Auf dem Weg von einer befruchteten Eizelle bis zum fertigen Menschen braucht es einige Schritte und vor allem viel Zeit. Neben enorm vielen Zellteilungen hat die Zelldifferenzierung hier eine zentrale Rolle, ohne die ein Mensch nicht zustande kommen würde.
Durch die Zelldifferenzierung ist es einem Organismus erst möglich, Aufgaben auf verschiedene Zellen und somit auf verschiedene Gewebe zu verteilen. Ohne die Zelldifferenzierung würde es also keine komplexen Lebewesen wie Menschen, Tiere oder Pflanzen geben.
Zelldifferenzierung Definition
Unter der Zelldifferenzierung versteht man die Veränderung einer undifferenzierten Vorläuferzelle zu einer Zelle mit veränderter Form und spezieller Funktion. Das geschieht durch die Expression bestimmter Gene, die bei anderen Zelltypen wiederum nicht stattfindet.
Bei jeder Zellteilung entstehen aus einer ursprünglichen Zelle zwei identische Zellen, die Tochterzellen genannt werden. Diese Tochterzellen tragen alle den gleichen genetischen Code in sich. Das ist sozusagen der Bauplan für den Organismus. In verschiedenen Zellen werden dann jeweils andere Teile dieses Bauplans umgesetzt, wodurch am Ende der gesamte Organismus zustande kommt.
Der menschliche Körper besitzt etwa 200 Arten von differenzierten Zellen, die alle ihre eigene Aufgabe haben und somit zur Erhaltung des Organismus beitragen. Durch die Zelldifferenzierung ist es möglich, Aufgaben auf verschiedene Zellen und Gewebe aufzuteilen, da eine Zellart allein nicht alle Aufgaben des Körpers erfüllen kann. Dieses wertvolle Werkzeug der Natur ermöglicht es mehrzelligen Organismen eine höhere Komplexität zu erreichen.
Differenzierte Zellen unterscheiden sich insofern von undifferenzierten Zellen, dass sie eine spezialisierte Funktion haben. Undifferenzierte Zellen besitzen (noch) keine spezielle Funktion im Organismus.
Nach der Differenzierung sind die Zellen meist nicht mehr dazu fähig, sich zu teilen. Stattdessen entstehen aus Stammzellen immer wieder die spezifischen Zellen, die das Gewebe ausmachen.
Ablauf der Zelldifferenzierung
Bei komplexen Organismen entstehen alle differenzierten Zellen aus einer Stammzelle. Diese befinden sich im Rückenmark und bleiben das ganze Leben im Körper vorhanden. Stammzellen können sich entweder zur Selbsterhaltung teilen oder sich zu Vorläuferzellen differenzieren, welche sich selbst zu spezialisierten Zellen differenzieren können. Welchen der beiden Wege die Stammzelle geht, hängt davon ab, was gerade im Körper gebraucht wird.
Bis eine vollständig spezialisierte Zelle entstanden ist, finden zwei Differenzierungsprozesse hintereinander statt. Zuerst kommt die primäre Differenzierung (auch Determination), worauf dann die sekundäre Differenzierung folgt.
Die primäre Differenzierung bestimmt den übergeordneten Zelltyp. Hierbei entstehen die Vorläuferzellen für die spezifischen Zellen. Bei diesem Schritt verändern sich die Zellen in ihrer Form vorerst nicht. Spezialisierte Zellen entstehen im Laufe der sekundären Differenzierung, welche mehrere Schritte beinhaltet.
Der Ablauf beider Schritte unterscheidet sich prinzipiell kaum. Es werden lediglich andere Gene aktiviert oder abgeschaltet, sodass ein anderer Zelltyp am Ende des Vorgangs steht.
Bei der Determination entsteht z. B. eine blutbildende Stammzelle. Aus dieser blutbildenden Stammzelle können dann verschiedene Blutzellen wie die roten Blutkörperchen entstehen, welche Sauerstoff transportieren.
Zelldifferenzierung – Determination
Die Determination der Zellen erfolgt durch sogenannte Determinanten und Determinatoren. Determinanten sind intrazelluläre Faktoren, während Determinatoren äußere Einflüsse sind. Diese beiden Faktoren führen zur Expression verschiedener Gene in verschiedenen Zellen, was als differenzielle Genexpression bezeichnet wird. Sie bildet die Grundlage für die Zelldifferenzierung.
Die differenzielle Genexpression ist nur möglich, weil - bis auf wenige Ausnahmen - jede Zelle eines Organismus den gleichen genetischen Bauplan besitzt. Determinanten und Determinatoren führen dazu, dass nur bestimmte Teile dieses Bauplans in jeder Zelle realisiert werden.
Die Steuerung erfolgt auf molekularer Ebene durch die Kontrolle von Transkription und Translation.
Zur Erinnerung: Bei der Transkription wird ein Teil der DNA in mRNA (messenger-RNA) umgeschrieben, sodass dieser Teil den Zellkern verlassen kann. Im Cytoplasma wird aufgrund dieser mRNA dann durch die Translation das zugehörige Protein hergestellt.
Bestimme Transkriptionsfaktoren verhindern oder ermöglichen im Zellkern die Transkription. Wird ein Gen nicht abgelesen und in mRNA umgeschrieben, kann auch das zugehörige Protein nicht synthetisiert werden. Das hindert die Zelle daran, bestimmte Funktionen ausführen zu können. Im umgekehrten Fall werden der Zelle mithilfe verschiedener Proteine bestimmte Funktionen verliehen.
Zelldifferenzierung – Formative Teilung
Ein Prozess, an dem die Differenzierung der Zellen direkt beobachtet werden kann, ist die formative Teilung. Hierbei entstehen aus einer Zelle nicht wie gewöhnlich zwei identische Tochterzellen, sondern zwei Zellen, die oft unterschiedlich groß und somit nicht mehr identisch sind. Als Folge dieser Änderung nehmen die Zellen verschiedene Formen und Funktionen an. Es ist jedoch noch nicht geklärt, wie genau es zu diesen Änderungen kommt.
Was eine formative Teilung ist, kannst Du Dir einfach merken: Bei der formativen Teilung ändert sich die Form beider Tochterzellen durch die unterschiedlichen Größen.
Zelldifferenzierung – Einflüsse
Die Differenzierung in verschiedene Zelltypen kann sowohl von der Genetik als auch von äußeren Einflüssen gesteuert werden. Zu den genetischen Voraussetzungen gehört die Expression verschiedener Gene sowie die Determination durch die Vorläuferzelle. Äußere Einflüsse können Hormone oder Wachstumsfaktoren, aber auch Zellkontakt bzw. Zelladhäsion sein.
Zelladhäsion beschreibt die Anheftung von Zellen aneinander oder an Oberflächen.
Zellkontakt kann die Differenzierung deshalb beeinflussen, weil bestimmte Zellen Signalstoffe produzieren und in das umliegende Gewebe abgeben. Diese Signalstoffe werden Morphogene genannt. Da sie als Signal fungieren und damit die Morphogenese beeinflussen, werden sie auch als morphogenetisches Signal bezeichnet.
Morphogene bilden bei der Verbreitung im Gewebe einen Gradienten aus. Das bedeutet, dass sich ausgehend vom Ursprungsort verschiedene Konzentrationen dieses Stoffs im umliegenden Gewebe befinden.
Um es Dir besser vorstellen zu können, hier ein kleines Beispiel. Wenn Du Zucker in Deinen Tee oder Kaffee gibst, ist die höchste Konzentration des Zuckers erst einmal am Boden. Im Rest der Flüssigkeiten ist nur ganz wenig Zucker gelöst. In diesem Getränk besteht somit gerade ein Konzentrationsgradient, da der zu lösende Stoff (Zucker) nicht gleichmäßig im ganzen Getränk verteilt ist.
Die verschiedenen Konzentrationen des Morphogens beeinflussen die Zellen zu einer bestimmten Reaktion. Zellen, die einer hohen Konzentration ausgesetzt sind, reagieren anders als solche, die niedrigen Konzentrationen ausgesetzt sind. Die verschiedenen Reaktionen äußern sich letztlich wieder als variierende Genexpression, die zu verschiedenen Funktionen und Formen führt.
Zelldifferenzierung – Vorteile
Welchen Mehrwert hat die Zelldifferenzierung nun für höhere Lebewesen? Ohne die Differenzierung der Zellen würde ein Organismus nur aus einer einzigen Zellart bestehen. Ein menschlicher Körper besteht aber aus verschiedensten Zelltypen, die alle ihre eigene Aufgabe erfüllen, wie kleine Zahnräder in einem großen Uhrenwerk.
Die Zelldifferenzierung verhilft komplexen Organismen somit dazu, die vielseitigen Aufgaben auf mehrere Zelltypen aufzuteilen, welche sich im Verbund zu einem Gewebe und infolgedessen zu Organen zusammenschließen. So können sich die spezialisierten Gewebe auf das konzentrieren, was sie am besten können.
Ein Gewebe wird definiert durch einen Verbund aus Zellen, der sich in Form, Funktion und Größe ähnelt.
Die Zelldifferenzierung bildet die Basis für die Morphogenese. Dieser Begriff steht für die Bildung der gesamten Gestalt eines Organismus. Dazu gehören sowohl die einzelnen Strukturen als auch deren räumliche Anordnung untereinander.
Das Wort Morphogenese setzt sich aus den griechischen Begriffen morphe (= Gestalt, Form) und genesis (= Entstehung, Schöpfung) zusammen und bedeutet wörtlich übersetzt "Entstehung der Gestalt".
Zelldifferenzierung – Zellpotenzen
Während der Differenzierung verändert sich die Potenz der Zelle.
Die Potenz bezeichnet die Fähigkeit der Zelle, sich in verschiedene Gewebe- bzw. Zelltypen zu entwickeln.
Man unterscheidet in drei verschiedenen Arten der Potenz:
| Art der Potenz | Bedeutung | Beispiel |
| Totipotenz | Entwicklung zu einem gesamten Organismus möglich | befruchtete Eizelle bis zum 8-Zellstadium |
| Pluripotenz | Entwicklung zu allen Organen und Geweben möglich, aber nicht zu einem Organismus | embryonale Stammzelle |
| Multipotenz | Entwicklung zu verschiedenen Subtypen des eigenen Zelltyps | Vorläufer der Blutzellen |
Entdifferenzierung
Das Gegenteil der Zelldifferenzierung stellt die Entdifferenzierung dar. Bei diesem Prozess kommt es über die Dauer mehrerer Zellteilungen zum Formverlust der Zelle, was auch eine Veränderung der Funktion mit sich bringen kann. Danach gilt die Zelle wieder als undifferenziert.
Entstehung von Tumoren
Die Entdifferenzierung spielt eine große Rolle bei Krebserkrankungen. Die Tumorzellen nehmen durch ihre fehlende Spezifität, die durch den Verlust aller Zellstrukturen hervorgerufen wird, keine Signale mehr von den gewebsspezifischen Nachbarzellen an. Außerdem beginnen sie, sich unkontrolliert zu teilen. Das liegt zum einen daran, dass undifferenzierte Zellen sich eben noch teilen können, während differenzierte Zellen das nicht tun. Andererseits werden sie nicht mehr von den Signalen der Nachbarzellen "in Schach gehalten", da sie diese aufgrund der fehlenden Spezifität nicht mehr empfangen.
Differenzierte Zellen verbleiben in der G0-Phase des Zellzyklus. Diese Phase wird auch Ruhephase genannt, weil sich die Zelle eben nicht mehr teilt.
Zur Erinnerung: Der Zellzyklus wird in die Interphase und die M-Phase (für Mitose) eingeteilt. In der Interphase wird die DNA verdoppelt, um während der Mitose auf zwei Tochterzellen aufgeteilt zu werden. In der Mitose-Phase teilt sich der Zellkern und die Zelle selbst.
In der Interphase gibt es nun unter anderem die G0-Phase, die zu Anfang schon erwähnt wurde.
Kommt es zur Entdifferenzierung einer Zelle, tritt diese gleichzeitig aus der G0-Phase aus und durchläuft den Zellzyklus wieder wie gewohnt.
Je weiter die Entdifferenzierung fortgeschritten ist, desto bösartiger und gefährlicher ist der Tumor.
Das zerstört nach und nach das Gewebe bzw. das Organ, sodass es seine Funktion nicht mehr ausüben kann.
Würde nun im Muskelgewebe ein Tumor entstehen, würde das bösartige Gewebe das gesunde und funktionelle Gewebe immer mehr verdrängen. Dadurch würde nach einiger Zeit nicht mehr genug funktionierendes Gewebe vorhanden sein, welches zur umfassenden Funktion des Muskels nötig ist. Der Muskel könnte dann nicht mehr funktionieren und die erkrankte Person wäre in ihrer Bewegung am Ort des betroffenen Muskels eingeschränkt.
Damit ein Tumor entsteht, müssen in der Regel jedoch mehrere Gene defekt sein. Die Entdifferenzierung ist also nicht allein für die Entstehung von Krebs verantwortlich. Das Stadium der Entdifferenzierung kann jedoch herangezogen werden, um den Tumor zu klassifizieren.
Die Beurteilung eines Tumors aufgrund des Voranschreitens der Entdifferenzierung nennt man Grading. In drei bzw. fünf Stufen werden die Tumorzellen je nach Stadium der Entdifferenzierung unterteilt. Die Beurteilung erfolgt von kaum entdifferenzierten Zellen, die noch fast identisch zum Ursprungsgewebe sind, bis hin zu Zellen, bei denen der Grad der Entdifferenzierung nicht mehr festzustellen ist, da sie jegliche Form und Spezifität verloren haben.
Relevanz der Entdifferenzierung für den Körper
Die Entdifferenzierung führt nicht immer zur Entstehung von Krebs, sondern hat auch wichtige Funktionen für den Körper.
Benötigt ein Gewebe schlagartig viele Zellen, wie es bei einer Verletzung der Fall wäre, entdifferenzieren sich manche Zellen, um sich teilen zu können und damit dem vorangegangenen Zellverlust entgegenzuwirken. Wird die Verstärkung nicht mehr benötigt, differenzieren sich die Zellen wieder zum spezifischen Gewebe.
Zelldifferenzierung – Besonderheiten bei Pflanzenzellen
Anders als bei Tieren wird der Prozess der Zelldifferenzierung bei Pflanzen hauptsächlich durch Umwelteinflüsse gesteuert. Sie besitzen, wie tierische Zellen auch, alle benötigten Anlagen, um einen Organismus zu entwickeln. Jedoch haben die Umgebungsbedingungen einen großen Einfluss darauf, wann welche Differenzierung stattfindet.
Ändern sich diese Umwelteinflüsse, so passt sich das Wachstum der Pflanze entsprechend an. Die Morphogenese kann anhand des beeinflussenden Faktors in fünf Kategorien unterteilt werden:
- Trophomorphogenese: Verfügbarkeit von Phosphor, Eisen, Stickstoff- oder Schwefelverbindungen
- Hydromorphogenese: Verfügbarkeit von Wasser in der Erde
- Thermomorphogenese: Temperaturen
- Photomorphogenese: Lichteinstrahlung
- photoperiodisch bedingte Morphogenese: Tag- bzw. Nachtlängen
Diese Unterkategorien der Morphogenese sind keine eigenständigen Prozesse, sondern ergeben zusammen den gesamten Vorgang der Morphogenese. Neben all diesen Einflüssen ist die Genetik aber natürlich nicht zu vernachlässigen.
Zellpotenz von Pflanzen
Eine interessante Eigenschaft von Pflanzen ist die Totipotenz ihrer Meristeme. Meristeme sind das undifferenzierte Zellgewebe einer Pflanze, weswegen sie auch als Bildungsgewebe bezeichnet werden. Entnimmt man der Pflanze ein Teil dieses Gewebes und pflanzt es unter optimalen Bedingungen ein, so kann eine komplett neue Pflanze daraus entstehen.
Viele Sukkulenten haben den Vorteil, dass man ihnen ihre Blätter entnehmen und diese gesondert wieder einpflanzen kann, sodass eine eigenständige, neue Pflanze entsteht. Man nennt diese Strukturen auch Stecklinge.
Zelldifferenzierung am Beispiel der Muskelzellen
Muskelzellen werden auch Myocyten genannt. Von ihnen gibt es im Körper 3 verschiedene Arten:
Skelettmuskeln
glatte Muskelzellen
Herzmuskeln
Skelett- und Herzmuskeln werden aufgrund ihrer Struktur zusätzlich von den glatten Muskelzellen unterschieden. Sie gehören zum gestreiften Muskelgewebe. Skelettmuskeln sind durch Sehnen mit Knochen verbunden. Glattes Muskelgewebe befindet sich besonders um den Verdauungstrakt herum, sowie an der Blase und den Lungen.
Die einzige Muskelgruppe, die Du zielgerichtet bewegen kannst, sind die Skelettmuskeln. Herzmuskeln und glatte Muskelzellen kannst Du nicht gezielt ansteuern.
Nach dem Muster der primären und sekundären Zelldifferenzierung würde also aus einer Stammzelle eine Vorläuferzelle für die Muskelzellen entstehen. Aus dieser Vorläuferzelle könnte dann, je nach Gegebenheiten, entweder eine Zelle der Herz- oder Skelettmuskulatur, oder eben eine glatte Muskelzelle entstehen.
Zelldifferenzierung - Das Wichtigste
- Die Zelldifferenzierung macht die Entstehung eines funktionierenden mehrzelligen komplexen Organismus möglich. Nur durch Zelldifferenzierung können verschiedene Organe und Gewebe entstehen.
- Es gibt etwa 200 verschiedene differenzierte Zellen im menschlichen Körper.
- Bei der Zelldifferenzierung nehmen die Zellen andere Strukturen und Funktionen an, als ihre Vorläuferzelle.
- Bei der primären Zelldifferenzierung (Determination) entstehen Vorläuferzellen, bei der sekundären Zelldifferenzierung entstehen spezialisierte Zelltypen.
- Basis der Zelldifferenzierung ist die Expression verschiedener Gene in verschiedenen Geweben, sodass spezifische Formen und Funktionen angenommen werden können.
- Die Genexpression wird durch die Regulation der Transkription und Translation gesteuert.
- Bei tierischen Zellen ist die Differenzierung zum größten Teil vorbestimmt. Bei pflanzlichen Zellen können Umwelteinflüsse wiederum viel steuern.
- Differenzierte Zellen können sich meist nicht mehr teilen. Stattdessen entstehen neue differenzierte Zellen aus den Stammzellen, welche sich noch teilen können.
- Zellen können sich entweder in einen ganzen Organismus (totipotent), alle Organe (pluripotent) oder nur in verschiedene Untertypen einer Vorläuferzelle (multipotent) entwickeln.
Nachweise
- spektrum.de: Zelldifferenzierung. (24.06.22)
- schulentwicklung.nrw.de: Materialdatenbank. (24.06.22)
- flexikon.doccheck.com: Zelldifferenzierung. (24.06.22)
- pflanzenforschung.de: Zellpotenz. (24.06.22)
- science.orf.at: Stories. (24.06.22)
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