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Fortschritte in den Neurowissenschaften Lehrerfortbildung 18.6.2004 Denzlingen Department für Neurobiologie in Freiburg Neurobiologie und Biophysik Prof. Dr. Ad Aertsen PD Dr. Ulrich Egert Entwicklungsbiologie Dr. Jochen Holzschuh Neurogenetik Prof. Dr. Karl-Friedrich Fischbach Institut für Biologie III Schänzlestrasse 1 79104 Freiburg i. Brsg. Institut für Biologie I Hauptstrasse 1 79104 Freiburg i. Brsg. Fortschritte in den Neurowissenschaften Lehrerfortbildung 18.6.2004 Denzlingen Zeitplan 10.00 Uhr: Wie Nervenzellen spezifische Kontakte knüpfen. (Prof. Dr. Karl Fischbach) 11.00 Uhr: Neue Modellsysteme zum Verständnis neurodegenerativer Erkrankungen. (Dr. Jochen Holzschuh) 12.00 Uhr: Mittagspause (Imbiss) Informationen zu Ressourcen im Internet 14.00 Uhr: Aktivität in kortikalen Netzwerken. Von Netzwerkdynamik zu Neuroprothesen. (Prof. Dr. Ad Aertsen) 15.00 Uhr: Gehirne auf Chips. Neurobiologie: Von der Grundlagenforschung zur Anwendung. (Dr. U. Egert) Wie Nervenzellen spezifische Kontakte knüpfen Lehrerfortbildung 18.6.2004 Denzlingen http://zum.de/lehrerfortbildung/denzlingen ab Sonntag, den 20.6.2004, freigeschaltet Karl-Friedrich Fischbach Institut für Biologie III Schänzlestr.1 79104 Freiburg i. Brsg. E-Mail: [email protected] WWW: http://filab.biologie.uni-freiburg.de Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „YUV420 codec“ benötigt. Ziele des Vortrags 1. 2. 3. 4. Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem. Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de Ziele des Vortrags 1. 2. 3. 4. Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem. Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de Die Expression konservierter Gene für Transkriptionsfaktoren untergliedert die Längsachse des NS © kff 2004 Die otd/OTX2 Gene sind Kausalfaktoren beim Bau des Vorderhirns Fliegen-otd und Menschen-OTX2 sind funktionell konserviert. © kff 2004 Die otd/OTX2 Gene sind Transkriptionsfaktoren, die den Ort festlegen, an denen das Entwicklungsprogramm „Vorderhirn“ ablaufen soll. Die Funktion der Gene ist konserviert. Dieses und andere Ergebnisse sind Indizien dafür, dass die gemeinsamen Vorfahren von Fliege und Mensch bereits ein bilateral symmetrisches Nervensystem und ein Gehirn besaßen. Einmal „erfunden“, wurden diese grundlegenden Genfunktionen kaum noch modifiziert. © kff 2004 Am Fliegengehirns lassen sich grundlegende molekulare Entwicklungsmechanismen studieren. Die Relevanz der Ergebnisse für Wirbeltiere wird durch die Verwandtschaft der Gensysteme gestützt, die das ZNS von Bilateraliern untergliedern. Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „YUV420 codec“ benötigt. © kff 2004 Ziele des Vortrags 1. 2. 3. 4. Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem. Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de Neurogenetischer Ansatz wt Genom Gehirn Verhalten mut. Genom Gehirn Verhalten Wissen um Entwicklungsprozesse Wissen um Gehirnfunktionen © kff 2004 Das Gal4/UAS-Expressionssystem © kff 2004 © kff 2004 Wie wird ein Gehirn verdrahtet? © kff 2004 Ziele des Vortrags 1. 2. 3. 4. Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de Nervenzellen sind über lange Fortsätze miteinander spezifisch verknüpft. Wie finden sie zueinander? © kff 2004 Mechanismen der Wegfindung Kontaktführung Chemotaxis © kff 2004 http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „Cinepak“ benötigt. © kff 2004 Wachstumskegel macht Kontakt mit Laminin Tropfen Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „Photo - JPEG“ benötigt. © kff 2004 Wachstumskegel hangelt sich entlang vorgegebener Axone Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „None“ benötigt. © kff 2004 Wie findet man Gene mit Bedeutung für axonale Wegfindung? Durch die Isolierung von Defektmutanten! © kff 2004 Ziele des Vortrags 1. 2. 3. 4. Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de Unser System: Der optische Lobus von Drosophila melanogaster ist eine geschichtete Struktur Unser Ziel: Verständnis der molekularen Mechanismen, die den Aufbau der „visuellen Pathways“ ermöglichen, insbesondere die Erkennung der prä- und postsynaptischen Partner. Phenotype of UB883 mutant (P-element mutagenesis) © kff 2004 Wildtyp (A) und UB883 mutanter Phänotyp (B) © kff 2004 What can we do with this gene? Lets clone it! Why not? © kff 2004 Immunglobulin-ähnliche Domäne 5 extracellular Ig-domains Plasmamembran intracellular domain © kff 2004 © kff 2004 Unser Hauptaugenmerk gilt inzwischen den vier Mitgliedern des „irre cell recognition“-Moduls (IRM) IrreC-rst (Rst) Expression in den Neuroommatidien der Medulla C. elegans: syg-2 Homo: Nephrin C. elegans: syg-1 Homo: Neph1,2,3 Die Proteine des „IRM“ vermitteln homophile und heterophile Interaktionen in Zellkultur IrreC-rst transfected untransfected anti IrreC-rst anti Sns anti IrreC-rst © kff 2004 Das „irre cell recognition“ Modul ist notwendig, damit Myoblasten mit wachsenden Muskelfasern fusionieren Sns auf Myoblasten sowie Kirre und Rst auf wachsenden Muskelfasern vermitteln die Zellerkennung und sind notwendig, um den Synapsen-ähnlichen Präfusionskomplex auszubilden. wild type rst - kirre - rst - kirre - IrreC-rst ist ein Myoblastenattraktant anti-ß-3-tubulin Df(1)w67k30 background dll-Gal4/UAS-irreC-rst anti-IrreC-rst IrreC-rst ist ein heterophiles Zelladhäsionsprotein © kff 2004 Bei der Augenentwicklung vermittelt das „IRM“ Zellsortierung Augenentwicklung I: Spezifizierung der Zellen eines Ommatidiums 4 5 6 3 8 7 2 1 Die Zellen eines Ommatidiums werden durch Signalen der Gründerzelle R8 aus umgebenden Zellen rekrutiert. © kff 2004 6 7 1 5 6 4 5 8 7 2 1 3 8 2 © kff 2004 Zur Anzeige wird der QuickTime™ Dekompressor „Sorenson Video“ benötigt. © kff 2004 Augenentwicklung II: irreC-rst mRNA wird in Interommatidialzellen exprimiert irreC-rst in situ, wild type © kff 2004 Augenentwicklung III: IrreC-rst Protein Expression © kff 2004 © kff 2004 © kff 2004 Rst immunoreactivity Vorhergesagte Verteilung des Rst-Liganden (grün) bei Rst-Fehlexpression (Reiter et al., 1996) SNS immunoreactivity © kff 2004 Was sind die intrazellulären Interaktionspartner von Rst und Kirre? 8 Proteine interagierten in einem Two Hybrid Screen mit den intrazellulären Domänen von Kirre und Rst in Hefe: Ubiquitin protein ligase RNase PH AKAP (PKA achoring protein) D-Mint Nemo (serin/threonine kinase) Actinin Paxillin Cystein Protease Cp1 (verifiziert durch Immunoprecipitation) Arbeitshypothese basierend auf nachgewiesenen Proteininteraktionen: Das IRM ist an der Erkennung synaptischer Partner beteiligt. Mint-1 CASK PTB PDZ PDZ PDZ Presynaptic PDZ IrreC-rst Kirre Neurexin Sns Hibris Neuriligin Postsynaptic Expressionsmuster von Mint und Rst überlappen hoch spezifisch in der distalen Medullaschicht Mint Rst Merge Eliminating IrreC-rst mediated positional information in the optic lobe by its global expression elav-Gal4/UAS-irreC-rst anti-IrreC-rst 3rd instar larva © kff 2004 Eliminating positional information in the optic lobe by global expression yields a phenocopy of the loss of function phenotype elav-Gal4/UAS-irreC-rst anti-fascicline II midpupal stage © kff 2004 optischen Lobus II Gal4(1407) © kff 2004 Zusammenfassung Die Mitglieder des „irre-Zelladhäsionsmoduls kodieren für immunglobulinähnlicheTransmembranproteine Sie sind an der Muskelfusion, der Zellsortierung im Auge, bei der axonalen Wegfindung und der Zielerkennung wie der Synaptogenese beteiligt. Fehlen des Proteins (Nullmutante) und experimentelle Überexpression auf allen Neuronen (Transformante) haben das gleiche Ergebnis: Fehlgeleitete Nervenfasern. Diese Proteine sind Beispiele für neuronale Erkennungsmoleküle © kff 2004 Zusammenfassung „Entwicklung“ Transmembranproteine verleihen den Neuronen „Tastsinn“ und setzen zugleich Oberflächenmarkierungen Zellen (auch Neurone) unterscheiden sich an ihren Oberflächen und ertasten die ihnen liebsten Partner © kff 2004
