Entwicklung der Vulva bei C. elegans als Beispiel für die Entwicklung eines Organs

In letzter Zeit wird viel über Stammzellen und die Möglichkeit der Züchtung von Organen gesprochen und diskutiert. Dafür ist es gut etwas über die Entwicklung von Organen zu wissen. Die Entwicklung von ganzen Organen ist natürlich recht komplex und es gibt noch kein Organ, dessen Entwicklung voll verstanden wäre. Daher versucht man Modelle zu finden, an denen die Entwicklung möglichst einfach zu untersuchen ist. Dafür eignen sich einfache Organe bei Drosophila oder Caenorabdithis elegans besonders.
Als Beispiel wird hier das äußere Geschlechtsorgan von C. elegans, die Vulva, gewählt. Sie besteht lediglich aus 22 Zellen. In dieser Hinsicht ist sie also nicht mit menschlichen Organen vergleichbar. Auf der anderen Seite erfüllt sie die Bedingung, ein sehr einfaches Modell für die Untersuchung der Induktion und Entwicklung eines Organs zu liefern. Es wird deshalb hier zunächst die rein äußerlich zu erkennende Entwicklung beschrieben. Was sich auf genetisch-molekularer Ebene abspielt wird dann auf der Seite Genetik der Entwicklung der Vulva" beschrieben.
C. elegans entwickelt sich über 4 Larvenstadien und besitzt als erwachsenes Tier 959 Zellen. Diese Zellzahl ist konstant bei jedem Individuum.
Die Vulva ist ein röhrenförmiges Organ, über das die Eier abgelegt werden und über das zugleich die Begattung ausgeführt wird. Es stellt also die Verbindung der Geschlechtsorgane zur Außenwelt her. Sie ist normalerweise geschlossen und wird durch den inneren hydrostatischen Druck geschlossen gehalten, sie kann durch spezielle Muskeln geöffnet werden (s. Abb. 1).
Zunächst ist an der Art C. elegans in einigen Hinsichten manches ungewohnt. Z.B. gibt es keine Weibchen, sondern nur Zwitter und Männchen. Die Männchen haben natürlich keine Vulva, sondern einen Hoden, einen Ausführgang für die Samenzellen (Vas deferens) und eine Spicula zur Begattung. Die Zwitter haben funktionstüchtige weibliche und männliche Geschlechtsorgane. Dabei werden die Spermien im letzten Larvenstadium produziert und dann in einer Spermatheka gespeichert.

Abb. 1 Anatomie des Zwitters von Caenorhabditis elegans

Durch die Beschriftung erklärt sich die Abb. weitgehend von selbst. Es sei hier noch einmal darauf hingewiesen, dass das Ovar oder der Eierstock zweiarmig ist. Beim Männchen ist es nur einarmig. (Zum Vergleich von Zwitter und Weibchen füge ich am Ende zwei Abb. bei, die einen Vergleich erlauben). Die Vulva, um die es hier vorwiegend geht, hat ihre Öffnung nach außen ungefähr in der Körpermitte.
(Abb. nach Alberts u.a.)

Die Entwicklung aus der befruchteten Eizelle bis zum erwachsenen Tier ist von den Zelltypen her vollständig bekannt (s. Abb.2). Die einzelnen Zellen haben alle eine Buchstabenbezeichnung, z.B. teilt sich die Eizelle zunächst in die größere AB und die kleinere P₁-Zelle, die AB-Zelle teilt sich in ABa- und ABp-Zelle, (a=anterior=vorne, p=posterior=hinten), die P₁ in EMS- und P₂-Zelle usw. (s. Abb.2).

Abb. 2 Entwicklung der verschiedenen Zelllinien bei Caenorabdithis elegans.

Die Zygote teilt sich in die AB- und die P₁-Zelle.
Die P₁-Zelle teilt sich in die EMS- und die P₂-Zelle, usw.

Für uns ist hier nur von Bedeutung, dass in der ventralen Mittellinie 12 P-Zellen entstehen, die mit P1 bis P12 benannt sind (die obigen P_n sind andere Zellen). Diese P-Zellen teilen sich in anteriore und posteriore Zellen, die dann die Bezeichnungen P1.a und P1.p usw. erhalten. Diese Pn.p-Zellen sind in der Abbildung 3 dargestellt.

Abb. 3

(a) Schematische Wiedergabe der Lage der 12 Pn.p-Zellen im ersten Larvenstadium von C. elegans.
(b) Das Schicksal der verschiedene Zellen ist durch verschiedene Farben symbolisiert. Die weiß dargestellten Zellen P(1,2,9,10,11).p verschmelzen mit den Hypodermiszellen zu einem Syncytium im ersten Larvenstadium. P12.pa (hellblau) bildet eine Hypodermiszelle. Die Zellen der Vulva-Äquivalenzgruppe (P3.p bis P8.p) teilen sich noch mehrmals im 3. Larvenstadium (s. Abb.4). Aus ihnen entsteht die gesamte Vulva. Die gelb gefärbten Zellen gehen das 3⁰-Schicksal ein, das darin besteht, dass sie mit der Hypodermis verschmelzen (also letztlich im Normalfall nicht zu Vulvazellen werden). Die rot gefärbten nehmen das 2⁰-Schicksal an, d.h. sie bilden die äußere Röhre der Vulva, und die blau gefärbte Zelle nimmt das 1⁰-Schicksal an und bildet die innere Röhre der Vulva im 4. Larvenstadium.

Wie diese P3.p bis P8.p-Zellen sich teilen und Zellen bilden, die zur Vulva gehören ist in Abb. 4 dargestellt.

Abb. 4 Entwicklung der Zellen, die die Vulva bilden.

L1 = 1. Larvenstadium. Die Zellen P1.p bis P12.p sind dargestellt. Sie liegen in der ventralen Mittellinie. Die Gonade liegt darüber.
L3 = 3. Larvenstadium. Die zwei vorderen und drei hinteren Zellen werden sich noch einmal teilen, aber es wird deutlich, dass aus ihnen keine Vulva-Zellen entstehen werden.
Darunter blau die Ankerzelle und die Zellen P3.p bis P8.p und wie sie sich weiter teilen.
P3p, P4p, P8p nehmen das Schicksal 3⁰ an, d.h. sie verschmelzen mit der Hypodermis, sie tragen also letztlich nicht zur Vulva bei.
P5p und P7p nehmen das Schicksal 2⁰ an. Sie werden noch 7 Tochterzellen hervorbringen. Sie bilden jeweils eine äußere Halbröhre um die innere Röhre der Vulva.
P6p nimmt das Schicksal 1⁰ an. Sie wird 8 Tochterzellen hervorbringen, die die röhrenförmige Innenseite der Vulva bilden werden.
Was die Zellen im Einzelnen bilden, dazu s. Abb. 5
(Abb. nach Lambie)

Abb. 5 Darstellung, welche Teile der Vulva von welchen Zellen gebildet werden.

(a) Zusammenhang zu den wichtigsten Körperteilen. P3p bis P8p sind die Vorläuferzellen der gesamten Vulva. Sie werden VPC = Vulva precursor cells genannt.
(b) Relative Lage der VPCs, der Ankerzelle und der Gonade. Die Ankerzelle stellt die Verbindung der Vulva zur Gonade her.
(c) - (e) Durch drei Teilungen bildet P6p 8 Tochterzellen (s.a. Abb.4), die den Innenraum der Vulva bilden. P5p und P7p bilden nur 7 Tochterzellen, die sich auf jeweils ihrer Seite halbkreisförmig um die inneren Zellen legen.
Abb. aus Kalthoff (s.u.)

Abschließend füge ich noch zwei Abb. bei, die den anatomischen Vergleich zwischen Zwitter und Männchen erlauben.

Abb. 6 Schema der Anatomie des Zwitters und des Männchens von Caenorabdithis elegans nach Schemazeichnungen von Wood.

Quellen:

Alberts, B. u.a. Molekularbiologie der Zelle VCH, Weinheim, 1997
Kalthoff, K. Analysis of Biological Development, Mc Graw Hill, New York, 1996
Lambie, Eric J. Variations on a vulval theme Current Biology 1994, 4:1128-1130.
Wolpert, L. u.a. Principles of Development, Oxford University Press, 1998
Wood, W.B. The Nematode Caenorabdithis elegans, Cold Spring Harbor, 1988

Kontakt:: Kontakt: Mario.Hupfeld@uni-konstanz.de
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