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Vorlesung: FortpflanzungWintersemester 2006/7, 5. Fachsemester
- Follikulogenese, Ovulation, Oogenese, IVM und IVF, frühembryomale Entwicklung
Das Leben kommt auf alle Fälle aus einer Zelle.
Doch manchmal endet´s auch bei Strolchen in einer solchen.
Heinz Erhardt
Follikulogenese
Wachstum und Differenzierung von Follikeln
1. Einwanderung von Primordialkeimzellen in die Gonadenanlage
2. Primordialfollikeln
3. Primärfollikeln
4. Sekundärfollikeln
5. Tertiärfollikeln- präovulatorischer Tertiärfollikel (Graafscher Follikel)
- Zunahme der Granulosazellen- Differenzierung der Granulosazellen- Aufbau der Zona pellucida- Wachstum und Reifung der Eizelle
Blutgefäß
Basalmembran
murale Granulosazellen
intermediäre Granulosazellen
antrale Granulosazellen
Eizelle
Zona pellucida
Zellkern
Thekazellen Fibroblasten
Cumuluszellen
- Synthese der Follikelflüssigkeit- Formierung der Follikelhöhle
Die Follikelflüssigkeit bildet das Milieu, in dem die Eizelle reift.
Steigt Fällt
- Glukose - Laktat - ß-HBA - Harnstoff - Cholesterol - Kalium, Chlorid - pH-Wert - Triglyzeride
Harnstoff
NEFA
Eizellqualität
Granulosazell-funktion
Die Stoffwechsellage des Individuums beeinflusst die Zusammensetzung der Follikelflüssigkeit – Bedeutung für die Fertilität teilweise noch unklar.
Grundlagen der Follikelentwicklung
gonadotropin-unabhängig
gonadotropin-abhängig
LH-Impuls
- kontinuierlicher Übertritt vom Ruhepool in die Wachstumsphase
- Selektionsprozess führt zur Dominanz
- Entwicklung des Tertiärfollikels dauert mehrere WochenEndphase bis zur Ovulation nur wenige Tage
Grundlagen der Follikelentwicklung
Die maximale Zahl der Follikel ist vor der Geburt festgelegt. Je älter das Muttertier wird, desto „älter“ sind die Follikel.
Follikelreifung während des Zyklus
- mehrere Follikel beginnen zu wachsen (Kohorte)
- mit zunehmendem Follikeldurchmesser nimmt die Östrogensynthese zu. Dies wirkt negativ rückkoppelnd auf die LH- und FSH–Ausschüttung (negatives Feedback, tierartliche Unterschiede)
- zusätzlich Wirkung von Inhibin aus dem Follikel
- Durch die fallende FSH-Konzentration beginnen kleinere Follikel zu atresieren - „Kampf um das FSH“
- Die steigenden Östrogenkonzentrationen führen zu einer Umschaltung vom negativem auf ein positives Feedback
- Östrogene bewirken eine schlagartige Freisetzung von LH/(FSH)
- „LH-Peak“ wirkt als ovulationsauslösendes Signal
Präovulatorischer LH-Anstieg
Hypothalamus
Follikelwachstum
Glandotrope Zellen des Hypophysenvorderlappen:
• erhöhte GnRH-Rezeptor-Expression
• Sensibilisierung der GnRH-Rezeptoren
• Wechsel von LH-Speicherung zu LH-Freisetzung
• veränderte LH-Glykosilierung
Steigerung der Östrogensynthese
+
+
LH-Ausschüttung mit hoher biologischer Aktivität
Ovulation
Induzierte Ovulation
- auslösender Reiz ist der Paarungsakt
- Rezeptoren in der Vagina führen zur Ausschüttung von gonadotropen Hormonen
Katze: - LH- für multiple Ovulationen sind wiederholte Bedeckungen notwendig
Andere Beispiele: Kaninchen, Frettchen, Kameliden
Tierartliche Unterschiede
Follikelwachstum bis zur präovulatorischen Größe im Interöstrus möglich bei Rind, Pferd, Schaf und Ziege
Praktische Konsequenz?
Ovulation
Fol
likel
durc
hmes
ser
Zyklus
Tierartliche Unterschiede
Follikelwachstum im Interöstrus nur beschränkt möglich bei Schwein, Ratte und Primaten
Praktische Konsequenz?
Ovulation
Fol
likel
durc
hmes
ser
Zyklus
Ovulation nur möglich wenn Progesteron ↓
Ovulation
Fol
likel
durc
hmes
ser
Zyklus
- Luteolyse: Fehlt das Signal des Embryos kommt es zum Abbau des Gelbkörpers
Das endogene Luteolysin ist endometriales PGF2
Ovulation
Fol
likel
durc
hmes
ser
Zyklus
Luteolyse beim Wiederkäuer
Östrogene induzieren die Synthese von Oxytozinrezeptoren im Endometrium
Oxytozin aus dem Gelbkörper bindet an die Endometriumrezeptoren
Induktion der Prostaglandinsynthese im Endometrium
Luteolyse
Oxytozin stellt einen wesentlichen Faktor für die Luteolyse beim Wiederkäuer dar
Ovulation
- Freisetzung der Eizelle und der sie umgebendensomatischen Zellen aus dem Follikel
- Endokrines Signal ist der LH-Peak
- Follikelwand reißt ein (unter Vermittlung verschiedener Entzündungsmediatoren: z. B.: Prostaglandine)
- Die Granulosa- und Thekazellen differenzierenzu Luteinzellen.
- Die Luteinzellen synthetisieren Progesteron.
- Teilweise präovulatorische Luteinisierung(vgl. Deckzeitpunktbestimmung Hündin)
20 Std. vor der Ovulation 6 Std. vor der Ovulation
Strukturelle Follikelwandveränderungen gehen der Ovulation voraus.Der Follikel springt nicht, er fliesst aus.
Prinzipien der Oogenese
- Reduktion des diploiden auf den haploiden Chromosomensatz2n zu n
- Neukombination der maternalen und paternalen Erbsubstanz
Meiose
- Erlangung der Befruchtung- und Entwicklungskompetenz
- Beginn der Meiose in der Fetalperiode- 1. meiotische Arretierung in der 1. Prophase (meist vor der
Geburt oder wenig später)- Wachstumsphase- Wiederaufnahme der Meiose- 2. meiotische Arretierung in der Metaphase 2
LH-Peak
Elektrische Stimulation
Chemikalien
Ovulation: Eizelle im 2. meiotischen Arrest (Metaphase 2, außer Caniden)
Beendigung der Meiose nacherneuter Aktivierung
Isolation aus dem Follikel
Eizelle im 1. meiotischen Arrest
Spermium
Elektrische Stimulation
Chemikalien
Zeitlicher Ablauf der Meiose nach LH-Peak in Stunden
Tierart Latenzphase Metaphase 2(Ovulationsstadium)
Rind 10 - 12 24
Schaf 10 - 11 24
Schwein 17 - 18 40
Oogenese
Eizellreifung oder Maturation
Primordialkeimzelle
Fetus
Post natum
Oogonie
Oozyte
Wachstumsphase
Ovulation
ZygoteBeendigung der Meiose
Eintritt in die Meiose
1. Arretierung
2. Arretierung
Gonadotropinimpuls
Zwischen der 1. meiotischen Arretierung und der Wiederaufnahme der Meiose erlangt die Eizelle ihre meiotische Kompetenz.
Eizellreifung oder Maturation
- induziert durch den präovulatorischen LH-Peak
- Die Eizelle erlangt ihre Befruchtungs- und Entwicklungskompetenz
Kernreifung zytoplasmatische Reifung
Kernreifung Zytoplasmareifung
Auflösung der Kernmembran
Aufbau des Spindelapparates
Chromosomenkondensation
Umorganisation von Zellorganellen
Zunahme von Lipidtropfen
Aktivierung spezifischer Enzyme (MAPK, MPF)
Kernreifung Zytoplasmareifung
Auflösung der Kernmembran
Aufbau des Spindelapparates
Chromosomenkondensation
Umorganisation von Zellorganellen
Zunahme von Lipidtropfen
Aktivierung spezifischer Enzyme (MAPK, MPF)
MPF
MAPK
Abbildung einer ovulierten Eizelle1. Eizellkern (Germinalvesikel) 7. Mikrovilli2. Speichervesikel 8. Zona pellucida3. Mitochondrien 9. + 10. Corona radiata4. Golgifeld5. Kortikalgranula6. Lipidtropfen
Zona pellucida
- extrazelluläre Matrix, welche die Eizelle umgibt
- aufgebaut aus Glykoproteinen
- löst sich tierartlich unterschiedlich zwischen dem 6. und 12. Tag nach der Befruchtung auf
Funktion:
- Gameteninteraktion (Gametenerkennung, Auslösung der Akrosomenreaktion)
- zonaler Polyspermieblock
- Schutz der Eizelle
- Schutz des jungen Embryos
In-vitro-Maturation (IVM)
- Verlegung der Vorgänge der Eizellmaturation in die Kultur
- Folgende Schritte:
- Gewinnung von Eizellen- Kultivierung von Eizellen- nach geschaltete Prozesse (z. B. In-vitro-Fertilisation)
In-vitro-Maturation (IVM) In-vitro-Kapazitation
In-vitro-Fertilisation(IVF)
In-vitro-Embryonen
In-vitro-Maturation (IVM) - Gewinnung von Eizellen
- selektiv- Stimulation von Donatoren- Punktion einzelner Follikel (Laparotomie, Ovum-Pick-up)Vorteil: Abschnitte der Reifung erfolgen in vivo, daher
bessere EntwicklungskompetenzNachteil: aufwendig, teuer
- unselektiv- Sammeln von Ovarien auf dem Schlachthof- Punktion einzelner Follikel oder SplicenVorteil: kostengünstig, viel MaterialNachteil: niedrigere Entwicklungskompetenz
In-vitro-Maturation (IVM) - Gewinnung von Eizellen
Kumulus-Oozyten-Komplex
In-vitro-Maturation (IVM) – Kultivierung von Eizellen
Kultivierung als Kumulus-Oozyten-Komplex
Komplexe Medien mit Zusatz von fetalem Kälberserum
Hormonzusätzemeist LH, FSH, Östradiol
Labor- bzw. Arbeitsgruppen-spezifische Zusätzez.B.: östrisches Kuhserum
Hormoneller Stimulus auf die somatischen Zellen
Effizienz der In-vitro-Befruchtung von in vitro gereiften Rinderoozyten
% von 100 kultivierten Eizellen
Effizienz (%)
Eizellreifung 80 80
Spermienpenetration 64 80
Ausbildung von 2 Vorkernen
51 80
Entwicklung bis zur Morula/Blastozyste
15 30
Gravidität nach Transfer
9 60
Geborene Kälber 7 80
Aus: Niemann, Meinecke, 1994
Probleme der IVM/IVF
- noch nicht ausgereifte Kultivierungsbedingungen für die Eizellen
- noch nicht ausgereifte Kultivierungsbedingungen für die frühen Embryonen
- große Variationen in der In-vitro-Befruchtungspotenz unterschiedlicher Vatertiere
Bisher wurden Nachkommen von verschiedenen Tierarten über IVM/IVF generiert. Die meisten Erfahrungen liegen vom Rind und Schaf vor.
Beim Schwein ergeben sich unter anderem aufgrund der hohen Polyspermierate Probleme in der Anwendung.
Large-calf-syndrome besser Large-offspring-syndrom
DefinitionErscheinung, dass Nachkommen, die aus In-vitro-Techniken stammen, häufig deutlich größer sind, als Individuen, die ohne manipulative Massnahmen generiert wurden.
Folgen- verlängerte Trächtigkeit- erhöhte Dystokierate- erhöhte neonatale Morbidität und Mortalität
Ursachen- Unterschiede im zeitlichen Genexpressionsmotiv ?
Vorgänge vor der Befruchtung
- Position von Spermien im Genitale (Bedeckung, Besamung)
- Spermientransport
- Spermienkapazitation
- Gameteninteraktion (Spermatozoon-Eizell-Interaktion)
- Gametenfusion
- Poylspermieblock
- Vorkernbildung
- Zygotenbildung
Vorlesung Andrologie
Gameteninteraktion (Spermatozoon-Eizell-Interaktion)
- Ein kapazitiertes Spermium bindet an die Zona pellucida(primäre Bindung, Protein-Kohlenhydrat-Bindung)
- Die Bindung löst die Akrosomenreaktion aus:- Exostose von Enzymen aus dem Akrosom- Herausbildung einer fusinogenen Region im Bereich des Äquartorialsegmentes
- Sekundäre Bindung
- Enzymatische Proteolyse in Verbindung mit der Motilität des Spermiums führen zur Penetration der Zona pellucida
fusinogene Region
Akrosomenreaktion
Gametenfusion
- Das Spermium gelangt in den perivitellinen Raum und lagert sich seitlich an die Eizelle
- Das Spermium wird in die Eizelle aufgenommen.
- Die Fusion führt zu einer periodischen Depolarisation der Eizellmembran – Fusionsblock für weitere Spermien
- Überwindung der 2. meiotischen Arretierung der Eizelle, Beendigung der Meiose, Abschnürung des 2. Polkörperchens
Polyspermieblock
- Schneller Polyspermieblock:Depolarisation der Eizellplasmamenbran
- Langsamer Polyspermieblock:Depolarisation führt zur Exocytose der kortikalen Granula in den perivitellinen Raum.Dies bewirkt eine strukturelle Veränderung
der Zona pellucida – Zonablock.
Frühe embryonale Entwicklung
- Blastozytenformation: - äußere Zellen
- Trophoblast- Embryoblast
- inner cell mass, Embryonalknoten- Ektoderm, Mesoderm, Endoderm
- Zona-Schlupf
- ElongationNach dem Schlupf aus der Zona kommt es zum massiven
Größenwachstum bei Schaf und Schwein (11. Tag) und Kuh (Tag 13).
Schwein: 2 mm sphäroid am 10. Tag10 mm tubulär am 11. – 12. Tag
Frühe embryonale Entwicklung
- intrauterine Migration
- Implantation
- Plazentation
Der Eileiter ist der Ort
- der Befruchtung- der frühembryonalen Entwicklung- an dem Transport der
Gameten und des Embryos stattfindet
- der an der Regulation der Spermienfreisetzung
beteiligt ist
Erkrankungen des Eileiters können zur Sub- und Infertilität führen.
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