Von der Hefe teilen lernen
Forscher am Institut für Molekulare Pathologie in Wien identifizieren Zellteilungs-Proteine in Hefe und klären deren Funktion
Der erwachsene menschliche Körper besteht aus mehreren Billionen einzelner Zellen. Es gilt “Omnis cellula e cellula“, was soviel bedeutet wie: jede neue Zelle kann nur aus einer bereits existierenden Zelle, also durch Teilung, entstehen. Bei diesem Prozess, der in allen höheren Lebewesen weitgehend denselben Gesetzmäßigkeiten unterliegt, wird die Erbinformation zuerst exakt kopiert und anschließend weitergegeben. Die Zelle ist also mit einer logistischen Herausforderung konfrontiert – zwei intakte Chromosomensätze müssen auf die jeweils gegenüberliegende Seite des Zellkerns transportiert werden. Der Spindelapparat fungiert dabei als eine Art molekularer Motor, der alle Chromosomenbewegungen steuert. Das Kinetochor, ein komplexes Proteinnetzwerk, ist das Bindeglied zwischen der DNA und der Spindel.
Während Kinetochorproteine, die den direkten Kontakt zur Spindel herstellen, sich entwicklungsgeschichtlich kaum verändert haben, blieb die molekulare Verwandtschaft der Chromosomen-bindenden Komponenten aufgrund der völlig unterschiedlichen DNA-Sequenz von Hefe und Mensch lange im Dunkeln.
Hefe und Mensch enger verwandt als angenommen
Dass sich Mensch und Hefe evolutionär aber weit näher stehen als bisher gedacht, zeigt eine Studie, die in der Juni-Ausgabe der Zeitschrift Nature Cell Biology erscheint. Das Team rund um Gruppenleiter Stefan Westermann entdeckte den fehlenden “evolutionären Link“ und eröffnet damit einen detaillierten Einblick in den Aufbau und die Funktion dieses Zellteilungsorganells.
“Unser Ansatz, der schließlich erfolgreich war, konzentrierte sich nicht ausschließlich auf die Proteinsequenz. Wir suchten vielmehr nach speziellen Motiven, die den Proteinen ihre Gestalt und Funktion verleihen“, meint Stefan Westermann. “Auf diese Art konnten wir, gemeinsam mit unserem Bioinformatiker Alexander Schleiffer, gleich mehrere neue DNA-bindende Moleküle identifizieren und sie dem jeweiligen humanen Pendant zuordnen.“ Anschließende Experimente zeigten, dass nicht nur die Struktur sondern auch analoge Funktionen im Verlauf der Evolution erhalten geblieben sind. “Die Stärke von Hefe als Modellorganismus ist die einfache und rasche Handhabung. Erkenntnisse aus Experimenten mit Hefe lassen sich nun leichter auf höhere Organismen übertragen“, erklärt der Forscher. Bei Vielzellern wie dem Menschen ist die fehlerhafte Aufteilung von Chromosomen häufig Ursache unterschiedlicher Krebsformen.
Gemeinsam an einem (Chromosomen) – Strang ziehen
Eines der neu klassifizierten Proteine, Cnn1, hat sich im Laufe der Studie als besonders interessant herausgestellt. Es bindet direkt an das Kinetochormolekül Ndc80, welches den Kontakt mit dem Spindelapparat gewährleistet. Interessanterweise formt dieser Kontakt aber nicht primär die Andockstelle, sondern spielt erst dann unterstützend eine Rolle, wenn die Chromosomen in Richtung Spindelpol gezogen werden. “Es könnte sich bei dieser Interaktion um eine Art Sicherheitsmechanismus handeln. Dieser wird augenblicklich wirksam, wenn besonders starke Zugkräfte auf die Chromosomen wirken.“ vermutet Stefan Westermann.
Die Arbeit “CENP-T proteins are conserved centromere receptors of the Ndc80 complex” (Schleiffer et al.) erscheint am 6. Mai 2012 als advance online publication bei Nature Cell Biology (DOI 10.1038/ncb2493).
Illustration
Pressefotos zum unentgeltlichen Abdruck im Zusammenhang mit der Berichterstattung unter
http://www.imp.ac.at/pressefoto-kinetochor/ (Copyright: IMP)
Über das IMP:
Das Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie betreibt in Wien biomedizinische Grundlagenforschung. Hauptsponsor ist der internationale Unternehmensverband Boehringer Ingelheim. Mehr als 200 ForscherInnen aus über 30 Nationen widmen sich am IMP der Aufklärung grundlegender molekularer und zellulärer Vorgänge, um komplexe biologische Phänomene im Detail zu verstehen. Die bearbeiteten Themen umfassen die Gebiete der Zell- und Molekularbiologie, Neurobiologie, Krankheitsentstehung und Bioinformatik. Das IMP ist Gründungsmitglied des Campus Vienna Biocenter.
IMP – Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie Dr. Bohr-Gasse 7 A 1030 Wien www.imp.ac.at Dr. Heidemarie Hurtl IMP Communications Tel. +43 1 79730-3625 mobil: +43 (0)664 8247910 hurtl@imp.ac.at Wissenschaftlicher Kontakt Dr. Stefan Westermann westermann@imp.ac.at Newsarchiv
Jag den Wurm!
Caenorhabditis elegans – ein kleiner Fadenwurm steht weltweit im Dienst der Wissenschaft. In zahlreichen Labors studieren Forscher an dem Winzling elementare Lebensvorgänge wie etwa die Prozesse des Alterns. Am Wiener Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie (IMP) dient C.elegans als Modellorganismus zur Erforschung der Zellentwicklung, des Muskelaufbaus und der Sauerstoffwahrnehmung.
Obwohl der genügsame Bodenbewohner in gemäßigten Zonen weit verbreitet ist, wurde die Art in Wien noch nicht nachgewiesen. Anlässlich der Langen Nacht der Forschung 2012 ruft das IMP daher zur Jagd nach dem Wurm auf. Besucher des Standorts “Campus Vienna Biocenter“ können sich am IMP-Stand mit Wurm-Falle und Anleitung ausrüsten und ihren Fund anschließend zur Bestimmung einschicken. Sollte ein Neufund gelingen, kann der erfolgreiche Jäger sogar zum Namenspatron werden.
Wo: Campus Vienna Biocenter, Dr. Bohr-Gasse 3, 1030 Wien
Wann: 27. April 2012, 16.30 bis 23 Uhr
links: www.lnf2012.at, www.viennabiocenter.org, www.imp.ac.at
Unkonventionelle Modelle in der Forschung
Am 3. und 4. November 2011 findet am Wiener Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie das neunte Internationale VBC PhD-Symposium statt. Unter dem Titel “Think Alternative: Insights from Unconventional Model Organisms” stellen Biowissenschaftler neue und ungewöhnliche Modellorganismen vor.
Als Modellorganismen bezeichnen Forscher Tiere und Pflanzen, an denen sie zentrale Lebensvorgänge studieren, um die Erkenntnisse dann auf den menschlichen Organismus zu übertragen. Aus der Fülle der Arten hat es nur eine kleine Zahl zu Model-Ehren in der Wissenschaft gebracht. Schönheit ist dabei kein Kriterium, eher schon leichte Verfügbarkeit, genügsame Lebensweise, kurze Entwicklungszeiten – und möglichst auch ein durchsequenziertes Genom, also die genaue Kenntnis der Erbinformation. Ist ein Modellorganismus erst einmal gut bekannt und in zahlreichen Labors zu Hause, so steigert allein dies seine Beliebtheit bei den Forschern.
Doch gängige Modellorganismen sind nicht immer die idealen Forschungsobjekte für eine bestimmte Fragestellung. „Think Alternative“ möchte den Kreis erweitern und Arten vorstellen, die derzeit nur von wenigen Forschern genutzt werden. Achtzehn Wissenschaftler werden an zwei Tagen die Modellorganismen ihrer Wahl präsentieren und begründen, was sie für die Forschung interessant macht. Hier eine Auswahl:
John Bowman (Monash University, University of California Davis) etwa hat das Lebermoos Marchantia als Modellsystem in die Biologie eingeführt. Dieser ursprüngliche Organismus besitzt noch zahlreiche molekulare Gemeinsamkeiten mit wasserbewohnenden Grünalgen, den Vorläufern der Landpflanzen. Anhand dieses Modells möchte John Bowman einen der folgenreichsten Schritte in der Evolution rekonstruieren: den Übergang von Wasser- zu Landpflanzen und damit die Eroberung des Festlandes durch das Leben.
Ueli Grossniklaus leitet eine Arbeitsgruppe am Institut für Pflanzenbiologie der Universität Zürich. Neben der unvermeidlichen Ackerschmalwand dient ihm auch die Gauklerblume Mimulus als Forschungsobjekt. Eine Mimulus-Art, die er studiert, hat in Kalifornien innerhalb weniger Jahre einen spektakulären Entwicklungsschritt vollzogen. Aus großen, gelben Blüten, die von Insekten bestäubt werden, entstanden kleine, rote Blüten, deren Pollen von Kolibris übertragen wird. Diese Veränderung wird auf epigenetische Einflüsse zurückgeführt.
Elly Tanaka ist Professorin am Zentrum für Regenerative Therapien in Dresden (CRTD). Sie untersucht die Regenerationsfähigkeit von Geweben am Beispiel des Axolotl. Nach Verletzungen wachsen diesem Salamander Gliedmaßen, Schwanz, Rückenmark, Kiefer und sogar die Augen nach. Elly Tanaka konnte ihre Methodik so weit verfeinern, das sie einzelne Zellen bei der Regeneration beobachten kann. In einer viel beachteten Publikation wies sie 2009 nach, dass die Regeneration nicht, wie angenommen, von plutipotenten Stammzellen ausgeht, sondern von wesentlich spezialisierteren Zellen.
Ralf Sommer, Direktor der Abteilung für Evolutionsbiologie am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie (Tübingen), beschäftigt sich mit evolutionärer Entwicklungsbiologie. Dieser Zweig der Biologie, im Englischen salopp als „evo-devo“ bezeichnet, untersucht, wie Veränderungen in der Entwicklung von Organismen zu Änderungen der Gestalt und zum Erwerb neuer Funktionen führen. Neben dem gut untersuchten Fadenwurm Caenorhabditis elegans hat Sommer Pristionchus pacificus als Modellorganismus eingeführt, der wegen seiner engen Beziehung zu einer Mistkäfer-Art auch für ökologische Studien interessant ist.
Auch Nipam Patel (University of California, Berkeley, Howard Hughes Medical Institute) ist auf dem Gebiet der evolutionären Entwicklungsbiologie aktiv. Zu seinen Modellorganismen zählen Rinder, Hühner, Heuschrecken und Krebse. Gemeinsam mit vier weiteren Autoren verfasste er Evolution, ein beliebtes Lehrbuch und Standardwerk der Biologie, in dem zahlreiche Zweige der Evolutionsforschung zusammengeführt werden.
Das Symposium endet mit der Prämierung der besten Dissertationen am Campus Vienna Biocenter.
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Die Internationalen VBC PhD Symposien werden seit acht Jahren von den Doktoratsstudenten am Vienna Biocenter organisiert. Mit Unterstützung der Institute IMP, IMBA, GMI und MFPL bestreiten die Studenten sämtliche Vorbereitungen als Teil ihrer umfassenden Ausbildung.
“Think Alternative: Insights from Unconventional Model Organisms”
Ort: Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie, IMP Hörsaal, 4. Stock
Dr. Bohr-Gasse 7 1030 Wien
Zeit: 3. November 10.00 – 18.15 Uhr, 4. November, 10.00 – 17.30 Uhr
Vertreter der Medien sind herzlich zur Teilnehme am Symposium eingeladen. Vorträge und Diskussionen finden in englischer Sprache statt.
Wenn Sie uns besuchen möchten, freuen wir uns über eine kurze Rückmeldung. Sollten Sie an einem Interview interessiert sein, leiten wir Ihre Anfrage gerne weiter.
Weitere Informationen sowie das detailierte Programm finden Sie unter
http://www.vbc-phd-symposium.at/
Kontakt:
Dr. Heidemarie Hurtl
IMP-IMBA Communications
Tel. 79730-3625
mobil: 0664/8247910
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Was Daphne dem Menschen voraus hat
Der Wasserfloh besitzt erheblich mehr Gene als der Mensch und reagiert flexibel auf seine Umwelt
Das erste Krebstier, dessen Erbinformation entschlüsselt wurde, ist ein Floh, der keiner ist: der Wasserfloh. Bemerkenswerterweise besitzt sein kleines Genom um ein Drittel mehr Gene als der Mensch. Dies könnte seine große Anpassungsfähigkeit an Umweltveränderungen erklären und eine neue Disziplin „Umweltgenomik“ begründen. Ein Team von 450 Wissenschaftlern war an der Sequenzierung beteiligt, unter ihnen Daniel Gerlach, der derzeit am Wiener Institut für Molekulare Pathologie (IMP) forscht. Die Zeitschrift Science berichtet in ihrer Ausgabe vom 4. Februar.
Der Süßwasserkrebs Daphnia pulex, nur wenige Millimeter klein, ist ein wesentlicher Bestandteil der Nahrungskette in aquatischen Ökosystemen. Wegen seiner Besonderheiten im Körperbau und bei der Fortpflanzung wird der Wasserfloh seit langem erforscht.
Als Schutz vor Fraßfeinden bilden Daphnien an ihren Köpfen Strukturen aus, die an Dornenkronen erinnern. Sie reagieren damit auf chemische Signale, die von räuberischen Krebsen abgegeben werden. Die Vermehrung der Wasserflöhe erfolgt überwiegend ungeschlechtlich. Weibchen können bis zu 70 Jungferneier bilden, aus denen wiederum nur Weibchen hervorgehen. Unter ungünstigen Umweltbedingungen stellen sie jedoch auf sexuelle Fortpflanzung um.
Diese interessanten Aspekte der Ökologie und Stressbiologie veranlassten John Colburne (Indiana Universität Bloomington, USA), das Daphnia Genom-Konsortium zu gründen. Der Biologe Daniel Gerlach war während seiner Dissertation an der Universität Genf in ein Teilprojekt der Genom-Entschlüsselung eingebunden. Mit bioinformatischen Methoden konnte er einen Großteil der microRNA-Gene von Daphnia vorhersagen. Diese kurzen RNA-Gene enthalten selbst keine Protein-Baupläne sondern steuern die Aktivität anderer Gene. Gerlach setzt seine Forschungstätigkeit nun in der Arbeitsgruppe von Alexander Stark am IMP fort.
Das Projekt Daphnia Genom wurde mit der Erwartung gestartet, unter natürlichen Umweltbedingungen zahlreiche neue Genfunktionen zu entdecken. In ihrer abschließenden Arbeit warten die Forscher jedoch mit weit mehr Überraschungen auf: Im Erbgut des Wasserflohs wurden 31 000 Gene ausgemacht – Menschen besitzen nur etwa 23 000. Die hohe Zahl kommt zustande, weil sich Daphnien-Gene häufig verdoppeln. Die entstandenen Genkopien übernehmen rasch neue Funktionen. Auch bei anderen Organismen kommt es zu solchen Duplizierungen, doch die „Geburtenrate“ für neue Gene liegt bei Daphnia wesentlich höher, etwa 30 Prozent über der menschlichen.
Eine weitere Besonderheit: mehr als ein Drittel der Wasserfloh-Gene sind für die Forscher völlig neu. Sie wurden noch bei keinem anderen Lebewesen beschrieben und ihre Funktion ist weitgehend unbekannt. Vieles deutet darauf hin, dass diese Gene mit ökologischen Anpassungsmechanismen zusammenhängen und als Reaktion auf Umweltstress entstanden sind.
Eine Konsequenz aus dieser Entdeckung ist die Erkenntnis, dass biologische Modellorganismen, die unter konstanten Laborbedingungen gehalten werden, nicht die gesamte Palette ihrer Genfunktionen preisgeben. Eine neue Disziplin – Umweltgenomik – scheint vonnöten, und Daphnia könnte ihr ideales Studienobjekt sein.
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Die Arbeit “The Ecoresponsive Genome of Daphnia pulex” (John K. Colbourne et al.) erscheint am 4. Februar 2011 in der Zeitschrift Science.
Druckfähige Abbildungen von Daphnia stehen auf der IMP-Website unter http://www.imp.ac.at/pressefoto-daphne zum download bereit. Die Bilder sind unter Angabe des Urhebers zum unentgeltlichen Abdruck in Zusammenhang mit dieser Aussendung freigegeben.
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