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Die Entdeckung homeotischer Gene

Die Erforschung der Gene, die bei der Fruchtfliege Fehlentwicklungen auslösen, führte zu einigen der aufregendsten Entdeckungen der Entwicklungsbiologie: Derselbe Typ von Genen, der die frühe Embryonalentwicklung bei Drosophila steuert, kontrolliert auch die frühe Embryogenese anderer Organismen einschließlich des Menschen. Diese homeotischen Gene sind auf der DNA in der gleichen Weise angeordnet, wie sie während der Embryogenese entlang der Körperachse exprimiert werden.

Am Anfang stand ein kleines Monster: eine Fruchtfliege (Drosophila) mit vier Flügeln. Fliegen gehören zu den Dipteren, die, wie der Name sagt, normalerweise nur zwei Flügel haben. Wie bei allen Insekten wird bei ihnen der Brustabschnitt (Thorax) aus drei Segmenten gebildet, von denen jedes ein Paar Beine trägt. Das zweite Segment besitzt außerdem ein Paar Flügel, während beim dritten Segment anstelle des bei den meisten Insekten vorhandenen zweiten Flügelpaars bei den Dipteren so genannten Halteren oder Schwingkörperchen ausgebildet sind, die zur Flugstabilisierung dienen.

Bithorax – 80 Jahre nach der Entdeckung der Nobelpreis

Bithorax-Mutante von Drosophila mit vier Flügeln. © Max-Planck-Gesellschaft

Drosophila-Mutanten mit vier voll entwickelten Flügeln wurden vor nunmehr fast hundert Jahren von Calvin Bridges untersucht, einem  Schüler von Thomas Morgan, der  die Fruchtfliege als genetischen Modellorganismus eingeführt hatte. Bridges zeigte in den folgenden Jahrzehnten, dass bestimmte Gene („bithorax"  und „bithoraxoid": bx und bxd) das dritte Thorax-Segment so umwandelten, dass es wie das zweite Segment aussieht. Er fand außerdem bei Analysen der Speicheldrüsen-Chromosomen von Drosophila  verdoppelte Genbanden und postulierte, dass die Duplikation von Genen, die anschließend separat mutieren und diversifizierte Funktionen übernehmen können, für die Evolution von Organismen von großer Bedeutung ist.

Wie Edward Lewis, der Bridges‘ Arbeiten am California Institute of Technology fortführte, bewies, handelte es sich bei bx und bxd um Gene, die für die Transformation einer Struktur in eine andere homologe Struktur verantwortlich sind, ein Phänomen, das Bateson bereits 1898 als Homeosis (im Deutschen oft Homöosis geschrieben) bezeichnet hatte. Lewis hat sein ganzes langes Forscherleben daran gearbeitet. Obwohl homeotische Prozesse auch bei vielen anderen Forschern großes Interesse fanden, dauerte es viele Jahrzehnte, bis Lewis den ganzen, aus noch weiteren Genen bestehenden Gen-Komplex, der die Entwicklung der Körperfortsätze am Thorax von Drosophila steuert, und seine Wirkungsweise beschreiben konnte. Für diese Arbeiten wurde er 1995, zusammen mit Christiane Nüsslein-Volhard und Eric Wieschaus, mit dem Nobelpreis in Physiologie und Medizin geehrt.

Das Kolinearitätsprinzip

Homeotische Gene bei Fliege und Maus sind in gleicher Weise nach dem Kolinearitätsprinzip angeordnet. © Max-Planck-Gesellschaft
Die Forschung an den Bithorax-Genen führte Lewis zur Entdeckung des Kolinearitätsprinzips, das die Entwicklungsbiologie seither enorm beeinflusst hat. Nach diesem Prinzip besteht eine Kolinearität in Zeit und Raum zwischen der Anordnung der homeotischen Gene auf dem Chromosom und der Expression dieser Gene entlang der Körperachse vom Kopf zum Schwanz. Lewis zeigte auch, dass sich die genetischen Expressionsregionen (Domänen) überlappen: das erste Gen des Komplexes wird etwas früher aktiv als das zweite und so weiter. Die Spezialisierung der Körpersegmente von Drosophila und ihrer Gliedmaßen wird außer durch den Bithorax-Genkomplex durch einen weiteren Genkomplex gesteuert, der Antennapedia genannt wird. Mutationen dieser Gene können beispielsweise dazu führen, sich am Kopf anstelle der Antennen Beine ausbilden. Auch die Gene des Antennapedia-Komplexes sind auf demselben Chromosom kolinear angeordnet. Die größte Überraschung war, als weitere Forschungen zeigten, dass die homeotischen Gene der Fliege homolog den homeotischen Genen in anderen Tieren, einschließlich des Menschen, sind. Diese Befunde lösten geradezu eine Revolution in den Vorstellungen über die Evolution der Tiere und ihrer Organe aus und führten zur Entstehung einer neuen Wissenschaftsdisziplin: Evo-Devo.

Fünfzehn homeotische Gene aus 40.000 Mutationen

Fluoreszenzmikroskopische Markierung von drei homeotischen Genen eines Drosophila-Embryos im Blastoderm-Stadium: hairy: rot; krüppel: grün; giant: blau. Das Bild war 1993 von der Zeitschrift „Biotechniques“ preisgekrönt worden. © Stephen Paddock

Während Lewis die Prinzipien erforschte, nach denen die von ihm entdeckten homeotischen Gene in der Fliege wirksam sind, waren Christiane Nüsslein-Volhard und Eric F. Wieschaus damit beschäftigt, die Gene zu identifizieren, die in frisch befruchteten Eiern von Drosophila das Segmentierungsmuster der Fliege festlegen. Die beiden Forscher arbeiteten von 1978 bis 1981 als Forschungsgruppenleiter im gleichen winzigen Labor am Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium (EMBL) in Heidelberg zusammen. Bei der Verleihung des Nobelpreises bezeichneten sie diese drei Jahre als die stimulierendsten und produktivsten ihres Forscherlebens. Sie behandelten Drosophila-Weibchen mit Chemikalien, die Zufallsmutationen in der DNA auslösen, und suchten systematisch nach genetischen Schäden in der Nachkommenschaft. Unter etwa 40.000 Mutationen, die Nüsslein-Volhard und Wieschaus damals untersuchten, fanden sie fünfzehn Gene, die die frühe Embryonalentwicklung in Drosophila kontrollieren. Spätere Forschungen haben diese Zahl bis heute auf etwa 25 erhöht. Mutationen in diesen Genen führen zu Schädigungen und Fehlern in der Segmentierung.

Nach ihrer Wirkungsweise konnten diese homeotischen Gene in drei funktionelle Gruppen unterteilt werden:

1. „gap-genes", die den Körperbau im Groben entlang der Kopf-Schwanz-Achse festlegen. Der Verlust eines gap-Gens führt zu einer verringerten Zahl von Segmenten. Ein Beispiel ist das Gen „Krüppel";

2. „pair rule-genes", die die Bildung jedes zweiten Segments kontrollieren. Der Verlust beispielsweise des „even-skipped" (geradzahligen) Gens erlaubt nur ungeradzahlig nummerierten Segmenten, sich zu entwickeln;

3. „segment polarity-genes", die für jedes einzelne Segment die Polarität entsprechend der Kopf-Schwanz-Achse festlegen. Das Kopfende eines Segments ist also vom Schwanzende desselben Segments verschieden. Ein Beispiel eines solchen Gens ist „hedgehog".

Die drei Gentypen werden in drei aufeinanderfolgenden Wellen exprimiert, die bei Drosophila jeweils nur wenige Stunden dauern. Sie spiegeln eine zunehmende Verfeinerung des Entwicklungsprogramms der Fliege wider.

Nüsslein-Volhard und Wieschaus publizierten die wichtigsten Ergebnisse ihrer Untersuchungen am EMBL 1980 in der Zeitschrift „Nature". Der Artikel  zeigte enorme Wirkungen und gilt als ein Meilenstein in der Entwicklungsbiologie. Generationen von Nachwuchswissenschaftlern sind bis heute mit Untersuchungen dieser Gene beschäftigt.

Homeodomäne und Hox-Gene

Wenige Jahre nach dieser aufsehenerregenden Publikation entdeckten unabhängig voneinander Michael Levine und William McGinnis im Laboratorium von Walter Gehring am Biozentrum in Basel und Matthew Scott im Laboratorium von Thomas Kaufman an der Indiana University in Bloomington, USA, dass viele dieser homeotischen Gene eine DNA-Sequenz von 184 Basenpaaren gemeinsam hatten. Diese Sequenz wurde Homeobox genannt; sie kodiert eine 60 Aminosäuren lange Domäne in den entsprechenden Proteinen. Das sind vor allem Transkriptionsfaktoren. Man hat diese eine Homeodomäne tragenden Produkte homeotischer Gene (Hox-Gene) als Hox-Proteine bezeichnet. Aber es gibt auch Gene, die eine Homeobox haben und keine homeotischen Gene darstellen; sie kodieren beispielsweise für manche Adhäsionsproteine, Rezeptoren und Komponenten von Signalketten.

Unerwartet fanden die Forscher, dass eine fast identische Sequenz wie die Homeobox von Drosophila in praktisch allen vielzelligen Tieren gefunden, in denen man danach suchte – einschließlich des Menschen. Und in allen sind sie Bestandteile homeotischer Gene, die in Clustern auf den Chromosomen nach dem Kolinearitätsprinzip angeordnet sind. Bei Wirbeltieren gibt es vier solcher Cluster, zu denen etwa 40 Gene gehören, die wie bei der Fliege zeitlich und räumlich nacheinander exprimiert werden. Es besteht heute kein Zweifel, dass sie durch Genduplikationen, wie sie Calvin Bridges vor 80 Jahren postuliert hat, entstanden sind. Die überraschendsten Befunde ergaben sich, als man daran ging, die Basensequenzen der Hox-Gene in ähnlichen Positionen verschiedener Cluster desselben Tieren (zum Beispiel der Maus) mit denen in ähnlichen Positionen auf dem einzigen Cluster der Fliege zu vergleichen. Für jede einzelne Position sind die Gene von Maus und Fliege einander ähnlicher als es zwei Gene auf unterschiedlichen Clustern derselben Tierart sind.

Das bedeutet, dass die gleichen Typen von Genen die frühe Embryonalentwicklung von Fliege und Maus (oder Mensch) kontrollieren und in etwa die gleichen genetischen Kontrollmechanismen der Embryogenese in der Evolution erhalten geblieben sind – mindestens seit der Zeit des späten Präkambriums vor 650 Millionen Jahren, als sich die Stammeslinien von Insekten und Säugetieren trennten. Anlässlich der Nobelpreisverleihung in Stockholm zitierte Christiane Nüsslein-Volhard dazu Goethes „Metamorphose der Tiere“:

Alle Glieder bilden sich aus nach ew´gen Gesetzen,
Und die seltenste Form bewahrt im Geheimen das Urbild.

In weiteren Forschungen an der Maus wurde nachgewiesen, dass die Normalfunktion der Hox-Gene darin besteht, die embryonalen Zellen über ihre Position zu informieren. Je nachdem, welche der 40 Gene aktiv sind, weiß die Zelle, wie weit vom Kopf oder Schwanz entfernt sie lokalisiert sein soll. Wenn alle Gene in einer bestimmten Position aller vier Cluster inaktiviert werden, wird die betreffende Körperstruktur so umgewandelt, dass er wie eine andere Struktur aussieht. Es ist die exakte Entsprechung der homeotischen Transformation im Sinne von Bateson, wie sie bei der Fruchtfliege nachgewiesen worden war.

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Eine Base ist ein Bestandteil von Nukleinsäuren. Es gibt vier verschiedene Basen: Adenin, Guanin (Purinabkömmlinge), Cytosin und Thymin bzw. Uracil (Pyrimidinabkömmlinge). In der RNA ersetzt Uracil Thymin.
  • Die vier Basen liegen in der DNA-Doppelhelix immer als Paare vor. Aufgrund der chemischen Struktur ist eine Paarbildung nur zwischen A und T (DNA) bzw. A und U (RNA) sowie C und G möglich. A und T (U) sowie C und G werden deshalb auch als komplementär bezeichnet.
  • Chromosomen sind die unter dem Mikroskop sichtbaren Träger der Erbanlagen. Die Anzahl der im Zellkern vorhandenen Chromosomen ist artspezifisch. Beim Menschen sind es zweimal 23. Mit Ausnahme der Geschlechtschromosomen liegen Chromosomen in Körperzellen sowie in befruchteten Eizellen paarweise als sog. homologe Chromosomen vor. In den Keimzellen ist nach Abschluss der Reifungsteilungen nur ein einfacher Chromosomensatz vorhanden.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Mit dem Begriff Mutation wird jede Veränderung des Erbguts bezeichnet (z. B. Austausch einer Base; Umstellung einzelner DNA-Abschnitte, Einfügung zusätzlicher Basen, Verlust von Basen oder ganzen DNA-Abschnitten). Mutationen kommen ständig in der Natur vor (z. B. ausgelöst durch UV-Strahlen, natürliche Radioaktivität) und sind die Grundlage der Evolution.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Rezeptoren sind Moleküle, die u. a. auf Zelloberflächen anzutreffen sind und die in der Lage sind, ein genau definiertes Molekül – ihren Liganden – zu binden. Das Zusammentreffen von Ligand und Rezeptor kann eine Abfolge von Reaktionen innerhalb der Zelle auslösen.
  • Nukleotidsequenzen sind Abfolgen der Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin auf der DNA (bzw. Uracil statt Thymin bei RNA).
  • Transformation ist die natürliche Fähigkeit mancher Bakterienarten, freie DNA aus der Umgebung durch ihre Zellwand hindurch aufzunehmen. In der Gentechnik wird die Transformation häufig dazu benutzt, um rekombinante Plasmide, z. B. in E. coli, einzuschleusen. Hierbei handelt es sich um eine modifizierte Form der natürlichen Transformation.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Ein Transkriptionsfaktor ist ein Protein, dass die Herstellung einer RNA-Kopie eines Gens (Transkription) steuert. Transkriptionsfaktoren binden an bestimmte Sequenzen auf der DNA und interagieren mit der RNA-Polymerase, die dadurch ihre Transkriptionsaktivität verändert.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Thorax ist der medizinische Fachbegriff für den Brustkorb mit allen darin liegenden Organen (Lunge, Herz, Thymus,...).
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Adhäsion ist die Anhangskraft zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten, durch molekulare Wechselwirkung an den Grenzflächenschichten.
  • In einem Cluster arbeiten Unternehmen – die auch miteinander in Wettbewerb stehen können – mit weiteren Partnern aus Forschung, Wissenschaft und Verbänden in einem Wirtschaftsraum zielbezogen zusammen, um gemeinsam einen höheren Gesamtnutzen zu erzielen. Die Kombination von inhaltlicher und räumlicher Nähe der verschiedenen Akteure entlang der Wertschöpfungskette eröffnet die Möglichkeit, Innovationsprozesse zu implementieren.
  • Eine Proteindomäne ist ein konservierter, strukturell abgegrenzter Bereich innerhalb der Polypeptidkette eines Proteins, der eine bestimmte Faltstruktur aufweist und dadurch meist auch eine individuelle Funktion besitzt. Proteine besitzen häufig mehrerer solcher Domänen, die in ihrer Gesamtheit die spezifische Funktion des Proteins bestimmen.
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