Meiose – Ablauf und Funktion

Während Körperzellen einen Zellkern mit doppeltem Chromosomensatz aufweisen, werden für die geschlechtliche Fortpflanzung sogenannte Keimzellen benötigt, die einen halbierten und damit einfachen Chromosomensatz aufweisen. Den Prozess der Zellteilung hin zu Keimzellen mit einfachem Chromosomensatz nennt man Meiose. Ohne die Meiose wäre eine genetische Rekombination des unterschiedlichen Erbmaterials von Mutter und Vater unmöglich denn es braucht lediglich die Hälfte des entsprechenden Erbmaterials beider Elternteile um wieder ein genetisches "Ganzes" daraus zu formen. Im Unterschied zur Meiose werden wird bei der Mitose der Gesamte Chromosomensatz der Elternzelle auf zwei Tochterzellen übertragen. Mitose = Genetisches Material wird MITgenommen, Meiose = Genetisches Material wird halbiert.

Bedeutung der Meiose

Der Mensch als ein vielzelliger Organismus ist das Ergebnis zweier Entwicklungszyklen auf dem Weg zum Erwachsensein beziehungsweise seiner Geschlechtsreife. Diese zwei Mechanismen werden Mitose und Meiose genannt. Sorgt die Mitose als Segregationsmechanismus - das heißt, die Gleichverteilung von Erbmaterial auf jeweils zwei Tochterzellen - für die identische chromosomale Ausstattung aller Körperzellen, ist die Meiose ein Fortpflanzungszyklus, der zur Reduzierung des Genmaterials führt.

Sprechen wir beim Wachstum also von einer Vervielfältigung der Körperzellen aus einer einzigen Eizelle heraus, deren Charakteristikum eine diploide Chromosomenzahl (2n=46) ist, wird diese Chromosomenzahl nach jeder Zellteilung beibehalten. Hierbei handelt es sich jeweils um einen kompletten Chromosomensatz väterlicher sowie mütterlicher Herkunft. Um die Variabilität innerhalb einer Population zu wahren, wird während des Vorganges der Meiose, dieser Chromosomensatz nicht nur um die Hälfte reduziert, sondern ebenfalls variiert. Als Ergebnis zweier aufeinanderfolgender Zellteilungsstadien, der Meiose I und der Meiose II, entstehen so vier haploide Tochterzellen, die in den weiblichen Ovarien zu Eizellen heranwachsen und in den männlichen Hoden zu Spermien. Die Verschmelzung der haploiden Eizelle (n=23) und des haploiden Spermiums (n=23) während der Fortpflanzung führt zur befruchteten diploiden Eizelle (2n=46) mit jeweils der gleichen Menge an mütterlichem und väterlichem Erbgut.

Ablauf der Meiose im Detail

Um die Meiose zu verstehen, ist es zunächst notwendig, sich den Aufbau einer Zelle sowie der Chromosomen näher zu verinnerlichen. Das zunächst im Zellkern diffus vorhandene Chromatin, ein organischer Bündel aus DNA und Proteinen sowie die außerhalb des Kerns befindlichen Zentriolenpaare zur Ausbildung des Spindelapparates sind die Hauptbestandteile zur späteren Trennung der homologen Chromosomen sowie der Schwesterchromatiden bis zu den haploiden Tochterzellen. Dies funktioniert folgendermaßen:

1. Meiose I: Trennung der homologen Chromosomenpaare

Die Meiose I wird in fünf verschiedene Phasen eingeteilt. In der Interphase I wird das zunächst locker im Zellkern vorhandene Chromatin zu festen Chromosomenstrukturen gebündelt und verdoppelt (repliziert). Aus jedem Chromosom gehen somit zwei genetisch identische Schwesterchromatiden hervor, die durch ihre Zentromere, das heißt dem Kreuzungspunkt im X, miteinander verbunden sind. Das Zentriolenpaar verdoppelt sich ebenfalls. In der Prophase I ordnen sich die aus zwei Chromatiden bestehenden Chromosomen zu Paaren an und werden unter einem Mikroskop als Tetrade sichtbar, also vier parallel angeordneten Chromatiden, die sich an zahlreichen Stellen kreuzen. Diese Überkreuzungen werden Chiasmata genannt und sind für die genetische Variabilität und den Tausch von Gensequenzen entscheidend (Crossing-over). Im weiteren Verlauf der Prophase I bereitet sich die Zelle auf die Zellteilung vor. Dies äußert sich darin, dass sich die Zentriolenpaare voneinander wegbewegen und einen Spindelapparat ausbilden, die Kernmembran und die Nucleoli sich auflösen und die Chromosomen zur Metaphaseplatte wandern. Die Zentromere der Chromosomen ordnen sich in der Metaphase I in der Äquatorialebene an und der jeweilige Pol des Spindelfaserapparates verbindet sich mittels Mikrotubuli mit den Zentromeren der Chromosomen. Diese werden zu den Polen gezogen. Mit dieser Bewegung wird die Anaphase I eingeleitet. Haben die Chromosomen die Zellpole erreicht, beginnt die Telophase I und Zytokinese, welche durch das Einschnüren der Plasmamembran und der Teilungsfurche charakterisiert ist. Eine Zelle wird nunmehr in zwei Zellen getrennt, welche jeweils wieder den Zellkern und die Nucleoli aufbauen. In jeder Zelle befindet sich jetzt jeweils ein haploider Satz Chromosomen, die jeweils aus zwei Schwesterchromatiden bestehen.

2. Meiose II: Trennung der Schwesterchromatiden

Die Meiose II benötigt im Gegensatz zur Meiose I nur vier Phasen. In der Prophase II kommen die gleichen Zellvorgänge zum Vorschein, wie in der Prophase I. Das heißt, das Chromatin bündelt sich und die Kernmembran löst sich auf. Ebenfalls mit der Metaphase I vergleichbar ordnen sich die Zentromere der haploid vorliegenden Chromosomen in der Metaphase II in der Äquatorialebene an, sodass die Kinetochore der Chromatiden jedes Chromosoms zum jeweils entgegengesetzten Zellpol zeigen. Die Trennung der Schwesterchromatiden am Zentromer ist das Charakteristikum der Anaphase II, sodass nunmehr vier genetisch gleichartige Chromatiden mit Allel Variationen sich an den Zellpolen anordnen, wie sie im Verlauf der Telophase II und der Zytokinese an vier gleichartigen Tochterzellen verteilt werden können.

Unterschied zwischen der Mitose und Meiose

Die Meiose ist der für die geschlechtliche Fortpflanzung notwendige Zellteilungsvorgang. Sie dient nur und ausschließlich der Gewinnung von Keimzellen mit einfachem Chromosomensatz. Im Unterschied zur Meiose wird bei der Mitose der Gesamte Chromosomensatz der Elternzelle auf eine sich abtrennende Tochterzelle übertragen. Hierbei entstehen um Idealfall zwei völlig identische Zellen aus einer Ausgangszelle. Das passiert täglich millionenfach in einem Organismus und ist gemeinhin der Vorgang der landläufig unter der "Zellteilung" verstanden wird. Schreitet die Mitose mit der Zeit voran führt sie z.B. zu faltiger Haut und irgendwann zum Tod eines Organismus.

Die Meiose hingegen sorgt dafür, dass sich Geschwisterpaare genetisch voneinander unterscheiden. Würde die Meiose der Mitose gleichen, wäre das Resultat ein genetisch vollkommen identisches Geschwisterpaar. Die Meiose und hier vor allen Dingen das Crossing-over während der Meiose I sorgen für die notwendige genetische Variabilität ohne die evolutionäre Prozesse gar nicht erst möglich wären.

Mitose und Meiose unterscheiden sich nur marginal während der Replikation. Während bei der Mitose zwei Schwesterchromatiden voneinander getrennt werden, sind es bei der Meiose zwei homologe Chromosomenpaare. Stellt man sich das Chromosom als X vor wird bei der Meiose das homologe, genetisch übereinstimmende Chromosomenpaar (X)-(X) getrennt, die einzelnen Chromosomen auf die entstehenden Tochterzellen verteilt und wieder zu einem identischen Chromosomenpaar (X)-(X) ergänzt. Bei der Mitose hingegen wird das einzelne Chromosom (X) in zwei gleiche homologe Schenkel (I) und (I) aufgeteilt. Diese Hälften werden an auf die entstehenden Tochterzellen übertragen und verbleiben dort als "halbe" Chromosomen bis sie auf eine Geschlechtszelle mit ebenfalls nur einem halben Chromosom treffen (Spermium auf Eizelle und umgekehrt).