Gene und Gehirn Lehrerfortbildung 12.10.2001 Freiburg i. Brsg. 11.3.2001 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: kff@uni-freiburg.de WWW: http://filab.biologie.uni-freiburg.de KF Fischbach, Freiburg

Viele Gene sind im Tierreich hoch konserviert 11.3.2001 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 KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

11.3.2001 Frühe Entwicklungsstadien unterstreichen die nahe Verwandtschaft des Menschen zum Tier KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

11.3.2001 KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Ein wichtiges Ergebnis der Genomprojekte 11.3.2001 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 KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Neurogenetischer Ansatz 11.3.2001 Neurogenetischer Ansatz wt Genom Gehirn Verhalten Wissen um Entwicklungsprozesse Wissen um Gehirnfunktionen mut. Genom Gehirn Verhalten KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

11.3.2001 Am Fliegengehirns lassen sich grundlegende molekulare Entwicklungsmechanismen studieren. Zudem ist das Gehirn hinreichend komplex um vielfältiges Verhalten zu ermöglichen http://flybrain.uni-freiburg.de/Flybrain/html/contrib/1997/sun97a/movie/adxs00.mpg KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Die Expression konservierter Gene für Transkriptionsfaktoren untergliedert die Längsachse des NS 11.3.2001 KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Die otd/OTX2 Gene sind Kausalfaktoren beim Bau des Vorderhirns Fliegen-otd und Menschen-OTX2 sind funktionell konserviert. 11.3.2001 http://www.unibas.ch/dib/zoologie/research/neuro.html KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

11.3.2001 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. KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Wie wird ein Gehirn verdrahtet? 11.3.2001 KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Wie finden sie zueinander? 11.3.2001 Nervenzellen sind über lange Fortsätze miteinander spezifisch verknüpft. Wie finden sie zueinander? KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm KFF 2001 11.3.2001 http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Mechanismen der Wegfindung 11.3.2001 Kontaktführung Chemotaxis KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Wachstumskegel bei Kontaktführung 11.3.2001 Wachstumskegel bei Kontaktführung KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Wie findet man Gene mit Bedeutung für Axonales Wegfindung? 11.3.2001 Wie findet man Gene mit Bedeutung für Axonales Wegfindung? Durch die Isolierung von Defektmutanten! KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Optischer Lobus von Wildtype (A) und rst Mutante (B) 11.3.2001 KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Zwei nahverwandte Zelladhäsionsmoleküle 11.3.2001 Zwei nahverwandte Zelladhäsionsmoleküle (den neuronalen Phänotyp verursacht das Fehlen des Rst-Protein) KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Optische Anlage in der Fliegenlarve 11.3.2001 Optische Anlage in der Fliegenlarve Das Rst-Protein (rot) ist nur auf einer Subpopulation der Nervenzellen während der Entwicklung des Sehsystems exprimiert . KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

11.3.2001 Eliminierung der rst vermittelten Positionsinformation durch globale Überexpression KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

11.3.2001 Phänokopie des mutanten rst Phänotyps (kein Protein) durch Überexpression des rst-Gens (zuviel Protein): das Rst-Protein vermittelt Positionsinformation KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Zusammenfassung „rst-Gen“ 11.3.2001 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 KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Zusammenfassung „Entwicklung“ 11.3.2001 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 KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Teil II: Gene und Verhalten 11.3.2001 Teil II: Gene und Verhalten Beispiele: Genmutationen beeinflussen sexuelle Präferenz Genmutationen beinflussen Lernverhalten KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Sexualverhalten bei Drosophila 11.3.2001 Sexualverhalten bei Drosophila KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

WT-Verhalten dsf-Verhalten (dissatisfaction) 11.3.2001 WT-Verhalten dsf-Verhalten (dissatisfaction) WT-Verhalten und dsf-Verhalten sind mit Links zum Balzverhalten von Drosophila WT und der Mutante dsf (dissatisfaction) hinterlegt. dsf- Männchen diskriminieren nicht mehr zwischen Männchen und Weibchen. KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Welche Rolle spielt das Gehirn beim Sexualverhalten? 11.3.2001 Welche Rolle spielt das Gehirn beim Sexualverhalten? KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Gynander sind halb männlich, halb weiblich, 11.3.2001 Gynander sind halb männlich, halb weiblich, die m/w-Gewebegrenzen verlaufen zufällig. KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Seine Expression im ZNS markiert Neurone mit Bedeutung für das Sexual- 11.3.2001 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. KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Teil II: Gene und Verhalten 11.3.2001 Teil II: Gene und Verhalten Beispiele: Genmutationen beeinflussen sexuelle Präferenz Genmutationen beinflussen Lernverhalten KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Teil II: Gene und Verhalten 11.3.2001 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 KF Fischbach, Freiburg KFF 2001

Zusätzliche Quellen Drosophila Nervensystem http://www.flybrain.org 11.3.2001 Zusätzliche Quellen Drosophila Nervensystem http://www.flybrain.org http://pogo.biologie.uni-freiburg.de/3d/cd/ Neurogenetik http://www.zum.de/neurogenetik/ KF Fischbach, Freiburg KFF 2001