Entwicklungsbiologie

Gegenstand und Grundlagen

Die Entwicklungsbiologie erforscht die Ontogenese: die Vorgänge, durch die ein einzelner Organismus von einer einzelnen Zelle zu einem komplexen vielzelligen Organismus wächst und sich entwickelt. Sie geht aus der Embryologie hervor und untersucht heute die genetischen und epigenetischen Prozesse der Selbstorganisation von Zellen. Grundlage sind ererbte Genregulationsnetzwerke, physiko-chemische Eigenschaften von Zellen und Geweben sowie Umweltfaktoren.

Ernst Haeckel definierte Entwicklung als den gesamten Vorgang von der befruchteten Eizelle bis zum erwachsenen Lebewesen. Entwicklungsgenetik wird weitgehend synonym verwendet, kann aber auch Verhaltensgenetik meinen und berücksichtigt epigenetische Aspekte weniger. Die Entwicklungsneurobiologie untersucht die Reifung des Nervensystems; die Evolutionäre Entwicklungsbiologie (EvoDevo) befasst sich mit Verbindungen zwischen Entwicklung und Evolution.

Faktoren und Mechanismen der Entwicklung

Entwicklung entsteht aus dem Zusammenwirken genetisch bestimmter Faktoren, epigenetischer Einflüsse und Entwicklungsmechanismen. Zu den Genprodukten gehören Morphogene, Adhäsionsmoleküle, Wachstumsfaktoren und Entwicklungsgene. Morphogene steuern die räumliche Ordnung der Zelldifferenzierung und damit indirekt die Formbildung. Adhäsionsmoleküle bewirken die Haftung an Zellen oder Substraten, beispielsweise Cadherine und Integrine. Wachstumsfaktoren sind Proteine im extrazellulären Raum, die bestimmte Zelltypen für normales Wachstum benötigen; dazu zählen Knochenmorphogenetische Proteine.

Entwicklungsgene umfassen Maternaleffekt-Gene für die Polarität, Segmentierungsgene für die Gliederung, Kompartiment-Gene für Feldunterteilungen, Historegulationsgene für die Zelldifferenzierung, homöotische Gene für Segment- und Feld-Gene für Organ-Anlagefelder. Homöotische Gene enthalten eine Homöobox, die für einen Transkriptionsfaktor codiert; Hox-Gene sind die bekanntesten. Mutationen können Organstrukturen oder Körperabschnitte umwandeln oder verloren gehen lassen.

Epigenetische Faktoren verändern Zellen durch Einflüsse der inneren oder äußeren Umwelt. Zur inneren Umwelt zählen die chemische Umgebung des Embryos, Zellinteraktionen sowie räumlich-geometrische Bedingungen wachsender Gewebe. Zur äußeren Umwelt gehören chemische Zusammensetzung, Ernährung, Licht, Mechanik, Schwerkraft und Temperatur. Temperatur kann bei Schildkröten und Krokodilen die Geschlechtsdetermination beeinflussen. Epigenese beschreibt die schrittweisen Prozesse der embryonalen Organ-Morphogenese.

Wichtige Mechanismen sind Induktion, Zellproliferation, Differenzierung, Determination, Zellmigration, Signaltransduktion, Apoptose, Zellwachstum und Musterbildung. Induktion ist die Beeinflussung einer embryonalen Zielgruppe durch Signale einer anderen Gruppe, etwa bei der Linsenentwicklung des Wirbeltierauges. Zellproliferation sind schnelle, kontrollierte Zellteilungen. Differenzierung bedeutet, dass je nach Zelltyp nur die jeweils relevanten Gene aktiv sind; dies heißt differenzielle Genexpression. Determination oder Commitment legt einen Entwicklungsweg nicht reversibel fest, während Spezifizierung reversibel ist. Eine noch nicht reife programmierte Zelle wird mit „-blast“, eine ausdifferenzierte mit „-cyt“ bezeichnet.

Stammzellen erhalten ihre Teilungsfähigkeit. Bei asymmetrischer Teilung bleibt eine Tochterzelle Stammzelle, die andere differenziert weiter. Totipotente Zellen wie die Eizelle können den ganzen Organismus bilden; pluripotente embryonale Stammzellen können Zellen aller Keimblätter hervorbringen; multipotente Zellen bilden verschiedene Zelltypen einer Linie; unipotente nur einen Zelltyp. Das Entwicklungspotenzial nimmt in dieser Reihenfolge ab.

Apoptose ist programmierter, kontrollierter Zelltod ohne Schädigung des umgebenden Gewebes, beispielsweise beim Abbau der Zwischenräume zwischen Fingern und Zehen oder des Kaulquappenschwanzes. Selbstorganisation bedeutet, dass aus zunächst unstrukturierter Zell- und Gewebeorganisation Ordnung entsteht. Das Turingmodell von 1952 ist ein chemisches Reaktions-Diffusionsmodell zur Morphogenese; das daraus weiterentwickelte LALI-Modell beruht auf lokalem Aktivator und lateraler Inhibition. Es erklärt Musterbildung auf Zellebene durch Zellinteraktionen. Muster, etwa Haut- und Fellmuster oder neuronale und räumliche Strukturen, sind daher nicht im Detail genetisch determiniert. Kompartimentierung bezeichnet die zeitlich und räumlich begrenzte Aktivierung von Genen und Signalen; beim Insektenembryo entstehen in einer mittleren Entwicklungsphase etwa 200 Kompartimente.

Frühe Embryonalentwicklung der Wirbeltiere

Die Hauptstadien sind: Zygote → Furchung → Gastrulation → Organogenese → Fetogenese → Larvalstadium mit Metamorphose → Juvenilstadium → Adultstadium → gegebenenfalls Maturität, Altern und Tod. Zygote, Furchung und Gastrulation bilden die Frühentwicklung.

Gameten entstehen durch Meiose als haploide Keimzellen: Eizellen und Spermien. Ihre Haploidie ermöglicht bei der Befruchtung genetische Neukombination und damit genetische Vielfalt. Bei der Befruchtung ziehen von der Eizelle abgegebene Stoffe Spermien an. Ein Spermium dockt an, die Membranen verschmelzen und sein Vorkern dringt ein. Eine Änderung des Membranpotenzials verhindert Polyspermie. Nach der Verschmelzung beider Zellkerne besitzt die Zygote Erbmaterial von Vater und Mutter.

Die Furchung beginnt die Embryogenese. Sie ist eine schnelle Folge synchroner Zellteilungen der Zygote, ohne dass zusätzliches Zellplasma bereitgestellt wird; der Zellverband bleibt daher zunächst gleich groß. Beim Menschen bestehen nach 7 Tagen und 7 Furchungsrunden etwas über 100 Zellen, darunter etwa zehn Embryoblastzellen. Zunächst entsteht die Morula, danach die Blastula beziehungsweise bei Säugern die Blastocyste mit dem Blastocoel als primärer Leibeshöhle. Die Säuger-Blastocyste gliedert sich in Trophoblast, der die nährende Verbindung zur Gebärmutter herstellt, und Embryoblast, aus dem der Embryo hervorgeht. Beim Menschen liegen totipotente Zellen womöglich noch im Achtzellstadium vor; spätere Embryoblastzellen sind pluripotent.

Während der Gastrulation wird die Blastula durch Einstülpung und Zellverschiebungen reorganisiert. Bei Wirbeltieren als Neumündern wird der Urmund zum After; der Mund entsteht am gegenüberliegenden Pol neu. Bilateralsymmetrische Tiere bilden drei Keimblätter: Entoderm, Mesoderm und Ektoderm. Aus dem Entoderm entstehen unter anderem Verdauungstrakt, Pankreas, Leber, Atmungstrakt, Schilddrüse und Harnwege. Das Mesoderm trägt zu Unterhaut, Chorda, Knorpel, Knochen, Skelettmuskulatur und Blutzellen bei. Das Ektoderm ist vor allem an Nieren, Haut und Nervensystem beteiligt. Endgültige Organe enthalten in der Regel Bestandteile aller drei Keimblätter.

Die Körperachsen – vorn und hinten, oben und unten sowie rechts und links – werden früh festgelegt. Je nach Tier spielen Schwerkraft, Licht, Struktur der Eizelle, Eintrittsort des Spermiums oder maternale mRNA im Ei eine Rolle. Bei Drosophila melanogaster wird die antero-posteriore Achse weitgehend durch das mütterliche Genom bestimmt. Bei der Maus ist die Polarität auch nach der Furchung offenbar noch nicht festgelegt. Die Organogenese entwickelt Organanlagen nach Furchung und Gastrulation; anschließend folgt die Fetogenese.

Modellorganismen, Entwicklungstypen und spätere Vorgänge

Modellorganismen sollen sich gut und kostengünstig züchten lassen, kurze Generationszeiten und viele Nachkommen haben, natürliche Mutanten und möglichst induzierbare Eiablage bieten sowie einfach beobachtbar sein. Wichtige Wirbeltiermodelle sind Zebrabärbling (Danio rerio), Glatter Krallenfrosch (Xenopus laevis), Bankivahuhn (Gallus gallus) und Hausmaus (Mus musculus). Bei Wirbellosen dienen Seeigelkeim, Taufliege Drosophila melanogaster, Fadenwurm Caenorhabditis elegans oder Pristionchus pacificus, Reismehlkäfer Tribolium castaneum und Krebs Partiale hawaiensis als Modelle.

An D. melanogaster wurden Grundlagen der Achsenbildung und Segmentierung untersucht. Maternale Morphogene erzeugen Konzentrationsgradienten im syncytialen Embryo und beeinflussen die Transkription weiterer Gene. In einer hierarchischen Kaskade entstehen molekulare Vormuster und schließlich die Segmentierung des Larvenkörpers. Wichtige Genklassen sind Maternalgene, Lückengene, Paarregel-Gene und Segmentpolaritätsgene. An der Taufliege wurden außerdem der Hox-Gen-Komplex, die Antennapedia-Mutante mit Beinen statt Antennen, der Hedgehog-Signalweg und Pax-6 beschrieben. Ihre Entwicklung ist regulativ: Entwicklungswege beruhen stark auf Zellinteraktionen und der Nachbarschaft von Zellen.

C. elegans besitzt eine streng deterministische Entwicklung mit Zellkonstanz (Eutelie): Jedes adulte Hermaphrodit-Individuum hat exakt 959 Zellen. Alle Zellteilungen lassen sich zu einem Zellstammbaum verfolgen. Die Apoptose baut dabei exakt 131 benötigte Zellen gezielt ab. Asymmetrische Teilungen sind für die antero-posteriore Achse wichtig, direkte Zellkontakte für die dorso-ventrale Achse; dabei wirkt besonders der Notch-Signalweg, später auch der Wnt-Signalweg. Morphogengradienten spielen keine Rolle. Diese Mosaikentwicklung beruht auf früh im Ei verteilten Determinanten, die Zellen ihre Aufgaben unabhängig voneinander zuweisen.

Geschlechtsdetermination kann genetisch über Selektorgene auf Heterosomen erfolgen, etwa über das SRY-Gen auf dem Y-Chromosom des Menschen. Sie ist jedoch nicht einheitlich: C. elegans bildet Hermaphroditen und zusätzlich Männchen; bei Krokodilen und vielen Schildkröten hängt das Geschlecht von der Bruttemperatur ab und wechselt bei Überschreiten eines Schwellenwerts von weiblich zu männlich.

Metamorphose ist die Aufgabe eines larvalen Phänotyps bei gleichzeitiger Ausbildung eines neuen Phänotyps, der eine neue ökologische Nische und einen neuen Lebensraum besetzt. Sie verändert Morphologie, Physiologie und Enzymausstattung. Unterschiedliche Phänotypen vom Embryo über Larve und Puppe bis zum Imago beruhen auf demselben Genom.

Regeneration ist die lebenslange Fähigkeit, verlorene Körperteile neu zu erzeugen. Schwämme, Hydra und Strudelwürmer regenerieren besonders stark; Hydra kann Kopf, Fuß und Nervenzellen ersetzen. Bei der Regeneration müssen Art und Umfang des Fehlenden erkannt und Ersatzmaterial bereitgestellt werden, etwa durch multipotente Stammzellen oder Transdifferenzierung, bei der Zellen in einen früheren Zustand dedifferenzieren. Krebs ist dagegen durch übermäßiges, unkontrolliertes Wachstum bestimmter Zelltypen gekennzeichnet. Dabei versagen Proliferations- oder Differenzierungskontrollen, Stammzellcharakter bleibt erhalten, oder Zellen werden nicht rechtzeitig durch Apoptose entfernt.

Pflanzen und Studium

Wichtige Modellorganismen der Pflanzenentwicklungsbiologie sind das Kleine Blasenmützenmoos (Physcomitrella patens), die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), der Mais (Zea mays subsp. mays), das Große Löwenmaul (Antirrhinum majus) und die Garten-Petunie (Petunia hybrida).

An deutschsprachigen Universitäten gibt es meist Lehrstühle für molekulare Entwicklungsbiologie; teils bestehen Institute für Embryologie oder Pflanzenembryologie. Embryologie umfasst Entwicklungsvorgänge von der Gametogenese über Embryogenese und Fetogenese bis zur Geburt sowie morphologische Aspekte von Geschlechtszyklus und Trächtigkeit. Sie vermittelt damit Grundlagen der Reproduktionsbiologie.