WAS IST GAMETOGENESE? PROZESS UND FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Die Gametogenese ist die Bildung von Gameten oder Geschlechtszellen in lebenden Organismen. Dieser Prozess ermöglicht es Individuen, einige der vorübergehenden Veränderungen in der Expression ihrer Gene, die durch externe Signale "induziert" wurden, zu transformieren und an ihre Nachkommen zu übertragen.

Alle Personen, die sich sexuell fortpflanzen, produzieren regelmäßig zwei Arten von Keimzellen, die als "Gameten" bezeichnet werden. Diese Zellen können sich nicht direkt wie die Sporen von Pilzen entwickeln, das heißt, sie können nicht immer selbst ein neues Individuum hervorbringen.

Repräsentatives Schema der weiblichen und männlichen Gametogenese (Quelle: Elversberg über Wikimedia Commons)

Beide Zelltypen, der männliche und der weibliche Gamete, müssen in einem als "Befruchtung" bekannten Ereignis miteinander verschmelzen. Erst nach der Befruchtung kann aus dem Zellprodukt dieser Fusion, der Zygote, ein neues Individuum entstehen.

Die Gameten einer großen Anzahl von Tieren werden aus den Gonaden synthetisiert, die Organe sind, die streng auf diese Funktion spezialisiert sind. Die Gonaden haben ein keimendes Epithel mit Zellen, die "Gonien" genannt werden und denen sie ihren Namen verdanken. Gonien sind bei beiden Geschlechtern morphologisch gleich. Bei Männern werden diese jedoch als "Spermatogonie" und bei Frauen als "Oogonie" bezeichnet.

Die Gametogenese umfasst sowohl die Spermatogenese als auch die Oogenese. Beide Prozesse sind homolog und teilen drei grundlegende Schritte für die Bildung von Gameten.

Die Gametogenese zeichnet sich durch einen Prozess der Zellteilung aus, durch den die Chromosomenlast eines Individuums um die Hälfte reduziert wird. Dies ist dank der meiotischen Teilung möglich, bei der zwei aufeinanderfolgende Chromosomensegregationen auftreten.

Die Produktion von Geschlechtszellen in einem Tier oder in einer Pflanze hängt von mehreren Faktoren ab, darunter die unterschiedliche Expression einiger Gene, die die "Anweisungen" codieren, die sowohl für das Auftreten von Zellteilungen als auch für das Auslösen von Veränderungen erforderlich sind. entsprechende morphogenetische.

Männliche Gametogenese

Die männliche Gametogenese ist der Prozess, durch den Spermatogonien reifen und sich zu Spermien differenzieren. Dies ist ein komplexer Prozess, bei dem sich totipotentielle Stammzellen teilen, um Tochterzellen zu produzieren, die zu Spermien werden.

Bei den meisten Lebewesen mit männlicher Gametogenese findet dies erst ab einem bestimmten Entwicklungsalter statt. Beim Menschen beginnt es während der Pubertät aufzutreten und dauert für den Rest des Lebens an.

Die männliche Gametogenese bei vielen Tieren, einschließlich des Menschen, wird als "Spermatogenese" bezeichnet und besteht aus drei Schritten: mitotische Proliferation, meiotische Proliferation und Zellumbau.

Prozess

Die Spermatogenese beginnt mit einer Mitose, die die Anzahl der Spermatogonien erhöht. Spermatogonie ist eine Population von Zellen, die sich in ständiger mitotischer Teilung befinden, da sie für die Erneuerung von Stammzellen verantwortlich sind, um Spermien zu erzeugen.

Daher ist der mitotische Prozess bei der männlichen Gametogenese entscheidend für die Proliferation und Aufrechterhaltung der Spermatogonie.

Einige der durch Mitose verursachten Spermatogonien nehmen an Größe zu primären Spermatozyten zu. Jeder primäre Spermatozyt erfährt eine Verringerung der Chromosomenbelastung durch eine erste meiotische Teilung (Meiose I), was zu zwei sekundären Spermatozyten führt.

Sekundäre Spermatozyten treten in eine zweite meiotische Teilung ein (Meiose II), aber in dieser tritt keine Grenzfläche auf (die Chromosomenlast wird nicht wieder geteilt), so dass die resultierenden Zellen die gleiche Chromosomenlast haben, das heißt, sie sind haploide.

Die resultierenden haploiden Zellen werden Spermatiden genannt und können jeweils nur die Chromosomen mütterlichen oder väterlichen Ursprungs oder eine Mischung unterschiedlicher Anteile der Chromosomen beider Elternteile enthalten.

Spermatiden treten in einen Prozess ein, der als "Spermiogenese" bezeichnet wird, bei dem sie verschiedene morphologische Veränderungen durchlaufen, ihre Chromosomen kondensieren, ihr Flagellum verlängern, ihren zytoplasmatischen Gehalt verringern und schließlich zu reifen Spermien werden (obwohl in vielen Fällen die Reifung gipfelt, während diese im weiblichen Fortpflanzungstrakt freigesetzt werden).

Eigenschaften

Trotz der Tatsache, dass die Spermatogenese während des gesamten Fortpflanzungslebens eines erwachsenen Tieres kontinuierlich stattfindet, hat dieser Prozess den alleinigen Zweck, die Zellen zu produzieren, durch die seine genetische Information an die Nachkommen übertragen wird, was nur möglich ist durch sexuelle Fortpflanzung mit einem Weibchen der gleichen Art.

Darüber hinaus können die Männchen der Art die genetischen Informationen ihrer Vorgänger und ihre eigenen mit denen der Weibchen mischen, um die genetische Variabilität der Nachkommen zu erhöhen.

Diese Fähigkeit, genetische Informationen zu mischen, hilft Arten, wichtige Eigenschaften zu erwerben, die ihnen helfen können, Veränderungen oder ungünstige Bedingungen in der Umgebung, in der sie leben, zu überwinden.

Weibliche Gametogenese

Die weibliche Gametogenese oder Oogenese war einer der am meisten untersuchten Prozesse in der Geschichte der Menschheit. Wissenschaftler aus verschiedenen Bereichen wie Medizin, Biologie, Wirtschaft, Soziologie und Politik usw. haben sich dem Studium verschrieben.

Der englische Arzt William Harvey formulierte einen berühmten Satz über die Oogenese, der lautet: „Alles, was lebt, kommt aus dem Ei“.

Im Laufe des Lebens vieler weiblicher Tiere werden etwa 1 bis 2 Millionen Eizellen produziert, aber nur 300 bis 400 der Eizellen reifen und sind "ovuliert". Bei Frauen vieler Tierarten entwickeln sich nach der Pubertät jeden Monat eine oder mehrere Oogonien, die reife Eizellen bilden.

Prozess

Die Keimzellen des Eierstocks, Oogonia oder Oogonia genannt, nehmen durch Mitose an Zahl zu. Jede resultierende Oogonie hat die gleiche Anzahl von Chromosomen wie die anderen somatischen Zellen. Sobald sich die Oogonie nicht mehr vermehrt, wachsen sie an Größe und werden zu primären Eizellen.

Bevor die erste meiotische Teilung erfolgt, werden die Chromosomen in den primären Eizellen mit ihren homologen Chromosomen gepaart, die zur Hälfte von der Mutter und zur Hälfte vom Vater geerbt werden.

Darstellung des Menstruationszyklus. 1) Menstruation; 2) Reifung des Follikels; 3) reifer Follikel; 4) Corpus luteum und 5) Abbau des Corpus luteum (Quelle: M.Komorniczak, via Wikimedia Commons)

Dann tritt die erste "Reduktions" - oder Reifungsteilung auf, dh die erste Meiose. Diese Teilung führt zu zwei Zellen, einer Zelle mit der Hälfte des genetischen Materials, mit schlechtem zytoplasmatischen Gehalt und bekannt als "erster Polkörper".

Die zweite Zelle, die aus der ersten Meiose resultiert, ist groß und viel zytoplasmatischer als der Polkörper. Außerdem hat diese Zelle die andere Hälfte des genetischen Gehalts der primären Eizelle, die sie verursacht hat. Diese zweite Zelle wird als "sekundäre Eizelle" bezeichnet.

In der zweiten meiotischen Teilung teilen sich die sekundäre Eizelle und der erste Polkörper und bilden einen großen "Ovotid" bzw. drei kleine Polkörper. Die Eizelle wächst und verwandelt sich in eine reife Eizelle.

Die Polkörper sind nicht funktionsfähig und zerfallen am Ende, aber ihre Bildung ist notwendig, um die Eizelle des „Überschusses“ an Chromosomen zu entladen. Die ungleichmäßige zytoplasmatische Teilung ermöglicht es wiederum, eine große Zelle mit genügend Reservematerial für die Entwicklung eines neuen Individuums zu produzieren.

Eigenschaften

Wie die männliche Gametogenese hat auch die weibliche Gametogenese das ultimative Ziel, die weibliche Gamete zu produzieren. Dieser Gamete hat jedoch andere Eigenschaften und Funktionen als der männliche Gamete.

Wie bei der Synthese männlicher Gameten mischen auch weibliche Gameten die genetischen Informationen der Eltern und des Individuums, das sie produziert, um diese Informationen zu übertragen, und erhöhen gleichzeitig die genetische Variabilität ihrer Nachkommen.

Trotz der Tatsache, dass bei der weiblichen Gametogenese die primären Eizellen eine einzige funktionelle Eizelle (weibliche Gamete) bilden, verfügen sie über das gesamte Nährmaterial, um das neue Individuum nach der Befruchtung hervorzubringen.

Es ist bemerkenswert, dass zum Beispiel beim Menschen die weibliche Gametogenese ein kontinuierlicher Prozess ab der Pubertät ist, aber es ist endlich, dh beim Fötus eines weiblichen Geschlechtsbabys werden alle primären Eizellen gebildet, in denen eine Frau sein wird ihr ganzes Leben, die jeden Monat mit der Menstruation "verloren" gehen.

Gametogenese in Pflanzen

Nur in höheren Pflanzen spricht man von einer eigentlichen Gametogenese, und der Prozess in Pflanzen ist dem von Tieren ziemlich ähnlich.

Der Hauptunterschied besteht darin, dass Pflanzen in einem späten Entwicklungsstadium, das zuvor nicht vorbestimmt war, Gameten produzieren können, während bei Tieren die Bildung von Gameten auf bestimmte Regionen beschränkt ist, die während des Wachstums etabliert wurden embryonale Entwicklung.

Gamtogenese in Blütenpflanzen (Quelle: Pablo damiani2 über Wikimedia Commons)

Ein weiteres wichtiges Merkmal ist, dass die Fruchtbarkeit von Gameten zwar sehr häufig durch genetische Mutationen beeinträchtigt werden kann, diese Mutationen jedoch für die Nachkommen selten tödlich sind.

In höheren Pflanzen sind die männlichen und weiblichen Gameten das Pollenkorn bzw. die Eizelle. Sowohl die Eizelle als auch das Pollenkorn sind sitzend (unbeweglich) und befinden sich in jedem ihrer entsprechenden Gametophyten (analog zu Gonaden).

Weibliche Gametogenese

In Blütenpflanzen sind die Produktionsstätten für Eizellen als "Megasporangia" bekannt und befinden sich in einem Eierstock, der eine oder mehrere Eizellen enthält. Jede Eizelle besteht aus einem Megasporangium, das als Nucela bezeichnet wird, und ist von einem oder mehreren Integumenten umgeben.

Die Integumente kommen an einem Ende zusammen, um die Mikropyle zu bilden, eine Öffnung, durch die der Pollenschlauch des Pollenkorns eindringt. Innerhalb der Megasporangia fungiert eine als „Megasporozyt“ bekannte Zelle als Mutterzelle der Megaspore (Eizelle).

Der Megasporozyt unterliegt einer Meiose und bildet vier haploide Megasporen. Drei der Megasporen zerfallen normalerweise und die am weitesten von der Mikropyle entfernte überlebt und wird zum Megagametophyten.

In den meisten Angiospermen produziert der sich entwickelnde Megagametophyt acht Kerne. Vier Kerne gehen zu einem Ende des Eies und die anderen vier gehen zum anderen. Ein Kern von jedem der Enden wandert zum Zentrum der Eizelle, diese werden als "polare Kerne" bezeichnet.

Die verbleibenden Kerne an jedem Ende bilden Zellen, und eine dieser Zellen in der Nähe der Mikropyle entwickelt sich zu einer reifen Eizelle.

Der reife Megagametophyt besteht aus 8 Kernen in 7 verschiedenen Zellen. Dies wird auch als "Embryosack" bezeichnet, da sich der Embryo nach der Befruchtung im Inneren entwickelt.

Männliche Gametogenese

Pollenkörner oder Mikrogametophyten werden produziert und in den Staubblättern der Blume untergebracht. Jedes Staubblatt hat einen Staubbeutel und jeder Staubbeutel hat normalerweise vier Mikrosporangien, die als Pollensäcke bekannt sind.

In jedem Pollensack befinden sich die Stammzellen von Mikrosporen, dh von Pollenkörnern. Alle Stammzellen durchlaufen einen meiotischen Prozess, und aus jeder Stammzelle werden vier haploide Mikrosporen produziert.

Mikrosporen wachsen und entwickeln sich zu einem unreifen Pollenkorn. Diese unreifen Pollenkörner haben eine Zelle, aus der der "Pollenschlauch" hervorgeht, und eine generative Zelle, die zwei Spermien produziert.

Bevor Pollen aus dem Staubbeutel freigesetzt werden, entwickelt er eine äußere Schutzhülle eines Proteins namens Exin und eine innere Schutzhülle eines anderen Proteins, Intin. Viele Pflanzenarten können anhand des Musters identifiziert werden, das sich auf der inneren Hülle der Pollenkörner entwickelt.

Die endgültige Entwicklung des Pollenkorns erfolgt mit der „Keimung“ des Pollenschlauchs. Dies erfolgt erst, nachdem sich das Pollenkorn auf dem Stigma der Blume abgelagert hat, das anschließend bestäubt wird.

Verweise

1. Desai, N., Ludgin, J., Sharma, R., Anirudh, RK & Agarwal, A. (2017). Weibliche und männliche Gametogenese. In der klinischen Reproduktionsmedizin und Chirurgie (S. 19-45). Springer, Cham.
2. Hilscher, W. & Hilscher, B. (1976). Kinetik der männlichen Gametogenese. Andrologia, 8 (2), 105 & ndash; 116.
3. McCormick, S. (1991). Molekulare Analyse der männlichen Gametogenese in Pflanzen. Trends in Genetics, 7 (9), 298-303.
4. Ünal, E. & Amon, A. (2011, Januar). Die Gametenbildung setzt die Alterungsuhr in Hefe zurück. In Cold Spring Harbor Symposien zur quantitativen Biologie (Bd. 76, S. 73-80). Cold Spring Harbor Laboratory Press.
5. Van Blerkom, J. & Motta, P. (Hrsg.). (2012). Ultrastruktur der Reproduktion: Gametogenese, Fertilisation und Embryogenese (Vol. 2). Springer Science & Business Media.
6. Van Werven, FJ & Amon, A. (2011). Regulation des Eintritts in die Gametogenese. Philosophische Transaktionen der Royal Society B: Biological Sciences, 366 (1584), 3521-3531.
7. Wilson, ZA & Yang, C. (2004). Pflanzliche Gametogenese: Erhaltung und Kontraste in der Entwicklung. Reproduction, 128 (5), 483 & ndash; 492.