KeimzellenDefinition, Embryonale zu Gameten, Vs Somatische Zellen

Definition: Was sind Keimzellen?

Keimzellen sind die embryonalen Vorläufer von Ei- und Samenzellen (Gameten), die an der sexuellen Fortpflanzung von Tieren beteiligt sind. Bei Wirbeltieren entstehen diese Zellen in der frühen Entwicklung außerhalb des Embryos, bevor sie zu den Fortpflanzungsorganen des Organismus wandern.

Bei Mäusen beispielsweise stammen sie von Embryonen, die sich vor der Kastration und nach der Einnistung befinden (ein Embryo, der sich noch nicht mit der Gebärmutterwand verbunden hat). Da sie eine wichtige Rolle bei der Weitergabe von Informationen von einer Generation zur nächsten spielen, werden Keimzellen in einigen Bereichen als unsterbliche Zellen bezeichnet.

* Da alle Zellen eines Organismus von primordialen Keimzellen (PGCs) abstammen, werden PGCs oft als totipotent bezeichnet.

Zu den Merkmalen der Keimzellen gehören:

• Rund oder oval in der Form
• Groß in der Größe (zwischen 10 und 20 um je nach Organismus)
• Voluminös, exzentrisch gelegener Zellkern
• Wandert mit amöboider Bewegung
• Hohe Aktivität der alkalischen Phosphatase

Embryonalentwicklung der Keimzellen

Wie bei allen anderen Zellen (im somatischen Gewebe) ist auch die Keimbahnentwicklung stark reguliert, um sicherzustellen, dass der Organismus fruchtbar und fortpflanzungsfähig wird. Bei Wirbeltieren ist dieser Prozess als PGC-Spezifikation (Keimzellenspezifikation) bekannt und wird in zwei Modi unterteilt, nämlich den induktiven Modus und den Keimplasmamodus.

* Keimzellenspezifikation bezieht sich auf den Prozess, durch den Keimzellen beiseite gelegt werden.

Keimplasma – Bei diesem Mechanismus der Keimzellspezifikation werden mütterlicherseits vererbte Proteine (einschließlich RNAs, einige Organellen usw.) an einer bestimmten Stelle in der Eizelle oder im frühen Embryo mit den instruktiven Informationen abgelegt, die die Differenzierung der Zellen zu Keimzellen anweisen.

In D. melanogaster zum Beispiel werden Proteine und RNAs, die von den Ammenzellen produziert werden, durch die zytoplasmatischen Brücken zur Eizelle transportiert und lokalisieren sich im hinteren Teil des Ooplasmas, wenn sie an der Eizelle anhaften. Hier wird das Ooplasma zum Keimplasma, und die Zellen, die es während der Embryogenese erben, entwickeln sich zu primordialen Keimzellen.

Eine Reihe von Studien hat gezeigt, dass der Verlust des Keimplasmas mit dem Fehlen oder der Abnahme von Keimzellen verbunden ist, was beweist, dass Komponenten des Keimplasmas für die Entwicklung von Keimzellen entscheidend sind.

Induktion

Im Vergleich zur Spezifikation des Keimplasmas hat sich die Induktion bei den meisten Tieren als der häufigere Mechanismus der Keimzellspezifikation erwiesen. Sie ähnelt den anderen Mechanismen, die für die Zellspezifikation im Körper verwendet werden, und beinhaltet die Induktion von Keimzellen durch Signale aus dem extraembryonalen Ektoderm.

Im Mausembryo wie bei vielen anderen Tierembryonen sendet das extraembryonale Ektoderm die Signale (Bmp4/8 – Bone marrow promoting factor 4/8) an den Epiblast (den eigentlichen Embryo), der wiederum die Zellen in der Interphase zur Entwicklung zu primordialen Keimzellen anregt.

Zu den Organismen, in denen sich Keimzellen epigenetisch differenzieren (Keimplasma ist beteiligt), gehören:

• Salamander
• verschiedene andere Echsen
• Säugetiere (Menschen, Paviane, etc)
• Vögel

Zu den Organismen, bei denen Keimzellen durch Induktion entstehen, gehören:

• Zebrafisch
• Drosophila
• C. elegans

Entwicklung

Als Keimbahnstammzellen entstehen die primordialen Keimzellen aus einer kleinen Gruppe von Zellen, die sich zu einem frühen Zeitpunkt der Embryogenese (je nach Art des Organismus mehrere Tage oder einige Wochen) außerhalb des Embryos befinden.

Beim Menschen findet sich die erste Population dieser Zellen im Endoderm der Rückenwand im Dottersack in der Nähe der Allantois in der dritten Woche der Embryonalentwicklung. Sie wandern jedoch aus dem primären Ektoderm in diese Region, was zeigt, dass sie zu einem frühen Zeitpunkt der Embryogenese aus einem extraembryonalen Kompartiment stammen.

Ungefähr in der vierten Woche der Embryonalentwicklung beginnen die Zellen (Primordiale Keimzellen) aus dem Ektoderm in den Embryo zu wandern und werden extraembryonal (sie befinden sich in Kompartimenten des Dottersacks, die als Endoderm und Mesoderm bezeichnet werden). Von hier aus (in den nächsten zwei Wochen der Embryonalentwicklung) beginnen die Keimzellen mit ihrer Wanderung zu den Keimdrüsen, während sie sich vermehren.

Die Wanderung wird in drei Hauptphasen unterteilt:

– Trennungsphase – Die primordialen Keimzellen wandern vom Hinterdarm-Epithel zum Mesenchym.

– Zweite Migrationsphase – Mit Hilfe der amöboiden Bewegung wandern die Primordialkeimzellen vom Mesenchym (mesenchymale Zellen im dorsalen Mesenterium) in Richtung der Genitalkämme.

– Kolonisationsphase – Dies ist die letzte Phase der Wanderung, in der die Zellen die Gonaden (Genitalleisten) erreichen und besiedeln.

* Damit das Keimzellenprogramm beginnen kann, wird zunächst die Expression somatischer Gene unterdrückt.

* Die Proliferation und Migration primordialer Keimzellen wird nachweislich durch Faktoren wie TGFbeta1 bei Mäusen beeinflusst. Diese Faktoren werden von den Genitalkämmen freigesetzt und beeinflussen die Zellen, in diese Region zu wandern.

Merkmale zur Identifizierung von Keimzellen

Zusätzlich zu einem großen Kern und einer großen Größe haben Keimzellen auch einen unregelmäßigen Umriss, eine hohe Zytoplasma-Dichte und können unter dem Mikroskop rund oder oval erscheinen.

Die hohe alkalische Phosphataseaktivität wird im peripheren Zytoplasma der Zellen beobachtet.

Spezifische RNA und Proteine wie Vasas, die im Zytoplasma dieser Zellen gefunden werden, werden als molekulare Marker für den Nachweis von primordialen Keimzellen verwendet.

Zu den weiteren Bestandteilen von Keimzellen (Ultrastruktur) gehören:

• Sprachmaterial
• Ribosom
• Mitochondrien – runde Form
• Zwischendotter und Ölpartikel im Zytoplasma verstreut
• Zytoplasma/Keimplasma

Funktion: Keimzellen: Die Entwicklung der Keimzellen zu Geschlechtszellen

Bevor sich die Keimzellen zu Geschlechtszellen entwickeln, durchlaufen sie zunächst eine Reihe von Veränderungen, die sie darauf vorbereiten, sich entweder zu männlichen oder weiblichen Geschlechtszellen bei Männern bzw. bei Frauen zu entwickeln.

Auf der Grundlage von Forschungsstudien, die 2002 durchgeführt wurden, wurde herausgefunden, dass bei der Ankunft in den Keimdrüsen (männliche oder weibliche Keimdrüsen) eine DNA-Demethylierung stattfindet, die die Methylierungsmarkierungen von geprägten Genen entfernt, die auf den Genomen der Zellen vorhanden sind. Auf diese Weise werden die primordialen Keimzellen zurückgesetzt.

Dies ist besonders wichtig, weil es dazu beiträgt, dass die neuen epigenetischen Markierungen das Geschlecht des sich entwickelnden Embryos widerspiegeln. Nach der Geschlechtsbestimmung des Embryos werden die Genabdrücke in geeigneter Weise als mütterlich oder väterlich wiederhergestellt. An diesem Prozess sind Enzyme beteiligt, die als DNA-Methyltransferasen bekannt sind und Methylgruppen in einige der Cytosin-Nukleotide einfügen.

* Bei weiblichen Embryonen findet die neue Prägung nach der ersten Meiosephase (postembryonal) statt. Bei Männern geschieht sie jedoch vor der Meiose.

In den Keimdrüsen nimmt die Zahl der Urzellen durch rasche mitotische Proliferation zu. Dadurch kann die Population der Keimzellen von einigen Tausend auf mehrere Millionen ansteigen. Während die Teilung der weiblichen Keimzellen aufhört, teilen sich die männlichen Keimzellen nach der Geburt weiter.

Die während der Embryonalentwicklung gebildete Keimbahn ist an der Oogenese (bei der Frau) und der Spermatogenese (beim Mann) beteiligt. Bei der Frau beginnt die Oogenese mit den PGCs in den Eierstöcken, die eine Gruppe unreifer Keimzellen bilden, die als Oogonien bezeichnet werden.

Diese Zellen durchlaufen zunächst einen Zellteilungsprozess, der als Mitose bezeichnet wird, bis der Organismus sein mittleres fötales Leben erreicht, d.h. nach 20 Wochen der Trächtigkeit; einige der Zellen werden durch Apoptose zerstört, während der Rest (primäre Oozyten) ruht, bevor der Organismus die Pubertät erreicht. Bei Männern findet dieser Prozess in den Hoden statt, um diploide Spermatogonien zu erzeugen.

* Keimzellen, die diploid sind, durchlaufen eine Mitose, um Spermatogonium/Oogonium und schließlich die primäre Spermatocyte/Oozyte zu erzeugen. Primäre Spermatozyten und Eizellen müssen jedoch den reduktiven Teilungszyklus durchlaufen, der als Meiose bekannt ist.

Während sowohl die primäre Eizelle als auch die Spermatozyte zwei meiotische Phasen durchlaufen, entstehen bei den meiotischen Prozessen der Spermatozyten vier haploide Zellen (Samenzellen), während bei den meiotischen Prozessen der primären Eizelle eine einzige haploide Eizelle entsteht.

* Während diploide Zellen (z.B. primordiale Keimzellen) zwei Chromosomensätze (2n) haben, besitzen diploide Zellen (z.B. reife Samenzellen) nur einen Chromosomensatz (n).

* Wenn sich haploide Keimzellen (Eizelle vom Weibchen und Samenzelle vom Männchen) vereinigen, erzeugen sie eine diploide Zygote, die sich zu einem neuen Individuum weiterentwickelt. Da die Zygote das Produkt der Vereinigung der Gameten ist, enthält sie einen Chromosomensatz sowohl des männlichen als auch des weiblichen Geschlechts.

Keimzellen vs. somatische Zellen

Schon früh in der Embryonalentwicklung werden die Keimzellen von den Somazellen getrennt. Sobald diese Trennung erfolgt, ist sie nicht mehr umkehrbar, und jede Gruppe von Zellen geht ihren eigenen Weg.

In einigen Organismen ist diese Trennung erst im Erwachsenenalter nachweisbar. Unabhängig davon ist diese Trennung nicht nur deshalb wichtig, weil sie sicherstellt, dass der erwachsene Organismus fruchtbar und in der Lage ist, genetisches Material an die nächste Generation weiterzugeben, sondern auch, weil sie gewährleistet, dass sich die Keimbahnzellen normal entwickeln.

Somatische und Keimzellen sind also unterschiedliche Zelltypen, die sich durch mehrere Merkmale unterscheiden. Zum Beispiel sind somatische Zellen im Vergleich zu Keimzellen größtenteils reguläre Körperzellen, die an der ungeschlechtlichen Fortpflanzung beteiligt sind.

Sie sind also reguläre Zelltypen, die keine Fortpflanzungszellen sind. Sie werden durch Mitose erzeugt, die zur Bildung identischer Tochterzellen führt, die zwei Sätze homologer Chromosomen (2n) enthalten und daher diploide Zellen sind. Jede durch Mitose erzeugte Zelle (mitotische Zellen) ähnelt daher der Mutterzelle.

* Einige wenige Arten haben gezeigt, dass sie haploide somatische Zellen enthalten.

Im Gegensatz zu den somatischen Zellen, die durch mitotische Teilung den mehrzelligen Körper des Organismus aufbauen, werden Keimzellen durch Zellteilung erzeugt, um Gameten zu produzieren, die haploid sind und an der sexuellen Fortpflanzung beteiligt sind.

Im Gegensatz zu den somatischen Zellen, die die Mehrheit der Zellen ausmachen, sind die Keimzellen weniger zahlreich, da sie in verschiedenen Arten von Körpergeweben angeordnet sind, da sie in erster Linie an der Produktion von Keimzellen beteiligt sind.

* Während die beiden Zelltypen mehrere Unterschiede aufweisen, haben sie auch mehrere Gemeinsamkeiten – beide sind bei der Mehrheit der Tiere diploid, was bedeutet, dass sie zwei Sätze homologer Chromosomen haben. Andererseits differenzieren sie sich beide in bestimmte Zelltypen, die bestimmte Aufgaben im Körper erfüllen.

Keimzellen in Krebs/Tumor

Wenn primordiale Keimzellen fehlgeleitet werden und in extragonadalen Regionen landen (allgemein bekannt als extragonadale Stellen), sterben sie normalerweise ab, weil sie ihre Funktion an anderen Stellen als den Gonaden nicht erfüllen können.

In einigen Fällen überleben jedoch einige der Keimzellen und entwickeln sich zu Tumoren. Solche Defekte wie Fehlbildungen des Nervensystems und des Urogenitaltrakts usw. können das Risiko von Tumoren entlang der Mittellinie (dem Weg, dem die Keimzellen folgen, bevor sie zu den Keimdrüsen gelangen) erhöhen.

Obwohl Keimzelltumoren selten sind (sie machen zwischen 2 und 4 Prozent aller Krebserkrankungen bei Kindern und Jugendlichen aus), wurden mehrere Arten von Keimzelltumoren identifiziert.

Dazu gehören:

Keimzelltumore der Gonaden

Das sind die Arten von Tumoren, die sich im Fortpflanzungsorgan (Gonaden) des Kindes entwickeln, wie z.B:

Ovarielle Keimzellen – Ovarielle Keimzelltumore entwickeln sich meist in einem Eierstock bei Mädchen im Alter zwischen 10 und 14 Jahren. Wenn sie krebsartig sind, werden diese ovariellen Keimzelltumore als Dysgerminome bezeichnet.

Obwohl sich diese Tumore im Eierstock entwickeln, können sie sich auch auf andere Teile des Körpers ausbreiten (bösartige Tumore). In den meisten Fällen sind diese Tumore jedoch nicht bösartig und entwickeln sich zu Zysten, die als Teratome bezeichnet werden.

Hodenkeimzelltumore – Es hat sich gezeigt, dass die Mehrzahl der Hodenkrebserkrankungen in den Keimzellen beginnt. Diese Krebsarten treten häufig bei Jugendlichen und jüngeren Männern auf.

Hodenkrebs wird in zwei Hauptkategorien eingeteilt:

Seminom

Tumore, die zu 100 Prozent ein Seminom sind, unterscheiden sich von der nächsten Kategorie von Hodenkrebs. Obwohl es hauptsächlich die Hoden betrifft, wird es in einigen wenigen Fällen auch an anderen Stellen außerhalb der Keimdrüsen, einschließlich des Mediastinums, gefunden. Im Vergleich zu einigen anderen Hodenkrebsarten ist das Seminom sehr gut heilbar und hat die höchste Überlebensrate.

Nicht-Seminome

Nicht-Seminome werden in verschiedene Krebsarten eingeteilt, darunter:

– Dottersacktumor – Dottersacktumoren, die auch als endodermale Sinustumoren bekannt sind, befallen häufig die Hoden und Eierstöcke und neigen dazu, sich schnell auf andere Körperteile (z. B. Lymphknoten) auszubreiten.

– Teratom – Diese Art von Tumor entsteht, wenn Urzellen fehlgeleitet werden. Ihre Entwicklung führt zur Bildung von Wucherungen, die unter anderem differenzierte Gewebe wie Haare, Haut und Knorpel enthalten. Diese Art von Tumoren findet sich meist an Stellen wie der Mund- und Sakrokozygealregion.

– Embryonalkarzinom – Diese Krebsart tritt auf, wenn sich die Krebszellen des Tumors mit anderen Arten von Keimzelltumoren vermischen und diese dadurch krebsartig werden. Er ist durch das Vorhandensein von primitiven Epithelzellen mit ausgeprägtem Pleomorphismus gekennzeichnet.

– Choriokarzinom – Diese Krebsart kommt häufig in der Gebärmutter vor und betrifft Zellen, die die Plazenta bilden.

Extrakranielle extragonadale Keimtumore

Keimzelltumore, die nicht spezifisch in den Keimdrüsen auftreten, werden als extrakranielle extragonadale Keimtumore bezeichnet. Als solche gehen sie von den Samen- und Eizellen aus und breiten sich auf andere Körperteile außerhalb der Keimdrüsen aus.

Sie erreichen nicht das Gehirn. Sie sind daher entlang der Mittellinie verbreitet, die von der Zirbeldrüse bis zum Steißbein verläuft. Das Mediastinum, der zentrale Teil des Brustkorbs, ist der häufigste Ort dieser Tumoren in der frühen Kindheit.

Einige der Behandlungen, die zur Behandlung von Keimzelltumoren/Krebsen eingesetzt werden, umfassen:

• Operation zur Entfernung der Krebszellen/des Gewebes

• Chemotherapie – Der Einsatz von Medikamenten, um Krebszellen abzutöten und ihre Ausbreitung auf andere Teile des Körpers zu verhindern

• Bestrahlung. Dabei werden Röntgenstrahlen eingesetzt, um Krebszellen abzutöten

Lesen Sie hier mehr über Zellteilung und Apoptose

Was sind die Unterschiede zwischen Meiose und Mitose?

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Cassandra G. Extavour und Michael Akam (2003). Mechanismen der Keimzellspezifikation bei den Metazoen: Epigenese und Präformation.

Cynthia R. Wagner. (2010). Germ Cells and Epigenetics. Nature Masterclass.

Inbar Maayan. (2011). Meiosis in Humans.

Mark Van Doren. (2011). Die Zellbiologie des Lebenszyklus der Keimzellen. NCBI Resources.

Pritesh Krishnakumar und Roland Dosch. (2018). Germ Cell Specification: The Evolution of a Recipe to Make Germ Cells.