Vorlesung Zellbiologie Teil Biologie: Evolution – Zellbiologie – Entwicklung (Alberts, Kapitel 17) [ ppt ohne copyright-geschützte Abb.] Jörg Mey Institut für Biologie II RWTH Aachen Institut für Biologie II Jörg Mey

Entwicklungsbiologie Einleitung: Zellkern, Spindelapparat 1. Mitose – Zellzyklus 2. Meiose - Keimbahn 3. Gametenbildung 4. Beginn der Embryonalentwicklung Wiederholung: Übungsfragen Institut für Biologie II Jörg Mey

Entwicklungsbiologie Einleitung: Zellkern, Spindelapparat 1. Mitose – Zellzyklus 2. Meiose - Keimbahn 3. Gametenbildung 4. Beginn der Embryonalentwicklung Wiederholung: Übungsfragen Institut für Biologie II Jörg Mey

Funktion der Mitose Einzeller: Vermehrung Vielzeller: Entwicklung der Gewebe, Wachstum, Ersetzen toter Zellen (turnover) Beispiele, Mensch: Erythrozyten t(1/2) = 120 d Leberzellen t (1/2) = 1 a Nervenzellen = werden in der Regel nicht erneuert Ausdifferenzierte Zellen sind nicht oder nur eingeschränkt teilungsfähig. Stammzellen teilen sich, ersetzen ausdifferenzierte Zellen. diffus (z.B. Blut, Spermien) in Blastemen (z.B. Epidermis)

Entwicklungsbiologie Einleitung: Zellkern, Spindelapparat 1. Mitose – Zellzyklus 2. Meiose - Keimbahn 3. Gametenbildung 4. Beginn der Embryonalentwicklung Wiederholung: Übungsfragen Institut für Biologie II Jörg Mey

Schema des Zellzyklus: Interphase G0/G1 Regulationspunkt am Ende von G1 S (DNA-Synthese) G2 Regulationspunkt am Ende von G2 M-Phase Prophase Metaphase Anaphase Telophase Cytokinese

Zellzyklus = Interphase + M-Phase Interphase = G0/G1 + S + G2 Zellteilung = Mitose + Cytokinese M-Phase

Interphase verdoppeltes Centrosom Kernhülle nicht kondensierte Chromosomen im Zellkern Während der Interphase nimmt die Zellgröße zu. Die DNA der Chromosomen wird repliziert und das Centrosom verdoppelt.

frühe Prophase

Prophase

Prometaphase

Metaphase

Anaphase

Telophase

Interphase

Mitose Interphase Kern im Lichtmikroskop: nur der Nucleolus ist sichtbar „Ruhekern“ = Arbeitskern: DNA-Replikation (S-Phase), RNA-Synthese Verdopplung der Centriolen/Centrosomen ggf. Wachstum der Zelle Prophase Volumenzunahme Auflösung des Nucleolus Chromosomen kondensieren zu fädigen Strukturen, (P) von H1 Schwesterchromatiden sind längs durch Proteinbrücken verbunden Prometaphase Kernhülle löst sich in einzelne Vesikel auf ER, Golgi-Apparat zerfallen in einzelne Vesikel Centriolenpaare rücken auseinander, Bildung der Aster (Mikrotubuli)

Mitose Metaphase Teilungsspindel wird ausgebildet: 20-40 Mikrotubuli/Faser Chromosomen sind maximal kondensiert, Längsspalt zwischen den Chromatiden sichtbar, Verbindung am Centromer Anordnung der Chromosomen in der Äquatorialebene Metaphaseplatte, Aufteilung der Mitochondrien, Organellen Fixierung in der Metaphase: Karyogramm Anaphase Transportphase, plötzlicher Übergang: gleichzeitige Trennung aller Chromatiden, die zu entgegengesetzten Polen der Zelle wandern Verkürzung der Chromosomenfasern im Bereich der Centriolen Entlanghangeln der Chromatiden entlang der Mikrotubuli Aneinandergleiten der Zentralfasern – Auseinaderweichen der Centriolen

Mitose Telophase Ausbildung der neuen Kernhülle, Lamina – zwei Tochterkerne Neubildung von ER und Golgi-Apparat aus Vesikeln Auflockerung der Chromosomen, Dephosphorylierung von H1 u.a. Neubeginn der Transkription Cytokinese Einschnürung in der Äquatorialebene: Aktin, Myosin-Filamente eng gepackte, überlappende Mikrotubuli in der Mitte: Fleming-Körper viele unterschiedliche Zellteilungsmuster (äqual, inäqual etc.) Endomitose: Mitose ohne Cytokinese

Kondensation der Chromosomen Die DNA ist verdoppelt, daher 2 Chromatiden/Chromosom Centromer Kinetochor Abb.: Immunfärbung des Kinetochor Chromatinschleifen im EM Schwesterchromatiden

Kondensation der Chromosomen Länge der Metaphase-Chromosomen: µm-Bereich Länge der DNA des menschlichen Chromosomensatzes: ca. 2 m Abb.: Kondensation der Chromosomen

Abb.: Alpha-/Beta-Tubulin Aufbau der Mikrotubuli

Abb.: Kondensationsstufen der DNA/Chromosomen (Wiederholung) Aufbau der Mikrotubuli, Centriolen (Wiederholung) Aufbau des Spindelapparats Mantelfasern Chromosomenfasern Zentralfasern Mikrotubulus: d= 21 – 25 nm Spindelfasern: 20 – 40 Mikrotubuli Colcemid/Colchizin: depolymerisieren Mikrotubuli, Mitosegifte keine Anaphase, Chromosomen bleiben kondensiert

Steuerung der Zellzyklus Wichtige Proteine, die and er Steuerung des Zellzyklus beteiligt sind: Cycline allmähliches Ansteigen während der Interphase, schlagartiger Rückgang beim Übergang Metaphase/Anaphase Abbau: Ubiquitinylierung, Proteasomen CdK – cyclin dependent kinases sind an verschiedenen Stellen des Zyklus wichtig z.B. MPF (mitosis promoting factor), in großer Menge zu Beginn der Metaphase durch Cycline aktivierte CdK phosphorylieren Proteine z.B. H1, Lamina-Proteine, Mikrotubuli – Chromatin-Kondensation, Inaktivierung der CdK durch schnellen Abbau der Cycline Fehler bei der Steuerung des Zellzyklus: Krebs

Steuerung der Zellzyklus DNA-Replikation Restriktionspunkt

Entwicklungsbiologie Einleitung: Zellkern, Spindelapparat 1. Mitose – Zellzyklus 2. Meiose - Keimbahn 3. Gametenbildung 4. Beginn der Embryonalentwicklung Wiederholung: Übungsfragen Institut für Biologie II Jörg Mey

Meiose Mitosen: ungeschlechtliche Vermehrung, Bildung von Geweben vegetative Vermehrung, genetisch identische Individuen (= Klone) Meiose: Reduktionsteilung, Gametenbildung Grundlage der geschlechtlichen Fortpflanzung zwei Gameten (1n) verschmelzen zur Zygote (2n) Kompensation 2n  1n nur bei der Bildung der Keimzellen Zweck der Sexualität? genetische Rekombination Verbreitung von rezessiven, positiven Mutationen Parasitismus-Hypothese Definition: weiblich = Geschlecht mit den großen, nährstoffhaltigen i.d.R. unbeweglichen Gameten (Oozyten)

Meiose zwei Zellteilungen in Folge Interphase: Verdoppelung der Chromatiden (DNA: 4n) 1. Meiotische Teilung: Aufteilung der homologen Chromosomen (je 2n) auf zwei Tochterzellen (4n  2n + 2n, homolog, nicht identisch) 2. Meiotischen Teilung: Aufteilung der Chromatiden auf zweimal zwei Tochterzellen 2 x (2n  1n + 1n, identisch) Problem: Paarung der homologen Chromosomen dauert lang, auch ohne Wartestadium, beim Mann 16 Tage bei der Frau Wartestadium (dauert Jahre)

Prophase I Leptotän

Prophase I Bukettstadium

Prophase I Zygotän

Prophase I Pachytän

Metaphase I Diakinese

Anaphase I

Anaphase II

Meiose Prophase I, Leptotän dünne Chromosomenfäden sichtbar, an die Lamina angeheftet perlenartige Chromomeren (kondensierte Seitenschleifen) Bukett-Stadium: U-förmige Schlaufen von der Lamina ins Karyoplasma Prophase I, Zygotän Paarung der homologen Chromosomen, von den Telomeren ausgehend = Synapsis n Bivalente (4 Chromatiden), Schwesterchromatiden identisch, Nicht-Schwesterchromatiden nur homolog (von V, M) Synaptinemaler Komplex: zentrale Fibrillen, die die homologen Chromosomen verbinden, Abstand 100 nm Paarung der Geschlechtschromosomen, kleine homologe Abschnitte X/Y

Mitose Meiose homologe Chromosomen nebeneinander homologe Chromosomen gepaart Wie groß ist hier n? Wieviel DNA-Material (...xn)? Wieviel Chromosomen (...xn)?

Meiose Prophase I, Pachytän Verkürzung der Bivalente, Chromosomenkondensation, Anheftungspunkte an die Kernhülle verlagern sich, 4 Chromatiden sichtbar Kernvolumen wächst Crossover-Ereignisse – Bruch an homologen Stellen, kreuzweises Verheilen, enzymatisch katalysiert, Rekombination (M/V), Ort zufällig Prophase I, Diplotän weitere Verkürzung der Chromosomen, die homologen weichen etwas auseinander Überkreuzungdn lichtmikroskopisch sichtbar: Chiasmata Crossover kurz vor dem Auftreten der Chiasmata Diakinese Teminalisierung der Chiasmata beim Auseinanderweichen der Chromosomen Auflösung der Kernhülle, Teilungsspindel bildet sich

Meiose Metaphase I Anordnung der Chromosomen in der Äquatorialebene Kinetochoren liegen nebeneinander, nicht gegenüber Ausrichtung der homologen Chromosomen ist zufällig (für n Bivalente gibt es 2n Anordnungsmöglichkeiten) Anaphase I Trennung der gepaarten homologen Chromosomen, zu den Polen Schwesterchromatiden bleiben am Centromer verbunden Telophase I Auflockerung der Chromosomen Interkinese keine DNA-Synthese vorübergehende Bildung einer Kernhülle

Meiose 2. meiotische Teilung Auflösen der Kernhülle erneute Verkürzung der Chromosomen Metaphaseplatten Kinetochore verlagern sich, so dass sie sich wie bei der Mitose im Centromerbereich gegenüber liegen Metaphase II Anaphase II Telophase II Dekondensieren der Chromosomen Kernhülle und Nukleoli entstehen neu Reduktion der DNA-Menge auf 1n pro Gamet Rekombination von M- und V-Erbgut 2n verschiedene Gameten möglich (Mensch: 223  246, daraus ergeben sich 1013 genetisch verschiedene Nachkommen, Erde 6 x 109)

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Proliferationsphase,Vermehrungsphase Bildung der Gameten Proliferationsphase,Vermehrungsphase Einwanderung der Urkeimzellen in die Gonaden mitotische Teilungen, Volumenveluste Ergebnis (2n): Oogonien, Spermatogonien Wachstumsphase besonders bei Oogonien exzessives Wachstum Einlagerung von Speicherstoffen (Dotter), Bildung von Zellorganellen auf Vorrat Ergebnis (2n): Oocyten I, Spermatocyten I Reduktionsphase Ergebnis: Oocyte I  Oocyte II + Polkörperchen Oocyte II  Eizelle + 2. Polkörperchen Spermatocyte I  2 Spermatocyten II  4 Spermatiden

Bildung der Gameten beim Menschen Spermatogenese Vermehrungsphase bis zur Pubertät differentielle Teilungen: Spermatogonien (weiter teilungsfähig) + Spermatocyten I (2n) bis ins hohe Alter bleibt ein Stamm von Spermatogonien erhalten Wachstumsphase, Reduktionsphase Spermiogenese (sensu strictu): Spermatiden (1n) Spermiocytogenese: Reifung der Spermatiden Differenzierungsprozess der Spermien spezifische Funktionen: Eigenbeweglichkeit, gerichtete Bewegung, Durchdringen der Eihülle (Säuger: Schicht von Follikelzellen) Erkennungmechanismen (besonders wichtig bei extrakorporaler Befruchtung z.B. bei Fischen, marinen Invertebraten) Fusion mit der Oocyte, Übertragung der DNA

Bildung der Gameten beim Menschen Weitergabe der Organellen mit der Eizelle (extrachromosomale Vererbung in den Mitochondrien), Erbgut im Kern äquivalent Oogenese Beginn während der Embryonalentwicklung, endet erst nachdem die Oocyte II besamt worden ist Embryonalentwicklung: Proliferationsphase, gefolgt von Wachstums und Reduktionsphase, die nicht scharf getrennt sind bis zum 7. Monat: Oocyten I treten in die Meiose I ein, verharren im späten Diplotän Wartestadium (im Diplotän) = Dictyotän bei Geburt ca. 500.000 Oocyten, 90% degenerieren bis zur Pubertät ab Geschlechtsreife: Wiederaufnahme der Meiose, bis Metaphase II Ovulation einer einzigen Oocyte II bei Befruchtung Abschluss der Meiose

Bildung der Gameten beim Menschen Oogenese Embryonalentwicklung: Proliferations-, Wachstums-, Reduktionsphase bis zum 7. Monat: mehr und mehr Oocyten I treten in die Meiose I ein, verharren im späten Diplotät: Bivalente lockern sich auf, homologe bleiben gepaart, Kernhülle und Nucleolus werden neu gebildet Wartestadium (im Diplotän) = Dictyotän, kann Jahrzehnte dauern Geburt: ca. 500.000 Oocyten, die alle im Dictyotän vorliegen, 90% davon degenerieren bis zur Pubertät Geschlechtsreife: in der ersten Hälfte eines jeden Zyklus wird von 10-50 Oocyten I die Meiose wieder aufgenommen (Auslöser: LH) Ablauf bis zur Metaphase II unter Abgabe des 1. Polkörperchens Ovulation einer Oocyte II, die übrigen degenerieren Befruchtung im Eileiter: Vollendung der Meiose, 2. Polkörperchen

Keimbahn Schema: Keimbahn vs Soma

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Embryonalentwicklung Maus, Huhn, Krallenfrosch (nicht klausurrelevant) Abbildungen: Furchungsteilungen (Amphibien, Maus) Gastrulation beim Hühnerembryo Neurulation beim Hühnerembryo Determination der ventral-dorsalen Achse im Neuralrohr Migration der Neuraleistenzellen

Embryonalentwicklung Maus, Huhn, Krallenfrosch (nicht klausurrelevant) Abbildungen: Differentielle Zelladhäsion Zelloberflächenadhäsionsmoleküle: Cadherine – Cadherine (Zelle/Zelle) CAMs – CAMs (Zelle/Zelle; cell adhesion moleules) Integrine – ECM (Zelle/extracellular matrux) Entwicklung der Keimblätter: Endoderm Mesoderm Ektoderm

Entwicklungsbiologie Einleitung: Zellkern, Spindelapparat 1. Mitose – Zellzyklus 2. Meiose - Keimbahn 3. Gametenbildung 4. Beginn der Embryonalentwicklung Wiederholung: Übungsfragen Institut für Biologie II Jörg Mey

Reduktionsteilung, Meiose Welcher Teilungstyp ist hier dargestellt? Reduktionsteilung, Meiose

Beschriften Sie die Teilungsstadien Leptotän Bukettstadium Zygotän Pachytän Diakinese oder Metaphase I Anaphase I Anaphase II

Welcher Teilungstyp ist hier dargestellt? Mitose Beschriften Sie die Teilungsstadien Prophase Metaphase Anaphase Telophase

Wann finden Crossover-Ereignisse statt? Im Pachytän (der Prophase I der Meiose) Wofür steht die Abkürzung CdK? Cyclin dependent Kinase Was ist der Unterschied zwischen Chiasma und Crossover? Crossover: molekulares Ereignis bei der Paarung der homologen Chromosomen in der Prophase I der Meiose Chiasma: sichtbares lichtmikroskopisches Ereignis beim Auseinandergehen der homologen Chromosomen in der Diakinese der Meiose

Skizzieren sie den Zellzyklus und benennen Sie seine Stadien und die Kontrollpunkte 1 2 S M-Phase G1/G0 G2

Nennen Sie die Phasen bei der Gametenbildung Proliferationsphase, Wachstumsphase, Reduktionsphase Wieviele DNA-Äquivalente liegen bei einem diploiden Organismus bei folgenden Stadien des Zellzyklus/der Zellteilung jeweils vor? (DNA, Vielfache von n) Wieviele Chromosomen? G0/G1-Phase G2-Phase Mitose, Prophase Mitose, Metaphase Mitose, Anaphase nach Abschluss der Diakinese Meiose, Prophase I Meiose, Metaphase II nach Abschluss der Meiose 2 n 2 n 4 n 2 n 4 n 4 n 2 n 1 n 1 n 1 n