Die Entwicklungsbiologie erforscht die Vorgänge, durch die einzelne Organismen wachsen und sich von der einzelnen Zelle zu einem komplexen vielzelligen Organismus entwickeln (Ontogenese). Die Entwicklungsbiologie hat ihren Ursprung in der Embryologie und behandelt heute genetische und epigenetische Prozesse der Selbstorganisation von Zellen auf der Basis ererbter Genregulationsnetzwerke, der physiko-chemischen Eigenschaften von Zellen und Geweben sowie von Umweltfaktoren.
Weitgehend synonym wird der Begriff Entwicklungsgenetik verwendet, er kann aber auch Aspekte der Verhaltensgenetik bezeichnen, vernachlässigt jedoch epigenetische Aspekte der Entwicklung. Die Reifung des Nervensystems untersucht die Entwicklungsneurobiologie. Mit den Zusammenhängen zwischen Entwicklungsbiologie und Evolution befasst sich die Evolutionäre Entwicklungsbiologie (EvoDevo). 300px|mini|Ansichten eines Fötus in der Gebärmutter, Leonardo da Vinci, ca. 1510–1512. Die pränatale Entwicklung ist ein Hauptforschungsgebiet der Entwicklungsbiologie.
Entwicklung der Tiere Entwicklung: Definition Ernst Haeckel definierte Entwicklung als den gesamten Vorgang von der befruchteten Eizelle bis zum erwachsenen Lebewesen.Ernst Haeckel: Generelle Morphologie der Organismen. Berlin 1866. Heute sieht man Entwicklung als genetischen und epigenetischen Prozess der Selbstorganisation von Zellen auf der Basis ererbter genetischer Netzwerke, der physiko-chemischen Eigenschaften von Zellen und Geweben sowie von Umweltfaktoren.
Faktoren, Mechanismen und Hauptstadien der Entwicklung Die Entwicklung verläuft als komplexes Wechselspiel erstens verschiedener genetisch bestimmter Entwicklungsfaktoren (Genprodukte) wie z. B. Morphogene, Adhäsionsmoleküle, Wachstumsfaktoren, Entwicklungsgene, aber auch epigenetischer Entwicklungsfaktoren wie Chromatinveränderungen und Faktoren der inneren und äußeren Umwelt des Embryos sowie zweitens von Entwicklungsmechanismen wie z. B. Induktion, Zellproliferation, Zelldifferenzierung, Zellmigration, Signaltransduktion, Apoptose, Zellwachstum oder Musterbildung.
Genprodukte Zu den genetisch bestimmten Entwicklungsfaktoren zählt eine Reihe entwicklungswirksamer Gene bzw. Genprodukte (Proteine). Ein Morphogen ist eine Substanz, die die räumliche Ordnung der Zelldifferenzierung und damit indirekt die Formbildung kontrolliert. Morphogene können damit Musterbildung während der Morphogenese bewirken.Werner A. Müller, Monika Hassel: Entwicklungsbiologie und Reproduktionsbiologie von Mensch und Tieren. 3., vollst. überarb. Auflage. Springer, 2003. Adhäsionsmoleküle sind Proteine, die eine Haftung an einer Zelle oder an einem Substrat bewirken (Bsp. Cadherine, Integrine). Ein Wachstumsfaktor ist ein Protein, das im extrazellulären Raum vorhanden sein muss, damit bestimmte Zelltypen wachsen und sich normal entwickeln.Neil A. Campbell, Jane B. Reece: Biologie. 6., überarb. Auflage. Pearson Studium, 2006. Hierzu zählen etwa Knochenmorphogenetische Proteine. Entwicklungsgene gibt es in Klassen. Man unterscheidet Maternaleffekt-Gene zur Festlegung der Polarität des Embryos, Segmentierungsgene zur segmentalen Gliederung des Embryos, Kompartiment-Gene für Feldunterteilungen, Historegulationsgene für zellulare Differenzierung sowie als eine der wichtigsten Klassen homöotische Gene zur Identitätsbestimmung von Segmenten und Feld-Gene für die Festlegung von Organ-Anlagefelder (z. B. eyeless). Mutationen innerhalb homöotische Gene können zur Umwandlung oder dem Verlust von Organstrukturen oder Körperabschnitten führen. Diese Gene enthalten als charakteristische Sequenz stets eine Homöobox, die für einen Transkriptionsfaktor codiert. Die bekanntesten homöotischen Gene sind die Hox-Gene.
Epigenetische Faktoren
Epigenetische Faktoren sind Einflüsse, die epigenetische Veränderungen von Zellen hervorrufen. Es werden epigenetische Faktoren der inneren und der äußeren Umwelt unterschieden. Zur inneren Umwelt zählt die chemische Zusammensetzung der inneren Umgebung des Embryos, im Besonderen die umgebenden Zellen und Interaktionen zwischen Zellen und Zellpopulationen, aber auch räumlich-geometrische Bedingungen wachsender Gewebe- und Organanlagen. Zur äußeren Umwelt zählen die chemische Zusammensetzung der Umwelt, die Ernährung, sowie physikalische Bedingungen wie Licht, Mechanik, Schwerkraft (Eipolarisierung) und Temperatur (Geschlechtsdetermination bei Schildkröten und Krokodilen).
Mit dem Ausdruck Epigenese werden die graduellen Prozesse der embryonalen Morphogenese von Organen beschrieben. Diese beruhen auf Mechanismen auf der Ebene von Zellen und Zellverbänden, das sind Turing-Mechanismen oder allgemein Musterbildungsprozesse in der Biologie. Beispiele hierfür findet man etwa bei der Erklärung der embryonalen Extremitätenentwicklung der Wirbeltiere.
Entwicklungsmechanismen Eine Reihe spezifischer Entwicklungsmechanismen, die Entwicklungsphysiologie, bestimmt den spezifischen Verlauf der Morphogenese: Induktion ist die Beeinflussung der Entwicklung einer embryonalen Zielgruppe durch eine andere, die Induktionssubstanzen freisetzt, z. B. die Induktion der Linsenentwicklung beim Wirbeltierauge durch ektodermales Gewebe. Zellproliferation sind wiederholte, schnelle und kontrollierte Zellteilungen, die zu Gewebewachstum führen. Zelldifferenzierung meint einerseits die Differenzierung von Zellen im Vergleich untereinander, andererseits die individuelle Zellentwicklung und damit die Differenzierung einer Zelle im Lauf der Entwicklungszeit. Die Determination, das heißt Programmierung einer Zelle erfolgt auf einem bestimmten Entwicklungsweg. Eine programmierte, aber noch nicht endgültig differenzierte Zelle erhält die Bezeichnung „-blast“, die reife, ausdifferenzierte Zelle heißt „-cyt“. Es wird zwischen der reversiblen Spezifizierung einer Zelle und ihrer nicht reversiblen Differenzierung bzw. Determination oder Commitment unterschieden.Michael Kühl, Susanne Gessert: Entwicklungsbiologie. UTB basics, 2010. Die Zelldifferenzierung ist zusammen mit der Zellteilung (Mitose) eine notwendige, aber nicht hinreichende Voraussetzung dafür, dass ein entwickelnder, mehrzelliger Embryo seine Form erhalten kann (Morphogenese). Molekularbiologisch äußert sich Zelldifferenzierung darin, dass nicht das gesamte Genom gleichzeitig zur Proteinerzeugung genutzt wird, sondern nur die für den jeweiligen Zelltyp relevanten Gene aktiv sind. Man spricht von differenzieller Genexpression.
mini|links|Maus-Embryo (microCT) Theiler-Stadium 21, gestained mit Iodin (IKI) (Video) Stammzellen sind Zellen, die ihre Teilungsfähigkeit aufrechterhalten haben und erst nach der Vermehrung weiter differenzieren. Nach der asymmetrischen Teilung bleibt die eine Tochterzelle weiterhin Stammzelle, die andere schlägt einen neuen Weg ein. Stammzellen werden nach ihrem Entwicklungspotenzial unterschieden: Totipotente Stammzellen (Eizelle) können den gesamten Organismus hervorbringen. Pluripotente Stammzellen sind embryonale Stammzellen aus dem Blastoderm, die noch auf keinen bestimmten Zelltyp festgelegt sind. Sie bringen Zellen verschiedener Art hervor, die jedem der Keimblätter zugehören können. Multipotente Stammzellen können verschiedene Zellen einer bestimmten Linie hervorbringen, d. h. verschiedenen Derivate eines Keimblatts. Unipotente Stammzellen differenzieren zu einem einzigen Zelltyp, z. B. Stammzellen der Epidermis der Haut. Mit dem Fortschritt der Entwicklung erfolgt eine zunehmende Einschränkung der Entwicklungspotenz von Zellen von totipotent über pluripotent und multipotent zu unipotent. Unter Zellmigration versteht man die aktive Ortsveränderung von Zellen oder Zellverbänden, beispielsweise bei der Entstehung des Nervensystems. Signaltransduktion beschreibt die Ereigniskette zur Überführung einer Botschaft vom Zelläußeren über die Zellmembran hinweg ins Zellinnere. Die Signaltransduktion kommt in Gang, wenn ein extremes Signalmolekül, ein Ligand, an membranverankerte Rezeptormoleküle bindet. Apoptose ist der kontrollierte, programmierte Zelltod ohne Beeinträchtigung des umgebenden Gewebes und betrifft Gewebe, das nur in einer bestimmten Entwicklungsphase benötigt und anschließend zu Vesikeln abgebaut und durch Makrophagen vernichtet wird, z. B. die mesenchymalen Zwischenräume zwischen Fingern und Zehen bei Wirbeltierextremitäten oder der Verlust des Schwanzes der Kaulquappe.
mini|Exploratives Verhalten: Das Nervensystem (hier Maus-Cortex) ist nicht im Detail im Genom abgelegt. Axone und Dendriten „suchen und finden“ sich in der Entwicklung. Ein Beispiel für Selbstorganisationsfähigkeit in der Entwicklung (Axonales Wachstum und axonale Wegfindung) Selbstorganisation als Entwicklungsprinzip meint das Entstehen von Ordnung aus anfänglicher Unordnung oder Strukturierung aus Nichtstrukturierung von Zellen und Geweben. Hierbei kann eine initiale, unter Umständen geringe Veränderung eines Parameters wie einer Genaktivität oft auf dem Weg über Schwellenwerteffekte eine nicht lineare, nicht chaotische Reaktion des gesamten Systems bewirken. Vorgänge der Musterbildung schließlich lassen wohlgeordnete und reproduzierbare räumliche Muster verschieden differenzierter Zellen entstehen. Dies kann sowohl zweidimensional sein, etwa bei der Bildung von Farbmustern auf Haut (Fische) und Fellen (Zebra, Gepard), Schmetterlingsflügeln oder Vogelgefiedern (Kreise, Rhomben, Streifen), als auch dreidimensional, etwa bei der Wirbeltier-Extremitätenentwicklung oder bei der Ausbildung neuronaler Muster. Theoretische Grundlage für Musterbildung ist das Turingmodell oder Turing-Mechanismus, ein chemisches Reaktions-Diffusionsmodell, in dem Turing 1952 erstmals die chemische Basis der Morphogenese beschrieb.Alan Turing: (PDF; 1,2 MB). In: Phil. Trans. R. Soc. London B 237, 1952, S. 37–72. (Originalartikel) Das Turingmodell wurde zu einem Modell mit lokalem Aktivator und lateraler Inhibition (LALI-Modell) ausgeweitet.H. Meinhard, A. Gierer: Application of a theory of biological Pattern Formation based on lateral inhibition. In: J. Cell Sci. 15, 1974, S. 321–346. LALI-Modelle lösen sich von chemischer Reaktion und erlauben Patterning auf Zellebene durch Zellinteraktion. Musterbildungsprozesse sind daher nicht im Detail genetisch determiniert. Neben genetisch notwendigen Bedingungen liegt die hinreichende Information der eigentlichen Musterbildungsprozesse auf Zellebene und ist damit epigenetisch.
Im Verlauf der Entwicklung kommt es zur Ausbildung differenzierter Zellen für spezifische Gewebetypen (Haut, Muskel, Nerven, Organe etc.). Es gibt Regionen des Embryos, in denen in einer ganz bestimmten Phase der Entwicklung ein oder wenige ganz bestimmte Gene der Zellen exprimiert und bestimmte Signalproteine produziert werden.Mark C. Kirschner, John C. Gerhart: Die Lösung von Darwins Dilemma – Wie Evolution komplexes Leben schafft. Rowohlt, 2007, ISBN 978-3-499-62237-3. (Orig.: The Plausibility of Life, 2005) Die Fähigkeit, unterschiedlich konservierte Kernprozesse an unterschiedlichen Orten zu bestimmten Zeiten im Organismus zu aktivieren und diese Reaktionsräume zu schaffen, wird Kompartimentierung genannt. Ein Insektenembryo bildet in der mittleren Phase der Entwicklung ca. 200 Kompartimente aus. Die Ausprägung dieser Kompartimente ist die eigentliche Aufgabe der Hox-Gene.
Entwicklungsstadien Die Hauptstadien der Entwicklung sind in zeitlicher Folge Zygote → Furchung → Gastrulation → Organogenese → Fetogenese → Larvalstadium (Larvalentwicklung mit Metamorphose) → Juvenilstadium (Wachstum) → Adultstadium → (Maturität), Altern → Tod. Dabei werden die Phasen Zygote, Furchung und Gastrulation als Frühentwicklung bezeichnet.
Ausgewählte Entwicklungsstadien der embryonalen Mausentwicklung (E = Embryonic day)UNSW Embryology: Mouse Timeline Detailed