Mitose vs. Meiose: Wie sich menschliche Zellen zum Wachstum und zur Fortpflanzung teilen

Jede Zelle im menschlichen Körper lässt sich auf ein einzelnes befruchtetes Ei zurückführen, und die Anweisungen, eine Zelle in Billionen umzuwandeln, basieren auf zwei verschiedenen Arten der Teilung: Mitose und Meiose. Das National Human Genome Research Institute (NHGRI) und das National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) der U.S. National Institutes of Health beschreiben beide diese als die zwei Kernmechanismen, die Zellen verwenden, um sich zu vermehren oder die für die Fortpflanzung erforderlichen Geschlechtszellen zu schaffen.

Der Zellzyklus: Wo die Teilung passt

Nach dem Genetik-Glossar des NHGRI durchläuft eine teilende Zelle zunächst die Interphase, die sich aus drei Stadien zusammensetzt: G1, wenn sich die Zelle auf die Teilung vorbereitet; S, wenn sie ihre gesamte DNA-Menge dupliziert (S steht für DNA-Synthese); und G2, wenn sie das neu kopierte genetische Material organisiert und verdichtet. Die Teilung selbst erfolgt in der M-Phase, wenn die Zelle ihre zwei DNA-Kopien in zwei neue Tochterzellen aufteilt.

Mitose: Eine Zelle genau kopieren

Mitose erzeugt zwei Tochterzellen, die genetisch identisch mit der Mutterzelle und miteinander sind, so das NHGRI. Das NIGMS merkt an, dass dies die für das gewöhnliche Körperwachstum und den Gewebeersatz verantwortliche Teilung ist — zum Beispiel ersetzen sich Magenschleimhautzellen alle paar Tage selbst, während Leberzellen ein Jahr brauchen können, um sich zu erneuern.

Das NIGMS listet sechs Stadien der Mitose nach der Interphase auf: Prophase, wenn sich Chromosomen verdichten und an den Spindelapparat anheften; Prometaphase, wenn die Kernmembran zusammenbricht und sich die Spindel vollständig bildet; Metaphase, wenn sich Chromosomen in der Mitte der Zelle anordnen; Anaphase, wenn sich Schwesterchromatiden trennen und zu gegenüberliegenden Polen wandern; Telophase, wenn sich neue Kernhüllen um jeden Satz bilden; und Zytokinese, wenn die Zelle sich physisch in zwei teilt.

Meiose: Ei- und Spermienzellen herstellen

Meiose wird ausschließlich zur Herstellung von Gameten — Ei- und Spermien — verwendet und funktioniert anders. Das NHGRI erklärt, dass eine diploide Zelle, die 46 Chromosomen trägt (zwei Sätze von 23), ihre DNA einmal kopiert, sich aber dann zweimal teilt und vier haploide Tochterzellen mit jeweils nur 23 Chromosomen ergibt. Wenn eine Spermienzelle und eine Eizelle bei der Befruchtung vereinigt werden, stellen ihre kombinierten 23 Chromosomen von jedem Elternteil die normale diploide Zahl von 46 wieder her.

Die Embryo Project Encyclopedia der Arizona State University beschreibt Meiose als in zwei Stadien auftretend. Meiose I ist die Reduzionsteilung, unterteilt in Prophase I, Metaphase I, Anaphase I und Telophase I; es ist während der Prophase I, dass entsprechende (homologe) Chromosomen sich paaren und Segmente von DNA in einem Prozess namens Crossing Over austauschen, was das NIGMS sagt, erhöht genetische Vielfalt. Meiose II ähnelt dann der Mitose und trennt Schwesterchromatiden, um die Bildung von vier haploiden Zellen aus einer ursprünglichen diploiden Zelle zu vervollständigen.

Nach der Embryo Project Encyclopedia unterscheiden sich die Entwicklung von Ei- und Spermien stark im Zeitablauf. Die Spermatogenese beginnt in der Pubertät und produziert kontinuierlich vier lebensfähige Spermien aus jeder Startzelle. Die Oogenese beginnt dagegen vor der Geburt, pausiert aber an einem bestimmten Punkt in der Prophase I bis zur Pubertät; wenn die Teilung wieder aufgenommen wird, teilt sich die Zelle ungleichmäßig und produziert ein großes, nährstoffreiches Ei und kleine verworfene Strukturen, die sogenannte Polkörper genannt werden, so dass nur ein verwendbarer Gamet pro Zyklus entsteht.

Eine kurze Geschichte

Die Embryo Project Encyclopedia schreibt dem Biologen Oscar Hertwig zu, Meiose in der Mitte der 1870er Jahre anhand von Seeigelzellen erstmals beschrieben zu haben. Der Evolutionsbiologe August Weismann erkannte 1890, dass der Prozess die Chromosomenzahl um die Hälfte reduziert, und der Genetiker Thomas Hunt Morgan demonstrierte 1911 die chromosomale Überkreuzung.

Wenn Meiose schiefgeht

Fehler während der Meiose können medizinische Folgen haben. Das U.S. Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development (NICHD) besagt, dass das Down-Syndrom aus einem zufälligen Fehler bei der Zellteilung namens Nondisjunction resultiert, wobei sich ein Chromosomenpaar nicht ordnungsgemäß trennt — beide Kopien enden in einer resultierenden Zelle und keine in der anderen. Die häufigste Form, komplette Trisomie 21, tritt auf, wenn jede Zelle drei Kopien von Chromosom 21 anstelle von zwei trägt.

Das NICHD berichtet, dass in den meisten Fällen von Trisomie 21 das zusätzliche Chromosom aus dem Ei der Mutter stammt, während weniger als 5% aus dem Sperm des Vaters stammen. Eine separate Form, Mosaik-Trisomie 21, macht auch weniger als 5% der Fälle aus und tritt auf, wenn nur einige der Zellen einer Person das zusätzliche Chromosom tragen. Das NICHD erklärt deutlich, dass kein elterliches Verhalten oder Umweltfaktor bekannt ist, das Down-Syndrom zu verursachen, und dass die Erkrankung zufällig während der Bildung von Eiern oder Spermien entsteht.