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Fliege wieder auf dem Vormarsch?

Ein unscheinbares schwirrendes Insekt – das soll dem Menschen Modell stehen? Tatsächlich hat Drosophila melanogaster seit Anfang des 20. Jahrhunderts entscheidende Einblicke in unsere Genetik, Entwicklung und Neurobiologie ermöglicht. Prof. Dr. Karl-Friedrich Fischbach von der Universität Freiburg untersucht seit Jahrzehnten, wie sich das Gehirn der Schwarzbäuchigen Taufliege entwickelt und wie es funktioniert. Inwiefern können die Ergebnisse dieser Forschung etwas über unser eigenes Gehirn enthüllen? Das Beispiel einer von Fischbach und seinem Team entdeckten Molekül-Gruppe zeigt es.

Drosophila melanogaster © Andre Karwath aka Aka

Überraschend klingt es schon: Die kleine Taufliege Drosophila melanogaster soll helfen, das menschliche Gehirn zu verstehen. Kann dieses unbemannte Flugobjekt etwa komplexe Rechen-Aufgaben lösen? Kann es schreiben? Lesen? Kann es sprechen? „Benutzt man einen Modellorganismus, setzt man stillschweigend etwas voraus“, sagt Prof. Dr. Karl-Friedrich Fischbach von der Abteilung für Neurobiologie und Genetik am Institut für Biologie III der Universität Freiburg. „Und zwar, dass es in der Natur allgemeine Prinzipien gibt, die man von einfach gebauten Organismen auch auf komplexer gebaute Organismen inklusive des Menschen übertragen kann.“ Als ein sich sexuell fortpflanzendes Tierchen unterliegt die Taufliege zum Beispiel den Gesetzen der klassischen Genetik. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts half sie etwa dem Nobelpreisträger Thomas Hunt Morgan, die Vererbung von Eigenschaften auf die Nachkommen mit der Verteilung der Chromosomen in der Keimbahn in Verbindung zu bringen. Ein Prinzip, das auch beim Menschen regiert. Gibt es so eine allgemeine Ähnlichkeit auch zwischen dem menschlichen und dem Fliegengehirn?

Überraschende Parallelen

„Ja, die gibt es trotz aller anatomischer Unterschiede durchaus“, sagt Fischbach. „Zum Beispiel in den Gebieten, die das Sehen vermitteln. Diese weisen sowohl beim Menschen als auch bei der Fliege einen sogenannten visuotopen Aufbau auf.“ Neuronen, die vom Auge ausgehen und Informationen aus benachbarten Bereichen des Sehfeldes übermitteln, innervieren auch benachbarte Bereiche im optischen Areal. In beiden Gehirnen liegt also gewissermaßen eine Karte des Sehfeldes vor. Zudem sind sowohl beim Menschen als auch bei der Fliege einzelne Zellschichten funktional getrennt. Nervenzellen, die Vertikalbewegungen von Objekten kodieren, bilden ihre Synapsen in anderen Schichten aus als diejenigen, die Horizontalbewegungen melden. Diese höchst geordnete Verschaltung entsteht bei Drosophila bereits während der Entwicklung. Die Axone der Nervenzellen, die in den einzelnen „Teilaugen“ (den sogenannten Ommatidien) des Komplexauges sitzen, wandern aus und tasten sich durch mehrere Zellschichten des Gehirns an ihr Ziel. Auch diese Wachstums- und Zielfindungsvorgänge sind beim Menschen ähnlich. Fischbach und sein Team untersuchen unter anderem, wie die Fortsätze der Zellen ihren Bestimmungsort erkennen.

Ein Neuron in der sogenannten Lamina des optischen Areals im Fliegengehirn. Die Lamina ist säulenförmig aufgebaut, wobei in jeder Säule die visuelle Information eines Bildpunktes weitergeleitet und verarbeitet wird. © Prof. Dr. Karl-Friedrich Fischbach

Rund hunderttausend Individuen wuseln in den Glasbehältern des Fischbach-Labors. Die Stammsammlung enthält zweihundert verschiedene Genotypen, also Gruppen, die sich durch genetische Unterschiede von den anderen abgrenzen. Viele davon haben die Freiburger Forscher mit den Methoden der klassischen Genetik erzeugt, etwa durch Mutagenese mit UV-Licht. Einige haben sie aber auch molekulargenetisch manipuliert und sie so zu Transgenen gemacht, die fremde Bereiche in ihrem Erbgut tragen. „Drosophila zu untersuchen hat einige Vorteile“, sagt Fischbach. Weil das Insekt bis zu 200 Nachkommen pro Paar zeugen kann und sich innerhalb von zwei Wochen zum Erwachsenen entwickelt, lassen sich Transgene schneller herstellen als etwa im Falle der Maus. Das spart Zeit und damit Geld. Die Methode, fremde Gene einzuführen, ist inzwischen gut etabliert. Sie gehört zum Standardrepertoire eines jeden Drosophila-Labors. Fischbach betreibt mit mehreren Kollegen die Internetplattform flybrain.org, auf der Informationen zum anatomischen Aufbau des Fliegengehirns einzusehen sind. Außerdem gibt es weltweit diverse Datenbanken, in denen lebende Mutanten gehalten werden, bei denen untypische Merkmale beobachtet wurden. Diese sind oft Ausgangspunkt für die Forschung.

Eine universelle Molekülgruppe

Das innere Chiasma im Gehirn einer Taufliegen-Larve © www.flybrain.org

Vor mehr als zehn Jahren stießen Fischbach und sein Team bei einer solcher Mutante auf das Gen irregular Chiasm C (irreC). Ist dieses Gen kaputt, dann kommt es zu Fehlbildungen in Bereichen des optischen Areals im Fliegengehirn, die als äußeres und inneres Chiasma bezeichnet werden. Die Axone aus dem Auge finden ihre Ziele in tiefer liegenden Schichten des Gehirns nur noch über Umwege. Weitere Forschungen ergaben: Irre C hat eine Schwester, das Protein Kirre. Beide sitzen in der Membran von Axonendigungen, ragen in den extrazellulären Raum hinein und können definierte Proteine auf der Oberfläche von anderen Zellen binden. „Auf diese Weise erkennen die wachsenden Axone ihre Zielzellen“, sagt Fischbach. An den Membranen der Zielzellen haben die Wissenschaftler nach und nach auch die Proteinpartner gefunden, die von IrreC und Kirre gebunden werden. Die gesamte funktionelle Einheit haben sie das „irre cell recognition module“ (IRM) getauft. Die Moleküle sind allesamt Mitglieder der Immunglobulin-Familie. Somit ähneln sie den Antikörpern des Immunsystems, wie sie auch beim Menschen zu finden sind. Und das ist noch nicht einmal die einzige Ähnlichkeit.

Unabhängig von Fischbachs Arbeitsgruppe haben die Freiburger Mediziner Gerd Walz und Tobias Huber von der Sektion Nephrologie und Allgemeinmedizin der Medizinischen Uniklinik Freiburg entsprechende Moleküle auch in den Zellen der menschlichen Niere entdeckt. „Inzwischen wissen wir auch, dass sie im menschlichen Gehirn vorkommen“, sagt Fischbach. „Es ist wahrscheinlich, dass sie dort eine ähnliche Funktion erfüllen wie in der Taufliege.“ Für diese Annahme gibt es inzwischen auch erste experimentelle Hinweise. Fischbachs Doktorand Martin Helmstädter hat die Taufliegen genetisch so manipuliert, dass sie die menschlichen Varianten der IRM-Moleküle in den Zellen des Komplexauges bilden. Der Effekt war erstaunlich. „Die extrem geordnete Zusammensetzung des Komplexauges war durcheinander“, sagt Helmstädter. „Im Rasterelektronenmikroskop sehen diese Komplexaugen genauso aus wie Komplexaugen, in denen zu viel von den Drosophila-IRM-Molekülen gebildet wird.“ Das zeigt, dass die menschlichen und die Fliegen-Moleküle höchst wahrscheinlich eine ähnliche Aufgabe erfüllen. Mit diesem Grundlagenwissen lassen sich jetzt konkretere Experimente mit der Maus planen, die dem Menschen noch näher verwandt ist. So enthüllen die Wissenschaftler vielleicht noch mehr molekulare Details.

„Heute scheint die Taufliege eine echte Renaissance zu erleben“, sagt Fischbach. „Sowohl hier in Freiburg als auch auf der ganzen Welt gibt es wieder mehr und mehr Drosophila-Labore.“ Je mehr die Forschung in den Bereich der Molekularbiologie vordringt, desto wichtiger werden molekulargenetisch einfach handhabbare Modellorganismen. Und wenn wir etwas über uns selbst erfahren wollen, dann sind sie zumindest für die Grundlagenforschung weiterhin unverzichtbar.

Glossar

  • Antikörper sind körpereigene Proteine (Immunglobuline), die im Verlauf einer Immunantwort von den B-Lymphozyten gebildet werden. Sie erkennen in den Körper eingedrungene Fremdstoffe (z. B. Bakterien) und helfen im Rahmen einer umfassenden Immunantwort, diese zu bekämpfen.
  • 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.
  • 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.
  • Als Keimbahn bezeichnet man die Zellenfolge, die von der befruchteten Eizelle (Zygote) bis zu den Keimzellen des neuen Individuums führt.
  • Mit Mutagenese ist die Erzeugung von Mutationen gemeint, die u. a. durch UV-Licht oder andere Strahlung sowie zahlreiche Chemikalien ausgelöst werden.
  • 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.
  • Drosophila melanogaster ist eine Fruchtfliege, die häufig als Modellorganismus für Studien der Genetik und der Entwicklungsbiologie verwendet wird. Das Genom von Drosophila besteht aus vier Chromosomenpaaren und wurde im Jahr 2000 vollständig sequenziert.
  • Neuron ist der Fachausdruck für Nervenzelle. Diese besteht aus einem Zellkörper, einem Axon und Dendriten.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Das Immunsystem ist das körpereigene Abwehrsystem von Lebewesen, das Gefahren durch Krankheitserreger abwenden soll. Es schützt vor körperfremden Substanzen und vernichtet anormale (entartete) Körperzellen. Dies wird durch ein komplexes Zusammenspiel mehrerer Organe, Zelltypen und chemischer Moleküle vermittelt.
  • Synapsen sind die Kontaktstellen zwischen Nervenzellen untereinander bzw. Nervenzellen und anderen Zellen (z.B. Muskelzellen). In chemischen Synapsen wird ein ankommender elektrischer Impuls der Nervenzelle in ein chemisches Signal umgewandelt: Es werden sogenannte Neurotransmitter ausgeschüttet, die wiederum die Zielzelle zur Erzeugung eines elektrischen Impulses anregen.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Die Neurobiologie beschäftigt sich hauptsächlich mit den molekularen und zellbiologischen Strukturen und Funktionen des Nervensystems.
  • Das Axon ist der lange, faserartige Fortsatz einer Nervenzelle, der die Nervenimpulse vom Zellkörper zu den Endigungen (Synapsenendknöpfchen) der Nervenzelle weiterleitet.
  • Der Genotyp (Erbbild) repräsentiert die genetische Ausstattung eines Organismus.
  • Bei der Rasterelektronenmikroskopie wird die Wechselwirkung von Elektronen mit einer Probe zur Erzeugung eines Bildes mit hoher Schärfentiefe genutzt.
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