Springer-Lehrbuch. Für weitere Bände:

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1 Springer-Lehrbuch Für weitere Bände:

2 Werner A. Müller Monika Hassel Entwicklungsbiologie und Reproduktionsbiologie des Menschen und bedeutender Modellorganismen 5. Auflage

3 Werner A. Müller Heidelberg Deutschland Monika Hassel Marburg Deutschland ISSN ISBN DOI / (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Spektrum c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1999, 2003, 2006, 2012 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Vorwort Die auffälligste Neuerung dieser 5. Auflage gegenüber den Vorauflagen ist die mehrfarbige Gestaltung der Abbildungen; inhaltlich ist mehr Raum den Themen Entwicklung des Menschen (einschließlich medizinischer Aspekte) und Evolution von Entwicklungsprozessen gewidmet. Manche Kapitel sind umgestellt, viele erweitert, alle auf den neuesten Stand gebracht, soweit dies in einem einführenden Lehrbuch möglich ist. Beibehalten wurde jedoch das didaktische Grundkonzept: Die Entwicklung bedeutender Modellorganismen und des Menschen werden in geschlossenen Einzelabhandlungen dargestellt; dies enthebt den Leser/die Leserin von der Mühsal, die gesamte Entwicklung etwa der Drosophila, vonxenopus oder der Maus und die Embryonalentwicklung des Menschen aus vielerlei in mehreren Kapiteln verstreuten Abschnitten und Abbildungen selbst zusammenstellen zu müssen. Alsdann werden in vergleichenden Darstellungen Themen wie Befruchtung, Sexualentwicklung, Entwicklungsgenetik, Klonen und transgene Tiere, Entwicklung des Nervensystems, Stammzellen und regenerative Medizin, sowie Aspekte der Evolution zusammenfassend dargestellt. Jedes Kapitel sollte in sich geschlossen und für sich verstehbar sein; denn die Erfahrung lehrt, dass Lehrbücher nur abschnittsweise gelesen werden. Dieses Konzept erzwingt es, dass in den vergleichenden Abhandlungen manches aus der Entwicklung einzelner Organismen wiederholt wird. Verweise auf Abbildungen und Ausführungen in anderen Kapiteln zielen auf ergänzende Informationen und parallele Erscheinungen. Separate Boxen behandeln Sonderthemen wie Von der Seele zur Information: Geschichte der Entwicklungsbiologie Pränataldiagnostik, gesetzliche Bestimmungen in Deutschland: Embryonenschutzgesetz, Schwangerschaftsabbruch Aspekte der Reproduktionsmedizin, Störungen der Sexualentwicklung Genetische und molekularbiologische Methoden der Entwicklungsbiologie und spekulative Diskussionsbeiträge wie Ungelöste Rätsel: Urmund, Mund und primäre Körperachsen homolog oder nicht? Ungereimtheiten der Lehrtradition: drei Keimblätter und nicht mehr?, sowie ektodermales Nervensystem. Diese Sonderthemen und die Betonung auf Mensch sind Alleinstellungsmerkmale dieses Lehrbuchs. Im Dienste einer flüssigen Lesbarkeit haben wir darauf verzichtet, hinter jeder Aussage die Literaturquelle anzugeben. Ein einführendes Lehrbuch darf sich in diesem Punkt von Review-Artikeln in Fachzeitschriften unterscheiden. In der ausführlichen Literaturliste am Ende des Buches wird man bei Bedarf die Referenzquellen finden. V

5 VI Vorwort Die Abbildungen sind, wie bisher auch, zur Wahrung eines einheitlichen didaktischen Konzepts vom Autor WM selbst angefertigt worden. Fotografien verdanken wir aber auch anderen Urhebern. Manche Kollegen sind uns beigestanden durch Begutachtung unserer Abbildungsentwürfe oder durch kritische Lektüre einzelner Abschnitte. Wir danken Prof. Dr. Martin Blum, Stuttgart, Prof. Dr. Angelika Böttger, München, Prof. Dr. Bert Hobmayer, Innsbruck, Prof. Dr. Christof Niehrs, Heidelberg, Prof. Dr. Renato Paro, Zürich, Prof. Dr. Herbert Steinbeisser und Prof. Dr. Jochen Wittbrodt, Heidelberg. Schließlich danken wir den Mitarbeitern des Springer-Verlages, welche diese Neuauflage ermöglicht und betreut haben, insbesondere Frau Stefanie Wolf. Heidelberg und Marburg, April 2012 Werner Müller, Monika Hassel

6 Inhaltsverzeichnis 1 Entwicklung und Reproduktion: Wesenszüge des Lebendigen in der Übersicht EntwicklungalsSelbstkonstruktion Reproduktion: Sex versus natürliches Klonen Etappen und Prinzipien der Entwicklung EtappenderEntwicklunginderÜbersicht AllgemeinePrinzipieninKurzfassung Der Start: Befruchtung, Aktivierung des Eies und erste Zellteilungen (Furchung) DieBefruchtung AktivierungdesEies Nicht-chromosomaleInformationsträger Erste Zellteilungen: die Furchung und der MPF-Oszillator Entwicklung bedeutsamer Modellorganismen I: Wirbellose Der Seeigel-Keim: Basismodell für tierische Entwicklung undobjekthistorischbedeutsamerexperimente Ein Außenseiter: Dictyostelium discoideum Hydra und weitere Cnidarier: Unsterbliche Polypen und historische Pioniermodelle der Entwicklungsbiologie Caenorhabditis elegans: ein Beispiel fürinvariantezellstammbäume Spiralier: ein in der Natur oft benutztes Furchungsmuster Drosophila melanogaster: Referenzorganismus der genetischen und molekularbiologischen Entwicklungsbiologie Tunikaten: Mosaikentwicklung im Stamm der Chordaten? Entwicklung bedeutsamer Modellorganismen II: Wirbeltiere Xenopus: Referenzmodell der Wirbeltierentwicklung Zebrabärbling Danio rerio und der Medaka Orycias latipes Amnioten: Hühnchen, Wachtel und Chimären von beiden DieMaus:StellvertreterfürdenMenschen Die Embryonalentwicklung des Menschen DerMenschundModellorganismen VondenUrkeimzellenbiszurBefruchtung Von der Befruchtung bis zum phylotypischen Stadium VII

7 VIII Inhaltsverzeichnis 6.4 Schnittstelle Mutter/Kind: die Plazenta Hormonale Beziehungen zwischen Kind und Mutter Die Entwicklung des Menschen im Vergleich zu anderen Wirbeltieren: Gemeinsames, Trennendes, Aspekte der Evolution Konservative Wege versus Neuerungen in der Entwicklung der Wirbeltiere und des Menschen In Vorbereitung auf neues Leben I: Geschlechtsbestimmung und Geschlechtsentwicklung Wesen der Sexualität Geschlechtsbestimmung Die frühe Sexualentwicklung bei Säugern und dem Menschen Das psychische Geschlecht und postnatale Sexualentwicklung In Vorbereitung auf neues Leben II: Gametogenese: Die Entstehung von Ei und Spermium und deren Ausstattung mit einer Mitgift KeimbahnundUrkeimzellen DieOogenese:HerstellungundBevorratungderEizelle DieSpermatogenese:dasHerstellenvonSpermien Weitere Mitgift: maternale und paternale Prägung Genetische Konsequenzen der Soma-Keimbahn-Trennung Positionsinformation, Musterbildung I: Spezifikation der Körperkoordinaten und erste Schicksalsbestimmung durch maternale Faktoren Das Starten ortsgerechter Differenzierungsprogramme Festlegung der Körperachsen Frühe Determination von Zelltypen durch maternale Faktoren Autonome versus abhängige Entwicklung, asymmetrische Zellteilung versus Zell-Zell-Interaktion Positionsinformation, Musterbildung II: Embryonale Induktion und Musterbildung durch Zell-Zell-Kommunikation Positionsinformation und die Erzeugung neuer Muster Musterbildung durch Signalaustausch zwischen Nachbarn über direkten Zellkontakt: laterale Inhibition und laterale Hilfe Embryonale Induktion und der Spemann-Organisator Induktionskaskaden und Identifizierung der Signale Musterbildung: Morphogene und Gradiententheorie DasHerzamrechtenFleck:Links-rechts-Asymmetrie Morphogenetische Felder Modellfelder:dieKnospenfürVogelflügelundMäusebein MusterkontrolleundPositionsgedächtnisbeiHydra MusterkorrekturdurchInterkalation PeriodischeMuster Entwicklungssteuernde Signale und Signaltransduktion Signalsysteme und Mechanismen der Signalweiterleitung: einüberblick...293

8 Inhaltsverzeichnis IX 11.2 Wie Zellen miteinander kommunizieren: Signal-TransmissionundPropagation Signalsubstanzen und die von ihnen aktivierten Transduktionssysteme Lipophile Signalsubstanzen und Steuerung der Genaktivität Entwicklung und Gene Differentielle Genexpression als Basis der Differenzierung Gene zur Spezifikation von Körperregionen und Organen: Hox-Gene GenezurProgrammierungvonAugenundZelltypen Entwicklungssteuernde Gene und Transkriptionskontrolle: einresümee Epigenetik: Reversible Veränderungen in der Zugänglichkeit vongenen Irreversible Veränderung des Genoms und damit des Zelltyp-spezifischen genetischen Programms Anwendungsorientierte Experimente an Frühkeimen der Wirbeltiere: Klonen, Chimären, Teratome, transgene Tiere Klonen:dieHerstellunggenetischidentischerKopien Versuche mit Chimären und Teratomen und was solche Versuche (nicht)bringen Genetische Manipulationen an Embryonen: K.o.-MutantenundtransgeneTiere Morphogenese: Gestaltbildung durch aktive Zellbewegung, differenzielle Zelladhäsion und Zelltod Aktive Zellbewegung und Ortsveränderung Gleitvorgänge und Zellsortierung kraftdifferenziellerzelladhäsion Zelladhäsionsmoleküle und Zellerkennung Die Bildung verzweigter tubulärer Strukturen: Tracheen, Lungen, Blutgefäße, Nierentubuli Gestaltbildung durch Entfernen von Zellen: Apoptose, der programmierte Zelltod Fernwanderer und die vielfältigen Schicksale der ausgewanderten Neuralleistenzellen UrkeimzellenundBlutzellen Neuralleisten-Abkömmlinge Das Nervensystem und zentrale Sinnesorgane VorbereitungimfrühenEmbryo Morphologische Entwicklungsgeschichte des Nervensystems Die genetische Programmierung des Zentralnervensystems Direkt ans Gehirn angeschlossene Sinnesorgane des Kopfes Das periphere Nervensystem und Zellmigration überweitestrecken Navigation der Nervenfortsätze und Vernetzung der Nervenzellen 426

9 X Inhaltsverzeichnis 16.7 DerAnschlussdesAugesundRiechepithelsandasGehirn ImRückenmarkundvomRückenmarkindiePeripherie Plastizität:Korrekturen,Ausbau,Reserven Herz und Blutgefäße Vom scheinbaren Chaos zur Ordnung DasHerz Blutgefäße:VasculogeneseundAngiogenese AnpassungdesKreislaufsvorundnachderGeburt Stammzellen, Regeneration, regenerative Medizin Die stetige Grunderneuerung des Organismus; StammzellendesMenschen Die hämatopoietischen (blutbildenden) Stammzellen Regenerative Medizin: Gewebe-undOrganersatzausStammzellen ipsc: Reprogrammierung differenzierter Zellen zupluripotentenstammzellen Regeneration ganzer Körperteile und von Organen: Wirbellose und Wirbeltiere im Vergleich Die zellulären Grundlagen eines hohen Regenerationsvermögens Kontrollsysteme Wachstumskontrolle und Krebs Wachstumskontrolle Krebs:Wesenszüge,Vorkommen,Begriffe Besondere Eigenschaften von Krebszellen und Tumoren UrsacheneinerCancerogenese Metamorphose und ihre hormonale Steuerung Metamorphose: ein zweiter Phänotyp aus einer zweiten Embryogenese Hormonale Steuerung der Metamorphose Auslösung der Metamorphose ReverseEntwicklung Unsterblichkeit oder Altern und Tod: Was will die Natur? Möglichkeit und Unmöglichkeit einer Immortalität TheoriendesAlters DerTodalsgenetischvorprogrammiertesEreignis Evolution von Entwicklungsprozessen ( Evo-Devo, Evolution and/of Development) EinRückblickaufKlassisches Neue Möglichkeiten des Erkenntnisgewinns Evo-Devo Biologie und ihre Grundlagen NeuesausÜberkommenemimgenetischenProgramm Der gemeinsame Satz molekularer Werkzeuge (molecular tool kit) VariationenvonBaupläneninnerhalbvonTierstämmen Rekonstruktion der großen Entwicklungsreihen und phylogenetischer Stammbäume

10 Inhaltsverzeichnis XI 22.7 EvolutionderAugen DarwinsDilemma ZurEvolutiondesMenschen Glossar Literaturverzeichnis Sachverzeichnis...613

11 Liste der Boxen 1.1 Von der Seele zur Information: Zur Geschichte der Entwicklungsbiologie ZudenBegriffenDetermination,Spezifikation,Commitment Selbstbefruchtung und Parthenogenese Einige neue Aspekte der Reproduktionsmedizin des Menschen GeborenauseinerJungfrau? Verantwortung gegenüber dem werdenden Kind Pränataldiagnostik: Möglichkeiten und Konflikte Gesetzliche Regelungen in Deutschland Störungen der Sexualentwicklung beim Menschen und mögliche Ursachen Störungen der Sexualentwicklung und Fertilität durchhormon-ähnlichefremdsubstanzen Männer:EinaussterbendesGeschlecht? Wo ist vorn, wo hinten, wo ist oben, wo unten? Quellen primärer Positionsinformation Wie können Gradienten erkannt und sichtbar gemacht werden? Modelle zur biologischen Musterbildung ZurNomenklaturvonGenenundProteinen Genetische und molekularbiologische Methoden der Entwicklungsbiologie Genetische Netzwerke in der Entwicklung des Nervensystems Die Hypothese der Mehrstufen-Carcinogenese Die Sage von den drei Keimblättern Ungereimtheiten und irreführende Terminologien in der vergleichenden Entwicklungsbiologie Ungelöste Rätsel: Urmund, Mund und primäre Körperachsen homolog odernicht? WiesahendieUrbilateriaaus? Sind bei Wirbeltieren und Arthropoden Bauch- und Rückenseite vertauscht? XIII