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> Entwicklungsbiologie – Wie steuern Gene die Entwicklung eines komplexen Organismus? <
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Die Entwicklung eines vielzelligen Organismus aus einer einzelnen befruchteten Eizelle hat die Biologen schon früh fasziniert. Anfang dieses Jahrhunderts wurden einfache Versuche mit befruchteten Eizellen von Seeigeln durchgeführt. So hat man nach der ersten Zellteilung eine der beiden Zellen zerstört oder man hat die beiden Zellen separiert und untersucht, ob aus diesen Zellen halbe Seeigel entstehen oder ob sich trotzdem noch ein ganzer Seeigel daraus entwickelt.
Heute ist die Forschung viel weiter fortgeschritten: Man interessiert sich für das Schicksal der einzelnen Zellen und möchte wissen, warum in einem Fall eine Muskelzelle und in einem anderen Fall eine Hautzelle entsteht. Inzwischen versteht man, dass für die korrekte Entwicklung der Zellen und damit des ganzen Organismus eine Fähigkeit von entscheidender Bedeutung ist: Die Zellen müssen auf Signale aus ihrer Umgebung reagieren können. Signalstoffe, die von bestimmten Zellen ausgesandt werden, können anderen Zellen mitteilen, wann diese anfangen oder aufhören sollen, sich zu teilen oder zu differenzieren.
In den letzten Jahren ist es gelungen, Gene zu identifizieren, deren Proteine für die Zellkommunikation während der Entwicklung eines Lebewesens verantwortlich sind. Sie agieren nicht isoliert, sondern wirken in sogenannten "Signalwegen". Das bedeutet, dass mehrere Proteine daran beteiligt sind, ein Signal von einer Zelle zur nächsten zu übertragen und ein spezielles Differenzierungsprogramm in der Empfängerzelle auszulösen. Der Vergleich zwischen den Organismen zeigt, dass diese Gene während der Evolution stark konserviert wurden: Sie haben bei verschiedenen Organismen eine ähnliche Basensequenz, ebenso ist auch die biochemische Funktion der entsprechenden Proteine sehr ähnlich. Treten Mutationen in diesen Genen auf, kann dies gravierende Folgen für den Organismus haben. Eine solche Mutation kann zum Beispiel zu Krebs führen.
Eines der ersten identifizierten "Krebsgene" ist das "ras"-Gen. Während der Entwicklung eines Lebewesens wirkt das Produkt des ras-Gens als intrazellulärer Schalter innerhalb des sogenannten RAS-Signalwegs. Wird dieser Schalter aktiviert, so werden die Signale durch das Cytoplasma hindurch in den Zellkern weitergeleitet. Nach einiger Zeit schaltet sich Ras wieder aus, womit die Signalübertragung unterbrochen wird. Erst wenn dieses Gen aufgrund einer Mutation so verändert wird, dass es zur falschen Zeit oder ständig aktiv ist, kann es zu einer unkontrollierten Zellvermehrung und somit zu Krebs kommen. Das genaue Verständnis dieser Genfunktionen ist deshalb ein wichtiges Ziel der Entwicklungsbiologie. Man hofft so mehr über Krebs und andere genetische Defekte zu erfahren, um diese irgendwann heilen zu können.
Da Gene, deren Genprodukte an der Signalübertragung beteiligt sind, bei vielen Lebewesen sehr ähnlich sind, ist es nicht nötig, die Funktion dieser Gene direkt am Menschen zu untersuchen. Stattdessen verwendet man Modellorganismen, deren Entwicklung etwas weniger kompliziert ist und sich leicht im Labor verfolgen lässt. Solche Modellorganismen, wie zum Beispiel der Fadenwurm Caenorhabditis elegans, werden im Labor bestimmten Chemikalien behandelt, um Genschäden künstlich zu erzeugen. Aus den so behandelten Tieren werden diejenigen Mutanten herausgesucht, welche den gesuchten Gendefekt aufweisen. Durch das genaue Studium dieser Mutanten, hofft man Rückschlüsse auf die korrekte Funktion eines mutierten Gens ziehen zu können. Da viele verschiedene Gene zu unterschiedlichen Zeiten an der Entwicklung eines Organismus beteiligt sind, benötigt man sehr viele solcher Untersuchungen, welche jeweils einen kleinen Mosaikstein innerhalb eines grossen, komplizierten Prozesses liefern.
Ein solcher Versuch wird am Institut für Zoologie der Universität Zürich von Thomas Berset durchgeführt, welcher in regelmässigen Interviews darüber berichtet.
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Signalübertragung und Zelldifferenzierung
Mutanten von Drosophila und C. elegans helfen Signalwege aufzuklären, die für die Zelldifferenzierung wichtig sind. |
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