Lehrerfortbildung 12.10.2001

Gene und Gehirn
Lehrerfortbildung 12.10.2001 Freiburg i. Brsg.
http://www.zum.de/lehrerfortbildung/neuro
Karl-Friedrich Fischbach
Institut für Biologie III
Schänzlestr.1
79104 Freiburg i. Brsg.
E-Mail: [email protected]
WWW: http://filab.biologie.uni-freiburg.de
Viele Gene sind im Tierreich hoch konserviert
Schimpanse und Mensch haben mehr als 99% ihrer Gene gemeinsam.
Bild aus Gould&Gould “Bewusstsein bei Tieren”, Spektrum Akademischer Verlag, 1994
© kff 2001
Frühe Entwicklungsstadien unterstreichen die nahe
Verwandtschaft des Menschen zum Tier
© kff 2001
© kff 2001
Ein wichtiges Ergebnis der Genomprojekte
ist, dass der Mensch nur etwa 2-3 mal soviel
Gene hat wie eine Fliege oder ein Wurm.
Fast zu jedem Gen einer Fliege gibt es ein
oder mehrere homologe Gene im Menschen.
Daraus folgt: Die Fliege ist ein ideales Modellsystem für die Untersuchung der Genwirkungen
bei Gehirnentwicklung und Verhalten
© kff 2001
Neurogenetischer Ansatz
wt Genom
Gehirn
Verhalten
mut. Genom
Gehirn
Verhalten
Wissen um
Entwicklungsprozesse
Wissen um
Gehirnfunktionen
© kff 2001
Am Fliegengehirns lassen sich grundlegende molekulare
Entwicklungsmechanismen studieren. Zudem ist das Gehirn
hinreichend komplex um vielfältiges Verhalten zu ermöglichen
Zur Anzeige wird der QuickTime™
Dekompressor “”
benötigt.
http://flybrain.uni-freiburg.de/Flybrain/html/contrib/1997/sun97a/movie/adxs00.mpg
© kff 2001
Die Expression konservierter Gene für Transkriptionsfaktoren
untergliedert die Längsachse des NS
© kff 2001
Die otd/OTX2 Gene sind Kausalfaktoren beim Bau des Vorderhirns
Fliegen-otd und Menschen-OTX2 sind funktionell konserviert.
http://www.unibas.ch/dib/zoologie/research/neuro.html
© kff 2001
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 2001
Wie wird ein Gehirn verdrahtet?
© kff 2001
Nervenzellen sind über lange Fortsätze
miteinander spezifisch verknüpft.
Wie finden sie zueinander?
© kff 2001
http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm
Zur Anzeige wird der QuickTime™
Dekompressor “Cinepak”
benötigt.
© kff 2001
Mechanismen der Wegfindung
Kontaktführung
Chemotaxis
© kff 2001
Wachstumskegel bei Kontaktführung
Zur Anzeige wird der QuickTime™
Dekompressor “None”
benötigt.
© kff 2001
Wie findet man Gene mit Bedeutung für Axonales Wegfindung?
Durch die Isolierung von Defektmutanten!
© kff 2001
Optischer Lobus von
Wildtype (A) und rst Mutante (B)
© kff 2001
Zwei nahverwandte Zelladhäsionsmoleküle
(den neuronalen Phänotyp verursacht das Fehlen des Rst-Protein)
© kff 2001
Optische Anlage in der Fliegenlarve
Das Rst-Protein (rot) ist
nur auf einer Subpopulation
der Nervenzellen während der
Entwicklung des Sehsystems
exprimiert .
© kff 2001
Eliminierung der rst vermittelten Positionsinformation
durch globale Überexpression
© kff 2001
Phänokopie des mutanten rst Phänotyps (kein Protein)
durch Überexpression des rst-Gens (zuviel Protein):
das Rst-Protein vermittelt Positionsinformation
© kff 2001
Zusammenfassung „rst-Gen“
Das rst-Gen kodiert für ein immunglobulinähnliches
Transmembranprotein
Das Rst-Protein ist an der axonalen Wegfindung beteiligt und auf
den Wachstumskegeln und Axonen einiger junger Neurone
exprimiert.
Fehlen des Proteins (Nullmutante) und experimentelle
Überexpression auf allen Neuronen (Transformante)
haben das gleiche Ergebnis: Fehlgeleitete Nervenfasern.
Damit ist das Rst-Protein ein Beispiel für ein
neuronales Erkennungsmolekül
© kff 2001
Zusammenfassung „Entwicklung“
Konservierte Transkriptionsfaktoren legen die Längsachse
des Nervensystems bei Insekten und Wirbeltieren fest
Transmembranproteine verleihen den Neuronen „Tastsinn“
und setzen zugleich Oberflächenmarkierungen
Neurone unterscheiden sich an ihren Oberflächen
und ertasten die ihnen liebsten Partner
© kff 2001
Teil II: Gene und Verhalten
Beispiele:
Genmutationen beeinflussen sexuelle Präferenz
Genmutationen beinflussen Lernverhalten
© kff 2001
Sexualverhalten bei Drosophila
© kff 2001
WT-Verhalten
dsf-Verhalten
(dissatisfaction)
© kff 2001
Welche Rolle spielt das Gehirn beim Sexualverhalten?
© kff 2001
Gynander sind halb männlich, halb weiblich,
die m/w-Gewebegrenzen verlaufen zufällig.
© kff 2001
Auch das fruitless Gen ist für die Ausprägung des Sexualverhaltens wichtig.
Seine Expression im ZNS markiert Neurone mit Bedeutung für das Sexualverhalten von Drosophila. Es kodiert für einen Transkriptionsfaktor.
© kff 2001
Teil II: Gene und Verhalten
Beispiele:
Genmutationen beeinflussen sexuelle Präferenz
Genmutationen beinflussen Lernverhalten
© kff 2001
Teil II: Gene und Verhalten
Zusammenfassung:
Genmutationen beeinflussen Verhalten.
Gehirne verändern sich aber auch durch Erfahrung
(lebenslange Entwicklung)
Lernvermögen ist ein „angeborener“ Instinkt von Nervensystemen
© kff 2001
Zusätzliche Quellen

Drosophila Nervensystem
– http://www.flybrain.org
– http://pogo.biologie.uni-freiburg.de/3d/cd/

Neurogenetik
– http://www.zum.de/neurogenetik/
© kff 2001