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Karl-Friedrich Fischbach Institut für Biologie III Schänzlestr.1 79104 Freiburg i. Brsg. WWW:

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2 Karl-Friedrich Fischbach Institut für Biologie III Schänzlestr Freiburg i. Brsg. WWW: Gene und Gehirn Lehrerfortbildung Freiburg i. Brsg.

3 © kff 2001 KFF 2001 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

4 © kff 2001 KFF 2001 Frühe Entwicklungsstadien unterstreichen die nahe Verwandtschaft des Menschen zum Tier

5 © kff 2001 KFF 2001

6 © 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 Modell- system für die Untersuchung der Genwirkungen bei Gehirnentwicklung und Verhalten

7 © kff 2001 KFF 2001 Neurogenetischer Ansatz wt Genom GehirnVerhaltenmut. GenomGehirnVerhalten Wissen um Entwicklungsprozesse Wissen um Gehirnfunktionen

8 © kff 2001 KFF 2001 Am Fliegengehirns lassen sich grundlegende molekulare Entwicklungsmechanismen studieren. Zudem ist das Gehirn hinreichend komplex um vielfältiges Verhalten zu ermöglichen

9 © kff 2001 KFF 2001 Die Expression konservierter Gene für Transkriptionsfaktoren untergliedert die Längsachse des NS

10 © kff 2001 KFF 2001 Die otd/OTX2 Gene sind Kausalfaktoren beim Bau des Vorderhirns Fliegen-otd und Menschen-OTX2 sind funktionell konserviert.

11 © kff 2001 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.

12 © kff 2001 KFF 2001 Wie wird ein Gehirn verdrahtet?

13 © kff 2001 KFF 2001 Nervenzellen sind über lange Fortsätze miteinander spezifisch verknüpft. Wie finden sie zueinander?

14 © kff 2001 KFF 2001

15 © kff 2001 KFF 2001 Mechanismen der Wegfindung Kontaktführung Chemotaxis

16 © kff 2001 KFF 2001 Wachstumskegel bei Kontaktführung

17 © kff 2001 KFF 2001 Wie findet man Gene mit Bedeutung für Axonales Wegfindung? Durch die Isolierung von Defektmutanten!

18 © kff 2001 KFF 2001 Optischer Lobus von Wildtype (A) und rst Mutante (B)

19 © kff 2001 KFF 2001 Zwei nahverwandte Zelladhäsionsmoleküle (den neuronalen Phänotyp verursacht das Fehlen des Rst-Protein)

20 © kff 2001 KFF 2001 Das Rst-Protein (rot) ist nur auf einer Subpopulation der Nervenzellen während der Entwicklung des Sehsystems exprimiert. Optische Anlage in der Fliegenlarve

21 © kff 2001 KFF 2001 Eliminierung der rst vermittelten Positionsinformation durch globale Überexpression

22 © kff 2001 KFF 2001 Phänokopie des mutanten rst Phänotyps (kein Protein) durch Überexpression des rst-Gens (zuviel Protein): das Rst-Protein vermittelt Positionsinformation

23 © kff 2001 KFF 2001 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. Zusammenfassung rst-Gen Das rst-Gen kodiert für ein immunglobulinähnliches Transmembranprotein Damit ist das Rst-Protein ein Beispiel für ein neuronales Erkennungsmolekül

24 © kff 2001 KFF 2001 Transmembranproteine verleihen den Neuronen Tastsinn und setzen zugleich Oberflächenmarkierungen Neurone unterscheiden sich an ihren Oberflächen und ertasten die ihnen liebsten Partner Zusammenfassung Entwicklung Konservierte Transkriptionsfaktoren legen die Längsachse des Nervensystems bei Insekten und Wirbeltieren fest

25 © kff 2001 KFF 2001 Genmutationen beeinflussen sexuelle Präferenz Teil II: Gene und Verhalten Beispiele: Genmutationen beinflussen Lernverhalten

26 © kff 2001 KFF 2001 Sexualverhalten bei Drosophila

27 © kff 2001 KFF 2001 WT-Verhalten dsf-Verhalten (dissatisfaction)

28 © kff 2001 KFF 2001 Welche Rolle spielt das Gehirn beim Sexualverhalten?

29 © kff 2001 KFF 2001 Gynander sind halb männlich, halb weiblich, die m/w-Gewebegrenzen verlaufen zufällig.

30 © kff 2001 KFF 2001 Auch das fruitless Gen ist für die Ausprägung des Sexualverhaltens wichtig. Seine Expression im ZNS markiert Neurone mit Bedeutung für das Sexual- verhalten von Drosophila. Es kodiert für einen Transkriptionsfaktor.

31 © kff 2001 KFF 2001 Genmutationen beeinflussen sexuelle Präferenz Teil II: Gene und Verhalten Beispiele: Genmutationen beinflussen Lernverhalten

32 © kff 2001 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

33 © kff 2001 KFF 2001 Zusätzliche Quellen Drosophila Nervensystem –http://www.flybrain.orghttp://www.flybrain.org –http://pogo.biologie.uni-freiburg.de/3d/cd/http://pogo.biologie.uni-freiburg.de/3d/cd/ Neurogenetik –http://www.zum.de/neurogenetik/http://www.zum.de/neurogenetik/


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