Das Thema der Gametogenese als Überbegriff für die Spermatogenese und Oogenese ist grundlegender Bestandteil der Embryologie. Die menschlichen Keimzellen stellen die Basis für die Entstehung eines neuen Lebens dar. Wichtig ist, diese Entwicklung genau zu verstehen, da auch hier Fehler auftreten können, die ein postnatales Leben unmöglich machen oder stark verändern.

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Spermatogenese

Bild: “Spermatogenesis” von Phil Schatz. Lizenz: CC BY 4.0


Entwicklung der Keimzellen

Zu Beginn der Embryonalentwicklung liegen die Urkeimzellen in der Dottersackwand. Ab der vierten Wochen wandern sie über den Hinterdarm in die sich differenzierenden Gonaden oder Keimdrüsen ein. Je nachdem, ob sich diese zum Ovar oder Hoden entwickeln, spricht man von nun an von Oogonien oder Spermatogonien.

Besonders an den Geschlechtszellen oder Gameten ist, dass sie einen haploiden Chromosomensatz besitzen. In ihnen sind also nur 23 Chromosomen mit gemischt mütterlichen und väterlichen Anteilen enthalten. Dies ist sinnvoll in Hinblick auf eine spätere Befruchtung von den Eizellen durch die Spermien, sodass diese dann gemeinsam einen diploiden Chromosomensatz bilden können.

Für die Halbierung des Chromosomensatzes ist die Meiose verantwortlich. Zuerst werden in einer Reduktionsteilung die 46 Chromosomen auf zwei Zellen mit je 23 Chromosomen aufgeteilt, sodass der DNA-Gehalt nun 1n2c, das heißt zwar halber Chromosomensatz aber mit doppelter Chromosomenzahl, beträgt. In der darauffolgenden Äquationsteilung findet keine DNA-Replikation statt, sodass nur die Schwesterchromatiden getrennt werden und der neue DNA-Gehalt mit 1n1c angegeben werden kann.

Die Oogenese – Reifung weiblicher Keimzellen

Die Oogenese beginnt in der Fetalzeit, wird dann aber angehalten. Fortgesetzt wird sie erst im Alter von 12-15 Jahren in der Pubertät.

12. – 16. Schwangerschaftswoche: Pränatale Reifung weiblicher Keimzellen

In dieser Zeit entstehen die primären Oozyten oder Oozyten 1. Ordnung. Dafür vermehren sich die Oogonien, indem sie sich mitotisch teilen. Zusätzlich wachsen sie ein kleines Stück. Die Prophase der Meiose wird aber nicht beendet. Die Zellen verharren im Diplotän der Prophase und besitzen noch einen diploiden Chromosomensatz. Ihren Ruhezustand nennt man aufgrund des netzartigen Aussehens des Zellkerns auch Diktyotän.

Die primären Oozyten werden von Follikelepithelzellen, die aus den zerfallenden Keimsträngen entstehen, umgeben. Somit bildet sich eine flache, einschichtige Hülle um die Oozyten. Dieser Komplex wird als Primordialfollikel bezeichnet. Ungefähr sieben Millionen Eizellen werden bis zum sechsten Monat angelegt. Bis zur Geburt gehen davon aber wieder ungefähr fünf Millionen zugrunde. Postnatal werden keine neuen primären Oozyten mehr gebildet!

Oogenese

Bild: “Oogenesis” von Phil Schatz. Lizenz: CC BY 4.0

Postnatale Reifung weiblicher Keimzellen

Bereits vor der Pubertät reifen einige Follikel zu Tertiärfollikeln heran, die dann aber abgebaut werden. Dieser Vorgang wird als Follikelatresie bezeichnet. Zu Beginn sind noch etwa 200.000 Primordialfollikel im Diktyotän arretiert. Monat für Monat reifen nun mehrere Primordialfollikel zu Primärfollikeln mit weiterhin einschichtigen, nun aber kubischen Hüllen, heran.

Von diesen Primärfollikeln entwickeln sich nur einige weiter. Sie werden zu sogenannten Sekundärfollikeln mit einer mehrschichtigen Hülle aus Follikelepithelzellen. Diese bilden eine Substanz aus Glykoproteinen, die als Zona pellucida die Eizelle umgibt. Die Oozyte wächst weiter und begibt sich in eine exzentrische Position. Es bilden sich Hohlräume aus, die zu einer großen Follikelhöhle, dem Antrum, das mit Liquor folliculi gefüllt ist, werden. Somit ist ein Tertiärfollikel herangereift.

Im Tertiärfollikel bildet die Oozyte, die sich umgeben von der Zona pellucida in die Follikelhöhle vorwölbt, den Cumulus oophorus oder Eihügel. Der Zona pellucida der Eizelle liegt direkt eine Schicht Follikelepithelzellen an, die als Corona radiata bezeichnet wird, weil sie gezackt ist. Das Gewebe des Ovars differenziert sich zu einer gefäßreichen und Androgene produzierenden Theca interna sowie einer Follikel stabilisierenden, bindegewebigen Theca externa.

Unter dem Einfluss des follikelstimulierenden Hormons (FSH) reift nur einer der Tertiärfollikel jeden Monat etwa sieben Tage vor dem Eisprung zum Graaf-Follikel heran. Dieser ist im Durchmesser 1,5 bis 2,5 Zentimeter groß und von außen am Ovar als Stigma zu erkennen. Dieser Graaf-Follikel ist die Eizelle, die schließlich „springen“ wird.

Follikel

Bild: “Folliculogenesis” von Phil Schatz. Lizenz: CC BY 4.0

Ungefähr zwölf Stunden vor der Ovulation wird die erste Reifeteilung der Meiose im Graaf-Follikel beendet. Dabei wird ein erstes Polkörperchen mit einem Chromosomensatz abgeschnürt. Der andere Chromosomensatz verbleibt in der nun als sekundären Oozyte oder Oozyte 2. Ordnung bezeichneten Eizelle. Diese erhält den überwiegenden Teil des Zytoplasmas und der Zellorganellen, sodass das Polkörperchen wesentlich kleiner ist und schnell degeneriert. Der Kern der Eizelle ist weiterhin diploid.

Am 14. Tag des weiblichen Zyklus kommt es zum Eisprung oder zur Ovulation. Die Eizelle „springt“ mit samt Zona pellucida und Corona radiata, verlässt also den Ovar und wird von den Fimbrien des Eierstocks aufgenommen. Gleichzeitig beginnt die zweite Reifeteilung der Meiose. Auch diese wird wieder angehalten, diesmal in der Metaphase. Sie wird erst fortgesetzt, wenn die Eizelle befruchtet wird.

Wird die Eizelle befruchtet, setzt sich die zweite Reifeteilung fort. Erneut wird ein zweites Polkörperchen abgeschnürt, das wieder kaum Zytoplasma erhält. Dieses verbleibt in der befruchteten Oozyte, dem Ovum. Nun liegt im Zellkern ein haploider Chromosomensatz vor, der sich mit dem Chromosomensatz des Spermiums vereinigen kann.

Da die Eizelle bei der Ovulation nur die Zona pellucida und die Corona radiata mitnimmt, bleibt der Rest des Follikels im Ovar zurück. Er kollabiert und füllt sich mit Blut aus der Theca interna. Deswegen wird er zu diesem Zeitpunkt als Corpus rubrum bezeichnet.

Unter Einfluss des Luteinisierenden Hormons (LH) der Luteinzellen, verändert dieses sich in ein gelbliches Corpus luteum. Die gelbliche Färbung lässt sich auf eingelagerte Lipide der Luteinzellen zurückführen. Das Corpus luteum produziert Progesteron und etwas Östrogen, welches zu den Veränderungen des Endometriums, also dem Aufbau der Gebärmutterschleimhaut in Vorbereitung auf eine mögliche Nidation der Eizelle, führt.

Bei Befruchtung der Eizelle produziert das Corpus luteum als Corpus luteum graviditatis bis zur 20. Schwangerschaftswoche weiter Hormone. Aufrechterhalten wird es durch das Hormon hCG (humanes Choriongonadotropin). Dieses wird auch zur Diagnostik im Rahmen von Schwangerschaftstests genutzt. Anschließend wird seine Funktion von der Plazenta übernommen und das Corpus luteum graviditatis degeneriert.

Findet keine Befruchtung statt, entsteht das Corpus luteum menstruationis. Dieses degeneriert bereits nach ungefähr zehn Tagen. In beiden Fällen bleibt ein weißliches Narbengewebe, das Corpus albicans zurück. Dieser Ablauf setzt sich als ovarieller Zyklus bis zum endgültigen Ausbleiben der Menstruation, der Menopause, fort.

Die Spermatogenese – Reifung männlicher Keimzellen

Im Unterschied zur Oogenese ist es den männlichen Keimzellen möglich, sich nicht nur pränatal anzulegen, sondern sich auch postnatal zu replizieren.

Pränatale Reifung männlicher Keimzellen

Pränatal werden die männlichen Keimzellen nach ihrer Einwanderung in den Hoden von den Sertoli-Stützzellen in ihrem Reifungsprozess angehalten. Sie verbleiben als größtenteils undifferenzierte Zellen im Hoden, dessen Tubuli noch nicht kanalisiert sind. Erst mit Einsetzen der Pubertät entstehen die Samenkanälchen und der Reifungsprozess der Spermatogonien zu reifen Spermien beginnt.

Spermatogenese

Bild: “Spermatogenesis” von Phil Schatz. Lizenz: CC BY 4.0

Postnatale Reifung männlicher Keimzellen

Mit Beginn der Pubertät vermehren sich die Spermatogonien stark. Es werden zwei Typen unterschieden: Der erste Typ stellt immer neue Spermatogonien bereit, der zweite Typ beginnt mit der Reifung. In einem ersten Schritt entstehen aus diesem zweiten Typ primäre Spermatozyten oder Spermatozyten 1. Ordnung, wenn die Spermatogonien  in die Prophase der Meiose eintreten. Sie haben einen diploiden Chromosomensatz 2n2c. Diese Phase dauert ungefähr drei Wochen an.

Auf die lange Prophase folgen die weiteren Phasen der ersten Reifeteilung, mit deren Ende zwei Spermatozyten entstehen. Diese werden dann als sekundäre Spermatozyten oder Spermatozyten 2. Ordnung bezeichnet. Sie durchlaufen die zweite Reifeteilung, an deren Ende die Teilung in vier haploide Spermatiden erfolgt. Mit jeder Teilung halbiert sich die Größe der Zellen, sodass die Spermatiden etwa ein Viertel der primären Spermatozyten ausmachen.

Spermien

Bild: “Structure of Sperm” von Phil Schatz. Lizenz: CC BY 4.0

Der sich anschließende Prozess wird als Spermiogenese bezeichnet. Er ist der letzte Schritt der Spermatogenese und macht aus den Spermatiden funktionsfähige Spermien. Sind die sekundären Spermatozyten noch durch Zytoplasmabrücken verbunden, weil sowohl die erste als auch die zweite Reifeteilung eine unvollständige Diakinese beinhalten, entstehen jetzt vier getrente reife Spermien.

Zunächst werden Organellen und überschüssiges Zytoplasma in Residualkörperchen abgeschnürt und es bildet sich die lange Kinozilie beziehungsweise der Spermienschwanz aus. Dieser Prozess beginnt in den Samenkanälchen und wird auf dem Weg in den Nebenhoden fortgesetzt. Hier findet die abschließende Reifung, bei der ein funktionsfähiges Spermium mit Kopf, Hals und Schwanz entsteht statt.

Der Spermienkopf enthält den Kern und ist vom Akrosom überdeckt. Ihm folgt ein kurzer Hals, der das proximale Zentriol enthält, welches eine Rolle bei der Befruchtung der Eizelle spielt. Daran schließt sich der Schwanz an, der in drei Teile untergliedert wird:

  • Mittelstück
  • Hauptstück
  • Endstück

Das Mittelstück enthält die Mitochondrien. Es stellt über Adenosintriphosphat (ATP) die Energie für die Bewegung der Geißel bereit. Die Geißel besteht aus dem Haupt- und Endstück des Schwanzes. In ihr befinden sich Mikrotubuli, die die typische 9×2+2 Struktur aufweisen, also paarweise angeordnet sind. Bis zur Abgabe werden die fertigen Spermien im Ductus epididymidis gespeichert. Der komplette Vorgang der Reifung hat um die 80 Tage beansprucht.

Eine abschließende Reifung müssen Spermien aber trotzdem noch durchmachen: Nach der Ejakulation findet eine sogenannte siebenstündige Konditionierung oder Kapazitation statt, bei der sich die Membranbestandteile verändern, nicht jedoch die Morphologie der Spermien. Dies geschieht meist in den Tuben und ist für die Befruchtung unbedingt erforderlich, da es ohne Konditionierung nicht zur Akrosomenreaktion kommen kann.

Abnorme Gametogenese

Pathologische Vorgänge während der Spermatogenese und Oogenese sind vor allem auf chromosomaler Ebene zu finden. Ein Beispiel für eine gestörte Gametogenese ist die Nondisjunction, eine falsche Verteilung der Chromosomen in den Gameten. Dies kann sowohl während der ersten als auch während der zweiten Reifeteilung auftreten und führt zu Gameten mit zu vielen und zu wenigen Chromosomen. Nur wenige Fehlverteilungen sind mit einem postnatalen Leben vereinbar.

Down Syndrome Tag 2015

Bild: “World Down Syndrome Day 2015” vonWilliam Murphy. Lizenz: CC BY-SA 2.0

Ein typisches Beispiel für eine meiotische Nondisjunction ist die Trisomie 21 oder das Down-Syndrom, welches nur selten durch Translokation entsteht und bei der das Chromosom 21 dreifach vorliegt. Das klinische Bild ist unter anderem durch das charakteristische Gesicht, einen Minderwuchs und die Vierfingerfurche gekennzeichnet. Auch die Trisomie 13 und 18 sind überlebensfähige Trisomien, die durch eine Nondisjunction entstehen können.

Während bei den oben genannten Trisomien eine numerische Aberration der Autosomen vorliegt, gibt es auch Syndrome, die auf eine numerische Aberration der Gonosomen zurückzuführen sind. Hierzu gehören das Turner-Syndrom mit einem Chromosomensatz 45,X0 und das Klinefelter-Syndrom mit mindestens 47,XXY.

Findet die Nondisjunction in einer der Blastomere nach der Befruchtung statt, ist es möglich, dass nur einige Zellen diese chrosomomale Abnormität in sich tragen und somit ein Mosaik entsteht. Diese Mosaikbildung ist auch bei den oben beschriebenen Trisomien, sowie dem Klinefelter- und Turner-Syndrom möglich. Hierbei sind klinische Veränderungen dann weniger ausgeprägt, als wenn alle Zellen diese Veränderung in sich tragen.

Vor allem das Alter der Mutter spielt in Hinblick auf chromosomale Defekte eine Rolle. Da die Oozyten bei einer späten Schwangerschaft mehr als 40 Jahre in der Prophase angehalten sein können und während der gesamten Zeit Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, steigt ab dem 35. Lebensjahr das Risiko chromosomaler Defekte drastisch an.

Röntgenbild Stehaufnahme der Beine bei einem 10-jährigen Jungen mit Achondroplasie

Bild: “Röntgenbild Stehaufnahme der Beine bei einem 10-jährigen Jungen mit Achondroplasie” von Kinderradiologie Olgahospital Klinikum Stuttgart . Lizenz: CC BY-SA 3.0

Aber auch das väterliche Alter spielt eine Rolle. Mit höherem väterlichen Alter zeigen sich zwar keine chromosomalen Fehlverteilungen, dafür aber höhere Neumutations-Raten. Dies wird auf die andauernde DNA-Replikation in den Spermien zurückgeführt. So wurde die DNA eines 40-jährigen Mannes bereits 610 Mal repliziert. Mit höherer Replikationsrate steigt das Risiko eines Replikationsfehlers, also einer Neumutation. Zusammenhänge lassen sich beispielsweise für die Achondroplasie oder das Marfan-Snydrom finden.

Beliebte Prüfungsfragen zur Spermatogenese und Oogenese

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Was ist richtig?

  1. Primordialfollikel reifen zu Sekundärfollikeln heran.
  2. Sekundäre Oozyten entstehen pränatal.
  3. Sekundäre Oozyten verharren im Diplotän der Prophase.
  4. Primäre Oozyten beginnen die erste Reifeteilung pränatal.
  5. Nach der Ovulation beginnt die erste Reifeteilung.

2. Reife Spermien entstehen während der Spermiogenese. Sie…

  1. … sind gekennzeichnet durch eine unvollständige Diakinese.
  2. … benötigen keine weitere Reifung oder Veränderung um die Eizelle zu befruchten.
  3. … bestehen aus Haupt-, Mittel- und Endstück.
  4. … reifen abschließend in den Samenkanälchen.
  5. … haben einen Kopf, der vom Akrosom überdeckt ist.

3. Welche Struktur befindet sich zunächst in der Dottersackwand?

  1. Oogonien
  2. Spermatogonien
  3. Oozyten
  4. Urkeimzellen
  5. Spermien

Quellen

ALLEX Alles fürs Examen B, 1. Auflage – Thieme

Duale Reihe Anatomie, 2. Auflage – Thieme Verlag

Engel W, Laccone F, Sancken U: Das väterliche Alter aus humangenetischer Sicht. Journal für Reproduktionsmedizin und Endokrinologie 2004; 1(4), 263-267

Humanes Choriongonadotropin via DocCheck Flexikon

Moore, K.L. u. a.: Embryologie, 6. Auflage – Urban & Fischer

Schünke, Michael u. a.: Prometheus Lernatlas der Anatomie, 3. Auflage – Thieme

Schulze, Susanne: Embryologie mediscript Kurzlehrbuch, 2. Auflage – Urban & Fischer

Lösungen zu den Prüfungsfragen: 1D, 2E, 3D

 

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