Entwicklungsbiologie der Tiere und des Menschen - Einführendes Lehrbuch der Embryologie, Entwicklungsgenetik und Entwicklungsphysiologie / Werner A. Müller ; Monika Hassel mit 173 meist farbigen Abbildungen…

gebrauchsspuren, einband an den kanten bestoßen, papiergebräunte seiten und schnitt, etwas beschädigt, stempel auf dem schnitt des vorbesitzers, . Studenten der Biowissenschaften sowie interessierte Mediziner, Biologielehrer und Fachfremde erhalten hier Einblick in die faszinierenden Vorgänge der Entwicklung: Genetische Information, Mechanismen der Selbstorganisation und Kommunikation der sich bildenden Teile untereinander lassen aus augenscheinlich einfach geformten Eizellen hochkomplexe Organismen werden. Darüber hinaus werden topaktuelle Themen wie Krebsentstehung, das Klonen von Lebenwesen oder das Einschleusen von fremden Genen in Zellen oder Organismen in diesem didaktisch hervorragenden Lehrbuch behandelt. Auch werden zahlreiche Experimente und neuste Erkenntnissse der Gentetik und Molekularbiologie vorgestellt.Entwicklung: ein Vorwort zur Bedeutung des Begriffs , 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 , Box 1 Von der Seele zur Information:zur Geschichte der Entwicklungsbiologie, Etappen und Prinzipien der Entwicklung, 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 ermöglichen ein eigenständiges Leben, Allgemeine Prinzipien, Bei aller Mannigfaltigkeit der tierischen Entwicklung gibt es doch einige grundlegende und wiederkehrende Vorgänge, Anhang: allgemeine Regeln zur Schreibweise Entwicklung bedeutsamer Modellorganismen I:Wirbellose Der Seeigel-Keim: Modell für tierische Entwicklung schlechthin und Objekt historisch bedeutsamer Experimente , Der Seeigel-Keim ist Referenzmodell für Befruchtung und frühe Embryonalentwicklung, Die bilateralsymmetrische Larve entwickelt in der Metamorphose aus Imaginalscheiben die Organisation des radiärsymmetrischen Seeigels, Bedeutsame Experimente 1: Aus halbierten Embryonen gehen zwei vollständige Tiere hervor; Embryonen sind folglich keine Maschinen und fähig zur Regulation - aber man muss richtig halbieren , Bedeutsame Experimente 2: Es gibt Wechselwirkungen zwischen den Zellen des Embryo; sie gaben Anlass, die jahrzehntelang kontrovers diskutierte Gradiententheorie weiter zu entwickeln, Möglicherweise gibt es im Seeigelkeim Morphogene, die den Morphogenen des Amphibienkeims gleichen; Lithium-Ionen interferieren in beiden Fällen mit den Gradientensystemen . , Mikromeren sind auch Ursprung eines induktiven Signals mit Nahwirkung, das die Bildung des Urdarms einleitet ....Schon vor der Gastrulation lassen sich mit molekularbiologischen Methoden Territorien abgrenzen, in denen unterschiedliche Gene aktiv sind und die das künftige Schicksal dieser Territorien ankündigen , Dictyostelium discoideum: Wechsel von Zuständen Kooperation hilft dem Überleben der Art: von amöbenhaften Einzelzellen zum vielzelligen Verband, Bei der Aggregation werden von Schrittmacherzellen im Sammelzentrum rhythmisch chemotaktische Signale in Form von cAMP-Molekülen ausgesandt; die Signale werden von Amöben der Umgebung verstärkt und im Suffaenverfahren m die Peripherie seien«im Zuge der Aggregation kommt es zu einer Zelldifferenzierung^welche eine wechselseitige Absprache erfordert Hydra: der unsterbliche Süßwasserpolyp, Mit Regenerationsstudien an Hydra begann um 1740 die experimentelle Entwicklungsbiologie, Man kann Hydren in einzelne Zellen zerlegen; Aggregate solcher Zellen können sich selbst zu ganzen In der Oogenese füttern Ammenzellen die Oocyte, und es wird detaillierte Vorsorge für die Zukunft getroffen Im Zuge der superfiziellen Furchung werden zunächst in rascher Folge Kerne hergestellt, die erst später mit Zellmembranen umhüllt werden. Die ersten Zellen, die Polzellen, werden zu den Urkeimzellen In der Gastrulation wird von vorn und hinten her der künftige Verdauungskanal eingestülpt, während Mesoderm und die Neuroblasten der Bauchganglienkette über eine 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 eines Transkriptionsfaktors mit Homöodomäne Nicht alles läuft über Transkriptionskontrolle; auch Hemmung der Translation trägt zur regionspezifischen Verteilung von wichtigen Proteinen bei. Beispiel: NANOS . . . Die Rücken-Bauchachse wird von einem externen Signal vorherbestimmt, das über eine Signaltransduktionskaskade den Transkriptionsfaktor DORSAL in ventrale Kerne lenkt . . Bei der Untergliederung des Keims entlang der Rücken-Bauch-Strecke in Ektoderm, Neuralbereich und Mesoderm spielen zwei Morphogene eine Rolle, die in ähnlicher Form auch in Wirbeltieren vorkommen In der Längsrichtung des Keims bereiten ganze Kaskaden von Genen die Segmentierung vor Homöotische Gene der Antennapedia- und der bithorax-Klasse verleihen den Segmenten ihre unverwechselbare Identität Die Metamorphose ist eine dramatische zweite Embryogenese Mit transplantierten Imaginalscheiben entdeckte man das Phänomen der Transdetermination und die Heredität des Determinalionszustandes Tunikaten: "Mosaikentwicklung" im Stamm der Chordaten?Tunikaten sind marine Organismen, die - obzwar wirbellos -zum Stamm der Chordaten gehören , Ein Muster an maternalen Determinanten bereitet eine frühe Determination vor; doch haben auch Zellinteraktionen Bedeutung , Entwicklung bedeutsamer Modellorganismen II: Wirbeltiere, Xenopus: Referenzmodell der Wirbeltierentwicklung, Amphibien, und mit ihnen der Krallenfrosch, gelten als Prototypen der Wirbeltierentwicklung, und die Keime sind gut zu handhaben , Die Oogenese von Xenopus hat als Modeülail grundlegende, auch für den Menschen gültige Erkenntnisse geliefert, Bei der Festlegung der Körperkoordnaten, und damit der Bilateralsymmetrie, wirken äußere Richtungsgeber mit: Schwerkraft und Spermium, Furchung und Gastrulation verlaufen lehrbuchmäßig. Bei der Involution des Urdarms gelang: auch Zellmaterial ins Innere, das zunächst das Urdarmdach und später Chorda und Mesoderm bildet , Neurulation: Die Anlage von Gehirn und Rückenmark wird als Neuralrohr herausgefomt, Aus dem Mesoderm gehen besonders der innere Organe und Gewebe hervor: Chorda. , Herz, Blut, Nieren und manches mehr Aus dem Entoderm gehen Hacer-Darmtrakt, Lunge, Leber und Harnblase Man hat bereits eine größere Zahl von Signalmolekülen identifiziert; für manche liegt schon im Ei maternaleIm Keim interagieren BMP-4 und CHORDIN; indem sie sich wechselseitig binden und neutralisieren, bildet sich ein BMP-4-Morphogengradient aus Das dorsale Ektoderm der Blastula hat eine autonome Tendenz, Nervengewebe zu bilden; es muss davon abgehalten werden Während der Gastrulation kommt es zu einer Regionalisierung in Kopf- und Rumpfterritorien Es gibt Kaskaden primärer, sekundärer, tertiärer Induktionsvorgänge Homöoboxgene und andere für Transkriptionsfaktoren codierende Gene sind an den Induktionsprozessen beteiligt . Von der Kaulquappe zum Frosch: Die Metamorphose wird über Hormone gesteuert Ein neuer Modellorganismus: der Zebrafisch Danio rerio . . Fische können viele Vorteile bieten; beispielsweise kann man Mutationen erzeugen und Genetik betreiben Auf der Eikugel bildet sich im Zuge der Furchung eine Keimscheibe Gastrulation und die Bildung der Achsenorgane erscheinen gegenüber den Amphibien anfangs fremdartig, führen aber zu einer ähnlichen Körpergrundgestalt Bei der Expresssion von entwicklungssteuernden Genen werden wieder mancherlei Übereinstimmungen zwischen Fischen und Amphibien offenkundig, Hühnchen, Wachtel und Chimären von beiden Wir sehen nicht nur riesige Eizellen; wir haben es erstmals mit echten Landwirbeltieren zu tun, mit Amnioten Auf der Keimscheibe entsteht erst der Rückenteil des Embryo Zwei Neuerungen sind Dottersack und Allantois, Eine weitere, bleibende Neuerung ist das Amnion Experimente am Vogelkeim I: Zur Analyse der Entwicklungspotenz der Neuralleisten erzeugt man Chimären aus Hühnchen und Wachtel , Experimente am Vogelkeim II: Musterbildung in der Flügelknospe und retinotek, Medizinisches Interesse, die Verfügbarkeit von Mutanten und rasche Entwicklung machen die Maus zum Modell eines Säugers; als solcher tritt er früh in enge Beziehung zu seiner Mutter Mäuse können sich bald nach ihrer Geburt und das ganze Jahr über fortpflanzen; die Generationszeit beträgt nur neun WochenDie Embryonalentwicklung einer Maus ist seltsam und nicht leicht zu verstehen Mäuse scheinen einen Vater zu brauchen (es sei denn, sie werden geklont) Chimärenmäuse haben eine Möglichkeit eröffnet, Mäuse genetisch zu manipulieren, Anwendungsorientierte Experimente an Frühkeimen der Wirbeltiere: Klonen, Chimären, Teratome, transgene Tiere, Klonen: die Herstellung genetisch identischer Kopien, Klonen ist in der Pflanzenwelt und bei vielen Wirbellosen in Form der vegetativen Fortpflanzung ein natürliches Ereignis; die Pflanzenzüchtung hat seit alters die natürlichen durch künstliche Verfahren erweitert , Ein biotechnisch nicht besonders interessantes Verfahren des Klonens ist die Zerteilung junger Embryonen, Klonen durch Kerntransplantation: Pionierexperimente 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 frühem brvonaler Spenderkerne ist schon vor mehreren Iähren gelungen; doch das Wunschziel war damit noch rocht erreicht, Klonen mit Spenderkernen von ausgewachsenen Säugern ist möglich: Dolly war der erste Beweis, Wird Klonen von Menschen möglich und er--_nsm sein?, Versuche mit Chimären und Teratomen -und was solche Versuche (nicht) bringen ..Teratome sind missglückte, chaotisch disorganisierte Embryonen, die Eigenschaften eines Tumors entwickeln können , Genetische Manipulationen an Mausembryonen:k.o.-Mutanten und transgene Tiere, Mit gezielter Mutagenese auf der Basis homologer Rekombination können tierische Modelle für genetisch bedingte menschliche Krankheiten erzeugt werden, Es gelingt auch schon der gezielte Austausch gegen funktionsfähige Gene fremder Herkunft oder willkürlicher Konstruktion, Transgene Tiere können auch extern steuerbare Gene und Gene anderer Arten tragen und zur Expression bringen, Schwangersdaä und Tod , Die Embryonalentwicklung des Menschen, Der Mensch und Modellorganismen, Inwieweit hilft die Kenntnis der Entwicklung einer Fliege, die Entwicklung des Menschen zu verstehen? Von den Urkeimzellen bis zur Befruchtung , Oogenese: Frauen haben schon lange vor ihrer Geburt genug Eizellen angelegt; Wachstum und Reifung dieser Eizellen benötigen aber noch viel Zeit , Nur eines von vielen Millionen Spermien kommt zum Zug . .Von der Befruchtung bis zum phylotypischen Stadium ....Der Keim entwickelt zuallererst spezielle extraembryonale Organe, um die Mutter anzuzapfen; deshalb kann der Embryo später enorm wachsen, In der Embryonalentwicklung kommen evolutiv alte Strukturen zum Vorschein: Keimscheibe, Primitivrinne, Dottersack, Amnion und Allantois , Die Gehörknöchelchen sindt für evolutionäre Transformat beliebig dehnbaren Geburtskanal , Schnittstelle Mutter/Kind: die Plazenta, Die Plazenta ist ein Organ, mit dem sich das Kind verankert und durch das es mit der Mutter Stoffe austauscht, Das ungeborene Kind hat ein Kreislaufsystem ähnlich dem eines Fisches und seine Plazentazollen sind funktionell Kiemen Spiralfurchung deutet auf umfassende evolutive Zusammenhänge zwischen mehreren wirbellosen Tierstämmen; fehlende Spiralfurchung trennt aber auch die Arthropoden von ihren mutmaßlichen Vorfahren, den AnnelidenSind bei Wirbeltieren und Arthropoden Bauch-und Rückenseite vertauscht?, Homologe, orthologe und paraloge Organe und Gene, Homologien auf der Ebene von Organen und auf der Ebene von Genen sind nicht notwendigerweise identisch , Es ist zwischen orthologen und paralogen Strukturen oder Genen zu unterscheiden , Gametogenese: Das Herstellen von Ei und Spermium und deren Ausstattung mit einer Mitgift, Keimhahn 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 , Die Oogenese: Herstellung und Bevorratung der Eizelle ... Bei vielen Tieren, so auch bei Wirbeltieren, findet man im Kern der Oocyten Lampenbürstenchromosomen, DNA-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 Signale die Polkörperbildung und Endreifung ein, Die Spermatogenese: das Herstellen von Spermien , Bei Säugern werden Spermien laufend frisch erzeugt; die Meiose findet in einem Zug erst am Ende der Spermatogenese statt, Das fertige Spermium: Es ist nicht viel mehr als ein Genom mit Antrieb , Weitere Mitgift: Maternale und paternale Prägung, Spermien und Eizellen sind genetisch nicht vollständig gleichwertig; ein erster Unterschied kann im Methylierungsmuster begründet sein Furchung und MPF-Oszillator , Das zeitliche Muster der Furchungsteilungen, Weil der Embryo auf seine mütterliche Mitgift zurückgreifen kann, lässt sich der frühembryonale Zellzyklus auf die S- und M-Phase verkürzen, Die Furchungsteilungen werden von einem molekularen Oszillator angetrieben, Zum räumlichen Muster der Zellteilungen, Zellteilungsfolgen können nach starren Mustern vonstatten gehen, so dass artspezifische Zellstammbäume erstellt werden können , Bei anderen Keimen, so beispielsweise bei den Keimen der Wirbeltiere, ist viel Variabilität erlaubt, im zeitlichen Ablauf der Deta, Frühe Determinationsereignisse: Spezifikation der Körperachsen und das Starten ortsgerechter Entwicklungsprogramme, Das Problem: Ortsgerechte Entwicklung bei genomischer Äquivalenz , Die anfängliche genetische Gleichwertigkeit und Totipotenz der Zellen verlangt Entscheidungen, welche genetischen Teilprogramme in einer Zelle zum Zuge kommen sollen .... , Determination, Spezifikation, Commitment: Die Zellen werden auf verschiedene Aufgaben programmiert; dabei wird zugleich ihre weitere Entwicklungsmöglichkeit eingeschränkt , Vor ihrer definitiven "Berufswahl" benötigen die Zellen Information über ihre Lage im Embryo. Teratome zeigen es: Bei gestörter Koordination entsteht Chaos , Wo ist vorn, wo hinten, wo ist oben, wo unten? Arbeitshypothesen über mögliche Quellen primärer Positionsinformation, Festlegung der Raumkoordinaten, Erst müssen die Raumkoordinaten (oben-unten; vorn-hinten)festgelegt werden; dazu werden auch externe Orientierungshilfen benutzt, Bei Wirbeltieren sind für eine der beiden Raumachsen externe Richtungsgeber maßgeblich , Bei Drosophila nimmt die Mutter dem Kind alle Entscheidungen ab und legt im voraus die Raumkoordinaten fest; dabei werden die Entscheidungen von Genen der Mutter abhängig Determination als Prozess alternativer Entscheidungen und der Aufspaltung von Entwicklungswegen , Im Cytoplasma des Eies können maternale Determinanten enthalten sein, die richtungsweisend für die künftige Entwicklung von Körperpartien, Organen, Geweben und Zelltypen sind , Man unterscheidet zwei basale Mechanismen der Determination; asymmetrische Zellteilung und Zellinteraktion, "Mosaikkeime" und "Regulationskeime" unterscheiden sich im zeitlichen Ablauf der Determination , Progression, Stabilität und Heredität der Determination Determinationsmodus und -zustand müssen experimentell ermittelt werden; manch alte und neue Begriffe nehmen Bezug auf den experimentell geprüften Determinationszustand , Bei der Determination können Selektorgene`in`den Zustand ` anhaltender Aktivität oder Inaktivität gebracht werden; dieser Zustand ist stabil und hereditär. d_h. über 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 DrosophLa - einen unerwarteten, sprunghaften Wechsel, eine Transdetermination, Positionsinformation, Musterbildung und embryonale Induktion, Positionsinformation und epigenetische Erzeugung neuer Muster , Was ermöglicht es Zellen, sich wohlgeordnet und ihrem Platz gemäß zu differenzieren? - Wir entwickeln Arbeitshypothesen, Ooplasmatische Segregation: Im Cytoplasma des Eies kann es zu einer ersten neuen Musterbildung durch physikalisch bedingte Umverteilung von Determinanten kommen, Beim Aufbau der Körperarchitektur werden epigenetisch neue Muster geschaffen, die noch nicht im Ei vorgeprägt sind . . , Im Embryo ermöglicht Positionsinformation ortsgemäßes Verhalten; ein klassisches Transplantationsexperiment, belegt ihr Wirken Box 3 Modelle zur biologischen Musterbildung Hypothesen , Computermodelle, Positionsinformation nach Wolpert , Reaktions-Diffusionsmodelle nach Turing, Grenzen der vorgestellten Modelle, erweiterte und alternative Denkansätze, 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 Entscheidungsfindung nach dem Prinzip der lateralen Inhibition , Hier ist die Frage: Photorezeptor Nr. 7 oder sevenless-, ein Positionssignal gibt laterale Hilfestellung , Embryonale Induktion , Induktion: Sender schicken Signale an ihre Nachbarn , Der Empfänger muss kompetent sein , Induktion von Köpfen und Rümpfen im Wirbeltierembryo mit transplantiertem Organisatorgewebe, Kleine Transplantate aus dem dorso-caudalen Bereich der frühen Gastrula (Spemann-Organisator, Hensen-Knoten) können die Entwicklung komplexer Strukturen wie Köpfen und Rümpfen auslösen , Die Entwicklung eines Embryos beruht auf Kaskaden nacheinander ablaufender Prozesse der Musterbildung und Induktion, Die Induktion der Augenlinse ist ein Schulbeispiel eines nachgeordneten Induktionsprozesses, Proteine als Induktionsfaktoren, Induktive Substanzen sind äußerst schwer zu identifizieren; Biochemie und Molekularbiologie in Verbindung, mit geeigneten Biotests haben den Durchbruch gebracht ., Auch isolierte Induktionsfaktoren können die Entwicklung von vielerlei ortsspezifischen Zelltypen auslösen; so können komplexe mesodermale und neurale Strukturen gebildet werden, Konzentrationsabhängigkeit, Synergie, Antagonismus und Redundanz sind häufige Prinzipien der Induktion, und Musterbildung , Auch das Fehlen induzierender Substanzen könnte ein Signal sein: Nach einer verbreiteten Hypothese werden ektodermale Zellen von selbst zu Nervenzellen, wenn sie nicht daran gehindert werden , Viele Signalmolcküle, beispielsweise SONIC HEDGEHOG oder Retinsäure, werden mehrfach in der Entwicklung zu unterschiedlichen Zwecken eingesetzt, Das Herz am rechten Fleck: links-rechts Asymmetrien Asymmetrien gehören zum Grundhauplan eines jeden bilateralsymmetrischen Tieres; doch es gibt noch lokale links-rechts As» nason an taams , Im Frosch- und Vogelkeim kündigt eine asymmetrische Genexpression die künftige Asymmetrie an; und man kann sie dirigieren, Ursache der links-rechts-Asymmetrie könnte langreichweitige Konkurrenz sein , Morphogene, morphogenetische Felder und Gradiententheorie , Induktoren können auch Morphogene sein; der Begriff Morphogen wird im Folgenden definiert , Das morphogenetische Feld: Es hat nichts Transzendentes an sich, aber beachtenswerte Eigenschaften , Die Gradiententheorie: Eine alte, lange umstrittene Theorie der Entwicklungsbiologie ist heute durch mehrere Beispiele bestätigt , Wie man ein morphogenetisches Feld unterteilt und einen Punkt darin definiert: Imaginalscheiben als Beispiel, Modellfelder: die Knospen für Vogelflügel und Mäusebein ., Ein Morphogen, FGF-10, kennzeichnet in der Flanke des Embryos ein Feld, aus dem die Extremitätenknospe auswächst , In der proximo-distalen Achse von der Schulter bis zu den Fingern wird ein Zeitprogramm in ein räumliches Muster übersetzt, Die Reihenfolge 2. bis 4. Finger wird von einem Morphogensender spezifiziert, Im Zuge der Musterspezifikation werden nach und nach Gene der llox-Klasse aktiviert, Musterkontrolle und Positionsgedächtnis bei Hydra , Die Zellen einer Hydra benötigen ständig Positionsinformation, Die Musterkontrolle umfasst weit reichende Interaktionen zwischen den Körperteilen , Relativ stabile Positionswerte vermitteln ein Positionsgedächtnis Bei der Einstellung des Positionswertes, und damit bei der Fähigkeit, Kopf oder Fuß zu bilden, ist Signaltransduktion von Bedeutung, Die experimentellen Ergebnisse haben zur Formulierung verschiedener Modelle Anlass gegeben, Musterkorrektur durch Interkalation , Fehlende Positionswerte können durch Interkalation eingeschoben werden; das Hydrozoon Hydractinia als Beispiel , Auch im Insektenbein ermöglichen gradierte Positionswerte, die Vollständigkeit des Hergestellten zu kontrollieren, Periodische Muster, Bei der Mehrzahl der vielzelligen Organismen findet man Bauelemente, die in Form gleichartiger Module wiederholt hergestellt werden, Eine "haarige" aber spannende Angelegenheit: Oszillierende Aktivitäten eines Gens der hairy Familie helfen, Somiten zu erzeugen und ihre Zahl abzuzählen, Entwicklung und Gene, Box 4 Genetische und molekularbiologische Methoden der Entwicklungsbiologie , Aufspüren entwicklungsrelevanter Gene, Wie man Mutanten gewinnen und analysieren kann, 2 Wie man mit reverser Genetik Gene aufspürt , Von der mRNA über die cDNA zu unbekannten Genen, und Studium ihrer Expression , Die Suche nach differentiell exprimierten Genen mittels cDNA Subtraktion, Die Suche nach differentiell exprimierten Genen mit DDRT-PCR, In-situ-screening: Wie man zelltyp- und stadienspezifische Genexpression sichtbar machen kann , Studien zur Funktion von Genen, Anwendungen, Wie man die Funktion eines Gens testen kann, Wie man Gene gegen mutierte Varianten austauschen und fremde Gene einführen kann, Bleibende Markierung lebender Zellen und ihrer Abkömmlinge mit Reportergenen , Leuchtendes Sichtbarwerden einer Genexpression in der lebenden Zelle , Induzierbare Promotoren: Wie man Gene gezielt ein- und ausschalten kann Gene für Signalsubstanzen und Gene für Transkriptionsfaktoren können gekoppelt sein , Entwicklungssteuernde Gene sind zu interaktiven Netzwerken verschaltet; Kombinatorik schafft Vielfalt , Das epigenetische zelluläre Gedächtnis, Der Determinationszustand ist über Zellteilungen hinweg auf Tochterzellen übertragbar; man spricht von einem epigenetischen zellulären Gedächtnis , Manche Gene können sich selbst in einen Zustand der Daueraktivität versetzen und dies nach jeder Zellteilung wiederholen , Methylierung und Heterochromatisierung können zu einer Stilllegung von Genen führen, die auch über Zellteilungen hinweg dauerhaft ist , Es gibt besondere Gene, deren Produkte in spezifischer Weise Abschnitte auf den Chromosomen zugänglich oder unzugänglich machen; einmal hergestellt, bleiben diese Zustände über Zellgenerationen hinweg erhalten rreversible Veränderungen und programmierter Zelltod, Reversible und irreversible Differenzierungszustände, Ein reversibler Determinations- und Differenzierungszustand macht mancherlei Regenerationsleistungen möglich , Vielfach ist die Zelldifferenzierung irreversibel und führt zum Tod der Zelle; ein früher Zelltod kann auch vorprogrammiert sein, Verlust der vollständigen Verfügbarkeit genetischer Information , Bei der Entwicklung der Lymphocyten kommt es zu einer irreversiblen somatischen Rekombination, Quantitative Veränderungen im Genbestand:Gen-Amplifikation, Genom-Amplifikation, Chromatin-Elimination poptose: Der programmierte Zelltod , Programmierter Zelltod ist Teil der normalen Entwicklung, auch im Nerven- und Immunsystem, Bei Lymphoblasten steht der Zelltod im Dienste eines Lernprozesses estaltbildung durch Zellbewegung und differentielle Zelladhäsion, . Aktive Zellbewegung und Ortsveränderung, Anders als bei Pflanzen spielt in der Entwicklung der Tiere aktive Zellbewegung eine wichtige Rolle, Zellen auf wanderschaft, Urkeimzellen und Blutzellen, Beispiel Urkeimzellen; sie wandern oftmals lange Wege, um in die Gonaden zu gelangen, Blutzellen entstehen im Wirbeltierembryo in verstreuten Blutinseln , Neuralleisten-Abkömmlinge , Die Zellen der Neuralleisten wandern aus und haben vielfältige Entwicklungspotentiale, Die Zielgebiete werden auf bevorzugten Wanderrouten angestrebt, Herkunftsort, Wegstrecke und Zielort bestimmen das Schicksal der Emigranten Zur Entwicklung des Nervensystems: Wandernde Zellen, Zielfindung und Selbstorganisation bei der Synapsenbildung, Das Zentralnervensystem: Gehirn und Rückenmark, Das Nervensystem geht aus Zellen der Blastula (bei Amphibien) hervor, die durch maternale mRNA neuralisierender Faktoren auf ihre Aufgaben vorbereitet sind; Induktionsfaktoren erlauben dann das Einschalten Nervenzellspezifischer Transkriptionsfaktoren , Morphologisch wird das Zentralnervensystem als Neuralrohr in der Gastrula angelegt, während das periphere Nervensystem von Neuralleistenzellen hergestellt wird, Das Gehirn geht aus dem vorderen Neuralrohr hervor und gliedert sich erst in drei, dann in fünf Abschnitte, Seit den Tagen Goethes diskutiert: Ist der Kopf, und damit auch das Gehirn, segmental gegliedert? Der Anschluss der Fernsinnesorgane: Das Gehirn bildet selbst den zentralen Teil des Auges, während Geruchsorgan und Innenohr separat entstehen , Zellwanderungen beim Wachstum des Gehirns und zur Konstruktion des peripheren Nervensystems, Beim Wachstum und der Ausgestaltung des Zentralnervensystems kommt es zu umfangreicher Zellmigration, Lernen und Langzeitgedächtnis, Das periphere Nervensystem mit dem sympathischen System und dem Nervennetz des Magen-Darm-Traktes wird von ausgewanderten Neuralleistenzellen hergestellt; Weg und Zielort bestimmen ihr Schicksal, Wachstum und Vernetzung von Nervenzellen, Die Vernetzung der Nervenzellen untereinander ist ein Prozess der Selbstorganisation , Auswachsende Axone haben mit ihrem Wachstumskegel eine mit Sensoren ausgestattete motile Führungsstruktur ., Nervenwachstumsfaktoren können chemotaktische Orientierungshilfe geben und dienen als Überlebensfaktoren, Festverankerte Adhäsions- und Erkennungsmoleküle weisen Pionierfasern den Weg und bündeln Fasern zum Kabelstrang, Von der Pionierfaser zum Kabelstrang:Zelladhäsionsmoleküle dienen als Bindemittel Beispiel: Innervation der Muskulatur, Motorische Fasern wissen, welches Ziel sie erreichen müssen , Überschüssige und inkorrekte Verknüpfungen werden nachträglich abgebaut, Regeneration von Nervenfasern erlaubt in günstigen Fällen eine Rehabilitation , Retinotektale Projektion: Die Verkabelung des Auges 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 erneutgefunden werden, Nachträgliche Korrektur unpräziser Verknüpfungen ist ein allgemeines Prinzip der Selbstorganisation im Nervensystem , Noch nach der Geburt werden - unter dem Einfluss von Umweltinformationen - Bahnen neu erstellt, andere reduziert , Lernen und Langzeitgedächtnis könnten auch Ausdruck einer fortwährenden Neu- und Umbildung von Synapsen sein, Herz und Blutgefäße, Vom scheinbaren Chaos zur Ordnung , Herz und Gefäße entstehen in vielen räumlich getrennten Entwicklungslinien und bilden am Ende doch ein geschlossenes System , Blutgefäße und Herz werden von wandernden Vorläuferzellen gebildet, Das Herz, Der "springende Punkt" des Aristoteles, das Herz, entsteht aus herbeigewanderten Angioblasten und Myoblasten, Vom sich krümmenden Schlauch zum gekammerten Herzen , Blutgefäße: Vasculogenese und Angiogenese , Vasculogenese: Die Blutgefäße entstehen unabhängig voneinander an vielen verschiedenen Orten , Angiogenese: Blutgefäße werden durch angiogene Faktoren zu Wachstum und Verzweigung stimuliert , Wachsende Kapillaren finden ihr Zielgebiet ähnlich wie Nervenfasern: Sensorische, motile Terminalzellen haben Pfadfinderfunktion Tumoren sorgen für ihre gute Versorgung, indem sie angiogene Faktoren aussenden; es gibt jedoch auch anti-angiogene Faktoren und damit Hoffnung , Anpassung des Kreislaufs vor und nach der Geburt , Der frühe Embryo hat einen Kreislauf ähnlich dem eines Fisches, Die Umstellungen nach der Geburt sind dramatisch und müssen vorbereitet werden die Plazenta ist ein Organ des Kindes, mit dem es in enge Beziehung zur Mutter gelangt, Der Kontakt zur Mutter kann auch gefährlich werden; ihr Immunsystem muss erfolgreich unterdrückt werden ..., Signalsubstanzen und Signaltra, Morphogene, Induktoren, Wach, Zahlreiche, "Morphogene", "Iik "Faktoren" steuern Entwicklung Box 5 Wie Zellen miteinander komm, Stammzellen: Reservoir für Wachstum und Erneuerung ..., Kurzlebige Zellen müssen durch neu erzeugte Zellen ersetzt werden; Ersatz liefern stets teilungsbereite Stammzellen , Das Prinzip der Stammzellen ist evolutionsgeschichtlich uralt , Unipotente und pluripotente Stammzellen, Unipotente Stammzellen haben nur eine Entwicklungsoption; wir finden solche beispielsweise in Haut und Muskel , Pluripotente Stammzellen können mehrere Zelltypen hervorbringen; sie liefern beispielsweise Ersatz für Zellen, der Darmzotten, die im Dienste der Verdauung lysieren ..., Die hämatopoietischen (blutbildenden) Stammzellen, Hämatopoietische Stammzellen entstehen im Embryo in Blutinseln; ins Knochenmark einwandernde Stammzellen bleiben zeitlebens erhalten , Der Umsatz ist gewaltig; pro Sekunde sterben 6 Millionen Erythrocyten und müssen durch neue ersetzt werden, Die Nachkommen der Stammzellen werden alternativ wieder zu Stammzellen oder sie werden zu Blutzellen determiniert und hernach in Amplifikationsteilungen vermehrt , Ein Ereignisbaum führt beim Säuger/Menschen zu acht Haupttypen von Blutzellen , Determination und Menge der Blutzellen werden über viele lösliche Faktoren bzw. Hormone gesteuert Signalsubstanzen und Signaltransduktion, Morphogene, Induktoren, Wachstumsfaktoren, Zahlreiche, "Morphogene", "Induktoren" oder sonstige "Faktoren" steuern Entwicklung und Wachstum, Box 5 Wie Zellen miteinander kommunizieren und interagieren, Nach dem biologischen Einsatzbereich lassen sich Determinationsfaktoren, Morphogene, Induktoren und Differenzierungsfaktoren unterscheiden, Nach Empfänger und Reichweite lassen sich autokrine, parakrine und endokrine Faktoren (Hormone)unterscheiden, Proteinfaktoren werden nach Übereinstimmungen in der Aminosäuresequenz in Familien zusammengefasst, Reguläre Hormone greifen spät in die Entwicklung ein; sie wirken als Synchronisatoren für umfangreiche Umgestaltungsprozesse , Zunächst kann die Mutter das Sagen haben , Was später "Hormon" heißt, kann vorher ein "Wachstumsfaktor" sein, Physiologisch sind Hormonsysteme hierarchisch gegliedert; neurosekretorische Zellen vermitteln zwischen Führungsinstanzen im Gehirn und den hormonproduzierenden Drüsen , Signaltransduktion und Steuerung der Genaktivität, Polare Signalmoleküle, namentlich Peptide und Proteine, werden über membranverankerte Rezeptoren und Systeme der Signaltransduktion wirksam , Retinoide, Steroidhormone und Thyroxin steuern über nukleäre Rezeptoren Genaktivitäten, Wachstumskontrolle und Krebs, Wachstumskontrolle , Vielzellige Lebewesen als Ganze wie auch die Größe all ihrer Organe unterliegen einer Wachstumskontrolle, Zellpopulationen in vielzelligen Lebewesen üben eine Vermehrungs-Selbstkontrolle aus, Auch die Nachbarschaft greift steuernd ein Krebs: Wesenszüge, Vorkommen, Begriffe , Krebs basiert auf gestörter Wachstumsund Differenzierungskontrolle, Die Terminologie des Krebsforschers lässt erkennen, welche Zelltypen zur krebsartigen Entartung neigen, Besondere Eigenschaften von Krebszellen und Tumoren Krebszellen sind oft immortal, von Wachstumsfaktoren unabhängig und zeigen ein selbstsüchtiges, unsoziales Verhalten , Metastasen bilden zu können, ist eine besonders gefährliche Eigenschaft vieler Krebszellen, Viele Tumoren können deshalb besonders schnell wachsen, weil sie sich eine besonders gute Blutversorgung sichern , Ursachen einer Cancerogenese, Die Mehrzahl der Krebserkrankungen wird von exogenen Agentien ausgelöst; diese sind in aller Regel mutationsauslösend, Man kennt zwei Klassen von Tumorerzeugenden Genen:Onkogene und defekte Tumor-Suppressor-Gene , Die von krebsauslösenden Genen codierten Proteine sindin der Regel mit der Kontrolle des Zellzyklus befasst , Zu unserem Glück führen in der Regel erst mehrere Mutationen zu Krebs; die Hypothese der Mehrstufen-Carcinogenese postuliert darüber hinaus eine Stimulation des Tumorwachstums durch nicht-mutagene Tumor-Promotoren , Es gibt auch Tumoren, die mutmaßlich nicht auf Mutationen, zurückzuführen sind: die aus Keimzellen hervorgehenden Teratocarcinome , Metamorphose und ihre hormonale Steuerung, Metamorphose: ein zweiter Phänotyp aus einer "zweiten Embryogenese" Die meisten Amphibien und wirbellosen Tiere wandeln sich Von einem ersten in einen zweiten Phänotyp um Wahrend der Metamorphose kommt es zu dramatischen Umgestaltungen und zu einer molekularen Neuaustattung . Hormonale Steuerung der Metamorphose Bei der inneren Steuerung der Metamorphose durch Hormone gibt es viele Analogien zwischen Insekten und Amphibien Falsche Hormone: Pflanzen wehren sich, 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 kann eine Entwicklungspause (Dormanz, Diapause)eingeschaltet werden , Determination und Entwicklung des Geschlechts, 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 bisexuelle Potenz; doch ein Schlüsselgen oder Umweltgegebenheiten, treffen eine Entscheidung , Bei phänotypischer Geschlechtsbestimmung treffen Umweltfaktoren die Entscheidung Bei genotypischer Geschlechtbestimmung treffen besondere Schaltergene (Selektorgene) die Entscheidung; diese können auf besonderen "Geschlechtschromosomen" liegen Die Sexualentwicklung bei Säugern und dem Menschen . . Sexualentwicklung ist ein Vielstufenprozess, bei dem ein indifferenter Ausgangszustand in divergente Bahnen gelenkt, wird, die bei divergenten Verhaltensweisen enden, Das genetische Geschlecht: Ein einzelnes, dominierendes 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 alternative 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, Erneuerung und Regeneration Die stetige Grunderneuerung des Organismus , Ein Organismus muss im Mindestfall laufend seinen Bestand an Makromolekülen erneuern , Ohne fortlaufende Erneuerung auch des Zellenbestandes durch beständige Regeneration neuer Zellen wäre das Leben bald zu Ende Auch sexuelle Fortpflanzung ist eine Regeneration , 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 aber ein künstlicher Sonderfall, Ganze Tiere können (noch nicht) aus einzelnen, differenzierten somatischen Zellen wiedergewonnen werden Fallbeispiel Hydra und andere Wirbellose , Hydra besitzt unter den echten vielzelligen Tieren das wohl größte Regenerationsvermögen , ? Die umfassendste Fähigkeit, durch Transdifferenzierung einer einzigen differenzierten Zellart andere Zelltypen hervorgehen zu lassen, wurde bei Hydromedusen entdeckt , Planarien: Parallelen zu Hydren und ihre bedauernswerte Rolle als Versuchsobjekte in einer fruchtlosen Phase der Gedächtnisforschung, Regeneration und Transdifferenzierung bei Wirbeltieren . . . Die Regeneration der Extremitäten der Amphibien ist abhängig von der Zufuhr von Neurotrophinen Bekanntester Fall einer Transdifferenzierung bei Wirbeltieren ist die Linsenregeneration Regeneration aus Stammzellcn beim Menschen: Die beschränkte Fähigkeit zur regenerativen Erneuerung führt zum TodUnsterblichkeit oder Altern und Tod: Was will die Natur?Möglichkeit und Unmöglichkeit einer Immortalität, Es gibt Leben ohne Tod; es ist jedoch an fortwährende Zellteilungen gebunden Man kennt viele molekulare und organismische Ursachen des Alterns , 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 bescheren, Es werden mehrere Mechanismen diskutiert, wie Tod genetisch programmiert sein könnte , Der Tod hat eine wichtige biologische Bedeutung"Auszüge aus dem Buch

[Entwicklungsbiologie der Tiere und des Menschen, Embryologie, , Egenetik, physiologie, Krebsentstehung, Klonen von Lebenwesen, Gene, Zellen, Genetik, Organismen, entwicklung, tod, sexúalität, vererbung, kommunikation, organisation]