Karl-Friedrich Fischbach

Institut für Biologie III

Schänzlestr.1

79104 Freiburg i. Brsg.

E-Mail: kff@uni-freiburg.deWWW: http://filab.biologie.uni-freiburg.de

Gene und GehirnLehrerfortbildung 12.10.2001 Freiburg i. Brsg.

http://www.zum.de/lehrerfortbildung/neuro

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Viele Gene sind im Tierreich hoch konserviertViele Gene sind im Tierreich hoch konserviert

Schimpanse und Mensch haben mehr als 99% ihrer Gene gemeinsam.Bild aus Gould&Gould “Bewusstsein bei Tieren”, Spektrum Akademischer Verlag, 1994

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Frühe Entwicklungsstadien unterstreichen die nahe Frühe Entwicklungsstadien unterstreichen die nahe Verwandtschaft des Menschen zum TierVerwandtschaft des Menschen zum Tier

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Ein wichtiges Ergebnis der Genomprojekteist, dass der Mensch nur etwa 2-3 mal sovielGene hat wie eine Fliege oder ein Wurm.

Fast zu jedem Gen einer Fliege gibt es einoder mehrere homologe Gene im Menschen.

Daraus folgt: Die Fliege ist ein ideales Modell-system für die Untersuchung der Genwirkungenbei Gehirnentwicklung und Verhalten

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Neurogenetischer AnsatzNeurogenetischer Ansatz

wt Genom Gehirn Verhalten

mut. Genom Gehirn Verhalten

Wissen um Entwicklungsprozesse

Wissen um Gehirnfunktionen

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Am Fliegengehirns lassen sich grundlegende molekulare Am Fliegengehirns lassen sich grundlegende molekulare Entwicklungsmechanismen studieren. Zudem ist das Gehirn Entwicklungsmechanismen studieren. Zudem ist das Gehirn

hinreichend komplex um vielfältiges Verhalten zu ermöglichenhinreichend komplex um vielfältiges Verhalten zu ermöglichen

http://flybrain.uni-freiburg.de/Flybrain/html/contrib/1997/sun97a/movie/adxs00.mpg

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Die Expression konservierter Gene für TranskriptionsfaktorenDie Expression konservierter Gene für Transkriptionsfaktorenuntergliedert die Längsachse des NSuntergliedert die Längsachse des NS

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Die otd/OTX2 Gene sind Kausalfaktoren beim Bau des VorderhirnsDie otd/OTX2 Gene sind Kausalfaktoren beim Bau des VorderhirnsFliegen-otd und Menschen-OTX2 sind funktionell konserviert.Fliegen-otd und Menschen-OTX2 sind funktionell konserviert.

http://www.unibas.ch/dib/zoologie/research/neuro.html

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Die otd/OTX2 Gene sind Transkriptionsfaktoren, die den Ort festlegen, Die otd/OTX2 Gene sind Transkriptionsfaktoren, die den Ort festlegen, an denen das Entwicklungsprogramm „Vorderhirn“ ablaufen soll. Die an denen das Entwicklungsprogramm „Vorderhirn“ ablaufen soll. Die Funktion der Gene ist konserviert.Funktion der Gene ist konserviert.

Dieses und andere Ergebnisse sind Indizien dafür, dass die Dieses und andere Ergebnisse sind Indizien dafür, dass die gemeinsamen Vorfahren von Fliege und Mensch bereits ein bilateral gemeinsamen Vorfahren von Fliege und Mensch bereits ein bilateral symmetrisches Nervensystem und ein Gehirn besaßen.symmetrisches Nervensystem und ein Gehirn besaßen.

Einmal „erfunden“, wurden diese grundlegenden Genfunktionen kaum Einmal „erfunden“, wurden diese grundlegenden Genfunktionen kaum noch modifiziert.noch modifiziert.

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Wie wird ein Gehirn verdrahtet?Wie wird ein Gehirn verdrahtet?

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Nervenzellen sind über lange Fortsätze Nervenzellen sind über lange Fortsätze miteinander spezifisch verknüpft.miteinander spezifisch verknüpft.

Wie finden sie zueinander?Wie finden sie zueinander?

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http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm

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Mechanismen der WegfindungMechanismen der Wegfindung

Kontaktführung

Chemotaxis

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Wachstumskegel bei Kontaktführung

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Wie findet man Gene mit Bedeutung für Axonales Wegfindung?

Durch die Isolierung von Defektmutanten!

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Optischer Lobus vonOptischer Lobus vonWildtype (A) und Wildtype (A) und rstrst Mutante (B) Mutante (B)

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Zwei nahverwandte Zelladhäsionsmoleküle(den neuronalen Phänotyp verursacht das Fehlen des Rst-Protein)

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Das Rst-Protein (rot) istnur auf einer Subpopulationder Nervenzellen während derEntwicklung des Sehsystemsexprimiert .

Optische Anlage in der Fliegenlarve

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Eliminierung der Eliminierung der rstrst vermittelten Positionsinformation vermittelten Positionsinformation durch globale Überexpressiondurch globale Überexpression

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Phänokopie des mutanten Phänokopie des mutanten rstrst Phänotyps (kein Protein) Phänotyps (kein Protein)durch Überexpression des durch Überexpression des rstrst-Gens (zuviel Protein): -Gens (zuviel Protein):

das Rst-Protein vermittelt Positionsinformationdas Rst-Protein vermittelt Positionsinformation

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Das Rst-Protein ist an der axonalen Wegfindung beteiligt und aufden Wachstumskegeln und Axonen einiger junger Neurone exprimiert.

Fehlen des Proteins (Nullmutante) und experimentelleÜberexpression auf allen Neuronen (Transformante)haben das gleiche Ergebnis: Fehlgeleitete Nervenfasern.

Zusammenfassung „rst-Gen“

Das rst-Gen kodiert für ein immunglobulinähnlichesTransmembranprotein

Damit ist das Rst-Protein ein Beispiel für ein neuronales Erkennungsmolekül

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Transmembranproteine verleihen den Neuronen „Tastsinn“ und setzen zugleich Oberflächenmarkierungen

Neurone unterscheiden sich an ihren Oberflächen und ertasten die ihnen liebsten Partner

Zusammenfassung „Entwicklung“

Konservierte Transkriptionsfaktoren legen die Längsachsedes Nervensystems bei Insekten und Wirbeltieren fest

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Genmutationen beeinflussen sexuelle Präferenz

Teil II: Gene und Verhalten

Beispiele:

Genmutationen beinflussen Lernverhalten

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Sexualverhalten bei Drosophila

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WT-Verhaltendsf-Verhalten

(dissatisfaction)

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Welche Rolle spielt das Gehirn beim Sexualverhalten?

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Gynander sind halb männlich, halb weiblich,die m/w-Gewebegrenzen verlaufen zufällig.

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Auch das fruitless Gen ist für die Ausprägung des Sexualverhaltens wichtig.Seine Expression im ZNS markiert Neurone mit Bedeutung für das Sexual-

verhalten von Drosophila. Es kodiert für einen Transkriptionsfaktor.

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Genmutationen beeinflussen sexuelle Präferenz

Teil II: Gene und Verhalten

Beispiele:

Genmutationen beinflussen Lernverhalten

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Teil II: Gene und Verhalten

Zusammenfassung:

Genmutationen beeinflussen Verhalten.

Gehirne verändern sich aber auch durch Erfahrung(lebenslange Entwicklung)

Lernvermögen ist ein „angeborener“ Instinkt von Nervensystemen

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Zusätzliche QuellenZusätzliche Quellen

Drosophila Nervensystem– http://www.flybrain.org– http://pogo.biologie.uni-freiburg.de/3d/cd/

Neurogenetik

– http://www.zum.de/neurogenetik/