BIO270 Entwicklungsbiologie Organisatorisches Prof. Rüdiger Simon [email protected] Institut für Entwicklungsgenetik Sommersemester 2025 https://hhu.webex.com/meet/rsimon hhu.de Termine der Vorlesungen und Übungen Bio270: Datum 11.04.2025 18.04.2025 25.04.2025 02.05.2025 09.05.2025 16.05.2025 23.05.2025 30.05.2025 06.06.2025 13.06.2025 20.06.2025 27.06.2025 04.07.2025 11.07.2025 18.07.2025 Bio270 Vorlesung SoSe 2025, freitags 08:30-10:00 Hörsaal 5C (25.11) Übung zur VL, freitags 11:30 – 12:30 Hörsaal 5L (25.31) VL Simon 1: Einleitung, Musterbildung, Modellsysteme (S) Karfreitag VL Simon 2: Achsenspezifikation bei Wirbeltieren (S) Huhn VL Burkart 3: Blütenbildung und homöotische Gene (B) VL Burkart 4: Pflanzliche Meristeme (B) VL Burkart 5: Pflanzliche Organogenese und Polarität (B) VL Simon 6: Induktion von Mesoderm und Neuralplatte bei Frosch, Huhn, Maus (S) VL Simon 7: Somitogenese, HOX-Code (S) VL Simon 8: Vergleichende Betrachtungen (S) VL Simon 9: Gliedmaßenentwicklung, Neurogenese (S) VL Schmidt 10: Geschlechtsentwicklung, Wachstum (Sch) VL Bachmann 11: Invertebraten I (Ba) VL Klein 12: Invertebraten II (K) VL Klein 13: Invertebraten III (K) Reserve / Vorlesungsende hhu.de Termine der Praktika Bio270: Die Praktika finden immer montags von 8:30-12:00 und 12:3016:00 und dienstags von 8:30-12:00, 12:30-16:00 parallel in den Praktikumsräumen 26.11.U1.12/14 statt (s.u.). 05. – 06.05.2025 12. – 13.05.2025 19. – 20.05.2025 26. – 27.05.2025 Kurstag 1: Kurstag 2: Kurstag 3: Kurstag 4: Arabidopsis Huhn Maus (nur online) Invertebraten Montag Für die Präsenzkurstage mitbringen: Zwei spitze Pinzetten (z.B. Dumont No.5) und eine kleine, spitze Schere (oder Nagelschere), weiße Blätter, Bleistifte, Radiergummis! Dienstag 8.30 - 12.00 8.30 - 12.00 8.30 - 12.00 8.30 - 12.00 Gr. 9 + 10 Gr. 3 + 4 Gr. 5 + 6 Gr. 11 + 12 12.30 - 16 12.30 - 16 12.30 - 16 Gr. 1 + 2 Gr. 7 + 8 Bc. 17 + 18 hhu.de Ablauf der Praktika Bio270: • Vor allen Präsenzpraktika müssen Sie sich die online Vorbesprechungen zu den jeweiligen Kurstagen im ILIAS anschauen und im Anschluss den zugehörigen ILIAS online Test durchführen und bestehen (Durchführung beliebig oft wiederholbar und verfügbar bis Semesterende). Dies ist Voraussetzung zur Teilnahme an den Präsenzkursen. à alle Praktika sind ab 15.4.2025 verfügbar im ILIAS Ordner Praktikum Entwicklungsbiologie für Biologen, Naturwissenschaftler oder Biochemiker. • • Im Präsenzkurs gibt es dann nur noch eine kurze Vorbesprechung, die Aufgabenverteilung und mehr Zeit für die praktischen Durchführungen und Zeichnungen. Am Ende des Kurses werden die angefertigten Zeichnungen durch die Kursbetreuer abgezeichnet (= Teilnahmebestätigung Präsenzkurse). Auch für alle online Kurse müssen die ILIAS Tests bestanden werden (verfügbar bis Ende SoSe2024). Höchstens ein Fehltag mit Attest! • Bei ALLEN organisatorischen Problemen bitte E-Mail NUR an: [email protected] • hhu.de Vorlesung Bio270 Entwicklungsbiologie • Vorlesungsunterlagen in ILIAS • Materialien für die Tutorien im selben Ordner Prof. Rüdiger Simon Institut für Entwicklungsgenetik [email protected] https://hhu.webex.com/meet/rsimon Lehrbuchempfehlung: Principles of Development Lewis Wolpert et al., Oxford University Press ca. 56 € in der Lehrbuchsammlung gibt es 80 Stück Nothing in biology makes sense except in the light of evolution T. Dobzhansky There are many ways to Rome, but Rome is not what it used to be Karl Niklas, American Journal of Botany 2014 Evolutionäre Aspekte Multizellularität ist während der Evolution immer wieder unabhängig entstanden – gibt es trotzdem gemeinsame Prinzipien? fcw future cell wall adh adhesion diff diffusion pol polarity Karl Niklas, American Journal of Botany 2014 Was verstehen wir unter Entwicklung? Ontogenie: Entwicklung des individuellen Lebens, in der Regel ab der Zygote Phylogenie: Stammesentwicklung, Entwicklung im Bezug auf Evolution Entwicklungsbiologie: Die Summe der Prozesse von der Befruchtung bis zum Tod Warum ist es denn überhaupt wichtig, Entwicklungsprozesse zu verstehen? Geschichte der Entwicklungsbiologie: Matthias Schleiden, Botaniker (geb. 1804 in Hamburg, gest. 1881 in Frankfurt) Theodor Schwann, Anatom, (geb. 1810 in Neuss, gest. 1882 in Köln): Zelltheorie, 1838 Entwicklung beginnt mit der Verschmelzung von zwei Keimzellen August Weismann, Evolutionstheoretiker (geb. 1834 in Frankfurt, gest. 1914 in Freiburg) Keimbahntheorie, 1883 Hühnerei (Marcello Malpighi, 1673) Homunculus (N. Harspeler, 1694) Keimbahntheorie 1885: August Weismann „Differenzierung beruht auf der Verteilung von Kerndeterminanten“ „Mosaikentwicklung“ 1880: Wilhelm Roux („Ru“) (geb. 1850 in Jena, gest. 1924 in Halle) „Mosaik-Entwicklung des Froschembryos, Zellschicksale werden bei der Zellteilung festgelegt“ ....aber: Hans Driesch (geb. 1867 in Kreuznach, gest. 1941 in Leipzig): „Entwicklung ist regulativ“ 1962: John Gurdon (geb. 1933 in Dippenhall, England) genomische Äquivalenz der Kerne! Wenn Entwicklung also meist regulativ erfolgt, müssen Zellen kommunizieren.... Hilde Mangold (geb. 1898, Dr. Mangold 1923, gest. 1924) und Hans Spemann (geb. 1869, Nobelpreis 1935, gest. 1941) Induktion einer neuen Körperachse nach Transplantation der dorsalen Urmundlippe Organisator à Genetik und Entwicklung Erst ca 1930 wurde ein Zusammenhang aufgezeigt Genotyp = genetische Ausstattung eines Organismus Phänotyp = Erscheinungsbild, Realisierung des Genotyps in der Umwelt Gleiche Genotypen müssen nicht zum gleichen Phänotyp führen Eineiige Zwillinge Entwicklung kann in fünf Prozesse eingeteilt werden: 1. Zellteilung 2. Musterbildung 3. Formänderung (Beispiel: Gastrulation bei Tieren) 4. Differenzierung 5. Wachstum 1. Zellteilung Bei Tieren direkt nach der Befruchtung: Furchungsteilung Die Zellzahl nimmt rasch zu ohne Wachstum des Embryos Furchungsteilungen bei Xenopus 2. Musterbildung Festlegung der Körperachsen, positionsrichtiges Verhalten der Zellen Definition der Körperachsen bei Tieren: anterior – posterior (Kopf – Schwanz) dorsal – ventral (Rücken – Bauch) links - rechts 3. Formänderungen / Morphogenese bei Tieren: Gastrulation It´s not birth, marriage or death, but gastrulation which is truely the most important time in your life. Lewis Wolpert, 1986 Gastrulation ist die Voraussetzung für die Entstehung der Keimblätter und Achsen Gastrulationsschema Urafter U rd a rm Urdarm Urmund Protostomia: Deuterostomia: Urmund Der Urmund wird zum Mund Der Urmund wird zum After, ein Mund ensteht an neuer Stelle Deutero (griechisch) = zweitens Gastrulation beim Seeigel Proto- oder Deuterostomia? Deuterostomia: Chordata (Mensch), Hemichordata und Echinodermata 4. Zelldifferenzierung Gastrulation: Keimblattbildung, Zellwanderungen 5. Wachstum Größenwachstum und Änderung der Proportionen Voraussetzung für diese 5 Entwicklungsprozesse sind Änderungen im Zellverhalten • differenzielle Genexpression • Signalübertragung zwischen Zellen • Änderungen der Zellform • Migration • Proliferation • kontrollierter Zelltod Differenzielle Genexpression bewirkt Änderungen im Zellverhalten Genexpression wird auf vielen Ebenen reguliert Haushaltsgene Entwicklungsgene Transkriptionsfaktoren Entwicklung ist progressiv Genetische Netzwerke entstehen durch Rückkopplung Progressive Entwicklung: Das Schicksal einer Zelle entscheidet sich zu verschiedenen Zeitpunkten Begriffe: • Determination • Spezifikation Zellschicksale: Spezifikation und Determination Spezifikation: Zellen folgen ihrem Schicksal, solange es keine neuen Umgebungssignale gibt. Determination: Zellen folgen ihrem Schicksal, selbst wenn es neue Umgebungssignale gibt. Wie können wir feststellen, ob eine Zelle bereits determiniert ist? Transplantationsexperiment Sind die Zellen noch nicht determiniert, dann entwickeln sie sich ortsgemäß Sind die Zellen bereits determiniert, dann entwickeln sie sich herkunftsgemäß Das Entwicklungspotenzial einer Zelle oder Anlage nimmt mit der Zeit ab. Wie werden Zellschicksale beeinflußt? Induktion: Signale aus der Umgebung oder von benachbarten Zellgruppen bestimmen das Schicksal Kompetenz: die Fähigkeit, auf diese Signale zu reagieren interzelluläre Signale parakrine Signale, z.B. frei diffundierende Moleküle juxtakrine Signale, bei direktem Kontakt Gap Junction und Plasmodesmata intrazelluläre Signale Mechanismen der Musterbildung Das French-Flag Modell Lewis Wolpert, Alan Turing Wie können komplexe Muster generiert werden? à Zellen interpretieren Positionsinformationen Beispiel 1 Morphogen(-quelle) Schwellenwert Positionsinformation à Positionswert à Identität Alan Turing 1912 - 1954 Musterbildung: Aktivator-Inhibitor Modelle A I Kondo and Miura, Science, 2010 Komplexe Muster entstehen durch Positionsinformation Beispiel 2 laterale Inhibition Beispiel 3 Asymmetrische Verteilung von zytoplasmatischen Determinanten (meistens RNA oder Protein) Asymmetrische Zellteilung Entscheidend ist jetzt nicht die Umgebung, sondern die Herkunft einer Zelle Das Aussortieren aufgrund unterschiedlicher Affinitäten führt zur Musterbildung A B Modellorganismen der Entwicklungsbiologie Der Lebenszyklus von Arabidopsis thaliana Modellsysteme der Vertebraten phylotypisches Stadium Xenopus laevis (Krallenfrosch) Gastrulationsstadien von Xenopus laevis Gastrulationsstadien bei Amphibien Neurulation bei Amphibien Zebrafisch (Danio rerio) Frühentwicklung beim Zebrafisch meroblastisch Frühentwicklung beim Zebrafisch meroblastisch Frühentwicklung beim Krallenfrosch holoblastisch Zebrafisch Epibolie und Gastrulation beim Zebrafisch Mesendoderm Haushuhn (Gallus gallus) Aufbau des Hühnereis Furchung und Bildung des Epiblast discoidal, meroblastisch subgerminaler Spalt Area pellucida ist transparent halbmondförmige Rinne Kollersche Sichel Bildung des Primitivstreifens Gastrulation beim Hühnerembryo: Einwanderung von Mesoderm und Endoderm Regression des Hensenschen Knotens Entwicklung von Neuralrohr und Mesoderm des Hühnerembryos Seitenansicht der Gastrulation beim Huhn Notochord = chorda dorsalis Huhn Amnioten Säuger: Hausmaus Mus musculus Furchung beim Mausembryo Implantationsstadien und Gastrulation Gastrulation Maus Gastrulation und Neurulation Embryonale und extraembryonale Strukturen parietal = zur Wand eines Organs oder Gefäßes gehörend; seitlich visceral = viszeral, die Eingeweide betreffend Invertebraten Drosophila melanogaster
