Warum altern wir? - Túnel de la Ciencia

FROM GENE TO ORGANISM
Vom Gen zum Organismus
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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
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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
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FROM GENE TO ORGANISM
Theme 4 .1 video
Vom Gen zum Organismus
Thema 4 .1 video
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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