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Giorgos Pyrowolakis erkundet den Spielplatz der Evolution

Es ist ziemlich genial: Der Grundstatus einer Zelle in der Entwicklung erlaubt ihr, theoretisch alles Mögliche werden zu können. In Abhängigkeit bestimmter Signalmoleküle (Morphogene) und deren Konzentration schlagen diese Zellen jedoch unterschiedliche Schicksalswege ein und entwickeln sich beispielsweise bei Drosophila melanogaster zu einem Teil des Flügels, eines Beins oder einer Darmzelle. Der Entwicklungsbiologe Dr. Giorgos Pyrowolakis vom BIOSS (Centre for Biological Signalling Studies) der Universität Freiburg untersucht seit einigen Jahren mit großer Leidenschaft, wie aus nur einem Signal viele verschiedene Zellschicksale induziert werden können. Er stößt dabei immer wieder auf Überraschungen.

1971 in Athen geboren und auf Kreta aufgewachsen, kam der Sohn einer deutschen Mutter und eines griechischen Vaters mit 18 Jahren nach Mainz, um Biologie zu studieren. Noch heute hält Dr. Giorgos Pyrowolakis, inzwischen Entwicklungsbiologe an der Universität Freiburg und selbst Vater von zwei Kindern, diese Entscheidung in vielerlei Hinsicht für eine sehr gute. Seine Motivation, Biologie zu studieren, bezog sich schon immer vor allem auf die molekularen Vorgänge im Organismus: „Mich hat immer wahnsinnig interessiert, wie die chemischen Reaktionen funktionieren, die wir nicht sehen können“, erzählt Pyrowolakis, „und wie koordiniert wird, dass wir zwar aus einzelnen autonomen Zellen bestehen, aber gleichzeitig alles zusammen so schön harmoniert.“

Basiswissen von vielen Seiten

Dr. Giorgos Pyrowolakis beeinflusst Gradienten von Morphogenen. © Dr. Giorgos Pyrowolakis, Universität Freiburg

Das Hauptstudium verlegte der damalige Student nach Heidelberg und klärte in der mikrobiologischen Diplomarbeit die Existenz sowie die Topologie eines Lipoproteins in der Membran von Mykoplasmen auf. Auch die Doktorarbeit begann er in Heidelberg, zog dann jedoch mit seiner Arbeitsgruppe an das MPI für Biochemie nach München, wo er im Jahr 2000 promoviert wurde. Das Thema seiner Promotion war biochemischer Natur: der regulierte Proteinabbau im Ubiquitin-Proteasom-System, diesmal in Maus und Hefe. Bevor er zwei Jahre später als Postdoc ins Baseler Biozentrum wechselte, gab es noch eine Sache zu erledigen, den griechischen Militärdienst. „Das war obligatorisch und daran gab es keinen Weg vorbei“, erinnert sich der Forscher mit zwei Nationalitäten, „ich war dort zwar bei den Panzerbrigaden, habe aber als Sanitäter hauptsächlich arme Soldaten gegen alles Mögliche geimpft.“

Als Postdoc in Basel kam Pyrowolakis zum ersten Mal mit der Entwicklungsbiologie und der Fruchtfliege Drosophila melanogaster in Berührung. Hier forschte er an Signalen in Geweben, die als klassisches Beispiel für Morphogene im ganz frühen Embryo gelten, ein Forschungsfeld, das er seit 2006 in Freiburg fortsetzt. Bis dahin ist er nach eigenen Angaben durch viele biologische Disziplinen gegangen und eignete sich ein breitgefächertes Basiswissen an. „Es wird immer wichtiger, ein Problem von allen Seiten anzugehen, es reicht nicht mehr, dass man nur Genetik macht“, meint er, „man muss auch die Biochemie und die Zellbiologie dahinter verstehen, denn die Grenzen sind sowieso ein bisschen diffus.“ Heute ist eine seiner zentralen Fragen, wie bestimmte Signalmoleküle die Musterbildung, also die Morphogenese während der Entwicklung von Drosophila steuern und wie sie selbst reguliert sind.

Konzentrationsabhängige Organisation von Geweben

Morphogene sind in Geweben nicht gleichmäßig verteilt. Sie werden von einer lokalisierten Zelle gebildet und manifestieren sich durch Diffusion in verschiedenen Entfernungen von ihrer Quelle in unterschiedlichen Konzentrationen. Der dadurch entstandene Gradient hat die Eigenschaft, in dem Feld von verschiedenen Zellen, das er beeinflusst, konzentrationsabhängig unterschiedliche Reaktionen hervorzurufen, indem er jeweils andere Gruppen von Genen aktiviert. Die Reichweite eines Morphogens wird dabei oft als morphogenetisches Feld bezeichnet.

Dabei fragt sich Pyrowolakis, welche Mechanismen existieren, um einen solchen Gradienten überhaupt aufzubauen und seine charakteristische Form aufrechtzuerhalten. „Die Zelle, die näher an der Quelle ist, sieht mehr von dem Molekül und aktiviert ein anderes Set an Genen als die, die am Ende sitzt“, zeigt Pyrowolakis, „die Frage ist: Welche Möglichkeiten haben diese Zellen, das Signal differenziert zu interpretieren, und welche Sensoren haben sie, um die Konzentration zu messen?“ Die Antwort ist laut Pyrowolakis in den regulatorischen Regionen der Gene zu suchen.

Mikroskopische Darstellung der Flügel-Imaginalscheibe von Drosophila. Links: Quellen, die die Achsen des Gewebes organisieren (violett), sind in Streifen angelegt und produzieren die beiden Morphogene dpp (decapentaplegic) und wg (wingless), die zu beiden Seiten diffundieren. Mitte und rechts: resultierender Konzentrationsgradient von dpp (rot) sowie Konzentrationsgradient eines Transkriptionsfaktors, der die in der Fliege hinten liegenden Zellen markiert (grün). © Dr. Giorgos Pyrowolakis

Interessant ist auch, dass andere Faktoren die Verteilung und Wirkung des Morphogens beinflussen können. So kann auch der Rezeptor, der auf der Zelloberfläche sitzt und das Morphogen abfängt, asymmetrisch verteilt sein: Wenn Zellen, die am Anfang des morphogenetischen Felds lokalisiert sind, mehr Rezeptoren haben als die in der Mitte, fangen sie mehr von dem Liganden ab. Damit tragen sie auch maßgeblich zur Ausbildung des Gradienten bei. Hat eine Zelle übertrieben viel Rezeptoren, schafft es der Ligand nicht weit. „Es gibt eine Kohorte von Proteinen, die das reguliert, und diese Mechanismen aufzuspüren, das ist unsere Arbeit“, erzählt der Molekularbiologie begeistert.

Selbstverständlich muss der Prozess der Gradientenausbildung sowie der nachgeschalteten Signaltransduktion robust sein, er muss Schwankungen abpuffern können, die es in biologischen Systemen gibt. „Es kann mal ein Rezeptor mutieren oder Transcriptional Noise (Variabilität in der Genexpression, Anm. d. Autorin) auftreten, sei es durch Temperatur oder andere Umwelteinflüsse“, so Pyrowolakis. „Hat man dann als Konsequenz zum Beispiel einen flacheren Gradienten, dann würden alle Zellen das Gleiche machen, was für die Organentwicklung eine Katastrophe wäre.“

Begehrtes Modellsystem Drosophila

Verbinden Forschungsdisziplinen in Drosophila: die Mitarbeiter von Dr. Giorgos Pyrowolakis © Dr. Giorgos Pyrowolakis
Bei seinen Fragen nach Sensitivität und Präzision der Mechanismen in der Morphogenese hilft dem Wissenschaftler das kleine Tier, das mit seiner kurzen Generationszeit und seinen zahlreichen Nachkommen schon viele Entwicklungsgenetiker glücklich gemacht hat. „Die Stärke von Drosophila liegt darin, dass sie sich in großen Mengen züchten lässt, sich ihr Genom gut manipulieren lässt, und dass alles ziemlich komprimiert und somit einfacher abzulesen ist als bei höheren Tieren“, erklärt Pyrowolakis. Damit meint er, dass es bei der Fruchtfliege keine genetische Redundanz gibt, wie es bei Säugern häufig der Fall ist. Die Fliege hat nicht mehrere, sondern nur ein Gen oder Protein für eine Funktion. Das bedeutet, wenn man das Gen experimentell mutiert, gibt es kein anderes, das den Phänotyp maskieren kann oder den Schaden kompensieren kann, und so hat man in jedem Fall eine Ausprägung der Mutation. „Genetiker gehen systematisch vor“, sagt Pyrowolakis, „wenn man verstehen will, wie ein Auto funktioniert, baut man ein Teil nach dem anderen aus und schaut, was passiert.“ Im Prinzip machen es die Genetiker ebenso, um Drosphila zu verstehen. So gibt es eine Sammlung an Mutanten mit unterschiedlichem Schweregrad und ähnlichen Konsequenzen wie beim Auto. Nimmt man einen Reifen weg, so hat dies ganz andere Auswirkungen auf die Fahrleistung als ein fehlender Scheibenwischer. Knockt man bei der Fruchtfliege das Gen dpp (decapentaplegic, „Fünfzehneffekt“) aus, so kann der Embryo die fünfzehn Imaginalscheiben nicht ausbilden, die er für die Organentwicklung benötigt und geht ein. Andere Mutationen dieses Gens bewirken hingegen, dass die Fliege eine Imaginalscheibe und das resultierende Organ eventuell doppelt ausbildet.

Der wichtigste Schlüsselmoment in der Karriere von Giorgos Pyrowolakis war der, als er in Basel und Freiburg seine Nische gefunden hatte und wusste, was er die nächsten Jahre machen will. „Was mir vorher immer fehlte, war die Verbindung zu den Phänotypen“, weiß er heute, „der Frage nachzugehen, was ein Protein oder eine Proteininteraktion im gesamten Organismus ausmacht.“ Er empfindet die Evolution als einen Spielplatz, auf dem die Natur ausprobiert und rumspielt. „Wenn man ein komplexes System beliebig verändern kann, dann erst weiß man, wie es funktioniert, und dann wird man auch die Wege der Evolution verstehen“, meint er.

Glossar

  • 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.
  • 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.
  • Genexpression ist der Begriff für 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.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Liganden sind häufig relativ kleine Moleküle, die genau in die Bindungstasche von Rezeptoren passen. So wie nur ein ganz bestimmter Schlüssel in ein Schloss passt, können nur genau definierte Liganden mit ihren jeweiligen Rezeptoren in Wechselwirkung treten.
  • 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.
  • Der Phänotyp beinhaltet alle sichtbaren Eigenschaften eines Organismus. Er wird vom Genotyp (der genetischen Ausstattung) und der Umwelt bestimmt.
  • 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.
  • Transduktion hat im biologischen Kontext zwei Bedeutungen: 1) Bei der Signaltransduktion wird ein äußerer Reiz (z.B. Licht) in ein physiologisches Signal (Nervenimpuls) umgewandelt und zum Gehirn weitergeleitet. Zum anderen wird aber auch die Vermittlung eines Signals in eine Zelle (z.B. Hormonwirkung) als Signaltransduktion bezeichnet. 2) In der Genetik ist mit dem Begriff Transduktion die Übertragung von DNA durch Viren von einem Bakterium auf das andere gemeint. Dieser natürlichen Vorgang wird auch in der Gentechnik angewandt.
  • 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.
  • 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.
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • 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.
  • 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.
  • Die Zelldifferenzierung bezeichnet die Spezialisierung von Zellen in Bezug auf ihre Funktion und ihre Struktur. So entstehen aus undifferenzierte Stammzellen verschiedene Zelltypen wie Herzmuskel-, Nerven- oder Leberzellen, die ganz unterschiedlich ausssehen und verschiedene Aufgaben erfüllen.
  • Die Zytologie oder auch Zellbiologie ist eine Disziplin der Biowissenschaften, in der mit Hilfe mikroskopischer und molekularbiologischer Methoden die Zelle erforscht wird, um biologische Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen und aufzuklären.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
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