Fachmodul Entwicklungsbiologie an der Universität Erlangen-Nürnberg

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Benenne und vergleiche die allgemeinen Charakteristika von Spermien und Eiern.

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Was versteht man im entwicklungsbiologischen Kontext unter „Determinante“?


Erläutern Sie den Begriff am Beispiel des Polplasmas von Drosophila.

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Erläutere am Beispiel Drosophila die wichtigsten Funktionen der Keimplasma-Komponenten.

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Beschreibe am Säugerbeispiel die Gonaden-Entwicklung.

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Beschreibe die wichtigsten Prozesse der Oogenese am Beispiel  Drosophila .

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Nenne die wichtigsten Funktionen der Keimzellen.

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Beschreibe das Prinzip der Leber-bzw. Pankreas-Induktion im Entoderm.

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Beschreibe den Mechanismus der Keimbahn-Determination bei Drosophila.

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Definiere Branching Morphogenesis + Beispiele für Organe deren Entwicklung diesem Prinzip zugrunde liegt

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Beschreibe die Wanderung der Urkeimzellen bei Maus und Drosophila.

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Erläutern Sie einige Strategien, die das "Riesenwachstum" von Oocyten ermöglichen.

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Fachmodul Entwicklungsbiologie

Benenne und vergleiche die allgemeinen Charakteristika von Spermien und Eiern.

Alle sexuell reproduzierenden Metazoen haben eine ausgeprägte Anisogamie: Spermien unterscheiden sich in Größe und Morphologie deutlich von Eiern.


Spermien

- geringe Größe, Verlust vieler Organelle im Zuge der Entwicklung

- Genom extrem kompaktiert

- Flagellum für die Motalität

- konservierter Grundaufbau: Kopf (Akrosom + Kern), Mittelstück (v.a. Mitochrondrien + Basalkörper), Schwanz (v.a. "9+2" - Geißel)


Eizelle

- Riesenzelle

- mit Dotter, mRNA, protektive Moleküle, Proteine, Organelle etc.


Fachmodul Entwicklungsbiologie

Was versteht man im entwicklungsbiologischen Kontext unter „Determinante“?


Erläutern Sie den Begriff am Beispiel des Polplasmas von Drosophila.

Eine Determinante ist ein cytoplasmatischer Faktor der das Entwicklungsschicksal einer Zelle determiniert.


Komponenten des Polplasmas sind spez- RNAs und Proteine die bei Drosophila im Kortex des posterioren Eiplasmas lokalisiert werden müssen. Ihre Keimbahn-spezifizierende Wirkung macht sie zu typischen Determinanten.


Fachmodul Entwicklungsbiologie

Erläutere am Beispiel Drosophila die wichtigsten Funktionen der Keimplasma-Komponenten.

Komponenten des Polplasmas sind spez. RNAs und Proteine, die (bei Drosophila) im Kortex des posterioren Eiplasmas lokalisiert werden müssen. Ihre Keimbahn-spezifizierende Wirkung macht sie zu typischen Determinanten.


Funktionen der Polplasma-Komponenten:

  • „Globale“ Transkriptions- (z.B. Germ Cell-less) oder Translations-Inhibition (z.B. Nanos)

=> Aufrechterhaltung der Totipotenz

  • Inhibition von Transposons (z.B. Piwi)

=> Aufrechterhaltung der Integrität des Genoms

  • Aktivierung Keimzell-spezifischer Prozesse (z.B. Vasa)

=> Differenzierung in Spermien oder Eier, Initiation der Meiose


Essentiell für die Lokalisation aller Polplasmakomponenten:
Oskar-Protein (Osk).


osk mRNA wird in Oogenese an posterioren Eipol transportiert,
dort lokalisiert & translatiert. Osk „sammelt“ dort dann alle Polplasmakomponenten.

Fachmodul Entwicklungsbiologie

Beschreibe am Säugerbeispiel die Gonaden-Entwicklung.

Gonadenentwicklung bis 7. Woche sexuell
indifferent.


Abhängig vom chromosomalen Geschlecht
Hoden- oder Ovarentwicklung.


Hoden (XY):
Mesoderm bildet Sertoli- und Leydigzellen (Testosteron-Produzenten)
Sertolizellen bilden epitheliale Röhren (Samenkanälchen), die die Spermatogonien einschließen. Mesonephros wird Nebenhoden, Wolff‘scher Gang Samenleiter, Müller‘scher Gang degeneriert.


Ovar (XX):
Mesoderm bildet Theca- & Granulosazellen,die die Oogonien in Follikel „verpacken“ und Hormone produzieren.
Mesonephros & Wolff‘scher Gang degenerieren, Müller‘scher Gang wird Ovidukt.

Fachmodul Entwicklungsbiologie

Beschreibe die wichtigsten Prozesse der Oogenese am Beispiel  Drosophila .

  • Keimbahnstammzell-Tochter (= Cystoblast (cb)) durchläuft 4 synchrone Mitoserunden, jeweils gefolgt von unvollständigen Cytokinesen
    -> Cluster aus 16 Cystocyten (cc). 15 Cystocyten
    differenzieren sich zu Nährzellen; eine der beiden zentralen Cystocyten wird Oocyte.

  • Durch Endo-Replikation werden die Nährzellen stark polyploid (bis 1000 c) und potenzieren so
    ihre Syntheseleistung.



  • Oocyte wächst durch Dotteraufnahme
  • Im späten Oogenese- Stadium sterben die Nährzellen apoptotisch
  • In kurzer Zeit wird der gesamte Inhalt in die Oocyte transportiert ("Dumping")
  • Abschließend sezernieren die Follikelzellen eine mehrschichtige Schale um das Ei
  • Danach sterben die Follikelzellen ebenfalls
  • Das Ei spiegelt bereits die Achsen des künftigen Embryos wider

Fachmodul Entwicklungsbiologie

Nenne die wichtigsten Funktionen der Keimzellen.

1. Aufrechterhaltung der Integrität des Genoms (z.B. durch Verhinderung von Alterung)
2. Erzeugung (Meiose!) genetischer Variabilität
3. Übertragung des Genoms in nächste Generation

Fachmodul Entwicklungsbiologie

Beschreibe das Prinzip der Leber-bzw. Pankreas-Induktion im Entoderm.

Leber und Pankreas entwicklen sich zeitlich etwas versetzt ausgehend von entodermalen Knospen, die im Bereich des künftigen Duodenums entstehen, spezifisch ausgelöst vom umgebenden Gewebe.


Leberinduktion: Die Leberknospe kann nur entstehen wo:

- de-reprimierend wirkende FGFs aus dem cardiogenen Mesoderm in überschwelliger Konzentration vorhanden ist

- reprimierend wirkende Signale v.a. aus dem Ektoderm und der Chorda dorsalis unterschwellig sind


Pankreasinduktion

- cardiogenes Mesoderm fehlt (inhibiert sonst die Entwicklung)

- Chorda-Mesoderm in ausreichender Nähe (lokale Repression der Shh- Expression im Entoderm)

- Pankreasknospen bilden sich letztlich, wo die großen Blutgefäße diesem Entodermabschnitt nahe kommen 

(Pdx1-Expression ist außerdem ausschlaggebend für weitere Entwicklung)

Fachmodul Entwicklungsbiologie

Beschreibe den Mechanismus der Keimbahn-Determination bei Drosophila.

Bei Drosophila wird das Keimplasma (= „Polplasma“) bereits während der Oogenese am posterioren Eipol lokalisiert. Vor allen Körperzellen entstehen dort die Urkeimzellen (=„Polzellen“).


Fehlen essentielle Komponenten des Polplasmas (z.B. Germ Cell-less (Gcl) oder Vasa*), bilden sich keine Urkeimzellen. 


Mutanten in solchen Genen sind daher „grandchildless“.
Injektion von Polplasma in den anterioren Eipol führt dort zur ektopischen Bildung von Polzellen.

Fachmodul Entwicklungsbiologie

Definiere Branching Morphogenesis + Beispiele für Organe deren Entwicklung diesem Prinzip zugrunde liegt

Morphogenesemodus, der der Entwicklung einer Reihe innerer
Organe vielzelliger Tiere zugrunde liegt. Epitheliale Röhren wachsen dabei in mesenchymales
Gewebe ein und verzweigen sich in stereotypen Mustern.

Beispiele: Lunge, Niere, Speicheldrüse, Prostata, Brustdrüse

Fachmodul Entwicklungsbiologie

Beschreibe die Wanderung der Urkeimzellen bei Maus und Drosophila.

Entstehungsort der primordialen Keimzellen ist nie die Gonade. Die Keimzellen müssen aktiv in die mesodermale Gonadenanlage wandern.


Drosophila: Polzellen liegen zunächst ausserhalb des Embryos & müssen durch den Hinterdarm in die paarigen, mesodermalen Gonadenanlagen einwandern.


Maus:Auch bei der Maus wandern die primordialen Keimzellen durch den Hinterdarm.Über das dorsale Mesenterium gelangen sie dann in die paarigen Keimstränge (genital ridges; Intermediäres Mesoderm).


Primordiale Keimzellen + Mesoderm differenzieren sich gemeinsam zur funktionellen Gonade.

Fachmodul Entwicklungsbiologie

Erläutern Sie einige Strategien, die das "Riesenwachstum" von Oocyten ermöglichen.

  • In Wachstumsphase sind Oocyten in Prophase der Meiose I (2n, 4c!); intensive Transkription an sog. Lampenbürstenchromosomen
  • Multiple Nucleoli im Oocytenkern erhöhen Ribosomen-Syntheserate; Voraussetzung: extrachromosomale Amplifikation der rDNA (z.B. manche Amphibien, manche Insekten)
  • Dotter: „Vorrat“ an Proteinen, Glykogen, (Membran-) Lipiden wird „extern“ produziert; Dotterproduktion durch Leber (Vertebraten) oder Fettkörper (Insekten); Aufnahme durch Oocyte via Endocytose
  • Nährzellen: Schwesterzellen der Oocyte übernehmen „Ammenfunktion“ = meroistische Oogenese; Voraussetzung: Keimzellen bilden Cluster; bekanntestes Beispiel: Drosophila.
    Oocytenwachstum ohne Nährzellunterstützung: panoistische Oogenese.

Fachmodul Entwicklungsbiologie

Experimentelle Funktionsermittlung der Extremitätenknospe:

Tbx4/5: (an/aus)

- nur Tbx4 --> nur Beine

- nur Tbx5 --> nur Flügel


Aer:

- Entfernen Aer --> distale Deletion (früher --> gravierender)


FGF8:

- einfügen zwischen Knospen --> Chimäre


ZPA:

- Transplantation von posterior (normal) auch nach anterior --> "Spiegelung" Autopod

- Entfernen --> kein Wachstum (Stummel)


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