Genen
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Kapitel VI -> Zellentwicklung Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 1 Embryos verschiedener Spezies in unterschiedlichen Entwicklungsstadien - Ähnlichkeit in frühen Stadien übertrieben http://commons.wikimedia.org/ wiki/File:Haeckel_drawings.jpg Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 2 Zelluläre Mechanismen der Entwicklung Wie werden geometrische Strukturen geformt? Wie bewegen sich Zellen zu ihren korrekten Positionen? Wie nehmen Zellen ihren korrekten, differenzierten Charakter an? Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 3 Molekulargenetische Musterbildung Artenvielfalt ist breit verteilt auf die Phyla (Stämme) etwa 15 Millionen Arten weltweit (grobe Schätzung) bekannt sind etwas mehr als 1 Million Arten Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 4 Grundlegende anatomische Merkmale Ähnlichkeiten zwischen den Arten bei den Entwicklungsgenen deuten auf einen gemeinsamen Vorfahren hin -> differenzierte Zellen -> schützende Schicht (Epidermis) -> Verdauungstrakt um Nahrung aufzunehmen und zu verarbeiten -> Muskeln, um sich zu bewegen -> Neuronen (und sensorische Zellen) zur Kontrolle Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 5 Grundlegendes Modell der Entwicklung Eizelle teilt sich -> viele kleine Zellen -> einschichtige Kugel entsteht -> Schicht ist Abgrenzung nach aussen -> geschlossene Zellschicht (Ektoderm als Vorläufer der Epidermis, neuronales System) -> Einstülpung des Endoderms (Verdauungstrackt, Lunge, Leber) -> Mesodermzellen wandern ein (Muskeln, Bindegewebe) -> konservierte Gene und Mechanismen -> grosse Anzahl von Spezies kann als Modellorganismus dienen . -> etwa 50% der menschlichen Gene waren in Ahnen von Fliegen, Würmern und Menschen bereits vorhanden -> Unterschiede oft in Menge der Genkopien im Erbgut Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 6 Gastrulation eines Seeigels Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002 A fertilized egg divides to produce a blastula—a hollow sphere of epithelial cells surrounding a cavity. Then, in the process of gastrulation, some of the cells tuck into the interior to form the gut and other internal tissues. (A) Scanning electron micrograph showing the initial intucking of the epithelium. (B) Drawing showing how a group of cells break loose from the epithelium to become mesoderm. (C) These cells then crawl over the inner face of the wall of the blastula. (D) Meanwhile epithelium is continuing to tuck inward to become endoderm. (E and F) The invaginating endoderm extends into a long gut tube. (G) The end of the gut tube makes contact with the wall of the blastula at the site of the future mouth opening. Here the ectoderm and endoderm will fuse and a hole will form. (H) The basic animal body plan, with a sheet of ectoderm on the outside, a tube of endoderm on the inside, and mesoderm sandwiched between them. (A, from R.D. Burke et al., Dev. Biol. 146:542–557, 1991. © Academic Press; B-G, after L. Wolpert and T. Gustafson, Endeavour 26:85–90, 1967.) Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 7 Universelle Maschinerie in der Entwicklung Organismen entwickeln sich phylenübergreifend gleich (A) A fly protein used in a mouse. The DNA sequence from Drosophila coding for the Engrailed protein (a gene regulatory protein) can be substituted for the corresponding sequence coding for the Engrailed-1 protein of the mouse. Loss of Engrailed-1 in the mouse causes a defect in its brain (the cerebellum fails to develop); the Drosophila protein acts as an efficient substitute, rescuing the transgenic mouse from this deformity. (B) A mollusc protein used in a fly. Eyes develop on legs. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002 Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 8 Modellorganismen mit denen in der Entwicklungsbiologie gearbeitet wird Seeigel Drosophila Xenopus Ceanorhabditis Arabidopsis Zebrafisch Gallu gallus Echinoidea - Seeigel. (Original von Prof. Dr. Paul Pfurtscheller) Female Drosophila melanogaster flies start laying eggs shortly after mating. (c) IMP-IMBA Graphics Department http://wmpeople.wm.edu/ site/page/dcshak/ researchoverview Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 9 Polarity in Animals Xenopus laevis adult frog developmental stages are viewed from the side Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002 Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 10 Xenopus laevis Entwicklung - großes Ei - früher Vertebrat - Entwicklung in endlicher Zeit (etwa 5 Tage) Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 11 Entwicklung der Polarität side view of an egg photographed just before fertilization -> asymmetric distribution of molecules inside the egg -> fertilization defines a dorsoventral as well as an animal-vegetal asymmetry -> Vg1 codes for a member of the TGFβ protein superfamily -> fertilization triggers two types of intracellular movement (microtubules) -> rotation of the egg cortex (a layer a few µm deep) through about 30° relative to the core of the egg in a direction determined by the site of sperm entry -> active transport of dishevelled (Dsh) protein toward the future dorsal side -> dorsal concentration of dishevelled protein defines the dorsoventral polarity Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002 Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 12 Blastula Stadium rapid subdivision of the egg into many smaller cells cells divide synchronously for the first 12 cleavages, but the divisions are asymmetric lower, vegetal cells, encumbered with yolk, are fewer and larger Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002 Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 13 Drei Keimblätter endoderm derives from the most vegetal blastomeres ectoderm from the most animal blastomers mesoderm from a middle set that contribute also to endoderm and ectoderm coloring in each picture is the more intense, the higher the proportion of cell progeny that will contribute to the given germ layer (L. Dale, Curr. Biol. 9:R812–R815, 1999.) Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 14 Blastula (=Keim) Stadium outermost regions of the embryo -> tight junctions between the blastomeres begin to create an epithelial sheet -> isolates the interior of the embryo from the external medium Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 15 Regulatorische DNA und Genexpression genomes of organisms A and B code for the same set of proteins but have different regulatory DNA two cells in the cartoon start in the same state, expressing the same proteins at stage 1 but step to quite different states at stage 2 because of their different arrangements of regulatory modules. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 16 Verfolgung von Zelllinien (Xenopus Embryo) Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. different fluorescent dyes are injected into three cells at an early stage (cells with asterisks at the 32-cell stage) embryo is left to develop for 10 hours before being fixed and sectioned pattern of fluorescent labeling reveals how the descendants of the three cells have moved. (From M.A. Vodicka and J.C. Gerhart, Development 121:3505–3518, 1995. © The Company of Biologists.) Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 17 Induktive Wechselwirkung Adjacent cells compete to adopt the primary character (blue), by delivering inhibitory signals to one another. At first, all cells in the patch are similar. Any cell that gains an advantage in the competition (darker blue) delivers a stronger inhibitory signal (more red inhibition signals) to its neighbors, inhibiting them from delivering inhibitory signals themselves in return. This effect is self-reinforcing, and it leads to creation of a finegrained mixture in which the cells finally adopting the primary character (deep blue) are surrounded by inhibited cells that adopt a different character (gray). Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 18 Morphogene (Proteine, keine Gene) Signalmoleküle, die Musterbildung (Morphogenese) während der Entwicklung von Lebewesen steuern unterschiedlichen Konzentrationen im Gewebe lokalisierte Quelle und Diffusion Konzentrationsgradienten, die den benachbarten Zellen im Gewebe indirekt räumliche Positioninformation vermitteln bei bestimmten Schwellenwerten -> notwendige Entwicklungsgene werden aktiviert n nicht reine Ja/Nein-Reaktionen z.B. hohe Konzentration des Morphogens kann eine Gruppe von Genen aktivieren, eine mittlere Konzentration aktiviert eine andere Gruppe und eine niedrige Konzentration aktiviert eine dritte Gruppe von Genen Reichweite -> morphogenetisches Feld bezeichnet.. wichtige Beispiele: Proteine Bicoid und Hunchback -> frühe Embryogenese der Taufliege Transkriptionsfaktoren, die andere Gene aktivieren können; weiter wären Wachstumsfaktoren, wie beispielsweise die Proteine Hedgehog oder Wingless Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 19 Morphogene Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Expression of the Sonic hedgehog gene in a 4-day chick embryo (in situ hybridization) Sonic hedgehog protein spreads out from these sources. (B) Normal wing development. (C) A graft of tissue from the polarizing region causes a mirror-image duplication of the pattern of the host wing. The type of digit that develops is thought to be dictated by the local concentration of Sonic hedgehog protein; different types of digit (labeled 2, 3, and 4) therefore form according to their distance from a source of Sonic hedgehog. (A, courtesy of Randall S. Johnson and Robert D. Riddle.) Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 20 Signal Proteine Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 21 Inhibitoren der Signal Moleküle - Morphogengradienten (A) localized production of an inducer—a morphogen—that diffuses away from its source (B) localized production of an inhibitor that diffuses away from its source and blocks the action of a uniformly distributed inducer. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 22 Musterbildung durch sequentielle Induktion Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. A series of inductive interactions can generate many types of cells, starting from only a few. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 23 Steuerung der Musterbildung durch Gene Drosophila melanogaster jahrzehntelange Studien und genetisches Screening Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 24 Segmente eines Insektenkörpers http://de.wikipedia.org/wiki/Insekten 20.12.11 Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung A – Caput (Kopf) B – Thorax (Brust) C – Abdomen (Hinterleib) 1. Antenne 2. Ocellus (vorne) 3. Ocellus (oben) 4. Komplexauge (Facettenauge) 5. Gehirn 6. Prothorax 7. rückseitige (dorsale) Arterie 8. Tracheen 9. Mesothorax 10. Metathorax 11. Erstes Flügelpaar 12. Zweites Flügelpaar 13. Mitteldarm 14. Herz 15. Eierstock 16. Hinterdarm (Rektum) 17. Anus 18. Vagina 19. bauchseitiges Nervensystem 20. Malpighische Gefäße 21. Tarsomer 22. Prätarsus 23. Tarsus 24. Tibia 25. Femur 26. Trochanter 27. Vorderdarm 28. Thoraxganglion 29. Coxa 30. Speicheldrüse 31. Unterschlundganglion 32. Mundwerkzeuge 25 Christiane Nüsslein-Volhard Direktorin der Abteilung Genetik des Max-Planck-Instituts für Entwicklungsbiologie in Tübingen. 1995 Nobelpreis für Physiologie/Medizin für ihre Forschungen über die genetische Kontrolle der frühen Embryonalentwicklung an Drosophila wikipedia.org/wiki/Christiane_Nüsslein-Volhard 12. 12. 2011 Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 26 Drosophila Genetik Gene brauchen Namen feste Konventionen für die genetische Schreibweise eingebürgert, sorgen für Eindeutigkeit Identifizierung von Drosophilagenen -> Mutanten Gen mit Namen gekennzeichnet, der den mutanten Phänotyp beschreibt Namen entspricht eine Abkürzung, die dann dieses Gen eindeutig bezeichnet Genbezeichnung werden kursiv geschrieben. Beispiel: Eine Drosophila-Mutante hat statt der normalen braunen Körperfarbe eine dunklere, fast schwarze Färbung. Das Gen, das in der Mutante defekt ist, wurde deshalb als ebony (schwarz), abgekürzt e, bezeichnet. Greenspan, RJ (1997) Fly Pushing. The Theory and Practice of Drosophila Genetics. 88 WC 4400 G815 Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 27 Vom Ei zur Fliege Embryonalentwicklung dauert 1 Tag drei Larvenstadien Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 28 Ei startet als Syncytium Drosophila-Ei während der ersten zwei Stunden nach der Befruchtung -> Syncytium Kernteilungen, keine kompletten Zellteilungen während dieser Phase diffundieren Proteine frei durch den gesamten Embryo erste Teilungen laufen sehr schnell und synchron ab mit ca. 9 min sind sie die kürzesten bekannten Teilungszyklen Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Actin is stained green, chromosomes orange. after H.A. Schneiderman, in Insect Development [P.A. Lawrence, ed.], pp. 3– 34. Oxford, UK: Blackwell, 1976; B, courtesy of William Sullivan.) 29 Insekten haben einen segmentierten Körper fate map showing the future segmented regions (A and D) 5–8 hours: extended germ band stage: gastrulation has occurred, segmentation has begun to be visible, and the segmented axis of the body has lengthened (B and E) curving back on itself at the tail end so as to fit into the egg shell. (C and F) 10 hours: the body axis has contracted and became straight again Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 30 www.uni-tuebingen.de/genetiere/lernmodul/modul1.htm Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 31 Insekten haben einen segmentierten Körper fate map showing the future segmented regions (A and D) 5–8 hours: extended germ band stage: gastrulation has occurred, segmentation has begun to be visible, and the segmented axis of the body has lengthened (B and E) curving back on itself at the tail end so as to fit into the egg shell. (C and F) 10 hours: the body axis has contracted and became straight again Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 32 Zellularisierung durch Einstülpung der Zellmembran Wenn die Membran den Dotter erreicht hat, verschmelzen die Einstülpungen lateral miteinander und bilden so die Membranen der jetzt abgeschlossenen Zellen des Epithels und die Membran des Dotters aus. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 33 Drei Keimblätter Ektoderm (die äußere Zellschicht nach der Gastrulation) Epidermis, das periphere und das zentrale Nervensystem, Endoderm bildet den Mitteldarm Mesoderm bildet die viscerale und die somatische Muskulatur, das Dorsalgefäß (das Herz), das Blut und den Fettkörper Teile des Verdauungstraktes www.unituebingen.de/ genetiere/lernmodul/ modul1.htm Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 34 Frühe Segmentierung fate map showing the future segmented regions (A and D) 5–8 hours: extended germ band stage: gastrulation has occurred, segmentation has begun to be visible, and the segmented axis of the body has lengthened (B and E) curving back on itself at the tail end so as to fit into the egg shell. (C and F) 10 hours: the body axis has contracted and became straight again Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 35 Domänen für die Polarität fates of the different regions of the egg/early embryo indicate (in white) the parts that fail to develop if the anterior, posterior, or terminal system is defective middle row shows schematically the appearance of a normal larva and of mutant larvae that are defective in a gene of the anterior system (for example, bicoid), of the posterior system (for example, nanos), or of the terminal system (for example, torso) bottom row shows the appearances of larvae in which none or only one of the three gene systems is functional lettering beneath each larva specifies which systems are intact (A P T for a normal larva). inactivation of a particular gene system causes loss of the corresponding set of body structures; body parts that correspond to the gene systems that remain functional do form (slightly modified from D. St. Johnston and C. Nüsslein-Volhard, Cell 68:201–219, 1992.) A anterior P posterior T terminal Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. 36 Inaktivierung bestimmter Gene/mRNA Teile der Larve entwickeln sich nicht Namen von Genen werden "kursiv" geschrieben; dazugehörige Proteine "Standard" Beispiele von Genen und Transkriptionsfaktoren (Proteine) Gen Protein posterior/anterior, Segmentierung bicoid bicoid Segmentidentität antennapedia antennapedia gap Gen krüppel krüppel pair rule Gen even-skipped even-skipped segment-polarity Gen gooseberry gooseberry dorsal-ventral Polarität spätzle spätzle Gastrulation nudel nudel Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 37 Transkriptionsfaktor Proteine, die nötig sind, damit DNA von den Polymerasen zu RNA übersetzt (abgelesen) werden kann können als Morphogene wirken http://de.wikipedia.org/w/ index.php?title=Datei:1gluses.jpg&filetimestamp=201001 21093116 18.12.2011 Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 38 Morphogene (Proteine, keine Gene) Signalmoleküle, die Musterbildung (Morphogenese) während der Entwicklung von Lebewesen steuern unterschiedlichen Konzentrationen im Gewebe lokalisierte Quelle und Diffusion Konzentrationsgradienten, die den benachbarten Zellen im Gewebe indirekt räumliche Positioninformation vermitteln bei bestimmten Schwellenwerten -> notwendige Entwicklungsgene werden aktiviert n nicht reine Ja/Nein-Reaktionen z.B. hohe Konzentration des Morphogens kann eine Gruppe von Genen aktivieren, eine mittlere Konzentration aktiviert eine andere Gruppe und eine niedrige Konzentration aktiviert eine dritte Gruppe von Genen Reichweite -> morphogenetisches Feld bezeichnet.. wichtige Beispiele: Proteine Bicoid und Hunchback -> frühe Embryogenese der Taufliege Transkriptionsfaktoren, die andere Gene aktivieren können; weiter wären Wachstumsfaktoren, wie beispielsweise die Proteine Hedgehog oder Wingless Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 39 Bicoid/Bicoid Transkriptionsfaktor und Morphogen -> Zelldifferenzierung (Embryogenese) Gradient -> Ausbildung der anterior-posterioren Achse und Körpersegmentierung (Mutante: zwei Schwanzteile, kein Kopf) m-RNA bewirkt ein Gefälle von Bicoid-Protein, welches eine Genkaskaskade zur Ausbildung der Körpergliederung auslöst (Drosophila) Eizelle enthält am zukünftigen Vorderende des Tieres mütterliche (maternale) Bicoid-mRNA, die dort in einer Art von Kappe festgelegt ist zunächst keine Translation des Zellkern-Genoms Translation dieser mütterlichen m-RNAs (Maternaleffektgene) -> Bicoid-Protein vorn (anterior) die höchste Bicoid-Konzentration Konzentrationsgefälle, da der Embryo noch keine Zellmembranen (=Syncytium) hat und das Protein frei diffundiert Bicoid-Protein induziert nun als eine Genkaskade die Aktivität von 3 Genklassen -> Lückengene, diese wiederum Paarregelgene und Segmentpolaritätsgene -> homöotische Gene legen Rolle einzelner Segmente für den künftigen Tierkörper fest -> höchste Bicoid-Konzentration -> Kopf der Fliege mütterliches Bicoid-Gen dient indirekt auch als Aktivator für das even skipped (eve)-Gen und das fushi-tarazu-Gen -> Einteilung des Insektenkörpers Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 40 Lokalisierte Determinanten Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 41 Bicoid encodes for Head Structure = terminal Schematic representation of the experiments demonstrating that the bicoid gene encodes the morphogen responsible for head structures in Drosophila. The phenotypes of bicoid-deficient and wild-type embryos are shown at the sides. When bicoid-deficient embryos are injected with bicoid mRNA, the point of injection forms the head structures. When the posterior pole of an early-cleavage wild-type embryo is injected with bicoid mRNA, head structures form at both poles. Developmental Biology. 6th edition. Gilbert SF. Sunderland (MA): Sinauer Associates; 2000. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 42 Bicoid Gradient Anfärbung durch Bicoid Antikörper Anfärbung durch Even-Skipped Antikörper unterschiedliche bicoid Konzentration führt zu unterschiedlicher Anordnung und Anzahl von Segmenten es reicht aber eine Kopie des Gens bicoid, für eine intakte adulte Fliege Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 43 Follow the mRNA: a new model for Bicoid gradient formation mRNA und Genprodukt (Morphogen) diffundieren entlang der Achse Howard D. Lipshitz Nature Reviews Molecular Cell Biology 10, 509-512 (August 2009) Alexander Spirov, Khalid Fahmy, Martina Schneider, Erich Frei, Markus Noll, Stefan Baumgartner: Formation of the bicoid morphogen gradient: an mRNA gradient dictates the protein gradient. In: Development, 2009 136, 605-614. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 44 Follow the mRNA: a new model for Bicoid gradient formation Howard D. Lipshitz Nature Reviews Molecular Cell Biology 10, 509-512 (August 2009) Reaktions/Diffusions-Modell von Gierer und Meinhard nach Turing Hypothese (1952) „morphogenetisches Feld“, d.h. ein Konzentrationsgradient eines Morphogens führt zur räumlichen Differenzierung von monoclonalen Zellen Modell: Zusammenspiel zwischen Aktivator und Inhibitor -> Biophysik Vorlesung Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 45 Aktivator/Inhibitor Modell Reaktions/Diffusions-Modell von Gierer und Meinhard nach Turing Hypothese (1952) „morphogenetisches Feld“, d.h. ein Konzentrationsgradient eines Morphogens führt zur räumlichen Differenzierung von monoclonalen Zellen Zusammenspiel zwischen Aktivator und Inhibitor -> Biophysik Vorlesung From: Gierer & Meinhardt, "The algorithmic beauty of shells" Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 46 Regulatorische Kaskade der Segmentierung Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung Segmentgen-Mutationen examples of the phenotypes of mutations affecting the three types of segmentation genes Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 48 Polarität oben <-> unten dorsal ventral Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 49 Hierarchie von Polaritäts-, Gap-, Segmentations- und Homeobox-Genen photographs show expression patterns of representative examples of genes in each category, revealed by staining with antibodies against the protein products Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 50 Homöotische Gene Gene, deren Produkte die Qualität und Identität einer Zellgruppe oder eines Körperbereichs bestimmen codieren für Transkriptionsfaktoren, die typischerweise eine ganze Kaskade anderer funktionell zusammenhängender Gene an- und abschalten Mutation solcher Gene kann zum Austausch eines Körperteils durch ein falsches Teil führen (z. B. bei der Fliege Austausch eines Beins gegen einen Flügel) Homöotische Gene enthalten eine Homöobox Homöobox: stark konservierte Teilsequenz entwicklungssteuernder Gene 180 Nukleotide (60 Aminosäuren) Hox-Gen: Gene enthalten Homöoboxen http://de.wikipedia.org/ wiki/Hom%C3%B6obox PDB entry 1AHD mit VMD Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 51 Antennapedia Homöobox-Gen Ausbildung des Kopfes und der vorderen Brustsegmente Mutationen führen zu falsch platzierten Beinen Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 52 Segmentidentität durch homöotische Gene Molecular Biology of the Cell. 4th edition. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. New York: Garland Science; 2002. Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 53 Kapitel VI -> Stammzellenforschung Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 54 Biologie für Physikerinnen und Physiker Kapitel VI Entwicklung 55
