Meiose

Die Meiose ist eine besondere Form der Kernteilung und wird auch als Reifeteilung bezeichnet. Sie beinhaltet zwei Teilungen, die aus einer diploiden Mutterzellen vier haploide Tochterzellen macht.

Dieser Tochterzellen beinhalten jeweils ein 1-Chromatid-Chromosom und sind nicht identisch. Diese Keimzellen werden für die geschlechtliche Fortpflanzung benötigt.

Beim Mann sind die Keimzellen, die in den Hoden gebildeten Spermien. Das Äquivalent bei der Frau sind ihrer Eizellen, die sie von Geburt hat.

Jeweils eine haploide Keimzelle beider Elternteile verschmelzen zu einem doppelten Chromosomensatz, der sich in allen übrigen Körperzellen wiederfindet.

Wenn einer der beiden Teilungen während der Meiose fehlerhaft ist, kann es zu numerischen Chromosomenaberrationen kommen, wie zum Beispiel der Trisomie 21 (bekannt unter dem Down-Syndrom).

Die Funktion der Meiose ist die Produktion von Keimzellen bei sowohl weiblichen als auch männlichen Lebewesen. Diese werden für die geschlechtliche Fortpflanzung benötigt und finden sich dementsprechend bei Säugetieren und Menschen.

Nach Ablauf der Meiose entstehen aus einer Zelle mit einem doppelten (diploiden) Chromosomensatz vier Zellen mit einem einfachen (haploiden) Chromosomensatz.

Diese Reduktion des Chromosomensatzes ist sehr wichtig, da sonst während der Befruchtung zwei Keimzellen mit einem doppelten Chromosomensatz miteinander verschmelzen würden. Das Ergebnis wäre ein Lebewesen mit einem vierfachen (tetraploiden) Chromosomensatz. Diese Chromosomenabweichung macht ungefähr 5% aller Fehlgeburten aus.

Neben der Reduktion des Chromosomensatzes und der Herstellung von Keimzellen hat die Meiose noch eine weitere Funktion. Durch eine zufällige Verteilung der Chromatiden auf die vier Tochterzellen stellt die Meiose die genetische Vielfalt sicher.

Zusätzlich zu der zufälligen Verteilung des Erbguts kommt noch der Austausch genetischer Informationen zwischen mütterlichen und väterlichen Chromosomen. Dieser Vorgang wird als Crossing-over bezeichnet und steigert nochmals die genetische Rekombination und Vielfalt.

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Der Ablauf der Meiose ist immer gleich und lässt sich grob in zwei Teilungen untergliedern. Diese wiederum bestehen aus mehreren Phasen, die jedoch in beiden Teilungen identisch sind.

Erste Teilung der Meiose

Die Meiose startet mit der Verdopplung der beiden Chromatiden, sodass die Zelle einen doppelten Chromosomensatz mit vier Chromatiden hat. Darauf folgt die erste Teilung der Meiose, bei der die beiden Chromosomenpaare voneinander getrennt werden.

Die daraus zwei entstehenden Zellen haben jeweils ein Chromosom mit zwei Chromatiden. Diese Teilung bezeichnet man als Reduktionsteilung, da der doppelte Chromosomensatz halbiert wird. Sie verläuft in mehreren Phasen, die die gleichen Namen wie bei der Mitose haben:

• Prophase
• Metaphase
• Anaphase
• Telophase.

Zudem wird in diesem Teil der Meiose das genetische Material noch innerhalb der Chromosomen rekombiniert. Es handelt sich um einen Austausch bestimmter DNA-Abschnitte zwischen beiden Chromosomen, was als Crossing-over bezeichnet wird.

Zweite Teilung der Meiose

Der zweite Teil der Meiose besteht aus der sogenannten Äquationsteilung. Hier werden die beiden Schwesterchromatiden voneinander getrennt. Es entstehen insgesamt vier Keimzellen, die als genetisches Erbgut nur noch ein Chromatid enthalten.

Wie in der der ersten meiotischen Teilung, lassen sich auch hier die vier Phasen (Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase) wiederfinden.

Die Trennung der Schwesterchromatiden im zweiten Teil der Meiose lässt sich mit der Mitose vergleichen, da auch dort die Chromatiden getrennt und zu entgegengesetzten Zellpolen gezogen werden.

Die Meiose ist wichtig für die Keimzellentwicklung und lässt sich in verschiedene Stadien einteilen. Zunächst muss man zwischen der Meiose I und Meiose II unterscheiden. Diese Einteilung ist sinnvoll, da es während der Meiose zu zwei Zellteilungen kommt.

Die erste Teilung wird Reduktionsteilung genannt, da die beiden homologen Chromosomen voneinander getrennt werden. So entsteht aus einem doppelten Chromosomensatz ein einfacher Chromosomensatz.

Diese erste Meiose lässt sich in vier Phasen unterteilen:

• Prophase I
• Metaphase I
• Anaphase I
• Telophase I

Die ursprüngliche Zelle hat zwei Chromosomen, die durch die Replikation verdoppelt werden. Das Ergebnis ist eine Zelle mit vier Chromatiden.

In der Prophase werden die Chromosomen verdichtet und nähern sich aneinander an. Diese räumliche Nähe beider Chromosomen ist wichtig für das folgende Crossing Over. Hierbei  tauschen beide Chromosomen genetisches Material aus, was die genetische Vielfalt erhöht.

Als nächstes folgt die Metaphase, in der sich die beiden homologen Chromosomen in der Äquatorialebene anordnen. Gleichzeitig bildet sich der Spindelapparat aus.

In der Anaphase werden die Chromosomenpaare voneinander getrennt und zu den entgegengesetzten Zellpolen gezogen.

In der letzten Phase, der Telophase, schnürt sich die Zellmembran ein, sodass zwei Tochterzellen entstehen. Diese haben einen einfachen Chromosomensatz, der jedoch aus zwei Chromatiden besteht.

Als nächstes folgt die zweite Teilung der Meiose. Diese wird als Äquationsteilung bezeichnet und betrifft beide haploide Tochterzellen. Bei dieser Teilung werden die Schwesterchromatiden voneinander getrennt, sodass insgesamt vier Zellen mit einer Chromatide entstehen.

Die Meiose II ähnelt sehr stark der Mitose und lässt sich auch in die gleichen Phasen einteilen:

• Prophase II
• Metaphase II
• Anaphase II
• Telophase II

In der Prophase kondensieren die Schwesterchromatiden und der Spindelapparat beginnt sich zu bilden.

In der Metaphase ordnen sich die Chromatiden in der Äquatorialebene an, sodass beide Chromatiden ungefähr den gleichen Abstand zum Zellpol haben.

In der Anaphase werden die Schwesterchromatiden voneinander getrennt und wandern Richtung Zellpol.

In der Telophase schnürt sich wieder die Zellmembran ein und es bilden sich neue Kernhüllen.

So sind insgesamt vier Tochterzellen entstanden, die als Erbgut einen einfachen Chromosomensatz in Form eines Chromatids enthalten.

Diese Keimzellen, Geschlechtszellen oder auch Gameten, sind bei beiden Geschlechtern unterschiedlich angelegt.

Bei der Frau sind die Eizellen von Geburt an vorhanden, sind jedoch bis zur Pubertät in einer Art Ruhemodus. Mit Beginn der Geschlechtsreife reift jeden Monat eine Eizelle heran, die dann befruchtet werden kann.

Beim Mann beginnt die Produktion von Spermien im Hoden erst mit Beginn der Pubertät. Im Gegensatz zur Frau ist der Mann noch bis ins hohe Alter in der Lage, Keimzellen zu bilden.

Die Meiose ähnelt bezüglich der zweiten meiotischen Teilung sehr der Mitose, jedoch gibt es zwischen beiden Zellkernteilungen einige Unterschiede.

• Ergebnis 

Das Ergebnis der Meiose sind Keimzellen mit einem einfachen Chromosomensatz, die zur geschlechtlichen Fortpflanzung geeignet sind. Bei der Mitose entstehen zueinander identische Tochterzellen mit einem doppelten Chromosomensatz. Diese Zellen haben nicht die Funktion der Vermehrung, sondern ersetzen alte, abgestorbene oder nicht mehr voll funktionstüchtige Körperzellen.

• Teilungsanzahl

Ein weiterer Unterschied zwischen der Meiose und Mitose ist die unterschiedliche Anzahl an Teilungen. Bei der Meiose sind zwei Teilungen notwendig. Bei der ersten Reduktionsteilung werden die beiden Chromosomenpaare getrennt, bei der folgenden Äquationsteilung werden die beiden Schwesterchromatiden voneinander getrennt.

Im Gegensatz dazu reicht bei Mitose eine Teilung aus. Bei dieser einen Teilung werden die Schwesterchromatiden getrennt, sodass zwei genetisch identische Tochterzellen entstehen.

• Dauer 

Meiose und Mitose unterscheiden sich jedoch nicht nur in ihrer Funktion und in der Anzahl der Teilungen, sondern auch in ihrer Dauer. Die Mitose ist ein relativ schneller Prozess, der ungefähr eine Stunde in Anspruch nimmt. Die Meiose hingegen dauert um einiges länger und kann auch mehrere Jahre bis Jahrzehnte in einer Phase stagnieren.

Dies ist bei den Eizellen der Fall, die schon bei der Geburt angelegt sind, jedoch bis zum Erhalt der Geschlechtsreife alle in einem Ruhemodus sind.

Auch die Entwicklung von männlichen Geschlechtszellen, den Spermien, nimmt insgesamt circa 64 Tage in Anspruch. Davon fallen ungefähr 24 Tage der Meiose zu.

Mehr Informationen zu diesem Thema erfahren Sie unter: Mitose - Einfach erklärt!

Das Crossing-over beschreibt den Austausch von genetischem Material zwischen zwei Chromatiden. Dabei nähern sich diese aneinander an, überkreuzen sich und tauschen daraufhin gewissen DNA Bruchstücke aus.

Dieser Prozess findet während der Keimzellteilung (Meiose) statt. Das Crossing-over lässt sich der Prophase I zuordnen, die sich nochmals in fünf Phase unterteilen lässt.

Vor Beginn der ersten Teilung der Meiose wird die DNA verdoppelt, sodass in der Zelle vier Chromatiden sind. Die erste Phase der Prophase I ist das Leptotän, in der sich die Chromosomen verdichten und so unter dem Lichtmikroskop sichtbar werden.

Als nächstes folgt das Zygotän, in dem sich die Chromosomen annähern und eine homologe Chromosomenpaarung entsteht. Diese räumliche Nähe beider Chromosomen ist die Voraussetzung dafür, dass sie genetisches Material austauschen können. Parallel dazu bildet sich der synaptonemale Komplex aus. Dies ist ein Komplex mehrerer Proteine, der sich zwischen den Chromosomen ausbildet und die exakte Position dieser sicherstellt.

Im folgenden Pachytän findet nun das eigentliche Crossing-over statt. Bereits in den beiden vorausgegangenen Phasen kam es zu Bruchstellen in der DNA. Nun überkreuzen sich zwei Chromatiden und die Bruchstellen werden repariert. Dabei tauschen mütterliches und väterliche Chromosom kleine Segmente der DNA aus. Diese Überkreuzungen sind unter dem Lichtmikroskop als Chiasmata sichtbar.

Im Diplotän löst sich der synaptonemale Komplex auf und die Chromosomen sind lediglich an den Chiasmata miteinander verbunden.

Im der letzten Phase der Prophase I, der Diakinese, löst sich die Kernmembran auf, der Aufbau der Mitosespindel beginnt und die Meiose kann in gewohnter Abfolge ablaufen.

Das Crossing-over dient der intrachromosomalen Rekombination und spielt gemeinsam mit der zufälligen Zuordnung des Erbguts in die Keimzellen eine weichtige Rolle für die Merkmalsvielfalt.

Die Trisomie 21 ist eine Erkrankung, die durch das dreifache Vorliegen des 21. Chromosoms bedingt ist. In gesunden Zellen liegen die Chromosomen doppelt vor, sodass der Mensch insgesamt 46 Chromosomen hat. Ein Patient mit Trisomie 21 hat 47 Chromosomen und leidet unter dem Down-Syndrom.

Das dreifache Vorhandensein der 21. Chromosoms wird in den meisten Fällen durch einen Fehler in der Meiose verursacht.

Die Meiose macht aus einer Zelle mit 4 Chromatiden durch zwei Teilungen vier Keimzellen mit jeweils einem Chromatid. Jedoch kann es in beiden Reifeteilungen zu Fehlern kommen. Dadurch werden die Chromatiden nicht richtig auf die Keimzellen verteilt und es folgen Keimzellen mit zwei Chromatiden.

Diese Keimzellen haben einzelne Chromosomen doppelt angelegt, beim Down-Syndrom das 21. Chromosom. Verschmilzt eine solche Eizelle mit einem gesunden Spermium, hat das Embryo das 21. Chromosom in drei Kopien vorliegen.

Die Symptome dieser numerischen Chromosomenaberration sind vielfältig und können unterschiedlich stark ausgeprägt sein. Oft sind solche Kinder geistlich zurückgeblieben, minderwüchsig und haben angeborene Herzfehler.

Das Erkrankungsrisiko steigt mit dem Alter der Mutter, sodass es viele ältere Schwangere vorziehen, eine Fruchtwasseruntersuchung durchführen zu lassen.

Wenn Sie weiteres Interesse an diesem Thema haben, lesen Sie dann unseren nächsten Artikel unter: Down-Syndrom