich wie bei Pflanzen (vegetative Fortpflanzung). Andererseits gibt es Kospenbildung (z.B. bei Hydrozoen, Korallenpolypen); bei Korallen bleibt das Tier aber meist mit dem Muttertier verbunden (Bildung eines Tierstocks). Manche Plattwürmer (z.B. Stenostomum) können sich durch Querteilung fortpflanzen. Auch Fortpflanzung durch vielzellige Dauerstadien findet man bei Tieren, z.B. bei Süßwasserschwämmen, die lange Trockenperioden als Gemmulae überstehen. Bei höheren Tieren ist die Fähigkeit zur ungeschlechtlichen Fortpflanzung weitgehend verlorengegangen, da die somatischen Zellen nicht mehr totipotent sind.

3.1.2 Geschlechtliche Fortpflanzung und Sexualität

Sexualität beruht auf dem Auftreten verschiedener Geschlechter und führt zum Austausch von genetischem Material zwischen Individuen zweier Geschlechter. Bei Bakterien wird während der Konjugation genetisches Material ausgetauscht, ohne daß es zur Vermehrung kommt: Sexualität und Vermehrung sind also nicht gekoppelt. Abb. 3.2 zeigt den Vorgang der Konjugation für Paramecium aurelia (mit einem Macronucleus und zwi Micronuclei).

Abb. 3.2: A. Konjugation bei Paramecium aurelia.  Zwei Zellen verschiedenen Paarungstyps legen sich aneinander. Mi = Mikronucleus, Ma = Macronucleus. ‚ Die Micronuclei durchlaufen die Meiose I. ƒ Meiose II, der Macronucleus beginnt sich aufzulösen. „ Je 7 von den 8 haploiden Kernen degenerieren. … Die haploiden Kerne teilen sich in einen stationären Kern (Ks) und einen Wanderkern (Wk), der über eine Cytoplasmabrücke in die Partnerzelle wandert. † Kernfusion ‡ 1. Mitose des Zygotenkerns ˆ Trennung der Partnerzellen und 2. Mitose. ‰ Zwei Makro- und zwei Micronuclei. Š Zusätzliche Teilung der Micronuclei und anschließende Zellteilung. B. Autogamie.  - „ Wie bei der Konjugation, aber ohne Partnerzelle. … Teilung des haploiden Kerns † Fusion der Schwesterkerne zum isozygot-diploiden Kern.

Das Ergebnis der Konjugation ist der gegenseitige Austausch von genetischem Material, bei dem sich zwei Genome in den Tochterzellen vereinigen. Sie erfolgt nur bei Individuen verschiedenen Paarungstyps. Die Paarungstypen entsprechen bis zu einem gewissen Grad den beiden Geschlechtern höherer Metazoen. Bei Paramecium aurelia finden wir nur zwei Paarungstypen, bei anderen Paramecienarten 4, 8 oder mehr, die alle Konjugation des gleichen Klons verhindern; damit sind die Exkonjugaten immer heterozygot. Deshalb führt Konjugation zu genetischer Rekombination. Die erhöhte genetische Variabilität erhöht die Überlebenschancen der Genträger in einer sich verändernden Umwelt.
Paramecium kann aber auch Autogamie durchlaufen, bei der die genetische Variabilität verringert wird. Infolge der "Polyploidie" ist Paramecium gegen Mutationen "gepuffert".
Bei der geschlechtlichen (sexuellen) Fortpflanzung werden Gameten beiderlei Geschlechts, Eier und Spermien, gebildet, die sich gegenseitig befruchten (miteinander fusionieren). Der Fusion der beiden Zellen (Cytokinese) folgt die Vereinigung der beiden haploiden Kerne (Karyogamie), so daß eine diploide Zygote entsteht. Sexuelle Fortpflanzung gibt es bereits bei ursprünglichen Einzellern (z.B. Chlamydomonas, Abb. 3.3).

Abb. 3.3: Geschlechtliche und ungeschlechtliche Fortpflanzung beim Flagellaten Chlamydomonas reinhardi. ‚ ungeschlechtliche Fortpflanzung der haploiden Zelle (n) durch Mitose (schwarze Pfeile) ‚ - ˆ geschlechtliche Fortpflanzung (farbige Pfeile) ‚ Bildung von Gameten des Plus- und Minus-Paarungstyps bei Stickstoffmangel ƒ Paarung „ Fusion von Zellen verschiedenen Paarungstyps … Bildung einer diploide Zygote †Meiose führt zur Bildung von vier haploiden Zellen ‡ auskeimen der haploiden Zellen Mi Mitose M I 1. mitotische Teilung M II 2. mitotische Teilung n haploide Zelle 2n diploid (Zygote)

Unter günstigen Umwelt bedingungen vermehrt sich Chlamydomonas zwar ungeschelchtlich durch Zweiteilung, sobald aber der Stickstoffvorrat des Nährmediums erschöpft ist, kommt es zur sexuellen Fortpflanzung. Bei Metazoen findet man meist diesen Tyo der geschlechtlichen Fortpflanzung durch Befruchtung. Die Eizellen sind infolge der Einlagerung von Reservestoffen (Dotter) größer als die aufgrund einer Flagelle beweglichen Spermien. Das Spermium ist eine hpchspezialisierte Zelle, die auf die Übertragung der DNA bei der Befruchtung spezialisiert ist (was in gewissem Sinne an Bakteriophagen und andere Viren erinnert).

3.1.3 Parthenogenese

Parthenogenese ist eine reduzierte Form der sexuellen Fortpflanzung, bei der sich der Embryo aus einem unbefruchteten Ei entwickelt. Da keine Befruchtung stattfindet wird auch kein genetisches Material ausgetauscht. Die Eizelle kann entweder die Meiose noch durchlaufen und die Chromosomenzahl durch Kernfusion oder Endomitose aufregulieren, oder die Meiose unterbleibt. Das Ei wird entweder bei Ablage aktiviert oder es entwickelt sich ohne besonderen Stimulus. Beim Schmetterling Solenobia gibt es außer bisexuellen auch rein parthenognetische Rassen, bei denen in der Oogenese noch eine normale Meiose abläuft. Bei der Parthenogenese entstehen in der Regel genetisch identische Nachkommen. Außerdem ist Parthenogenese häufig mit Polyploidie gekoppelt, so daß sich parthenogenetische Arten kaum wesentlich genetisch verändern: weder durch Rekombination noch durch Mutation. So findet man bei Solenobia außer diploiden auch tetraploid-parthenogenetische Rassen.
Bei vielen bisexuellen Arten kann Parthenogenese auch experimentell induziert werden (z.B. bei einer Mutante von Drosophila).

3.1.4 Kernphasen- und Generationswechsel

Ein Wechsel der Kernphasen zwischen Haploidie und Diploidie findet sich bei den meisten Eukaryoten. Bei Haplonten wie Chlamydomonas beschränkt sich die Diplophase auf das Zygotenstadium. Im Gegensatz dazu sind höhere Metazoen in der Regel Diplonten, bei denen die Haplophase auf die Gameten beschränkt ist. Die Tendenz zur Diploidie zeigt sich bereits bei Protozoen wie Paramecium, das einen diploiden Micronucleus und einen "polyploiden" Macronucleus besitzt.
Wenn sich aufeinanderfolgende Generationen in unterschiedlicher Weise fortpflanzen, sprich man von einem Generationswechsel. Dabei pflanzt sich eine Generation sexuell durch Gameten, die darauffolgende asexuell fort. Bleibt die Kernphase in beiden Generationen dieselbe, spricht man von homophasischem Generationswechsel. Der Generationswechsel von z.B. Chlamydomonas ist haplohomophasisch. Dabei wechseln mehrere asexuelle Generationen mit einer sexuellen Generation ab. Ein heterophasischer Generationswechsel, bei dem eine haploide sexuelle Generation mit einer diploiden asexuellen abwechselt, wurde bei Foraminiferen nachgewiesen, ist jedoch im Tierreich i. Ggs. zum Pflanzenreich eher selten.
Auch bei Metazoen können sich aufeinanderfolgende Generationen in Bezug auf den Fortpflanzungsmodus unterscheiden.

3.1.5 Keimbahn und Soma

Schon bei den einzelligen Ciliaten zeigt sich eine Trennung der vegetativen und generativen Funktionen. Die erste Differenzierung beim Übergang vom Einzeller zum Vielzeller betrifft die Trennung von generativen und vegetativen Funktionen. Der Übergang vom Ein- zum Vielzeller ist im Verlauf der Evolution mehrfach erfolgt; unter den rezenten Lebewesen finden sich noch verschiedene Übergangsformen. Grundsätzlich lassen sich zwei Entstehungsmechanismen der Vielzelligkeit unterscheiden: die Aggregation vieler isolierter Einzelzellen zu einem geordneten Zellverband und die Bildung eines vielzelligen Organismus durch mehrfache Teilung einer Einzelzelle.
Aggregation findet man beim Schleimpilz Dictyostelium (vgl. Abb. 12.1, 12.2). Bei Flagellaten und den mit ihnen nahe verwandten Kugelalgen (Volvocales) entsteht der vielzellige Organismus durch Teilung aus einer Einzelzelle, wobei die Tochterzellen in einer Gallerthülle beieinanderbleiben und eine Zellkolonie oder einen echten vielzelligen Organismus bilden. Am deutlichsten ausgeprägt ist die Differenzierung von Keimbahn und Soma bei der Kugelalge Volvox, die aus etwa 10.000 Zellen besteht, die innerhalb der Gallertkugel über Cytoplasmafortsätze in Verbindung stehen. Die große Mehrzahl der Zellen ist somatisch, die wenigen generativen Zellen (Keimbahnzellen) sind in der hinteren Hälfte lokalisiert.
Die Trennung der generativen und vegetativen Zellen ist bei höheren Metazoen vollständig, bei niederen Tieren und bei den meisten Pflanzen dagegen noch reversibel. So kann aus einer einzelnen somatischen Pflanzenzelle eine fertile Pflanze regeneriert werden, die Keimzellen bildet und sich sowohl sexuell als auch asexuell fortzupflanzen vermag. Die Trennung von Keimbahn und Soma ist nur der erste Schritt einer evolutiven Entwicklung, die bei höheren Organismen zu einer zunehmenden strukturellen und funktionellen Spezialisierung verschiedenartiger Zelltypen (Zelldifferenzierung) führt.

3.1.6 Geschlechtsverteilung

Die räumliche und zeitliche Verteilung der Geschlechter variiert bei verschiedenen Tiergruppen zwischen Getrenntgeschlechtlichkeit und verschiedenen Formen von Zwittrigkeit (Hermaphroditismus). Individuen getrenntgeschlechtlicher Arten sind entweder männlich oder weiblich und behalten ihr Geschlecht zeitlebens bei. Bei Zwittern kommen neben Simultanzwittern (gleichzeitig männlich und weiblich) auch Konsekutivzwitter vor – zuerst männlich, dann weiblich (= Proterandrie, z.B. bei Bandwürmern) oder zuerst weiblich, dann männlich (= Proterogynie).
Außer den genannten funktionellen Verteilungen der Geschlechter gibt es auch abnorme Geschlechterverteilungen vor, wie Gynandromorphismus und Intersexualität, die auf Entwicklungsstörungen oder Mutationen beruhen und meist zu Sterilität führen.

3.1.7 Geschlechtsbestimmung

Die Geschlechtsbestimmung ist ein Problem der Genregulation, da die meisten Organismen in beiden Geschlechtern über ein vollständiges Genom verfügen, das die Information für die Ausbildung beiderlei Geschlechts enthält (s.a. Hermaphroditen, phänotypische Geschlechtsbestimmung durch Umweltfaktoren). Aber auch bei manchen getrenntgesclechtlichen Arten gibt es umweltbedingte Geschlechtsumkehr. Schließlich können einzelne Genmutatonen zur Geschlechtsumkehr führen.
Bei genotypischer Geschlechtsbestimmung beruht die geschlechtliche Differenzierung auf der Segregation eines oder mehrerer geschlechtsbestimmender Gene.
Bei den meisten höheren Tieren lassne sich die beiden Geschlechter aufgrund ihres Karyotyps unterscheiden, da sie ein Paar von Heterochromosomen besitzen, die sich morphologisch unterscheiden lassen und als Geschlechtschromosomen der Bestimmung des Geschlechts dienen. Das eine Geschlecht besitzt zwei gleiche Geschlechtschromosomen (XX), während das andere ein ungleiches Paar (XY) enthält.
Bei der Mehrzahl der Organismen ist das weibliche Geschlecht XX und produziert deshalb nur eine Klasse von Gameten (homogametisch), während das Männchen XY (heterogametisch) ist. Das Männchen bildet somit zwei unterschiedliche Arten von Spermien, die außer einem Autosomensatz entweder ein X- oder Y-Chromosom enthalten. Bei einigen Tierarten (manchen Vögeln, Amphibien und Schmetterlingen) ist jedoch das männliche Geschlecht heterogametisch und das weibliche homogametisch, hier oft als ZZ und ZW bezeichnet. Untersuchungen deuten darauf hin, daß die Geschlechtschromosomen im Lauf der Evolution aus Autosomen hervorgegangen sind, das den Geschlechtsbestimmungslocus enthielt.
Tabelle 3.1 faßt die Beziehungen zwischen chromosomaler Konstitution und Geschlechtsbestimmung für vier genetisch gut untersuchte Arten zusammen. Bei Säugern enthält das Y-Chromosom die männlich bestimmenden Gene.

Bei Maus und Mensch entwickelt sich in Anwesenheit eines Y-Chromosoms stets ein Männchen oder ein männlicher Intersex (Klinefelter-Syndrom), während in Abwesenheit des Y-Chromosoms ein Weibchen bzw. Turner-Syndrom entsteht. Außer den männlich bestimmenden Gene trägt das Y-Chromosom noch Gene, die für die Spermatogenese benötigt werden. Zudem kontrolliert das Y-Chromosom die Expression männlich spezifischer Antigene, die mit immunologischen Methoden nachgewiesen werden können: T-Lymphocyten erkennen eine solche Substanz (H-Y-Transplantationsantigen), die auf der Oberfläche von männlichen Zellen zu finden ist, bei weiblichen jedoch fehlt. Das H-Y-Antigen ist weder bei Mensch noch Maus für die Determination der Gonaden zum Hoden unerläßlich.
Bei Dorophila gibt es keine Sexualhormone, jede Zelle determiniert sich automnom. Beim Nematoden Caenorhabditis elegans liegt ein XX/X0-Mechanismus vor.
Bei der phänotypischen Geschlechtsbestimmung sind primär Umweltfaktoren für die Determination verantwortlich. Die Umweltfaktoren wirken jedoch auch über Kontrollgene, die die Entwicklung in männlicher oder weiblicher Richtung lenken.
Neben relativ unspezifischen Umweltfaktoren sind vor allem Hormone an der Geschlechtsdetermination beteiligt. Auch bei Wirbeltieren mit genotypischer Geschlechtsbestimmung spielen Hormone bei der Geschlechtsdetermination eine wichtige Rolle. Im Extremfall kann durch Hormonbehandlung eine vollständige Geschlechtsumkehrung induziert werden. Mit einer Östrogenbehandlung können männliche XY-Embryonen des Medakafisches Oryzias latipes in fertile Weibchen umgewandelt werden. Die Rückkreuzung solcher Neoweibchen mit normalen Männchen ergibt sowohl XX-Weibchen als auch Männchen mit XY- und YY-Konstitution, die fertil sind.

3.2 Spermatogenese

DIe Hauptfunktion der männlichen Samenzelle (Spermium) besteht in der Überragung des haploiden Genoms bei der Befruchtung der Eizelle. Dazu muß das Spermium beweglich sein, Rezeptoren zur Erkennung der weiblichen Gameten der gleichen Art besitzen, durch die Eihülle eindringen und den Fusionsprozeß der beiden Plasmamembranen induzieren können. Die Spermienenetwicklung schließt deshalb die Meiose und komplizierte morphogenetische Prozesse ein:

1. Bei Drosophila und vielen anderen Tieren findet eine frühe Trennung von Keimbahn und Soma statt.
2. Bei Säugetieren findet die Spermatogenese in den Hodenkanälchen statt.

Der Spermienbau ist bei vielen Organismen recht einheitlich. Den Grundtypus findet man bei vielen marinen Organismen mit äußerer Befruchtung, da das Meer dem ursprünglichen Lebensraum entspricht; Abb. 3.5 zeigt die Struktur eines Seeigelspermium schematisch.

Abb. 3.5: Aufbau eines Spermiums und Akrosomreaktion beim Seeigel (Paracendrotus lividus)
1 Längsschnitt 2,3 Akrosomreaktion Af Akrosomfilament Ak Akrosom	Bi Bindin Cb Centriolbläschen dC distales Centriol Fl Flagellum Mi Mitochondrium	Nu Nucleus pC proximales Centriol Sa Subakrosomregion

Der haploide Zellkern enthält die DNA in äußerst kompakter, parakristalliner Form. Anstelle der somatischen Histone enthält diese DNA spezielle Histone, die nur in der Spermatogenese exprimiert werden, oder andere basische Proteine (Protamine). Beim Akrosom, das über dem Kern liegt, handelt es sich um ein lysosomenähnliches Organell, mit dem das Spermium die Gallerthülle des Eies auflöst, sich an die Eioberfläche bindet und dann mit dessen Plasmamembran fusioniert. Das bläschenförmige Akrosom entsteht bei der Spermiogenese aus dem Golgi-Apparat. Es enthält verschiedene Enzyme: u.a. eine trypsinähnliche Protease (bei Säugetieren als Acrosin bezeichnet), Glykosidasen, Phosphatasen und Phospholipasen, die bei der Auflösung der Eihülle und der Membranfusion eine Rolle spielen. Bei Seeigeln enthält das Acrosom ein kohelnhydratbindendes Protein (ein Lectin, das Bindin), das das Spermium an die Vitellinschicht der Eioberfläche bindet.
Das Mittelstück des Spermiums enthält die beiden Centriolen, die mit dem Kern ins Ei eindringen und als Organisationszentren für die Spindel in der sich entwickelnden Zygote dienen. Das ringförmige Mitochondrium und die Flagelle (Feinbau S. 438) bilden den Bewegungsapparat des Spermiums. Durch Oxidation von Fettsäuren wird ATP zur Bewegung der Flagelle hergestellt. Der Energietransport vom Mitochrondrium zur Flagelle erfolgt über Kreationphosphat. V.a. bei Tieren mit innerer Befruchtung ist die Beweglichkeit der Spermien nicht mehr von ausschlaggebender Bedeutung. Bei manchen Termiten findet man z.T. unbewegliche Spermien ohne Flagellen. Auch die Spermien der Nematoden sind geißellos und bewegen sich amöboid fort.

3.3 Oogenese

Das Ei steuert außer dem haploiden Genom fast das gesamte Cytoplasma zur Embryonalentwicklung bei. Die Bildung von Eizellen (Oogenese) ist eine wichtige Entwicklungsphase mit erhöhter Genaktivität und starkem Wachstum, das auf der Synthese von Makromolekülen und der Bildung von Zellorganellen, sowie der Einlagerung von Reservestoffen (Dotter) beruht. Der Dotter wird im Verlauf der Embryogenese abgebaut und zur Neusynthese von Makromolekülen verwendet, bis der Organismus zur Nahrungsaufnahme befähigt ist. Bei verschiedenen Tieren läuft die Oogenese recht unterschiedlich ab:

Abb. 3.8: Befruchtungszeitpunkt verschiedener Tierarten – Kb Keimbläschen, M I, M II meiotische Teilungen, Pk Polkörper

Der innerste der vier haploiden Zellkerne, die aus der Meiose hervorgehen, wird zum Eikern, die drei anderen bleiben als Polkerne (= Richtungskerne) im peripheren Cytoplasma liegen und nehmen an der weiteren Entwicklung nicht teil.

1. Bei Xenopus (Krallenfrosch) wandern die Urkeimzellen aus dem Entoderm in die Gonadenanlage, wo sie beim Männchen die zentrale Medulla, beim Weibchen den peripheren Cortex kolonisieren (Abb. 12.95). Aus dem Cortex entwickelt sich das Ovar, das von einem Epithel umgeben ist und neben Keimzellen auch somatische Follikelzellen (aus dem Mesoderm) enthält. Die Urkeimzellen werden zu Stammzellen, die durch fortgesetzte differentielle Teilung Oogonien bilden (Abb. 3.6). Die sich differenzierenden Oogonien teilen sich durch 4 Mitosen und 16 primäre Oocyten, die ihre DNA replizieren und in die erste Meiose eintreten. Im Gegensatz zu Drosophila werden keine Nährzellen gebildet. Die Oocyten sind bis zur Ovulation tetraploid. Die ersten Meiosestadien findet man bereits im Ovar der Kaulquappen; die Prophase dauert mehrere Monate. Im Leptotän erscheinen die Chromosomen als dünne Fäden, die sich im Zygotän an homologen Stellen aneinanderlegen. Im Pachytän bilden die Chromosomen sog. Bivalente, in denen je zwei väterliche und zwei mütterliche Chromatiden eng gepaart sind und Synaptonemalkomplexe bilden. Der Nucleolus bildet in diesem Stadium eine sog. Kappe, in der die Amplifikation der ribosomalen Gene stattfindet. Die DNA-Replikation ist normalerweise auf die S-Phase des Zellzyklus beschränkt, läßt sic jedoch auch in der meiotischen Prophase von Xenopus durch Einbau von ³H-Thymidin autoradiographisch in der Nucleoluskappe nachweisen. Die Replikation erfolgt nach dem Prinzip des rollenden Kreises und führt zur Bildung von ca. 1000 Extranucleoli, die sich vom Nucleusorganisator ablösen. Der Oocytenkern enthält insgesamt ca. 2·10⁶ extrachromosomale Kopien der ribosomalen Gene, die für rRNA codieren (entspricht ca. 1000facher Genamplifikation). Die reife Oocyte enthält ca. 10¹² Ribosomen, die bei Xenopus von der Oocyte selbst synthetisiert werden müssen, während bei Drosophila die Nährzellen dies übernehmen.
   Im folgenden Diplotän setzt ein starkes Oocytenwachstum ein. Der Kern nimmt an Volumen zu und wird als Keimbläschen bezeichnet. Die Diplotänchromosomen werden zu Lampenbürstenchromosomen und zeigen erhöhte Transkriptionsaktivität. Außerdem lassen sich zahlreiche Extranuleoli im Kern erkennen. Das starke Wachstum der Oocyte beruht auf intrazellulärer Synthese und Einlagerung von Dotter aus der Leber. Die Synthese der Dottervorläuferproteine (Vitellogenine) wird in der Leber durch Östrogene induziert. Auch männliche Leberzellen können durch Östrogenbehandlung zur Vitellogeninsynthese angeregt werden. Vitellogenin ist phosphoryliert und mit Kohlenhydraten und Lipiden assoziiert. Von den Leberzellen in die Blutbahn sezerniert wird es von den Oocyten durch rezeptorvermittelte Endocytose von Korbvesikeln aufgenommen. In der Oocyte wird es in Phosvitin und Lipovitellin gespalten. Phosvitin hat einen hohen Serinphosphatgehalt. Der Dotter wird in kristalliner Form in Dotterschollen eingelagert und im Verlauf der Embryonalentwicklung metabolisiert. Die reife Oocyte enthält auch einen großen Vorrat an Enzymen, Strukturproteinen, Membranvorstufen, Zellorganellen usw., die in der frühen Embryonalentwicklung benötigt werden.
   Die ausgewachsene Xenopus-Larve von Æ 1,3 mm bleibt so lange in der Prophase, bis die Ovulation und Eireifung durch ein hormonelles Signal ausgelöst wird.
   Bei der Eireifung ist v.a. der M-Phasen-induzierende Faktor (MPF = Maturation Promoting Factor) von Bedeutung, der wahrscheinlich mit Cyclinen assoziiert und dadurch aktiviert wird. MPF ist eine Proteinkinase, die den Eintritt in die Metaphase der ersten Meiose auslöst. Dies führt zunächst zum Aufspringen des Keimbläschens in Folge der Auflösung der Kernhülle und zum Austritt des Kerninhalts ins Cytoplasma. Anschließend bildet sich die Spindel, die Chromosomen kondensieren und ordnen sich in der Äquatorialebene der Spindel an. Die Chromosomenambivalente trennen sich anschließend in der Anaphase. Die erste Meiose führt zur Bildung des ersten Polkörpers (1. Richtungskörper), einer abortiven Schwesterzelle, die am pigmentierten animalen Pol der sekundären Oocyte ausgestoßen wird und später degeneriert. In der Metaphase der zweiten Meiose verharrt das Ei bis zur Eiablage und Befruchtung. Erst das Eindringen des Spermiums hebt die Blockierung auf, so daß der zweite Polkörper (2. Richtungskörper) ausgestoßen wird.
   Schließlich verschmilzt der haploide Eikern mit dem Spermakern. Auf diese Weise werden die beiden Gameten im Zellzyklus synchronisiert. MPF induziert nicht nur den Eintritt in die Metaphase der Meiose, sondern nach der Befruchtung auch den Übergang von der Interphase in die Mitose der somatischen Zellen.

3.4 Befruchtung

Die direkte Beobachtung der Befruchtung gelang erst im 19. Jahrhundert (Hertwig, 1875) am Seeigel. Beim Auftreffen des Spermiums auf die Gallerthülle des Eies erfolgt innerhalb weniger Sekunden die Akrosomreaktion (Abb. 3.5) ausgelöst. Für die Auslösung dieser Reaktion schein ein hochmolekulares Glycoprotein (FSG) der Gallerthülle verantwortlich zu sein, das Fucose enthält, die mit Sulfat verestert ist. Die Akrosomreaktion führt zu einer Depolarisation der Spermienmembran von ca. -150 mV auf +30 mV. Dabei wird die intrazelluläre Ca²⁺-Konzentration erhöht und die Exocytose des Acrosombläschen ausgelöst. Dessen Membran fusioniert mit der Plasmamembran und entläßt seinen Inhalt nach außen. Auf die Exocytose folgt in der subacrosomalen Region die Polymerisation von G-Actin zu Actinfilamenten. Bei Seeigeln bildet das Bindin auf dem Acrosomfilament eine leimartige Schicht, mit der sich das Spermium an die Eioberfläche bindet. Diese Reaktion kann durch bestimmte Kohlenhydrate gehemmt werden. Der artspezifische Erkennungsmechanismus zwischen Spermium und Ei beruht also auf einer Protein-Kohlenhydrat-Wechselwirkung. Die Spermarezeptoren auf der Eioberfläche, in der Vitellinschicht, an die sich das Spermium zuerst heftet, sind bei Seeigeln noch nicht isoliert worden. Das Auftreffen des Spermiums auf der Eioberfläche führt zur Fusion der Plasmamembranen des Akrosomfilamentes und des Eies, und damit ist die Fusion der beiden Zellen eingeleitet.
Durch das Eindringen des Spermiums ins Ei wird dieses aktiviert.
Die Fusion der beiden Gameten beginnt mit der Fusion der Plasmamembranen von Ei und Spermium. Die Spermienmembran bleibt als kompaktes Oberflächenareal bis weit in die Embryogenese hinein erhalten. Offenbar ist die laterale Diffusion der Membran weit eingeschränkt. Kern, Centriole, Mitochondrium und Schwanz des Spermiums dringen ins Ei ein. Sobald der Spermakern ins Ei eingedrungen ist, rotiert er um 180° und wandert mit den Ventriolen voran gegen das Zentrum des Eies. Die Centriolen induzieren die Bildung eines Asters. Der Eikern bewegt sich ebenfalls auf die Eimitte zu. Während sich der Spermakern gegen die Mitte des Eies bewegt, wird er zum männlichen Vorkern umgeformt. Die Kernmembran löst sich auf, das Chromatin dekondensiert und die Kernproteine werden durch diejenigen des Eies ersetzt (große Bedeutung für die Genaktivierung). Danach bildet sich eine neue Kernhülle, diese fusioniert mit dem weiblichen Vorkern. Durch die Kernfusion wird der diploide Zustand wiederhergestellt, mütter- und väterliches Genom werden wiederhergestellt. Die erste Mitose wird durch die Verdoppelung der Centriolen eingeleitet. Je zwei Centriolen verlagern sich zu gegenüberliegenden Polen des fusionierten Zygotenkerns und bilden einen Diaster (Abb. 3.7), dessen lange Mikrotubuli wahrscheinlich in der Plasmamembran verankert sind. Nach der Auflösung der Kernmembran bildet sich zwischen den beiden Astern die Teilungsspindel. Die Chromosomen ordnen sich senkrecht zur Spindel an und werden auf die beiden Tochterkerne verteilt. Das Ei bildet normalerweise keine Centriolen aus, vermag diese jedoch nach parthenogenetischer Aktivierung zu regenerieren.
Bei Säugern erfolgen die Befruchtungsvorgänge ähnlich.

3.5 Eiorganisation

Die Eizelle ist totipotent. Die befruchtete Eizelle besitzt ein vollständiges Genom aus einem väterlichen und einem mütterlichen Chromosomensatz. Die Eizelle ist als Keimzelle spezialisiert und enthält in ihrem Cytoplasma Dotter u.a. Reservestoffe für die zukünftige Embryonalentwicklung. Diese werden z.T. von somatischen Zellen gebildet. Bei den meisten Eizellen ist die Kern/Plasma-Relation zugunsten des Plasmas verschoben. Je nach Organismus ist die Architektur des Eicytoplasmas verschieden stark differenziert.
Bei den meisten Tieren weisen die Eier eine anomal-vegetative Polarität auf. Im unbefruchteten Ei liegt der Kern meist in der Nähe des animalen Pols, während der Dotter u.a. cytoplasmatische Bestandteile mit höherer Dichte am vegetativen Pol angereichert sind. Die Achse entspricht bei Amphibien und vielen Invertebraten der anterior-posterioren Achse des Embryos, bei anderen Tiergruppen (z.B. Fischen) der dorsoventralen Achse. Bei Seeigeln und Mollusken besteht eine Korrelation zwischen der Lage der Eizelle im Ovar und der Eipolarität: Die Verbindungsstelle zwischen Oocyte und Ovarepithel wird zum vegetativen Pol. Bei den Oocyten der Säugetiere scheint es keine Beziehung zu geben.
Bei Insekten und Tintenfischen können bereits im unbefruchteten Ei die drei Körperachsen (antero-posterior, dorsal-ventral, links-rechts) festgelegt sein.
Unmittelbar nach der Befruchtung (im ersten Zellzyklus) kommt es bei den Eiern verschiedener Tiergruppen zu Umlagerungen von Bestandteilen des Eicytoplasmas, die zur Festlegung der Körperachsen führen.

3.6 Furchung

Die Furchung führt von einem einzelligen zu einem vielzelligen Organismus. Dabei wird das große Eicytoplasma durch eine rasche Folge von Mitosen in kleine Furchungszellen (Blastomeren) unterteilt (Abb. 3.10).

Abb. 3.10: Furchung des Amphibienkeims.  Bildung eines kontraktilen Rings (Ri) von Actinfilamenten unter der Plasmamembran. ‚ 2-Zellenstadium. ƒ 4-Zellenstadium. „ 8-Zellenstadium; die Zellen der vegetativen Keimhälfte sind größer als die der animalen Hälfte (inäquale Teilung). … 4. Furchung; die animalen Zellen sind bereits geteilt, bevor die größeren, dotterreichen Zellen am vegetativen Pol vollständig durchgeschnürt sind. † Morulastadium. ‡ Blastulastadium ˆ Sagittalschnitt durch Blastula – Bc Blastocoel, R Randzone zwischen künftigem Ekto- und Entoderm, die bei der Gastrulation eingestülpt wird, an, veg animale und vegetative Keimhälfte.

Dabei steigt die Kern/Plasm-Relation an, das Kernvolumen nimmt im Verhältnis zum Volumen des Cytoplasmas zu, bis der für somatische Zellen typische Wert erreicht ist. Das Furchungsmuster wird einerseits durch die Menge des gespeicherten Dotters geprägt, andererseits durch diejenigen Faktoren, die die Orientierung der Teilungsspindel beeinflussen. Organismen mit ähnlichem Bauplan können daher ganz verschiedene Furchungsmuster haben; die grundlegenden Steuerungsprozesse sind aber ähnlich.
Die Menge des im Ei gespiecherten Dotters hängt vom Entwicklungsmodus der betreffenden Art ab. Bildet sie Larven, die früh selbst Nahrung aufnehmen, so sind die Eier relativ dotterarm (z.B. einige einheime Frösche). Bei bestimmten tropische Fröschen ohne Kaulquappenstadium sind die Eier sehr dotterreich. Eine Sonderstellung hat der Säugerembryo (Versorgung durch die Plazenta, daher kein Dottervorrat). Eierlegende Säugetiere haben dagegen noch dotterreiche Eier. Eier mit wenig Dotter furchen holoblastisch, Eier mit wenig Dotter meroblastisch.

1. Die Furchung der Eier bei Amphibien ist holoblastisch und radiär (Abb. 3.10). Die Furche der ersten Zellteilung verläuft meridional etwa durch die Eintrittsstelle des Spermiums (Abb. 3.9). Im 32-Zellstadium entsteht die Morula, daraus eine Hohlkugel (Blastula). Die weitere Entwicklung der einzelnen Furchungszellen wird erst bei der nun folgenden Gastrulation festgelegt.
2. Die Eier des Seeigels sind dotterarm, sie furchen sich holoblastisch und radiär.
3. Bei Ascidien erfolgt die Furchung holoblastisch und bilateral.
   Neben der radiären und bilateralen holoblastischen Furchung gibt es noch die Spiralfurchung (Anneliden, Molluscen außer Tintenfische). Hier stehen die Furchungsspindeln in schiefem Winkel zur animal-vegetativen Achse, so daß die Blastomeren spiralig gegeneinander versetzt sind.
4. Die dotterreichen Eier der Insekten furchen sich nur an der Oberfläche (meroblastisch superfiziell).
   Die Furchung dotterreicher Eier von Tintenfischen, Fischen, Reptilien und Vögeln erfolgt meroblastisch und diskoidal. Sie beschränkt sich auf ein scheibenförmiges Areal (Keimscheibe) am animalen Pol auf der Dotterkugel.
5. Die Säugetiere nehmen eine Sonderstellung ein: Sie haben sehr dotterarme Eier (Ernährung über Placenta). Beim Säugerembryo wird das Entwicklungsschicksal der Zellen v.a. durch Wechselwirkungen zwischen den Zellen festgelegt; der Zellstammbaum ist variabel.

Abb. 3.9: Umlagerungen des Eicytoplasmas nach der Befruchtung. A Bildung des grauen Halbmondes beim Frosch (Rana).  unbefruchtetes Ei. ‚ Befruchtung (Schnitt). ƒ befruchtetes Ei. „ Bildung des grauen Halbmonds. B Bildung des gelben Halbmonds beim Ascidienei (Stylea).  ‚ ƒ „

3.7 Gastrulation

Nach der Furchung folgen bei allen Metyzoen die Gastrulationsvorgänge, bei denen die Zellen durch Gestaltbewegungen ganzer Zellverbände oder durch Wanderung von Einzelzellen an die Orte verbracht werden, an denen später die entsprechenden Organe entstehen. Während der Gastrulation wird im wesentlichen die Grundorganisation des Embryos aufgebaut. Bei der Verlagerung ganzer Zellschichten haften die Zellen stak aneinander und ändern ihre relative Position zueinander nicht; bei der Einzelzellwanderung bewegen sich die Zellen unabhängig voneinander.

1. Gastrulation beim Seeigel. Aus der einschichtigen Blastula entsteht im Verlauf der Gastrulation ein dreischichtiger Keim aus drei Keimblättern: Ektoderm, das den Embryo umhüllt, Entoderm (Darm) und das dazwischenliegende Mesoderm aus den primären und sekundären Mesenchymzellen.
2. Gastrulation bei Amphibien. Im Verlauf der Gastrulation entsteht aus der einschichtigen Blastula ein dreischichtiger Keim. Auf der ventralen Seite bildet sich der Urdarm (Abb. 3.15H), der sich vom dorsal einwandernden Mesoderm trennt und durch seitliches Hochwachsen zum Darmrohr schließt. Das Mesoderm bildet einen "Mantel" (Abb. 3.15F), der sich zwischen Ektoderm und Entoderm schiebt. Das Ektoderm kompensiert die Involution, indem es sich auf der Oberfläche des Keims ausbreitet (Epibolie).

3.8 Grundorganisation des Embryos und Bildung der Keimblätter

Im Verlauf der Gastrulation wird die Grundorganisation des Embryos festgelegt. Im einfachsten Fall besteht der Embryo aus zwei Keimblättern: dem äußeren Ektoderm (liefert die primäre Körperbedeckung) und dem inneren Entoderm (bildet den Urdarm). Die Stelle, an der sich der Urdarm nach innen stülpt, ist der Urmund (Blastoporus).
Bilateria können in zwei Hauptgruppen (Protostomier, Deuterostomier) unterteilt werden. Bei den Protostomiern wird der Urmund zum späteren Mund; der After geht aus einer sekundären Einstülpung des Ektoderms hervor, die zum hinteren Urdarm durchbricht. Bei Deuterostomiern wird der Urmund zum späteren After und der Mund wird aus einer gegenüberliegenden Ektodermtasche neu gebildet. Auch das Zentralnervensystem wird bei Protostomiern ventral, bei Deuterostomiern dorsal des Darmes angelegt.
Bei der Bildung des mittleren Keimblattes (Mesoderm) gibt es große Vieltfalt.
Als Beispiel für den Aufbau eines Wirbeltierembryos ist in Abb. 3.16 die Grundorganisation und der Anlageplan eines Amphibienkeimes dargestellt.

Abb. 3.16: Anlageplan und Grundorganisation des Amphibienkeims (Triturus).

Er gibt das Entwicklungsschicksal der Zellen an, wenn sie sich normal in situ weiterentwickeln. Der in Abb. 3.16A,B wiedergegebene Anlageplan entspricht einem frühen Gastrulationsstadium und sagt nichts über den Determinationszustand der Zellen aus. Das zukünftige Ektoderm liegt am animalen, das Entoderm am vegetativen Pol, das Mesoderm zwischen beiden. Im Verlauf der Gastrulation werden Meso- und Entoderm ins Innere verlagert, und der Embryo wird dreischichtig (Abb. 3.16C). Die verschiedenen Organe können den drei Keimschichten wie folgt zugeordnet werden:

• Ektoderm: Epidermis und ihre Derivate (z.B. Drüsen, Haare, Federn, Schuppen), Nervensystem, Sinnesepithelien, Neuralleistenderivate
• Mesoderm: Muskulatur, Skelett, Gefäßsystem, Exkretionsorgane, Gonadensoma
• Entoderm: Verdauungstrakt mit Anhangsorganen (z.B. Leber, Pankreas, Schilddrüse, Lunge)

Eine strikte Zuordnung ist aber nicht immer möglich (z.B. bilden die Neuralleisten außer ektodermalen Zelltypen auch Knochen und Knorpel des Visceralskeletts, der übrige Schädel entsteht aus dem Mesoderm). Auch die Keimzellen lassen sich keinem der Keimblätter zuordnen. Bei Amphibien entstehen die Urkeimzellen entweder im Entoderm (Anuren) oder im Mesoderm (Urodelen) und wandern sekundär ins somatische Gonadenmesoderm ein.

3.9 Organogenese

Nach der Grundorganisation des Embryos werden die verschiedenen Organsysteme ausgebildet. Im Folgenden wird v.a. auf die Beschreibung der frühen Organentwicklung bei Vertebraten (v.a. Amphibien) eingegangen.

3.9.1 Neurulation und Neuralleistenentwicklung

Im zuerst homogenen Ektoderm der frühen Gastrula wird durch Wirkung des Urdarmdaches die Bildung der Neuralplatte induziert, die sich während der Neurulation einfaltet und schließlich zum Neuralrohr schließt; dieses löst sich von der Epidermis. Das Einrollen ist ein morphogenetischer Prozeß, der auf Zellwanderung in der Längsachse und Formveränderung einzelner Zellen beruht. Im Gegensatz zum flachen Hautektoderm sind die Zellen der Neuralplatte hochzylindrisch. Das Cytoskelett (v.a. die in Längsrichtung angeordneten Mikrotubuli) verleiht den Zellen ihre charakteristische Form.
An den Rändern der Neuralplatte werden die Neuralleisten ausgesondert, die beim Verschluß des Neuralrohrs als einzelne Zellen auswandern (Abb. 3.15I-O). Die Neuralleisten liefern bei Molchen außer Pigmentzellen die Mesenchymleisten des Flossensaumes, Spinalganglien und Ganglien des vegetativen Nervensystems, Schwannsche Scheidenzellen (Umhüllung der Nervenfasern), Hirnhäute, Nebennierenmark, Knorpel des Visceralskeletts und Dentinkeime der Zähne (Abb. 3.17C).

Abb. 3.17: Neuralleistenentwicklung beim Molch.

3.9.2 Mesodermale Organe

Während der Gastrulation wandert das Mesoderm als zusammenhängender Mantel zwischen Ektoderm und Entoderm ins Innere des Amphibienkeims. Die Chordaanlage verändert ihre Form: Aus dem breit ausgedehnten sichelförmigen Chordabereich an der oberen Urmundlippe (Abb. 3.15D) strömen die Zellen konvergierend auf den Urmund zu, von wo sie dann als länglicher Strang in die Mediane des Urdarmdaches vorstoßen. Im Verlauf der Organogenese löst sich die Chordaanlage vom seitlich angrenzenden Material der Ursegmente (Somiten) und bildet einen Stab in der Längsachse des Keimes. Die dorsalen, die Chorda beidseitig begleitenden Mesodermstreifen gliedern sich – von cranial nach caudal fortschreitend – in die Somiten, die sich ihrerseits gegen die weiter ventral liegenden flachen Seitenplatten abgrenzen. Die Somiten differenzieren sich in drei verschiedene Anlagen: Sklerotom, Myotom und Dermatom (vgl. Abb. 12.81). Die Sklerotome bilden ein Mesenchym, das die Chorda umgibt und die Wirbelsäule bildet. Die Myotome differenzieren sich zur Stammuskulatur. Die einzelnen Muskelvorläuferzellen (Myoblasten) fusionieren dabei zu vielkernigen Syncytien, die als Muskelfasern mit ihren Myofibrillen (Abb. 8.1) der Kontraktion dienen. Auf der peripheren Seite löst sich das Dermatom, das die Zellen für das Unterhautgewebe liefert, von den Somiten ab.

3.9.3 Entodermale Organe

Das Entoderm entwickelt sich zum Verdauungstrakt. Auswüchse des Darms differenzieren sich im vorderen Abschnitt zur Schilddrüse und Lunge (Lungenepithel), im mittleren Bereich zu Leber und Pankreas. DIe ursprünglichen Verbindungen der beiden letztgenannten Organe zum Darm werden zum Gallen- und Pankreasgang. In der Mundregion nimmt das vorstoßende Entoderm des Kopfdarmes direkten Kontakt mit der ektodermalen Mundbucht (Stomodaeum) auf. Daraus entsteht als Ausstülpung die Rathkesche-Tasche, die später den Vorderlappen der Hypophyse bildet. Ekto- und Entoderm stoßen an der gemeinsamen Pharyngealmembran zusammen (löst sich später), die später den Pharynx eröffnet.

3.9.4 Embryonale Anhangsorgane

Die embryonalen Anhangsorgane können Ernährung, Gasaustausch, Exkretion oder Keimschutz dienen und bilden sich bei Übergang zum freien Leben zurück. Bei Wirbeltieren mit dotterreichen Eiern und Diskoidalfurchung (Fische, Reptilien, Vögel) bildet sich ein Dottersack, der mit dem Darm verbunden ist und der Ernährung dient (Abb. 3.18).

Abb. 3.18: Embryonale Anhangsorgane der Wirbeltiere.

Bei den sekundär dotterarmen Säugerembryonen ist der Dottersack ein phylogenetisches Relikt. Lediglich bei Amphibien (dotterarme Eier, holoblastische Furchung) wird der gesamte Dottervorrat direkt in die Furchungszellen eingelagert und durch intrazelluläre Enzyme verdaut. Bei Fischen, Reptilien und Vögeln wird zunächst nur der Rückenteil des Embryos des Embryos mit den Achsenorganen (Neuralroh, Chorda, Ursegmente) über der ungefurchten Dottermasse angelegt. Die ventralen Teile der Keimblätter sind flach über dem Dotter ausgebreitet (Abb. 3.18A) und umwachsen allmählich die Dottermasse und stellen so einen geschlossenen Dottersack aus mehreren Schichten her: Ektoderm, somatisches und splanchnisches (viscerales) Blatt des Mesoderms und Entoderms. Dazwischen liegt die Körperhöhle (Coelom). Der Körper des Embryos hebt sich vom Dottersack durch eine Faltung ab (Abb. 3.18D), bei Reptilien und Vögeln kommen aber Amnion, Serosa und Allantois dazu. Die Ränder der Amnionfalte wölben sich über dem Emvryo zusammen und verwachsen miteinander, dadurch ist der Embryo von zwei durch embryonales Coelom getrennte Hüllen umgeben. Die innere ist das Amnion, die äußere die Serosa (Abb. 3.18E). Amnionhöhle und Coelom sind flüssigkeitsgefüllt. Die Allantois (embryonaler Harnsack) entwickelt sich als blasenförmige Ausstülpung des Enddarms in der extraembryonalen Leibeshöhle.
Bei den viviparen Säugetieren wird die Serosa zu einem embryonalen Ernährungsorgan. Bei den Beuteltieren sondert die Uteruswand die Uterusmilch ab, die vom Embryo durch die Serosa durch die Serosa aufgesaugt wird. Bei den Placentaliern entwickelt sie sich phylogenetisch zum Chorion weiter. Dieses geht aus dem Trophoblasten der der Blastocyste (Abb. 3.14) hervor und bildet zottenförmige Ausstülpungen, die in die Uteruswand eindringen (Abb. 3.18F). Die Allantois legt sich mit ihrer Außenwand dem Chorion an; die den Allantoisstiel begleitenden Blutgefäße breiten sich am Chorion aus und dringen in die Choriozotten ein: Die Placenta entsteht. Außer dem Chorion kann auch der Dottersack mit der Uteruswand eine Placenta bilden (z.B. bei Nagetieren, Insektenfressern).

3.10 Larvalentwicklung und Metamorphose

Bei vielen Tieren gibt es Jugendstadien, die sich als Larven in Organisation und Lebensweise von den Adulten unterscheiden. Typisch für viele Larven ist die rasche Entwicklung aus kleinen Eiern, wobei sie frei beweglich leben und zur Nahrungsaufnahme fähig sind. Der Zusammenhang zwischen Eigröße (Dottervorrat) und Larvalentwicklung wird besonders deutlich beim Seeigel Heliocidaris: H. tuberculata (Eidurchmesser 95 µm) bildet eine Pluteuslarve; H. erythrogramma (Durchmesser 425 µm) entwickelt sich direkt zum Seeigel. Dabei hat der Seeigel als Larve Bilateralsymmetrie, als Adultus aber eine Pentamerie und damit eine extreme Metamorphose. Bei vielen Tieren dienen die Larvenstadien der Ausbreitung – wichtig v.a. bei sessilen Tieren (Korallen, Ascidien), wenig beweglichen Adulti (Echinodermen, Muscheln) und Endoparasiten (z.B. Leberegel, Bandwürmer); zu finden sind sie v.a. im Plankton.
Metamorphose: Die Gesamtheit der Vorgänge, die von der Larvenorganisation zur Adultform führen. Die Larve übernimmt häufig die Ernährungs- und Wachstumsfunktion, während der Adultus der Fortpflanzung dient. Im Extremfall hat die Adultform nur noch verkümmerte Mundwerkzeuge (z.B. bei Seidenspinnerarten). In der Metamorphose werden spezielle larvale Strukturen (z.B. Cilienorgane, Filtrierapparate, Verdauungseinrichtungen) zurückgebildet und durch Adultorgane ersetzt (z.B. Kopulations-, Brutpflegeorgane). Gleichzeitig ändern sich die Verhaltensweisen.

Bei Insekten existieren drei unterschiedliche Arten von Metamorphose:

• Ametabolie: Bei apterygoten Insekten findet keine eigentliche Metamorphose statt. Die Larvenstadien unterscheiden sich (außer bei den Sexualorganen) kaum von der Imago, ledigliche die Körpergröße nimmt von Häutung zu Häutung zu.
• Hemimetabolie: Die Häutungen bedingen nicht nur Größenzunahme, sondern auch stufenweise Annäherung an die Orgaisation der Imago (z.B. Flügelanlagen der Heuschrecken und Wanzen). Die letzte Häutung führt direkt – ohne Puppenstadium – vom letzten Larvenstadium (Nymphe) zur Imago
• Holometabolie: Die Larven (Maden, Raupen, Engerlinge) verwirklichen völlig andere Lebensformen als die Imagines (Fliegen, Bienen, Schmetterlinge, Käfer). Die Umkonstruktion erfolgt im Puppenstadium, in dem keine Nahrung aufgenommen wird (Dauer u.U. mehrere Jahre). Während der Embryonalentwicklung differenzieren sich zunächst nur die Anlagen des Larvenkörpers. Die Zellen der Imaginanlagen verharren während der ganzen Larvenentwicklung im undifferenzierten Zustand (Abb. 3.19).

Die Metamorphose der Insekten wird durch Hormone gesteuert. Als wichtigste Hormone sind Ecdysteron (Steroid) und Juvenilhormon (Isoprenderivat) beteiligt.
Unter den holometabolen Insekten gehen die sozialen Insekten (Termiten, Bienen, Ameisen) noch weiter und bilden neben verschiedenen Larven und Adultformen sog. Kasten (Abb. 9.19) mit völlig unterschiedlicher Erscheinungsform.
Bei der Metamorphose der Amphibien findet ein Übergang vom Wasser- zum Landleben statt. Die Larve ist ihren fischartigen Vorfahren wesentlich ähnlicher als die Adultform. Bei der Metamorphose einer Kaulquappe werden die die für den adulten Frosch typischen Organe (Lunge, Gliedmaßen) neu gebildet (bzw. umgewandelt) und larvale Organe rückgebildet. Dabei werden die adulten Organe vor dem Verschwinden der larvalen angelegt, damit die Funktion erhalten bleibt.
Wenn sich Entwicklungsprozesse zeitlich gegeneinander verschieben, spricht man von Heterochronie. Sie beruht oft auf Mutationen in Genen, die die Entwicklung zeitlich aufeinander abstimmen. Eine Verzögerung der somatischen Entwicklung relativ zur Gonadenentwicklung kann zum Ausfall der Metamorphose und zu Neotenie führen. Umgekehrt kann eine beschleunigte Entwicklung der Gonaden eine verfrühte Fortpflanzungsfähigkeit im Larvenstadium zur Folge haben (Pädogenese).

3.11 Zellgenealogie

Bei der Entwicklung der Metazoen können zwei extreme Entwicklungstypen unterschieden werden: Tiere mit konstantem (invariantem) Zellstammbaum und solche mit variablem Zellstammbaum.

1. Zu den Tieren mit konstantem Zellstammbaum gehören Nematoden, Hirudineen und Ascidien. Durch direkte mikroskopische Beobachtung ist der vollständige Zellstammbaum des Nematoden Caenorhabditis elegans bestimmt worden.
   Bei Tieren mit konstantem Zellstammbaum entscheidet die Herkunft über das Entwicklungsschicksal einer Zelle. Bestimmte Regionen des Eicytoplasmas werden bestimmten Zellen zugeordnet.und leiten die Differenzierung ein. Es können aber dennoch überall Wechselwirkungen zwischen den Zellen nachgewiesen werden, die das Entwicklungsschicksal benachbarter Zellen bestimmen, die sich dann ortsgemäß differenzieren. Solche Wechselwirkungen lassen sich indirekt aus Ablationsexperimenten ermitteln, bei denen einzelne Zellen mit einem Laserstrahl abgetötet werden. In den meisten Fällen fehlt dann die entsprechend differenzierte Zelle im Adultus. Doch kann auch eine benachbarte Zelle die eliminierte Zelle ersetzen, wobei sich ihr Entwicklungsschicksal ändert, ohne daß zusätzliche Zellteilungen auftreten. Zellen, die sich diese Weise andere ersetzen können, werden zur gleichen Äquivalenzgruppe gezählt. Auch induktive Wechselwirkungen, bei denen eine Zelle das Entwicklungsschicksal ihrer Nachbarzellen bestimmt, lassen sich nachweisen. DIe meisten Zellen von Caenorhabditis entwickeln sich jedoch herkunftsgemäß. Daß zwischen Abstammung und Entwicklungsschicksal eine kausale Beziehung besteht, kann in vielen Fällen durch Mutationen gezeigt werden, die sowohl den Zellstammbaum als auch das Entwicklungsschicksal der Zellen in entsprechender Weise beeinflussen. Zellwanderungen spielen bei Nematoden eine untergeordnete Rolle. Bei der Gastrulation tritt zwar eine Invagination auf und einzelne Zellen verändern ihre Position im Verlauf der Entwicklung, aber im großen und ganzen werden die Zellen aufgrund des Zellstammbaums an Ort und Stelle "geboren", wo sie sich anschließend differenzieren.
2. Bei vielen anderen Organismen (z.B. Drosophila, deren Embryonen nicht transparent sind), kann der Zellstammbaum einzelner Zellen entweder durch genetische Markierung oder durch Injektion von inerten Farbstoffen oder unschädlichen Enzymen (die Farbreaktionen erzeugen) analysiert werden.
3. Am anderen Ende des Spektrums stehen die Säugetiere, deren Zellgenealogie mindestens bis zum Gastrulationsstadium völlig variabel ist. Diese Zellen differenzieren sich nicht herkunfts-, sondern ortsgemäß. Außerdem finden ausgedehnte Zellwanderungen statt, so daß die Klone keine zusammenhängenden Areale bilden, sondern aufgesplittert werden. Daraus ergibt sich eine erhöhte Plastizität der Zellen und die Möglichkeit, den Ausfall von Zellen zu kompensieren. Die Entwicklungspotenzen der einzelnen Zellen werden bei Säugetieren also erst in späteren Stadien eingeshränkt.

3.12 Determination nund Differenzierung

3.12.1 Allgemeine Prinzipien

Im Verlauf der Embryonalentwicklung entsteht aus einer totipotenten Eizelle ein vielzelliger Organismus, dessen Zellen sich zunehmend voneinander unterscheiden (Differenzierung). Die Zellen unterscheiden sich sowohl in ihrer Struktur als auch in ihrer Funktion, die sie im Verlauf der Entwicklung übernehmen. Die Differenzierung erfolgt stufenweise. Im ersten Schritt (Determination) wird das Entwicklungsschicksal einer Zelle oder Zellgruppe festgelegt. So entstehen z.B. die Erythrocyten durch schrittweise Determination, die über pluripotente Stammzellen, die noch ganz verschiedene Typen von Blutzellen hervorbringen können, zu determinierten Stammzellen führt, die programmiert sind, Erythrocyten zu produzieren.
Bei Pflanzen sind Determination und Differenzierung meist viel weniger stabil, so daß aus einzelnen somatischen Zellen wieder vollständige fertile Pflanzen regenerieren können, die Blüten und Samen bilden. Dagegen ist bei höheren Tieren die Spezialisierung der somatischen Zellen wesentlich größer. Totipotenz bleibt auf die Eizelle und allenfalls die frühen Furchugnsstadien beschränkt.

3.12.2 Entwicklugnspotenz der Furchungszellen

Ascidienkeime (konstanter Zellstammbaum) mit bilateralsymmetrischer Furchung erzeugen aus den beiden Blastomeren eine halbseitige Larve, wenn man sie trennt. Die Entwicklungspotenz der beiden Blastomeren entspricht also der prospektiven Bedeutung der Zellen, der Entwicklungsmodus ist eine Mosaikentwicklung. Die halbseitigen Larven haben tatsächlich nur die halbe Zahl von Muskel- und Chordazellen aufweisen. Bei der Ausbildung von Sinnesorganen, Auge und Statocyste zeigt sich aber eine gewisse Regulationsfähigkeit: Statocyste und Auge entstehen in der Normalentwicklung aus je einer von zwei bilateralsymmettisch angeordneten äquivalenten Vorläuferzellen, deren Entwicklungsschicksal noch nicht bestimmt ist. Die eine Zelle bildet das Auge, die andere die Statocyste ortsgemäß.
Bei Echinodermen zeigt sich die Totipotenz der Blastomeren und ihre embryonale Regulationsfähigkeit. Dennoch ist das Ei kein äquipotentielles System: Die erste Furchung muß nämlich ungefähr in der Medianebene erfolgen, so daß bei der Schnürung der Zellen ein genügend großer Anteil des grauen Halbmonds zugeteilt wird; nur dann entsteht ein Zwillingspaar. Wird einer Blastomere kein Halbmondmaterial zugeteilt, entsteht aus ihr nur ein "Bauchstück" ohne dorsale Achsenorgane (Neuralrohr, Chroda, Somiten); normale Gastrulation findet nicht statt (Abb. 3.21C).

Abb. 3.21: Ergebnisse von Schnürungsversuchen an Molchkeimen.

Schnürt man Blastomeren nur unvollständig, so entstehen "siamesische Zwillinge" (vgl. Abb. 3.21B).
Auch bei Säugern kann aus einer halben Blastomere ein ganzes normales Tier (z.B. ein Kaninchen). Bei der Maus entsteht sogar aus nur einem Achtel der ursprünglichen Blastomere (Morulastadium) ein ganzes Normaltier. Solche Furchungszellen sind somit totipotent.
Es gibt außerdem auch noch eine Regulation zum vergrößerten Ganzen, was sich an tetraparentalen Mäusen zeigen läßt. Der Säugetierembryo verfügt über eine außerordentliche Regulationsfähigkeit. Untersuchungen der Embryonalhüllen lassen darauf schließen, daß auch beim Menschen eineiige Zwillinge durch Trennung der Blastomeren oder der inneren Zellmasse der Blastocyste auftreten.

3.12.3 Äquivalenz und Totipotenz der Furchungskerne

Ist Differenzierung auf irreversible strukturelle Veränderungen der Zellkerne zurückzuführen? An Amphibien wurde diese Fragestellung mittels Kerntransplantation untersucht. Der Versuch zeigt, daß die Furchungskerne bei Amphibien totipotent sind. Auch Kerne aus späteren Entwicklungsstadien (bis zum Larvenstadium) sind totipotent und weisen somit ein vollständiges Genom auf. Das wird auch durch neue molekularbiologische Untersuchungen bestätigt.
Die genetische Information ist grundsätzlich in allen Zellen dieselbe, aber im Verlauf der Differenzierung wird in den verschiedenen Zellen nur ein Teil der Information abgerufen. Allerdings nimmt die Erfolgsrate bei der Kerntransplantation mit steigendem Alter ab. Das deutet auf eine funktionelle Differenzierung der Kerne hin, die mindestens teilweise reversibel ist.
Hinweise auf eine reversible Differenzierung der Zellkerne gibt es auch bei Maus. Diploide parthenogenetische Mausembryonen sind lethal, da sowohl ein mütterliches als auch ein väterliches Genom für die Normalentwicklung benötigt wird. Das deutet darauf hin, daß Ei- und Spermakern unterschiedlich geprägt (differenziert) sind. Die elterliche Prägung ("parental imprinting") beruht wahrscheinlich auf differentieller Metyhlierung der Nucleotidbasen in verschiedenen Chromosomenabschnitten. Die Methylierung der DNA ist ein reversibler Vorgang, der meist von der Inaktivierung des betreffenden Gens begleitet ist

3.12.4 Cytoplasmatische Determinanten

Da die Furchungskerne äquivalent und totipotent sind, muß die primäre Ursache für die Zelldifferenzierung entweder im Cytoplasma liegen oder auf späteren Wechselbeziehungen zwischen den Zellen beruhen. In Eiern mit hochentwickelter Eiarchitektur lassen sich cytoplasmatische Determinanten nachweisen, die das Entwicklungsschicksal der Zellen bestimmen, denen sie im Verlauf der Furchung zugeteilt werden.

• Ein Beispiel sind Keimzellen von Drosophila. Die Urkeimzellen entstehen als sog. Polzellen im 512-Kernstadium am Hinterpol des Eies. Histologisch können die Polzellen auf ihrem Weg vom hinteren Eipol über die Invagination des Darmes bis ins Gonadenmesoderm verfolgt werden, wo sie sich zu Keimzellen (Eiern oder Spermien) entwickeln.
  Bestrahlt man den Hinterpol des Embryos zur Zeit der Polzellenbildung mit UV-Licht, unterbleibt die Bildung der Polkzellen, und die Embryonen entwickeln sich zu adulten Fliegen, die in ihren Gonaden keine Keimzellen enthalten.
  Keimzellendeterminanten lassen sich durch Cytoplasmatransplantation indirekt nachweisen.
• Auch bei Ascidien sind cytoplasmatische Determinanten nachgewiesen. Das Cytoplasma der gelben Halbmondregion wird stets denjenigen Zellen zugeteilt, die später zu Muskelzellen oder Mesenchymzellen werden. Durch Injektion dieses Cytoplasmas in andere Blastomeren oder Umverteilung des gelben Halbmondmaterals auf andere Blastomeren oder Zellen kann die Bildung vn Muskelzellen induziert werden, was auf die determinierende Wirkung dieses Cytoplasmas hinweist.

3.12.5 Morphogenetische Gradienten

Bei verschiedenen Tiergruppen gibt es einen morphogenetischen Gradienten (Konzentrationsgefälle) der cytoplasmatischen Determinanten:

• bei den Eiern der Seeigel läßt sich ein solcher Gradient entlang der animal-vegetativen Achse nachweisen. Es kann durch die zitierten Experimente kann auf die Existenz zweier Gradienten geschlossen werden: einem animalen mit der höchsten Konzentration am animalen Pol und einem vegetativen mit der höchsten Konzentration am vegetativen Pol. Die Wirkung dieser morphogenetischen Gradienten kann auch in späteren Entwicklungsstadien durch Elimination bzw. Transplantation von Blastomeren nachgewiesen werden.
• Im Drosophila-Ei lassen sich zusätzlich hzu Keimzellendeterminanten mindestens zwei morphogenetische Gradienten (ein antereo-posterioer und ein dorso-ventraler) nachweisen. Im Falle von Drosophila sind morphogenetische Substanzen, die ein antero-posteriores Konzentrationsgefälle im Ei bilden, mit Hilfe von Genklonierungsexperimenten und Mutanten identifiziert worden. Bei den indentifizierten Molekülen handelt es sich um DNA-bindende Proteine mit genregulatorischer Wirkung. Da die maternale mRNA für eines dieser Proteine (bicoid-Protein) in einer Kappe am Vorderpol der reifen Oocyste lokalisiert ist und erst nach der Befruchtung einen RNA- und Proteingradienten bildet, ist der Übergang zwischen cytoplasmatischer Lokalisation und morphogenetischen Gradienten fließend.

3.12.6 Induktionsvorgänge

Organisation und Differenzierung des Amphibienkeimes beruht auf induktiven Wechselwirkungen während der Gastrulation, was durch klassische Versuche (Spemann, Mangold, 1924) gezeigt werden kann. Die Determination erfolgt im Laufe der Gastrulation (s. Abb. 3.24B). Infolge der Determination erlangen die entsprechenden Zellen und Blasteme (embryonale Gewebe) die Fähigkeit zur Selbstdifferenzierung, wenn sie transplantiert oder in Gewebekultur weitergezüchtet werden.

Abb. 3.24: Transplantation von präsumptivem Neuroektoderm aus dem Gehirnbereich ins Hautektoderm vor und nach der Gastrulation beim Molch (Triturus).

Abb. 3.25 zeigt Determinationsvorgänge, die während der Gastrulation ablaufen (Transplantationsexperimente von Spemann und Mangold). Dabei ist die Randzone, die über dem Urmund liegt und später zum Urdarmdach wird, von besonderer Bedeutung. Entweder kann dieser Keimbezirk in die künftige Bauchepidermis eingesetzt werden (Abb. 3.25B), wo er im Lauf der Gastrulation mit dem ventralen Ektoderm in Kontaktkommt. Das Transplantat gliedert sich autonom entsprechend seiner prospektiven Bedeutung in Chorda und übriges Mesoderm. Außerdem übt es auf die angrenzenden Teile des Wirtskeims eine Wirkung aus (Induktion). Das darüberliegende Wirtsektoderm differenziert sich nicht zu Baucepidermis, sondern bildet eine sekundäre Neuralplatte.

Abb. 3.25: Organisatortransplantation beim Molch (Triturus).

Die an das Transplantat angrenzenden mesodermalen Bereiche des Wirts werden zu Ursegementen und Seitenplatten. Im darunterliegenden Ektoderm kann eine sekundäre Urdarmhöhle entstehen (Abb. 3.25D).
Das Transplantat aus der Randzone organisiert also durch Induktion und Selbstgliederung eine sekundäre Embryoanlage (Abb. 3.25C), die symmetrisch um eine neu festgelegte Körperachse angeordnet ist. In den sekundären Embryo können große Teile des Wirtskeimes einbezogen werden. Die dorsale Randzone wird deshalb als Organisator bezeichnet (Spemann).
Die induktive Wechselwirkung zwischen der Randzone, dem späteren Urdarmdach, und dem darüberliegenden Ektoderm ist auch in der Normalentwicklung wichtig.
Die Randzone, die als Organisationszentrum dient, entsteht im Bereich des grauen Halbmondes, der durch Umlagerung des Eicytoplasmas gebildet wird (Abb. 3.9A).

Der Bildung des Organisators geht schon ein früherer Induktionsvorgang voraus (Mesoderminduktion). Infolge einer Wechselwirkung zwischen Ento- und Ektoderm im Blastulastadium entwickeln sich aus dem Ektoderm mesodermale Strukturen (z.B. Blutzellen, Muskulatur). Bringt man in einem Sandwichversuch Dach und Boden einer Blastula zusammen, so induzieren die Entodermzellen die Bildung von mesodermalen Strukturen im darüberliegenden Entodermzellen die Bildung von mesodermalen Strukturen im darüberliegenden Ektoderm des Daches, das normalerweise nur Haut gebildet hätte. Die Mesoderminduktion läßt sich z.B. anhand von muskelspezifischer Actin-mRNA nachweisen.
Die Wirkung der Induktoren ist meist nicht artspezifisch. So kann z.B. das Urdarmdach eines Frosches (Rana) oder einer Unke (Bombina) in einem Molchkeim (Triturus) ebenso als Induktor wirken wie im artgleichen Embryo. Die Reaktionsnorm des Wirts ist dagegen artspezifisch. Ein Molch reagiert z.B. mit der Bildung eines Molchnervensystems auf den artfremden Induktor.
Der harmonische Aufbau des Embryos wird durch die Hierarchie der Induktoren gesteuert.

3.12.7 Zelladhäsion und Morphogenese

Adhäsion zwischen Zellen hat im Verlauf der Evolution zu vielzelligen Organismen geführt. Im einfachsten Fall scheiden die Zellen Gallerte aus, die die Zellkolonie zusammenhält; aber selbst bei Volvox sind die Zellen durch Plasmodesmen untereinander verbunden. Mit zunehmender Organisationshöhe werden Zellverbände, Gewebe und Organe gebildet, die durch spezifischer Zelladhäsion zusammengehalten werden.
In der Morphogenese spielen drei Typen der Zelladhäsion eine wichtige Rolle:

• Adhäsion zwischen Zellen
• Wechselwirkungen zwischen Zellen und Substrat
• Adhäsion zwischen Zellen über spezielle Zellkontakte

An Zell-Zell-Adhäsionen beteiligte Moleküle sind Zelladhäsionsmoleküle (CAM), deren Nachweis z.B. mit Antikörpern erfolgt. Die Bindung der Antikörper hemmt die Zelladhäsion oder dissoziiert den Zellverband. Beispiele für CAM-Substanzen:

• Uvomorulin (= E-Cadherin oder L-CAM)
• N-CAM (Neural Cell Adhesion Molecule)

Wechselwirkungen zwischen Substrat und Zelle können bei Neuralleistenzellen, die auf der extrazellulären Matrix der benachbarten Zellen an ihren Bestimmungsort wandern, gezeigt werden (Abb. 3.26C).

Abb. 3.26: Zelladhäsion und Zellwanderung.

Die Neuralleistenzellen verfügen über einen Membranrezeptor, der an die Zellbindungsdomäne von Fibronectin bindet und die selektive Adhäsion ermöglicht. Antikörper gegen die Zellbindungsdomäne oder Oligopeptide, die der Domäne entsprechen, hemmen die Zelladhäsion und damit die Auswanderung der Nerualleistenzellen.
Während der Morphogenese des Nervensystems sind Wechselwirkungen mit dem Substrat, gerichtete Zellwanderung, Zelladhäsion und spezifische Zellerkennungsmechanismen von besonderer Bedeutung. Nevenzellen senden Axone aus, die über große Distanzen ihre Zielzelle finden müssen. An der Spitze des Axons sitzt eine spezielle Struktur (Wachstmskonus, Abb. 3.26D). Axone wandern bevorzugt auf bestimmten Substraten oder auf der Oberfläche von Gliazellen, wobei bestimmte Zellen als Wegweiser dienen. Für sensorische Nervenzellen ist Chemotaxis als Wegfindungsmechanismus nachgewiesen (Abb. 3.26D)

3.12.8 Musterbildung und Positionsinformation

Im Verlauf der Organogenese können die Embryonen außerordentlich komplexe und präzise Muster bilden, die darauf beruhen, daß die einzelnen Zellen Information über ihre Position im Embryo besitzen. Ein Beispiel für Musterbildung ist die Entwicklung der Extremitäten bei Wirbeltieren, z.B. Vogelflügel oder menschliche Hand. Dazu wird ein dreidimensionales Koordinatensystem benötigt, das die Positionsinformationen enthält. Noch vor Sichtbarwerden der Extremitätenknospe im Hühnerembryo wird ein embryonales Feld ausgesondert, das der Extremitätenanlage entspricht. Anfänglich ist das Extremitätenfeld ein äquipotentielles System mit der Fähigkeit zur vollständigen Regulation. Beim Hühnerembryo werden aber die beiden anterio-posterioren bzw. dorso-ventralen Achsen schon vor der Anlage der Extremitätenknospe festgelegt. Die proximal-distale Achse wird durch induktive Wecheslwirkungen zwischen Mesoderm und Ektoderm festgelegt. Retinsäure wirkt als morphogene Substanz.

3.13 Genetische Steuerung der Entwicklung

Die DNA enthält neben der genetischen Information ein präzises Programm, nach dem sich der betreffende Organismus entwickelt und funktioniert, sowie historische Information, in der sich die Stammesgeschichte widerspiegelt. Das Kernproblem der Entwicklungsgenetik ist die Frage, wie die eindimensionale Struktur der Information in der DNA in die drei- bzw. vierdimensionale Struktur eines Organismus übersetzt wird. Organismen entwickeln sich nicht nach rein ökonomischen oder rationellen Gesichtspunkten, sondern sind historisch gewordene Wesen: Gewisse Entwicklungsaspekte (z.B. Anlage der Kiemenspalten bei Wirbeltieren) lassen sich nur aufgrund der Entwicklungsgeschichte verstehen. Dennoch bestehen bestimmte für ganze Organismenreiche geltende Entwicklungsprinzipien. Bereits 1934 hat Morgan die Theorie der differentiellen Genaktivität formuliert und die Hypothese aufgestellt, daß die Entwicklung durch sukzessive Aktivierung verschiedener Batterien von Genen gesteuert wird. Außerdem postulierte er, daß verschiedene Regionen des Eicytoplasmas die Aktivität der Gene unterschiedlich beeinflussen und dadurch die Zelldifferenzierung einleiten.
Schon 1923 wurde von Bridges bei Drosophila die erste homeotische Mutante (bithorax, bx) gefunden, bei der der vordere Abschnitt des Metathorax (T3), der beim Wildtyp Halteren trägt (Abb. 3.28), in den vorderen Abschnitt des flügeltragenden Mesothorax (T2) umgewandelt wird.
Auch beim Nemathoden Caenorhabdits, der keine erkennbare Segmentierung aufweist, wurden homeotische Mutanten gefunden, deren Effekt auf einzelne Zellen bzw. Zellteilungen im Zellstammbaum beschränkt ist.

Abb. 3.28: Anlageplan und Segmentierung bei Drosophila.

Außer den homeotischen Mutationen , die das räumliche Differenzierungsmuster beeinflussen, gibt es bei Caenorhabditis noch heterochrone Mutanten, die sog. Chronogene betreffen, und das zeitliche Entwicklungsschema betreffen. Homeotische und heterochrone Mutanten sind für die Steuerung der Entwicklung und für die Evolution von großer Bedeutung.
Gentechnische Verfahren haben ermöglicht, homeotische Gene zu klonieren und ihre Steuerungsfunktion zu analysieren. Bei Drosophila gibt es zwei Komplexe eng gekoppelter homeotischer Gene (Bithoraxkomplex), der die hinteren Körpersegmente (von Mesothorax T2 bis zum Abdominalsegment A8) kontrolliert, und den Antennapediakomplex, der die Bildung der vorderen Segmente von T2 bis zum Kopf reguliert. Bei der Klonierung dieser Komplexe wurde entdeckt, daß die meisten homeotischen Gene eine charakteristische DNA-Sequenz von 180 b (die Homeobox) enthalten (Abb. 3.27).

*** Abb. 3.27,S.237***

Die Homeobox codiert für eine Polypeptidsequenz von 60 Aminosäuren (Homeodomäne), die nur einen Teil der wesentlich größeren homeotischen Proteine ausmacht (Abb. 3.27B). Durch Verwendung der Homeobox als Sonde gelang es in kürzester Zeit, mehr als 20 Drosophila-Gene zu isolieren, die eine homeotische oder eine andere für die Entwicklung wichtige Funktion haben. Noch erstaunlicher ist die Tatsache, daß die Homeobox nicht auf Insekten und ihre engeren Verwandten beschränkt ist, sondern von Hefen und Nematoden bis hin zum Menschen vorkommt und ihre Sequenz im Verlauf der Evolution außergewöhnliche konstant geblieben ist.
Aus Untersuchungen geht hervor, daß die homeotischen Gene nach genauen räumlichen und zeitlichen Mustern exprimiert werden. Die Realisierung des Bauplans erfolgt bei Drosophila (Abb. 3.28) in drei Stufen: Zuerst werden im unbefruchteten Ei die Polarität und die räumlichen Koordinaten, d.h. die Körperachsen, festgelegt. ANschließend wird ein reptitives Muster von Körpersegementen determiniert, und schließlich werden die einzelnen Körpersegmente spezifiziert, so daß ein sequenzielles Muster von Segmenten entsteht. Diese drei Phasen der Musterbildung entsprechen drei Hauptklassen von Genen, die den Bauplan spezifizieren:

1. Maternaleffektgene, die die Eipolarität und die räumlichen Koordinaten des zukünftigen Embryos bestimmen.
2. Segmentierungsgene, welche die Anzahl und Polarität der Körpersegmente festlegen.
3. Die eigentlichen homeotischen Gene, die die Identität und Reihfolge der Körpersegmente bestimmen.

In allen drei Klassen findet man Homeoboxgene: Die Genprodukte der Maternaleffektgene bicoid (bcd) und caudal (cad) bilden im befruchteten Ei einen Gradienten mit der höchsten Konzentration am Vorder- bzw. Hinterpol, die auf unterschiedliche Weise entstehen.
Alle Proteine mit einer Homeodomäne akkumulieren sich schließlich im Zellkern, wo sie ihre Funktion ausüben. Die Entstehung des cad-Gradienten könnte auf einer Wechselwirkung mit bcd beruhen.
Die Segmentierungsgene reagieren auf diese Gradienten und ihre Genprodukte und bilden ein periodisches Streifenmuster, das die Anzahl und Polarität der Körpersegmente determiniert. Mit den Proteinen dieser Segmentierungsgene signalisieren die Zellkerne einenader gegenseitig ihre Position. Dadurch entsteht das präzise Streifenmuster, das den Anlageplan widerspiegelt (Abb. 3.30).

Abb. 3.30: Expression von Homeoboxgenen im Drosophila-Embryo: Immunolokalisation der Proteinprodukte.

Zwischen den Maternaleffekt- und den Segmentierungsgenen besteht also ein hierarchisches Netzwerk von Wechselwirkungen.
Im Verlauf der Blastodermbildung beginnt auch die Expression der homeotischen Gene im engeren Sinne, die sowohl die Identität der einzelnen Körpersegmente als auch deren Reihenfolge bestimmen, so daß z.B. der Mesothorax T2 zwischen T1 und T3 zu leigen kommt. Antennapedia (Antp) wird beispielsweise im Thorax (hauptsächlich in T2) exprimiert, während Sex combs reduced (Scr) v.a. im Labialsegment und T1 aktiv ist (Abb. 3.30C).

Die genetische Analyse der homeotischen Gene weist darauf hin, daß die homeotischen Proteine eine genregulatorische Funktion besitzen, was durch molekularbiologische Experimente bestätigt werden konnte.
Bei der Entwicklung des Nervensystems haben Homeoboxgene ebenfalls eine zentrale Funktion.

Bei anderen Organismen außer Drosophila ist über die Funktion der homeotischen Gene noch wenig bekannt; jedoch wurde bei Caenorhabditis z.B. im homeotischen Gen unc-86 ebenfalls eine Homeobox gefunden. Auch bei Wirbeltieren gibt es Hinweise, daß homeotische Gene die Segmentierung (d.h. Gliederung des Mesoderms in Somiten) steuern, und sogar beim Spemannschen Organisator scheinen die Homeoboxgene die Positionsinformation zu spezifizieren. Diese Befunde unterstützen eine allgemeine genetische Theorie der Entwicklung, die es erlaubt, die Entwicklungsprozesse aufgrund der Wirkungen und Wechselwirkungen von Genen zu verstehen.

3.14 Regeneration

Regeneration ist der Ersatz verlorengegangener Teile eines Individuums. Eine extreme Form davon ist die ungeschlechtliche Fortpflanzung, bei der aus Teilen eines Individuums wieder ein Ganzes entsteht. Bei höheren Tieren ist diese Fähigkeit zwar verlorengegangen, aber dennoch werden Körperteile laufend durch physiologische Regeneration ersetzt (z.B. oberste Hautschicht, Blutzellen) oder periodisch abgestoßen (z.B. Cuticularstrukturen bei Insekten, Federn bei Vögeln, Haare bei Säugern, Uterusschleimhaut beim Menschen).
Bei der reparativen Regeneration werden Körperteile ersetzt, die infolge von Verletzungen verlorengegangen sind. Bei vielen Wirbellosen kann nicht nur das Ganze einen Teil ersetzen sondern aus einem kleinen Teil kann wieder ein Ganzes entstehen.
Bei Wirbeltieren sind die Regenerationsvorgänge mit Zellwachstum verbunden (Epimorphose).
DIe Mechanismen der Regeneration sind bei der Beinregeneration an Amphibien eingehend untersucht worden. Dabei beobachetet man eine Dedifferenziation und eine Redifferenzierung.

3.15 Altern und Tod

Einzeller (z.B. Protozoen) können sich theoretisch unberenzt teilen, Klone, die sich rein mitotisch vermehren, haben aber dennoch eine begrenzte Lebensdauer. Das Altern der Klone kann jedoch durch gelegentliche Autogamie oder Konjugation (s. Abb. 3.2) überwunden werden.

Abb. 3.2: Konjugation.

Da dabei der Macronucleus aus dem Micronucleus regeneriert wird, können die im Makronukleus akkumulierten Mutationen eliminiert werden.
Mit der Trennung von Keimbahn und Soma wurde beim Übergang vom Einzeller zum Vielzeller der natürliche Tod des Individuums als biologisches Phänomen begründet. Das Soma bleibt als Leiche zurück, und nur die Zellen der Keimbahn leben in der nächsten Generation weiter. Allein bei einfachen Metaozen (z.B. Hydra) gibt es noch totipotent gebliebene somatische Reservezellen (I-Zellen), die zur ungeschlechtlichen Fortpflanzung dienen können. Höhere Metazoen haben eine begrenzte Lebensdauer, die zwar von den Umweltbedingungen abhängt, deren Rahmen aber genetisch bestimmt ist.
Ein derart porgrammierter Individualtod ist wohl das Ergebnis natürlicher Selektion, die bewirkt hat, daß die älteren Generationen den Nachkommen, die neue genetische Varianten repräsentieren, "Platz machen". Die Reproduktionsfähigkeit somatischer Zellen kann sich von derjenigen des Individuums wesentlich unterscheiden. Auf den genetisch programmierten Zelltod wurde hingewiesen. Umgekehrt können Zellen aus Säugetieren und Zellen von Imaginalscheiben viele Jahre nach dem Tod des Spenders in Zellkultur gezüchtet werden. Dennoch scheinen sich normale menschliche Fibroblasten nur über etwa 50 Zellgenerationen in Kultur zu teilen und damit ihre maximale klonale Lebensdauer erreicht zu haben.
Über die Mechanismen der Alterung ist noch wenig bekannt.