Warum altern wir? - Túnel de la Ciencia
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FROM GENE TO ORGANISM Vom Gen zum Organismus 004 Which programs control the de velopment of organisms? Why do we age? Wie ist die Formenvielfalt des Lebens entstanden? Welche Programme steuern die Entwicklung eines Organismus? How did biological diversity arise? How do cells organize to form tissue and organs? Warum altern wir? Which diseases arise due to defects in genes and proteins? Welche Krankheiten entstehen durch Defekte in Genen und Proteinen? Wie organisieren sich Zellen zu Geweben und Organen? Max Planck Institute of Biochemistry, Martinsried Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden Foto: www.felix-brandl.de, Felix Brandl, Munich 004 FROM GENE TO ORGANISM Introduction Vom Gen zum Organismus Einführung Wie viele Organismen entwickelt sich der Mensch aus einer einzigen Zelle. Mittler­weile Like many organisms, a human being develops from a single cell. Today, the human liegt auch sein Genom komplett entziffert vor. Überraschende Erkenntnis: Unser Bauplan genome has also been completely decoded. Surprising discovery: our blueprint contains enthält viele mole­kulare Gemeinsamkeiten mit anderen Lebewesen. Doch wie entwick- many molecular similarities to other living beings. But how does a complex organism elt sich daraus ein komplexer Organismus? Wie können bei gleicher Gen-Ausstattung develop from such a plan? How can completely different cells develop from one set of ganz unterschiedliche Zellen entstehen? Zellen reagieren auf ihre Umgebung, nutzen genetic information? Cells react with their surroundings, making use of different nutri- unterschiedliche Nahrungsquellen, reparieren Defekte und koordinieren ihre Tätigkeiten tional sources, repairing defects and coordinating their activities in the growth and devel- im Zyklus von Wachstum und Entwicklung. Wie nutzt die Zelle im Genom kodier­t e opment cycle. How does the cell use the information encoded in the genome to fulfill its Informationen, um zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort ihre Funktion zu erfüllen?­ function at the right place and time? Inzwischen ist klar, dass ein Organismus nicht nur über den Satz seiner Gene definiert Meanwhile, it has become clear that an organism is not defined only by its set of genes. wird. Neben Protein-kodierenden Bereichen enthält die DNS noch Regionen, welche die In addition to protein-encoded areas, DNA also contains regions that control the gene Genexpression kontrollieren. Das erklärt, warum die Zahl der Gene bei zunehmender expression. This explains why the number of genes does not conti­nue to rise as the Komplexität der Organismen nicht mehr steigt, warum also die gleiche Zahl an Genen organism becomes more and more complex, or consequently why the same number of eine Maus oder einen Menschen hervorbringen kann. Doch wie wirken Gene netzwerk­ genes can produce a mouse or a person. But how do genes interact in networks, and artig zusammen und welchen Einfluss haben externe Faktoren? Viele Leiden wie Krebs, what influence do external factors exert? Many afflictions, such as cancer, cardiovascu- Herz-Kreislauf-Krankheiten, Rheuma oder Diabetes kommen durch das Zusammenwirken lar diseases, rheumatic arthritis and diabetes, result from the interactions of numerous zahlreicher Gene und Umweltfaktoren zustande. genes and from environmental factors. Was ist in einem kranken Organismus anders als in einem gesunden? Wie lässt sich die What is the difference between a sick organism and a healthy one? How can the natural natürliche Steuerung für neue Therapieformen nutzen? Können wir Körperzellen umpro- control system be used for new therapy forms? Can we reprogram body cells and regen- grammieren und defektes Gewebe regenerieren? Forscher haben heute die Chance, Leben erate defective tissue? Today, researchers have the chance to study and understand life als komplexes System zu studieren und zu verstehen. Zusammen mit neuen Technologien as a complex ›system‹. Together with new technologies, this could lead to new medicines könnte das zu einer neuen Medizin führen, die nicht be­reits eingetretene Krankheiten that do not treat illnesses as they arise, but instead attempt to prevent these illnesses therapiert, sondern versucht diese vorausschauend, je nach individueller genetischer ahead of time according to the individual gene­tic disposition. Disposition, zu verhindern. 004 FROM GENE TO ORGANISM Facts and Figures Vom Gen zum Organismus Daten und Fakten The Universe in an Egg Cell Every one of us developed from a single fertilized egg cell. This divides into two, then these in turn into four cells, and so on. Only 47 divisions are needed to create the 100 trillion cells of an adult human being. Every cell contains a thread-like string of DNA molecules which are about two meters long, but only two millionth of a millimeter thick. Per person this is up to 20 million kilometers of tightly packed genetic blueprint. Our DNA is composed of around 3.1 billion base pairs, with ten to the power of 3,480,000,000 possible combinations – a guarantee for the uniqueness of every individual. About 1,000 of such letters correspond to a gene, of which humans have between 28,000 and 35,000 in total. However, genes comprise only 1.5 percent of all human DNA. Das Universum in einer Eizelle Jeder von uns hat sich aus einer einzigen befruchteten Eizelle entwickelt. Diese teilt sich in zwei, diese wieder in vier Zellen, und so weiter. Nach nur 47 Teilungen sind die 100 Billionen Zellen eines erwachsenen Menschen entstan­den. In jeder Zelle befindet sich eine fadenförmige, etwa zwei Meter lange, aber nur zwei Millionstel Millimeter dicke Schnur aus DNS-Molekülen. Pro Individuum sind das bis zu 20 Millionen Kilometer dichtgepackte Bauanleitung. Unsere DNS besteht aus rund 3,1 Milliarden Basenpaaren, mit zehn hoch 3.480.000.000 möglichen Kombinationen – Garant für die Einzigartigkeit jedes Menschen. Etwa 1.000 solcher Buchstaben entsprechen einem Gen, zwischen 28.000 und 35.000 Gene sind es insgesamt beim Menschen. Doch: Max Planck Institute for Infection Biology, Berlin Gene machen nur 1,5 Prozent der DNS des Menschen aus. 004 FROM GENE TO ORGANISM Theme 4 .1.1 Vom Gen zum Organismus Thema 4 .1.1 DIRECTION AND CONTROL STEUERUNG UND REGELUNG 1 1 2 3 Genomics Scientists can increase the number of amino acids in protein synthesis by extending the coding capac­ ity via the addition of amino acids. This opens up many possible applications, such as gold-fluorescent protein. Genomics Die Zahl der Aminosäuren in der Protein­­ synthese können Wissenschaftler ausbauen,­­indem sie die Kodierungskapazität durch zusätz­liche­Amino­säuren erweitern. Dadurch eröffnen sich viele Anwendungs­ möglichkeiten, wie das Gold-fluores­zierende Protein. Max Planck Institute of Biochemistry, Martinsried 2 Function of Proteins After sequencing the genome, researchers concentrate on decoding the function of all proteins in the organism. Chemical genetics is pursuing this objective with the help of chemical substances that modulate the function of gene products. Figure: a cell line that has been created by targeted mutation in a ­cancer gene. Funktion der Proteine Nach der Sequenzierung des Genoms konzentrieren sich Forscher darauf, die Funktion aller Proteine im Organismus zu entschlüsseln. Die Chemi­ sche Genetik verfolgt dieses Ziel mithilfe chemischer Sub­ stan­zen, die die Funktion der Genprodukte modulieren. Im Bild: Eine durch gezielte Mutation in einem Krebs-Gen ­hergestellte Zell-Linie. Max Planck Institute for Molecular Physiology, Dortmund 3 Human Genome Project After the completion of the human genome project, we are today concerned with understanding how the development of the some 100 trillion cells in the human body is controlled. Research into Hox genes is fundamental, as these genes play a key role in embryonic development. Humangenom-Projekt Nach Abschluss des Human­ genom-Projekts gilt es heute zu verstehen, wie die Entwicklung der rund 100 Billionen Zellen des Menschen gesteuert wird. Grundlegend dafür ist die Erforschung von Hox-Genen, die eine entscheidende Rolle bei der Embryonalentwicklung spielen. Max Planck Institute for Molecular Genetics, Berlin 004 FROM GENE TO ORGANISM Theme 4 .1 video Vom Gen zum Organismus Thema 4 .1 video 1 1 2 3 Regeneration Via Cell Differentiation Severed limbs of the axolotl, a Mexican salamander, grow back completely. With the help of green fluorescent protein (GFP), it is now possible to show how precursor cells differ from muscle cells. Specific genes introduced into the cell by researchers stimulate GFP production during cell differentiation. Insights into the regeneration mechanisms of the salamander should help researchers to understand why this ability is disproportionately weaker in mammals. Regeneration durch Zelldifferenzierung Beim Axolotl, einem mexikanischen Salamander, wachsen verlorene Gliedmaßen vollständig nach. Mit Hilfe des grün-fluoreszierenden Proteins (GFP) wurde jetzt erstmals sichtbar gemacht, wie sich dabei Vorläufer- zu Muskelzellen differenzieren. Spezifische von den Forschern in die Zelle eingebrachte Gene, stimulieren die GFP Produktion während der Zelldifferenzierung. Die Einsicht in die Regenerationsmechanismen des Salamanders soll verstehen helfen, warum diese Fähigkeit bei Säugern ungleich schwächer ist. Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden 2 Microtubules – the Dynamic Skeleton of the Cell Microtubules, tiny polymer tubes assembled from the element tubulin, organize the transport of cell organelles, the growth of axons from nerve cells or the separation of chromosome pairs during cell division. For the first time, with the help of electron tomography, Max Planck scientists have succeeded in making the redistribution of the genetic material during cell division visible in three dimensions. This is an important step in understanding how a cell can deliberately grow or shrink its microtubules. Mikrotubuli – das dynamische Skelett der Zelle Mikrotubuli, winzige aus dem Baustein Tubulin aufgebaute PolymerRöhrchen, organisieren sowohl den Trans­ port von Zellorganellen als auch ­das Aus­ wachsen der Axone von Nervenzellen oder die Trennung der Chromosomen­ paare während der Zellteilung. Mithilfe der ­Elek­tro­­nen­tomographie ist es Max-PlanckWissen­schaftlern erstmals gelungen, die Umverteilung des Erbgutes während der Zellteilung dreidimensional sichtbar zu machen, ein wichtiger Schritt, um zu ­verstehen, auf welche Weise eine Zelle ihre Mikrotubuli gezielt verkürzen oder ­verlängern kann. Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden 3 Genes in Action What ensures that body regions and organs form correctly ­during embryonic development? Max Planck scien­tists have analyzed the activity of more than 10,000 gene sequences that play a role in embryonic development in the mouse and have integrated these into a virtual reconstruction of the mouse. In this way, they wish to discover when, where and how which genes communicate with one another in order to form body parts and organs and to ensure their correct functioning. Gene in Aktion Was sorgt dafür, dass sich Körperregionen und Organe in der embryonalen Entwicklung korrekt herausbilden? Max-Planck-Wissenschafter haben am Beispiel der Maus bereits die Aktivität von über 10.000 Gensequenzen analysiert, die während der Embryonalentwicklung eine Rolle spielen, und in eine virtuelle Rekonstruktion der Maus eingebunden. Damit wollen sie herausfinden, wann, wo und wie welche Gene miteinander sprechen, um Körperteile und Organe ­hervorzubringen und in Funktion zu halten. Max Planck Institute for Molecular Genetics, Berlin 004 FROM GENE TO ORGANISM Theme 4 .2.1 Vom Gen zum Organismus Thema 4 .2.1 PROTECTION AND DEFENSE SCHUTZ UND ABWEHR 1 Unknown Defense Mechanism Discovered Special­ ized cells in our immune system, so-called neutrophiles, re­present the first line of defense in the fight against pathogens. Recent investigations show that neutrophiles trigger another, as yet undiscovered, defense mechanism: they produce an extra-cellular, fibrous structure and cast a net with which to catch and kill bacteria. Unbekannte Abwehrmechanismen entdeckt Speziali­ sierte Zellen unseres Immunsystems, die Neutrophilen, stellen in der Abwehr von Krankheitserregern die erste Verteidigungslinie dar. Neue Untersuchungen zeigen, dass Neutrophile noch einen anderen bisher unentdeckten Abwehrmechanismus einsetzen: Sie produzieren extrazellulär eine faserige Struktur und werfen gewissermaßen ein Netz aus, in dem sie die Bakterien fangen und abtöten. Max Planck Institute for Infection Biology, Berlin 2 Zebrafish as a Model for Immunological Research The thymus is a very important organ for the immune system. The T-lymphocytes that play an important role in special immune defense are produced here. By ­exa­mining the zebrafish, scientists have discovered which genes are responsible for the development of the ­thymus. On the basis of these findings, researchers hope to improve methods for the diagnosis and therapy of congenital and acquired immune deficiency syndromes. 1 2 3 4 Zebrafisch als Modell für die immunologische Forschung Der Thymus ist ein sehr wichtiges Organ für das Immunsystem. In ihm werden die T-Lymphozyten, die eine maßgebliche Aufgabe bei der speziellen Immunabwehr haben, geprägt. Wissenschaftler haben am Zebrafisch herausgefunden, welche Gene für die Entwicklung dieses Organs verantwortlich sind. Davon erhoffen sich die Forscher verbesserte Verfahren zur Diagnose und Therapie angeborener und erworbener Immunschwächesyndrome. Max Planck Institute for Immunobiology, Freiburg 3 Fungus Fended off Successfully In plants, cells that have been attacked by fungus are killed quickly and systematically. This prevents the further spread of the pathogens. Max Planck scientists are investigating how the plant triggers the death of the cells in order to be able to transfer this defense system to agricultural crops. Pilz erfolgreich abgewehrt In Pflanzen sterben Zellen, die vom Pilz befallen werden, schnell und organisiert ab. Dies verhindert die weitere Ausbreitung des Erregers. MaxPlanck-Wissenschaftler untersuchen, wie die Pflanze den Zelltod auslöst, um dieses Abwehrsystem auf Nutzpflanzen übertragen zu können. Max Planck Institute for Plant Breeding Research, Cologne 4 Protection via Adaptation Man is having an increasing influence on the environment of many plants and animals. Scientists at the Max Planck Institute for Developmental Biology are examining the Arabidopsis thaliana model plant in order to gain an understanding of how organisms adapt to changes in their environment at a genetic level. Using micro-arrays, it is possible to discover which changes take place throughout the genome. Schutz durch Anpassung Der Mensch nimmt zuneh­mend Einfluss auf die Umwelt vieler Pflanzen und Tiere. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie wollen bei der Modellpflanze Arabidopsis thaliana verstehen, wie sich Organismen auf der Ebene ihrer Gene an einen veränderten Lebensraum anpassen. So lässt sich mithilfe von Microarrays heraus­ finden, welche Veränderungen genomweit beim Blühen einer Pflanze vor sich gehen. Max Planck Institute for Developmental Biology, Tuebingen 004 FROM GENE TO ORGANISM Theme 4 .2.2 Vom Gen zum Organismus Thema 4 .2.2 1 1 2 3 Natural Bypass The human body has tremendous ­powers of self-healing. Tiny blood vessels take over the function of a blocked artery or that of an artery suffering from permanently poor circulation. However, how can this process of arteriogenesis be supported in the human body? To date, researchers have assumed that this involves bone marrow stem cells being incorporated as spare parts. Using high-resolution microscopy technology, scientists at the Max Planck Institute for Heart and Lung Research have established that the stem cells do not have this effect but rather that they stimulate greater division of the body’s own vascular cells. Neuronale Stammzellen In bestimmten Gehirnregionen erwachsener Säugetiere finden sich Stammzellen, die sich zeitlebens zu neuen Nervenzellen entwickeln ­können. Max-Planck-Forscher haben in Mäusehirnzellen neue Kandidatengene gefunden, die bei der Erhaltung, Differenzierung und Wanderung der Zellen eine Rolle spielen. Hierin liegt ein enormes Potenzial für die Therapie von Erkrankungen und Verletzungen des zentralen Nervensystems. Max Planck Institute for Molecular Genetics, Berlin 3 Natürlicher Bypass Der Mensch verfügt über enorme Selbstheilungskräfte. Kommt es zu Verschluss oder dauerhaft schlechter Durchblutung einer Schlagader, übernehmen kleinste Blutgefäße deren Funktion. Doch wie kann dieser als Arteriogenese bezeichnete Vorgang beim Menschen unterstützt werden? Forscher gingen bisher davon aus, dass dabei Knochenmarkstammzellen als Ersatzteile eingebaut werden. Mit hochauflösender Mikroskopie-Technik stellten Wissenschaftler des MaxPlanck-Instituts für Herz- und Lungenforschung jedoch fest, dass die Stammzellen nicht diese Wirkung haben, aber die verstärkte Teilung der körpereigenen Gefäß­zellen anregen. Max Planck Institute for Heart and Lung Research, Bad Nauheim 2 Neuronal Stem Cells In adult mammals, certain regions of the brain contain stem cells that can develop into new nerve cells. Max-Planck researchers have found new candidate genes in the brain cells of mice that play a role in the maintenance, differentiation and migration of cells. This offers tremendous potential for therapies for diseases of, and damage to, the central nervous system. Getting a Step Closer to Self-Healing Powers The greatest challenge faced by stem-cell research is to transform body cells into pluripotent stem cells – without using egg cells and embryos. However, where are the factors responsible for the reprogramming? According to the latest findings by scientists of the Max Planck Institute of Molecular Biomedicine, they are located in the vicinity of the cell nucleus. Den Selbstheilungskräften ein Stück näher Die größte Herausforderung der modernen Stammzellen-Forschung ist es, Körperzellen in pluripotente Stammzellen umzuwandeln – unter Verzicht auf Eizellen und Embryonen. Wo aber befinden sich die für die Reprogrammierung verantwortlichen Faktoren? In der Nähe des Zellkerns – belegen neueste Erkenntnisse von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für molekulare Biomedizin. Max Planck Institute for Molecular Biomedicine, Muenster 004 FROM GENE TO ORGANISM Theme 4 .2.3 Vom Gen zum Organismus Thema 4 .2.3 1 An Antibiotic in Cancer Therapy The antibiotic actinomycin binds itself to double-strand DNA, thereby preventing its replication. This property is already employed in cancer therapy. Researchers are now opening up further­possible applications. According to their findings, the antibiotic binds itself just as securely to single-strand DNA, thus preventing reverse transcriptase, which is used by retroviruses, such as the HI virus. Ein Antibiotikum in der Krebstherapie Das Antibioti­ kum Actinomycin bindet sich an die doppelsträngige DNS und verhindert deren Replikation. Diese Eigenschaft wird bereits in der Krebstherapie genutzt. Forscher eröffnen nun weitere Einsatzmöglichkeiten. Nach ihren Erkenntnissen bindet sich das Antibiotikum genauso ­stabil an einzelsträngige DNS und verhindert so die reverse Transkriptase, die Retroviren wie das HI-Virus nutzen. Individuelle Wirkung von Medikamenten Welche Wirkung ein Medikament bei einem Patienten hat, hängt entscheidend von seinen Genen ab. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Psychiatrie haben jetzt ­erstmals nachgewiesen, dass Patienten – je nach individueller genetischer Ausstattung – unterschiedlich auf Medikamente gegen Depressionen ansprechen. Bild 2: Elektrophoretisch aufgetrennte Proteine einer bestimm­ ten Gehirnregion von Mäusen mit hohem bzw. nied­ rigem Angstverhalten. Der rote Pfeil kennzeichnet den Unterschied im Proteinmuster. Bild 3: Identifikation des Gens FKBP-5 als bedeutender genetischer Faktor für die Wirkung von Antidepressiva. Mit den neuen Befunden ist es in Zukunft möglich, die Therapie bei einer Depression effizienter zu planen – ein erster Anfang für eine individuell abgestimmte Behandlung depressiver Patienten. Max Planck Institute of Psychiatry, Munich Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Goettingen 4 2 1 2 3 4 3 Individual Effect of Medication The effect of a specif­ ic medication on a patient depends on the individual patient’s genes. For the first time, scientists at the Max Planck Institute of Psychiatry have ­proven that, depending on their individual genetic make-up, patients react differently to medication used to combat depression. Figure 2: Electrophoretically separated proteins in a certain region of the brain in mice with high or low anxietyrelated behavior. The red arrow points to the difference in the protein pattern. Figure 3: Identification of the FKBP-5 gene as significant genetic factor for the effect of antidepressants. With these new findings it will in future be possible to plan therapy for depression more effectively – this marks a significant step towards a more individually adapted treatment of depressive patients. Killer Bacterium as a Living Antibiotic The bacterium Bdellovibrio bacteriovorus is one of the most fascina­ting of its kind. It attaches itself to certain host bacteria in order to consume them from within. Therefore, in modified form, it could also be used as a ›living antibiotic‹. This is proposed by a team of international scientists that has fully decoded the genome of the predatory bacteria. Killer-Bakterium als lebendes Antibiotikum Das Bakterium Bdellovibrio bacteriovorus gehört zu den besonders faszinierenden seiner Art. Es heftet sich an bestimmte Wirtsbakterien an, um sie von innen heraus aufzuzehren. Daher könnte es in modifizierter Form auch als ›lebendes Antibiotikum‹ eingesetzt werden. Dies schlägt ein internationales Wissenschaftlerteam vor, von dem das Genom des räuberischen Bakteriums komplett entschlüsselt wurde. Max Planck Institute for Developmental Biology, Tuebingen 004 FROM GENE TO ORGANISM Theme 4 .2 video Vom Gen zum Organismus Thema 4 .2 video 4 1 1 2 3 4 Researchers Expand the Genetic Code Scientists at the Max Planck Institute of Biochemistry have found ways of reprogramming protein synthesis in living cells and expanding the genetic code using artificial amino acids. They have succeeded in causing E. coli bacteria under selection pressure to append synthetic amino acids to their genetic code and create new classes of fluorescent proteins. By incorporating additional amino acids, it is possible to produce completely new classes of therapeutic or diagnostic agents. Forscher erweitern den genetischen Code Wissenschaftler des Max-PlanckInstituts für Biochemie haben Wege gefunden, wie man die Proteinsynthese in lebenden Zellen umprogrammieren und den genetischen Code durch künst­­liche Aminosäuren erweitern kann. Ihnen ist es gelungen, E. coliBakterien unter Selektionsdruck dazu zu bringen,­synthetische Aminosäuren ihrem genetischen Code hinzu zu fügen und neue Klassen von fluoreszierenden Proteinen zu erzeugen. Durch den Einbau zusätzlicher Aminosäuren lassen sich ganz neue Klassen von therapeutischen oder diagnostischen Wirkstoffen ­herstellen. Zellen des Immunsystems bilden Netze 100 Milliarden Granulozyten, eine bestimmte Art von weißen Blutkörperchen, produziert das menschliche Immunsystem jeden Tag. Die Immunzellen dringen aus den Blutgefäßen in das Gewebe ein, um dort bakterielle Eindringlinge zu fressen. Max-Planck-Forscher zeigten jetzt, das Granulozyten zum Beispiel bei der Bekämpfung der Ruhr-auslösenden Shigella-Bakterien miteinander verkleben und Netze bilden. In diesen verfangen sich die Bakterien. Zusätzlich sondern die Granulozyten-Netze eine Substanz ab, die die Virulenzfaktoren der Bakterien zerstört und diese abtötet. Max Planck Institute for Infection Biology, Berlin 3 Cell Movement Cells move with the help of their cytoskeleton, which is made up of the protein actin. Parts of the cytoskeleton expand while others shorten, thereby creating movement. Scientists at the Max Planck Institutes of Biochemistry and of Molecular Cell Biology and Genetics are investigating how these dynamics are controlled and organized. The dynamics of the cytoskeleton also play a role with leucocytes, cells of the human immune system that move amoebically. Max Planck Institute of Biochemistry, Martinsried 2 Cells of the Immune System Form Networks Every day, the human immune system produces 100 billion granulocytes, a certain type of white blood cell. The immune cells leave the blood vessels and enter tissues, where they consume bacterial invaders. Max-Planck researchers have now shown that granulocytes stick together and form networks in order to fight the Shigella bacteria that cause dysentery. The bacteria get caught up in these networks. In addition, the granulocyte networks secrete a substance that destroys and kills the virulence factors in the bacteria. Bewegung bei Zellen Zellen bewegen­ sich mit Hilfe ihres Zytoskeletts, das aus dem Protein Actin aufgebaut ist. Die Bewegung entsteht, in dem Teile des Zytoskeletts verlängert, andere verkürzt werden. Wie diese Dynamik geregelt und organisiert wird, untersuchen Wissen­ schaftler an den Max-Planck-Instituten für Biochemie und für molekulare Zellbiologie und Genetik. Die Dynamik des Zytoskeletts spielt auch bei Leukozyten, Zellen des ­menschlichen Immunsystems, eine Rolle, die sich amöbenartig fortbewegen. Max Planck Institute of Biochemistry, Martinsried Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden Helicobacter Pylori and Stomach Cancer Helicobacter pylori is a bacterium present in the stomachs of almost half of the world’s population. When it interacts with the mucous membrane of the stomach, H. pylori can lead to inflammation that can develop into stomach tumors or into some types of cancer. Certain bacterial proteins penetrate into the host cells and have a detrimental effect on their movement, enabling H. pylori to penetrate into the injured mucous membrane of the stomach. Research is aimed at intervening in this mechanism and preventing infection. Helicobacter pylori und Magenkrebs Helicobacter pylori ist ein Bakterium, das den Magen von nahezu der Hälfte der Weltbevölkerung besiedelt. Bei der Interaktion mit der Magenschleimhaut kann H. pylori zu Entzündungen führen, die sich zu Magengeschwüren bis hin zu einigen Arten von Krebs entwickeln können. Bestimmte Bakterienproteine dringen in die Wirtszellen ein und greifen störend in deren Bewegungsaktivität ein, so dass H. pylori in die verletzte Magenschleimhaut eindringen kann. Ziel der Forschung ist es, in diesen Mechanismus einzugreifen und eine Infektion zu verhindern. Max Planck Institute for Infection Biology, Berlin 004 FROM GENE TO ORGANISM Theme 4 .3.1 Vom Gen zum Organismus Thema 4 .3.1 BIRTH AND DEVELOPMENT GEBURT UND ENTWICKLUNG 1 1 2 3 Who Repairs the DNA ? Mutations of inherited DNA are a main cause of cancer, as well as the ageing pro­ cess. Body cells, however, have various mechanisms for repairing damage to genetic material. By studying an as yet insufficiently understood process of DNA repair, biochemists have discovered an important switching me­chanism: according to this, very special protein links are necessary to eliminate damage. The protein forms a ring that surrounds the DNA. During the replication pro­ cess, this protein, together with the enzyme responsible for the duplication, namely the polymerase, proceeds along the DNA strand. If the duo encounters a point where the DNA is damaged, it stops there to enable the damage to be repaired. Wer repariert die DNS ? Mutationen der Erbsubstanz DNS sind eine Hauptursache für die Entstehung von Krebs, aber auch für den Alterungsprozess. Körperzellen besitzen allerdings verschiedene Mechanismen, um Schäden des Erbguts zu reparieren. Bei einem bislang noch unzureichend verstandenen Weg der DNS-Reparatur haben Biochemiker einen wichtigen Schaltmechanismus aufgedeckt: Demnach sind ganz spezielle Protein-Verknüpfungen für die Behebung der Schäden notwendig. Das Protein bildet einen Ring, der die DNS umschließt. Während des Replikationsprozesses fährt dieser zusammen mit dem für die Verdopplung zuständigen Enzym, der Polymerase, den DNS-Strang ab. Trifft das Duo auf eine Stelle, an der die DNS beschädigt ist, hält es an, um eine Reparatur des Schadens zu ermöglichen. Max Planck Institute of Biochemistry, Martinsried because the induction of apoptosis is either blocked or reduced and degenerative diseases, such as Alzheimer’s disease and Huntington’s Chorea, develop when cells commit suicide uncontrollably. Wenn Zellen Selbstmord begehen Apoptose bezeichnet ein genetisches Suizidprogramm, über das jede höhere Zelle verfügt, das aber nur unter ganz bestimmten physio­ logischen Umständen aktiviert wird. Was passiert, wenn seine Kontrolle versagt, zeigen mehrere Krankheiten: Krebszellen bilden Tumore, weil in ihnen die Induktion der Apoptose blockiert oder reduziert ist. Umgekehrt können degenerative Krankheiten wie Alzheimer und Chorea Huntington entstehen, wenn Zellen unkontrolliert Selbstmord begehen. Max Planck Institute of Biochemistry, Martinsried 3 Fluorescent Chromosomes Using fluorescence in-situ hybridization, it is now ­possible to simultaneously color all 24 different human chromosomes. Researchers can now study the altered ­chromosome structure of genetically-conditioned cognitive disorders, which is generally easy to recognize under the microscope. Leuchtende Chromosomen Mit der Methode der Fluoreszenz-In-situ-Hybridisierung ist es inzwischen möglich, alle 24 verschiedenen Chromosomen des Menschen simultan anzufärben. Dadurch können Forscher bei genetisch bedingten kognitiven Störungen jetzt die veränderte Chromosomenstruktur untersuchen, die unter dem Mikroskop meist einfach zu erkennen ist. Max Planck Institute for Molecular Genetics, Berlin 2 When Cells Commit Suicide Apoptosis is the name of a genetic suicide program that is inherent in every higher cell but is only activated under very specific physiological conditions. Several diseases demonstrate what happens when it spirals out of control: cancer cells create tumors 004 FROM GENE TO ORGANISM Theme 4 .3.2 Vom Gen zum Organismus Thema 4 .3.2 1 Fishing for Genes Compared with the classic model of the fruit fly, the advantage of the zebrafish is that it allows the study of the development of organs exclusive to vertebrates. Zebrafish embryos develop outside of the mother and are transparent. Thanks to this and other advantages, the zebrafish has become a preferential model not only for developmental biology, but also for other disciplines. Fischen nach Genen Der Zebrafisch besitzt gegenüber dem klassischen Modell der Fruchtfliege den Vorzug, dass man bei ihm die Entstehung von Organen, die es nur bei Wirbeltieren gibt, untersuchen kann. Seine Embryonen entwickeln sich außerhalb der Mutter und sind durchsichtig. Mit diesen und weiteren Vorteilen ist der Zebrafisch nicht nur in der Entwicklungsbiologie zum Vorzeigemodell geworden. Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden 2 Nature Invents the Wheel Only Once The development of a living creature is a highly complex process. Each individual cell has to know where it is to exercise its function later in the body and with which cells it is to form a common network or vascular system. To date, we have only known how this functions in nerve cells. Max Planck researchers have now discovered that the same ingenious signal system that controls the development of nerve cells is also used in blood and lymph vessels. 1 2 3 4 5 Die Natur erfindet das Rad nur einmal Die Entwicklung eines Lebewesens ist ein hoch komplexer Vorgang. Jede einzelne Zelle muss wissen, wo sie im Körper später ihre Funktion ausüben und mit welchen Zellen sie ein gemeinsames Netzwerk oder Gefäßsystem bilden soll. Wie dies funktioniert, war bisher nur für Nervenzellen bekannt. Jetzt haben Max-Planck-Forscher entdeckt, dass dasselbe ausgeklügelte Signalsystem, das die Entwicklung von Nervenzellen steuert, auch bei Blut- und Lymphgefäßen zum Einsatz kommt. Max Planck Institute of Neurobiology, Martinsried 3 Plants Help in Cancer Research Max Planck scientists have succeeded in explaining the function of a gene that plays a key role in the heritage of animals, plants and ­funghi. The gene is important for recombining and repairing genetic material and could also be significant in ­cancer prevention. Pflanzen helfen bei der Krebsforschung Max-PlanckWissenschaftler konnten die Funktion eines Gens auf­­ klären, das sowohl bei der Vererbung von Tieren als auch von Pflanzen und Pilzen eine Schlüsselrolle spielt. Das Gen ist wichtig für die Rekombination und Reparatur des genetischen Materials und könnte auch bei der Verhinderung von Krebs von Bedeutung sein. Max Planck Institute for Plant Breeding Research, Cologne 4 5 Order Starts in the Embryo With the exception of ­mammals, body axes, such as head and tail or right and left, are determined in the egg cell. In the case of the C. elegans nematode worm, the first axis forms within 30 minutes of fertilization (4); according to the latest research findings, the sperm plays a key role in this. In the case of the mammal cell (5), however, studies indicate that embryonic orientation is determined solely by chance. Erste Ordnung im Embryo Mit Ausnahme der Säugetiere, sind bei den Tieren Körperachsen wie Kopf und Schwanz oder rechts und links in der Eizelle festgelegt. Beim Faden­­wurm C. elegans ist bereits 30 Minuten nach der Befruchtung die erste Achse ausgebildet (4), dabei spielt nach neuesten Erkenntnissen das Spermium eine wesent­ liche Rolle. Bei der Säugetiereizelle (5) dagegen deuten Untersuchungen an, dass allein der Zufall die Ausrichtung des Embryos bestimmt. Max Planck Institute for Immunobiology, Freiburg 004 FROM GENE TO ORGANISM Theme 4 .3.3 Vom Gen zum Organismus Thema 4 .3.3 1 Tracing the Evolution of Signaling Pathways The C. elegans nematode worm is one of the most-studied organisms. Researchers now know the biography of each of its individual cells. In a comparison with P. pacificus, a close relative, scientists are now concentrating on finding out more about how evolution has changed the development processes. Der Evolution von Signalwegen auf der Spur Der Fadenwurm C. elegans gehört zu den am besten untersuchten Organismen. Die Forscher kennen mittlerweile die Biographie jeder einzelnen seiner Zellen. Im Vergleich mit P. pacificus, einem nahen Verwandten, wollen sie jetzt herausfinden, wie sich Entwicklungsvorgänge in der Evolution verändert haben. Max Planck Institute for Developmental Biology, Tuebingen 2 When Do Genes Become Active? Genes that are involved in embryonic development in regulatory ­networks are often only expressed in certain tissues. Molecular markers render their activity directly visible. 1 2 3 Wann werden Gene aktiv? Gene, die an regulatorischen Netzwerken bei der Embryonalentwicklung beteiligt sind, werden oft nur in bestimmten Geweben exprimiert. Molekulare Marker machen ihre Aktivität direkt vor Ort sichtbar. Max Planck Institute for Molecular Genetics, Berlin 3 Mutations in the Genome Bacteria quickly adapt ­ to changed environmental conditions. They do so by conti­nuously mutating and extending their genome. Knowledge of this genome enables scientists to observe rapidly developing processes. Anpassungen im Genom Bakterien passen sich schnell an veränderte Umweltbedingungen an. Dies gelingt ihnen, indem sie ihr Genom ständig verändern und erweitern. Die Kenntnis ihres Genoms ermöglicht­ es den Wissenschaftlern, Entwicklungsvorgänge im Schnelldurchgang zu beobachten. Max Planck Institute for Developmental Biology, Tuebingen 004 FROM GENE TO ORGANISM Theme 4 .3 video Vom Gen zum Organismus Thema 4 .3 video 1 1 2 3 Zebrafish as Model Organisms The zebra fish, a favorite aquarium fish, is ideal for explaining fundamental processes in our embryonic development, as well as the genetic bases of human diseases. Therefore, a consortium of 15 European research establishments is developing models for the study of important human diseases and searching for new and more effective drug targets. In addition, it is hoped to find out more about the development of the human organism from its origin through to old age. Zebrafische als Modellorganismen Der Zebrafisch, ein beliebter Aquarien­ fisch, ist ideal dafür geeignet, grund­ legende Vorgänge bei unserer Embryo­ nal­entwicklung sowie die genetischen Grundlagen menschlicher Krankheiten aufzuklären. Ein Konsortium aus 15 europäischen Forschungseinrichtungen soll deshalb Modelle zur Untersuchung wichtiger menschliche Krankheiten ­entwickeln und nach neuen und wirkungsvolleren Angriffspunkten für Wirkstoffe (drug targets) suchen. Zudem erhofft man sich neue Erkenntnisse über die Entwicklung des menschlichen Organismus von der Zeugung bis ins Alter. Max Planck Institute for Developmental Biology, Tuebingen ZF models 2 How Nerves Find Their Way During embryonic development, how do nerves find their way to their destination? By studying the formation of the lateral line of the zebrafish, Max Planck resear­chers have shed light on how a nerve grows along the central line of the fish towards the tail: a moving cell cluster consisting­ of so-called neural-crest cells guides the nerve to its destination. The entire pro­cess is controlled via a chemokine ­gradient to which the nerve-cell receptors react. Wie Nerven ihren Weg finden Wie finden Nerven während der embryonalen­ Entwicklung den Weg zu ihrem Bestim­ mungsort? An der Frage, wie das Seiten­ linienorgan beim Zebrafisch ent­steht, haben Max-Planck-Forscher aufgeklärt, wie ein Nerv entlang der Mittellinie des Fisches in Richtung Schwanz wächst: Ein sich bewegendes Zellcluster, bestehend aus so genann­ten Neuralleisten-Zellen leitet den Nerv zu seinem Bestimmungsort. Gesteuert wird das Ganze über den Gradienten eines Chemokins, auf den Rezeptoren der Nervenzellen reagieren. Max Planck Institute for Infection Biology, Berlin 3 Identical Building Plans for Many Living Beings Many living beings use the same group of genes for certain processes in embryonic development. However, how has evolution developed the tremendous variety of living forms from the same plans? Scientists are studying nematode worms in order to find an answer to this question. They are studying various species in order to understand how genes modify their function via very subtle changes and enable the formation of new body structures. Nematodes are suitable for this research as the development of each of their some 960 cells is known. Gleiche Baupläne für viele Lebewesen Viele Lebewesen benutzen die gleichen Gengruppen für bestimmte Vorgänge in der embryonalen Entwicklung. Wie aber hat sich in der Evolution aus den gleichen Plänen die enorme Formvielfalt der Lebewesen entwickelt? Diese Frage wollen Wissenschaftler am Beispiel der Nematodenwürmer beantworten. Sie untersuchen verschiedene Arten, um zu entschlüsseln, wie Gene durch subtile Veränderungen ihre Funktion modifizieren und die Bildung neuer Körperstrukturen ermöglichten. Die Nematoden eignen sich für diese Forschung, da man inzwischen das Schicksal jeder ihrer etwa 960 Zellen in der Entwicklung kennt. Institute for Genetics, Technical University of Braunschweig 004 FROM GENE TO ORGANISM Participating Institutes and Partners Vom Gen zum Organismus Beteiligte Institute und Partner Research Institutes Forschungsinstitute Max Planck Institute for Molecular Biomedicine, Muenster Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden Max Planck Institute for Developmental Biology, Tuebingen Friedrich-Miescher-Laboratory of the Max Planck Society, Tuebingen Max Planck Institute for Molecular Genetics, Berlin Max Planck Institute for Heart and Lung Research, Bad Nauheim Max Planck Institute for Immunobiology, Freiburg International Research Schools Internationale Graduiertenschulen IMPRS for Chemical Biology, Dortmund and Bochum IMPRS for Molecular and Cellular Life Sciences: From Biology to Medicine, Martinsried near Munich IMPRS for Molecular and Cellular Biology, Freiburg European Projects and Networks Europäische Forschungsprojekte und Netzwerke Zebrafish Models for Human Development and Disease (ZF-MODELS) European Renal Genome Project (EUREGENE) European Consortium for Large-Scale Gene Expression Analysis by RNA in situ Hybridization (EURExpress) RNA Interference Technology as Human Therapeutic Tool (RIGHT) BioSapiens – A European Virtual Institute for Genome Annotation Max Planck Institute for Developmental Biology, Tuebingen This area is supported by Dieser Bereich wird unterstützt durch
