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
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Frühe Entwicklungsstadien unterstreichen die nahe
Verwandtschaft des Menschen zum Tier
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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
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Neurogenetischer Ansatz
wt Genom
Gehirn
Verhalten
mut. Genom
Gehirn
Verhalten
Wissen um
Entwicklungsprozesse
Wissen um
Gehirnfunktionen
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Am Fliegengehirns lassen sich grundlegende molekulare
Entwicklungsmechanismen studieren. Zudem ist das Gehirn
hinreichend komplex um vielfältiges Verhalten zu ermöglichen
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http://flybrain.uni-freiburg.de/Flybrain/html/contrib/1997/sun97a/movie/adxs00.mpg
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Die Expression konservierter Gene für Transkriptionsfaktoren
untergliedert die Längsachse des NS
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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
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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.
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Wie wird ein Gehirn verdrahtet?
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Nervenzellen sind über lange Fortsätze
miteinander spezifisch verknüpft.
Wie finden sie zueinander?
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http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm
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Mechanismen der Wegfindung
Kontaktführung
Chemotaxis
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Wachstumskegel bei Kontaktführung
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Wie findet man Gene mit Bedeutung für Axonales Wegfindung?
Durch die Isolierung von Defektmutanten!
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Optischer Lobus von
Wildtype (A) und rst Mutante (B)
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Zwei nahverwandte Zelladhäsionsmoleküle
(den neuronalen Phänotyp verursacht das Fehlen des Rst-Protein)
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Optische Anlage in der Fliegenlarve
Das Rst-Protein (rot) ist
nur auf einer Subpopulation
der Nervenzellen während der
Entwicklung des Sehsystems
exprimiert .
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Eliminierung der rst vermittelten Positionsinformation
durch globale Überexpression
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Phänokopie des mutanten rst Phänotyps (kein Protein)
durch Überexpression des rst-Gens (zuviel Protein):
das Rst-Protein vermittelt Positionsinformation
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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
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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
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Teil II: Gene und Verhalten
Beispiele:
Genmutationen beeinflussen sexuelle Präferenz
Genmutationen beinflussen Lernverhalten
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Sexualverhalten bei Drosophila
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WT-Verhalten
dsf-Verhalten
(dissatisfaction)
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Welche Rolle spielt das Gehirn beim Sexualverhalten?
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Gynander sind halb männlich, halb weiblich,
die m/w-Gewebegrenzen verlaufen zufällig.
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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.
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Teil II: Gene und Verhalten
Beispiele:
Genmutationen beeinflussen sexuelle Präferenz
Genmutationen beinflussen Lernverhalten
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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
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Zusätzliche Quellen

Drosophila Nervensystem
– http://www.flybrain.org
– http://pogo.biologie.uni-freiburg.de/3d/cd/

Neurogenetik
– http://www.zum.de/neurogenetik/
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