Zellbiologische Prozesse: Meiose, Apoptose und Zellwachstum

Meiose: Grundlagen und Bedeutung

Jeder Organismus besitzt eine charakteristische Chromosomenanzahl für seine Art. Zellen, die auf sexuelle Funktionen spezialisiert sind, die sogenannten Gameten, enthalten die Hälfte der Chromosomenanzahl der somatischen Zellen des restlichen Körpers. Diese Zustände werden als haploid (n) und diploid (2n) bezeichnet. Eine diploide Zelle, die durch die Verschmelzung zweier Gameten entsteht, wird als Zygote bezeichnet. Der Hauptzweck der Meiose ist die Reduktion der Chromosomenanzahl und die Schaffung einer Umstrukturierung in homologen Chromosomen durch den Austausch von genetischem Material.

Meiose I: Reduktionsteilung

Prophase I: Die längste und komplexeste Phase

Dies ist die längste und komplexeste Phase. Die Kernhülle bleibt bis zum Ende dieser Phase erhalten, bevor sie sich auflöst. Der Nucleolus verschwindet, und die Spindel bildet sich. Prophase I wird in fünf Unterphasen unterteilt:

• Leptotän: Chromosomenkondensation beginnt

  Die Chromosomen werden länger und dünner als in der Mitose. Sie erscheinen perlschnurartig verteilt, wobei die Verdickungen als Chromomere bezeichnet werden. Obwohl die Chromosomen bereits aus zwei Chromatiden bestehen, sind diese noch schwer zu identifizieren. Einige ihrer Enden sind an der Kernhülle befestigt.

• Zygotän: Paarung der homologen Chromosomen

  Die homologen Chromosomen beginnen zu paaren (Synapse), wobei ein Abstand von 150 bis 200 nm zwischen ihnen verbleibt. Hier bildet sich der synaptonemische Komplex (ein Protein-Komplex, der die Paarung der Chromosomen vermittelt, bestehend aus zwei lateralen und einer zentralen Komponente). Dichte, ellipsoide Strukturen, sogenannte Rekombinationsknoten, erscheinen ebenfalls, und die Chromatin-Kondensation wird deutlicher.

• Pachytän: Crossing-over und Tetradenbildung

  Die Paarung der homologen Chromosomen ist abgeschlossen. Die Chromosomen werden kürzer und dichter. Obwohl die einzelnen Chromatiden noch nicht klar zu unterscheiden sind, findet hier das Crossing-over (Austausch genetischen Materials zwischen homologen Chromatiden) statt, dessen sichtbare Manifestation später als Chiasma (Plural: Chiasmata) erscheint. Dies ist die längste Unterphase der Prophase I. Jedes gepaarte Chromosomenpaar wird als Bivalent bezeichnet, und die Kombination aus vier Chromatiden heißt Tetrade.

• Diplotän: Chiasmata werden sichtbar

  Es wird deutlich, dass jedes Chromosom aus zwei Chromatiden besteht. Die Chiasmata, die die Stellen des Crossing-overs markieren, werden sichtbar.

• Diakinese: Vorbereitung auf die Metaphase

  Die Chromosomen sind stark verkürzt und bereiten sich auf die Metaphase vor. Die Trennung zwischen den Bivalenten schreitet fort, aber die Chiasmata bleiben bestehen. Die Terminalisierung der Chiasmata tritt hier auf, wobei sich die Chiasmata zu den Chromosomenenden hin bewegen. Der Nucleolus beginnt zu fragmentieren.

Prometaphase I: Auflösung der Kernhülle

In dieser Phase treten folgende Ereignisse auf:

• Maximale Kondensation der Chromosomen.
• Fortschreitende Verringerung der Größe des Nucleolus bis zu seinem Verschwinden.
• Zerfall der Kernmembran.
• Die Mikrotubuli heften sich an die Kinetochore der Chromosomen.

Metaphase I: Anordnung der Bivalente

Die Bivalente ordnen sich am Äquator der Spindel an. Dabei ist jedes homologe Chromosom so orientiert, dass beide Kinetochore eines Chromosoms zum gleichen Pol zeigen, während das gegenüberliegende homologe Chromosom zum anderen Pol orientiert ist.

Anaphase I: Trennung der homologen Chromosomen

Die homologen Chromosomen trennen sich und wandern zu entgegengesetzten Polen. Jedes Chromosom besteht dabei noch aus zwei Chromatiden. Die Chiasmata lösen sich auf, was zur Disjunktion der Chromosomen führt.

Telophase I: Bildung zweier haploider Zellen

Es entstehen zwei Tochterzellen, deren Kerne jeweils n Chromosomen mit 2 Chromatiden enthalten.

Meiose II: Äquationsteilung

Die beiden aus Meiose I hervorgegangenen Zellen treten in die Meiose II ein. In Anaphase II trennen sich die Chromatiden der n-Chromosomen, sodass am Ende vier Zellen entstehen, die jeweils n Chromosomen mit einer Chromatide enthalten.

Genetische Bedeutung der Meiose

Die Meiose ist von entscheidender genetischer Bedeutung durch:

• Die Reduktion der Chromosomenanzahl von diploid zu haploid.
• Die genetische Rekombination durch Crossing-over.
• Die zufällige Trennung der väterlichen und mütterlichen Chromosomen.

Vergleich: Mitose und Meiose

Energie-Ebene:

Mitose: Genaue Verteilung des genetischen Materials.

Meiose: Zufällige Trennung homologer Chromosomen und Crossing-over als Quelle genetischer Variation.

Zellulärer Ebene:

Mitose: Führt zur Bildung genetisch identischer Zellen.

Meiose: Führt zu einem reduzierten Chromosomensatz, genau die Hälfte der homologen Chromosomen.

Organischer Ebene:

Mitose: Tritt bei einzelligen Organismen zur ungeschlechtlichen Vermehrung und bei Mehrzellern für Entwicklung, Wachstum, Reparatur und Regeneration von Geweben und Organen auf.

Meiose: Dient der Bildung von Zellen für die sexuelle Fortpflanzung (Gameten) oder asexuelle Vermehrung (Sporen).

Apoptose: Programmierter Zelltod

In hochorganisierten, mehrzelligen Organismen ist die Zellzahl genau reguliert. Zellen, die nicht mehr benötigt werden, begehen 'Selbstmord' durch die Aktivierung eines intrazellulären Todprogramms. Die intrazelluläre Maschinerie der Apoptose ist in jeder tierischen Zelle ähnlich und hängt von einer Familie von Proteasen ab, die als Kaspasen bezeichnet werden. Eine andere Art des Zelltods mit unterschiedlichen Merkmalen ist die zelluläre Nekrose, die durch Schädigung und akute entzündliche Reaktionen hervorgerufen wird und häufig mit Zellschwellung und Freisetzung von Zellinhalten außerhalb der Zelle einhergeht.

Beteiligte Kaspasen bei der Apoptose

Die an der Apoptose beteiligten Kaspasen werden in zwei Hauptgruppen unterteilt:

• Initiator-Kaspasen: Kaspasen 2, 8, 9, 10
• Effektor-Kaspasen: Kaspasen 3, 6, 7

Proteine Bcl-2 und IAP

Die Bcl-2 und IAP Proteine sind intrazelluläre Proteine, die bei der Regulation der Prokaspasen kooperieren. Die BH123-Proteine spielen eine Rolle bei der Freisetzung von Proteinen aus dem Intermembranraum der Mitochondrien im intrinsischen Signalweg der Apoptose.

Nekrose: Zufälliger Zelltod

Nekrose ist ein zufälliger, nicht-apoptotischer Zelltod, der als passiver 'Selbstmord' infolge einer Katastrophe auftritt. Dies resultiert aus einer bioenergetischen Erschöpfung, bei der der ATP-Spiegel mit dem Überleben der Zelle unvereinbar wird.

Morphologische Merkmale der Nekrose

• Verlust der Membranintegrität.
• Chromatin-Flockung.
• Zellschwellung und Lyse.
• Vollständige Lyse und Blasenbildung.
• Auflösung (Dilatation) von Organellen.

Morphologische Merkmale der Apoptose

• Membrandeformation ohne Verlust der Integrität.
• Chromatin-Aggregation an der inneren Kernmembran.
• Zellkondensation und Bildung von apoptotischen Körpern (Membran-begrenzte Vesikel).
• Organellen bleiben intakt.

Biochemische Eigenschaften der Nekrose

• Verlust der Regulierung der ionischen Homöostase.
• Benötigt keine Energie.
• Zufällige DNA-Verdauung.
• Post-lytische DNA-Fragmentierung.

Biochemische Charakteristika der Apoptose

• Ein stark regulierter Prozess mit Aktivierung enzymatischer Schritte.
• Benötigt Energie (ATP).
• DNA-Fragmentierung in Mono- und Oligonukleosomen (nicht zufällig).
• Leiter-ähnliche DNA-Fragmentierung.

Physiologische Bedeutung der Nekrose

• Zelltod von Zellgruppen.
• Verursacht durch pathologische Reize.
• Phagozytose durch Makrophagen.
• Erhebliche entzündliche Reaktionen.

Physiologische Bedeutung der Apoptose

• Zelltod einzelner Zellen.
• Induziert durch physiologische Reize.
• Phagozytose durch benachbarte Zellen oder Makrophagen.
• Keine entzündliche Reaktion.

Autophagie: Zelluläres Recycling

Autophagie ist ein Prozess, bei dem zytoplasmatische Komponenten in Doppelmembran-Vesikel, sogenannte autophagische Vakuolen, eingeschlossen und durch Fusion mit Lysosomen abgebaut werden.

Nicht-selektive Autophagie

Diese Form ist sehr häufig und wird als Reaktion auf Veränderungen in der Verfügbarkeit von Nährstoffen und/oder trophischen Faktoren induziert, um die bioenergetische Homöostase aufrechtzuerhalten.

Selektive Autophagie

Wird oft bei zellulären Umbauprozessen eingesetzt, kann aber auch als Reaktion auf toxische Reize zur Entfernung beschädigter Komponenten induziert werden.

Kontrolle von Zellwachstum, Zellteilung und Apoptose

Die Kontrolle dieser Prozesse erfolgt durch:

• Mitogene Faktoren.
• Wachstumsfaktoren (Kinasen).
• Überlebensfaktoren.