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11.3: Meiose II 522
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Meiosis II
 
PROTOKOLLE

11.3: Meiosis II

11.3: Meiose II 522

Meiosis II is the second and final stage of meiosis. It relies on the haploid cells produced during meiosis I, each of which contain only 23 chromosomes—one from each homologous initial pair. Importantly, each chromosome in these cells is composed of two joined copies, and when these cells enter meiosis II, the goal is to separate such sister chromatids using the same microtubule-based network employed in other division processes. The result of meiosis II is two haploid cells, each containing only one copy of all 23 chromosomes. Depending on whether the process occurs in males or females, these cells may form eggs or sperm, which—when joined through the process of fertilization—may yield a new diploid individual.

Meiosis II, Human Egg Cells and the Meiotic Spindle Apparatus

Although the goal of meiosis II is the same in both males and females—to produce haploid egg or sperm cells—there are some critical differences in this process between the sexes. For example, in a woman’s egg precursor cells, the meiotic spindle apparatus responsible for separating sister chromatids forms off to one side, near the periphery. This asymmetry allows for two cells of unequal sizes to be produced following meiosis II: a large egg, and a smaller polar body that dissolves. This division of cytoplasm ensures that the egg contains enough nutrients to support an embryo.

The position of the meiotic spindle apparatus is of concern for scientists involved in assisted reproductive technologies, like intracytoplasmic sperm injection (ICSI). ICSI—used to aid couples experiencing infertility—involves a needle to insert a single sperm directly into an egg’s cytoplasm. Embryologists must take care to avoid injection into the area of the meiotic spindle apparatus, as this could damage the microtubule framework and lead to an abnormal number of chromosomes in the resulting embryo. Therefore, embryologists performing ICSI typically predict the location of the spindle based on the position of the polar body or directly visualize the structure using techniques like polarized light microscopy.

Another unique feature of female meiosis is that the egg precursor cells undergo cell cycle arrest, first in prophase I, and then in metaphase II. At puberty, female sex hormones release the egg cells from prophase I arrest, and meiosis II begins. Subsequently, egg cells arrested in metaphase II are released from the ovary into the fallopian tube, where meiosis only resumes if fertilization occurs. This means that the meiotic spindle apparatus is formed and associated with chromosomes, but does not complete the process of separating sister chromatids until after a sperm and egg precursor cell join.

The arrest of meiosis II poses a unique challenge to women who choose to have their eggs frozen, as many in vitro fertilization protocols require that these cells be isolated during metaphase II and then frozen. Given that problems with the meiotic spindle can cause chromosomal abnormalities like trisomies, considerable research has been dedicated to determining which egg-freezing procedures have only minimal effects on this structure. To diminish damage to eggs, techniques have been developed where sugar or other cryopreservation agents are added to the freezing medium, which limits the formation of ice crystals that can harm cells upon thawing.

Die Meiose II ist das zweite und letzte Stadium der Meiose. Sie nutzt die haploiden Zellen, welche während der Meiose I produziert wurden. Jede dieser haploiden Zellen enthält nur 23 Chromosomen eines ursprünglichen homologen Anfangspaars. Wichtig ist, dass jedes Chromosom in diesen Zellen aus zwei miteinander verbundenen Kopien besteht. Sobald diese Zellen in die Meiose II eintreten, besteht das Ziel darin, diese Schwesterchromatiden voneinder zu trennen. Dies geschieht auch wieder durch die gleichen Mikrotubuli, welche auch in anderen Teilungsprozessen verwendet werden. Das Ergebnis der Meiose II sind zwei haploide Zellen, die jeweils nur eine Kopie aller 23 Chromosomen enthalten. Je nachdem, ob der Prozess bei Männern oder Frauen stattfindet, können diese Zellen Eizellen oder Spermien bilden. Durch den Prozess der Befruchtung verbinden sie sich und bilden ein neues diploides Individuum.

Meiose II, menschliche Eizellen und der meiotische Spindelapparat

Das Ziel der Meiose II ist bei Männern und Frauen grundsätzlich das gleiche. Frauen produzieren haploide Eizellen, während Männer haploide Samenzellen produzieren. Es gibt jedoch in diesem Prozess zwischen den Geschlechtern einige wesentliche Unterschiede. Zum Beispiel bildet sich der meiotische Spindelapparat an einer Eizellenvorläuferzellen der Frau nur zu einer Seite aus. Diese Asymmetrie ermöglicht es, dass nach der Meiose II zwei ungleich große Zellen entstehen können. Es entstehen eine große Eizelle und ein kleinerer Polkörper, der sich auflöst. Diese Teilung des Cytoplasmas sorgt dafür, dass die Eizelle genügend Nährstoffe enthält, um einen Embryo unterstützen zu können.

Die Position des meiotischen Spindelapparates ist für Wissenschaftler, welche sich mit assistierten Reproduktionstechnologien wie der intraCytoplasmatischen Spermieninjektion (ICSI) beschäftigen, von großer Bedeutung. Bei der ICSI, die zur Behandlung von Paaren mit Unfruchtbarkeit eingesetzt wird, wird eine Nadel verwendet, mit der ein einzelnes Spermium direkt in das Cytoplasma einer Eizelle eingeführt wird. Embryologen müssen darauf achten, die Injektion in den Bereich des meiotischen Spindelapparats zu vermeiden, da dies das Mikrotubuligerüst beschädigen und zu einer abnormalen Chromosomenzahl im entstehenden Embryo führen könnte. Daher sagen Embryologen, die eine ICSI durchführen, die Position der Spindel typischerweise anhand der Position des Polkörpers voraus oder visualisieren die Struktur direkt mit Techniken wie der Polarisationsmikroskopie.

Ein weiteres einzigartiges Merkmal der weiblichen Meiose ist, dass die Vorläuferzellen der Eizellen zunächst in der Prophase I und dann in der Metaphase II einen Zellzyklus-Stopp durchlaufen. In der Pubertät setzen die weiblichen Geschlechtshormone die Eizellen aus dem Prophase I-Stillstand frei, und die Meiose II beginnt. Anschließend werden die in der Metaphase II arretierten Eizellen aus dem Eierstock in den Eileiter freigesetzt, wo die Meiose erst nach der Befruchtung wieder aufgenommen wird. Das bedeutet, dass der meiotische Spindelapparat gebildet und mit den Chromosomen assoziiert wird. Dagegen läuft die Trennung der Schwesterchromatiden also erst nach der Vereinigung von Sperma und Eizellenvorläuferzelle ab.

Die Unterbrechung der Meiose II stellt eine einzigartige Herausforderung für Frauen dar, die sich dafür entscheiden, ihre Eizellen einfrieren zu lassen. Viele Protokolle für die In-vitro-Fertilisation verlangen nämlich, dass diese Zellen während der Metaphase II isoliert und dann eingefroren werden. Da Probleme mit der meiotischen Spindel chromosomale Anomalien wie Trisomien verursachen können, wurden beträchtliche Forschungsarbeiten durchgeführt, um festzustellen, welche Verfahren zum Einfrieren der Eizellen nur minimale Auswirkungen auf diese Struktur haben. Um die Schäden an den Eizellen zu vermindern, wurden Techniken entwickelt, bei denen Zucker oder andere Kryokonservierungsmittel dem Gefriermedium zugesetzt werden, was die Bildung von Eiskristallen, die die Zellen beim Auftauen schädigen können, begrenzt.


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