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Biologie


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Zoologie - Entwicklungsbiologie

Prof. Dr. rer. nat. Achim Paululat

Prof. Dr. rer. nat. Achim Paululat

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Fehlbildungen des Herzens und der großen Gefäße sind die häufigsten angeborenen Entwicklungsdefekte, die beim Menschen auftreten. So kommen zirka 8 von 1000 Kindern mit einem Herzfehler zur Welt. Die Fehlbildungen manifestieren sich bereits früh in der Embryonalentwicklung, da sich das Herz als eines der ersten lebenswichtigen Organe bildet. Funktioniert es normal, so versorgt es über ein zirka 100.000 km langes Netzwerk aus Blutgefäßen alle Gewebe unseres Körpers.

In der AG Zoologie-Entwicklungsbiologie erforschen wir am genetisch und molekularbiologisch gut zugänglichen Modellorganismus Drosophila melanogaster, der Fruchtfliege, den Bau, die Funktion und die Entwicklung des Herzens. Unsere Erkenntnisse sollen dazu beitragen, grundlegende Mechanismen der Herzbildung und Herzfunktion besser verstehen zu lernen.

Höhere Organismen, wie beispielsweise Frösche, Vögel oder Säugetiere, besitzen wie der Mensch ein in sich geschlossenes Kreislaufsystem, bei dem das Herz das Blut durch ein weit verzweigtes Netz von Blutgefäßen pumpt und so alle Organe im Körper versorgt. In Ruhe werden von einem gesunden Herzen etwa 5 Liter Blut pro Minute gepumpt. Viele Invertebraten, etwa Insekten und Krebse, besitzen hingegen ein offenes Kreislaufsystem, bei dem das „Blut“, bei Insekten spricht man von Hämolymphe, vom Herzen durch die Kontraktion der Herzzellen durch die gesamte Körperhöhle gepumpt wird.

Bemerkenswerterweise ähneln sich viele der molekularen Prozesse, die während der Embryogenese für die Bildung eines funktionsfähigen Herzens in Insekten oder dem Menschen wichtig sind, stark. Selbst typische Alterungsprozesse, die beim Menschen die Funktionsfähigkeit des Herzens mit zunehmendem Lebensalter beeinträchtigen, sind bei Insekten gefunden worden.

Abbildung 1 zeigt einen Drosophila-Embryo, bei dem mit Hilfe der Laser-Scanning-Mikroskopie mehrere Organsysteme sichtbar gemacht wurden. Das mit Hilfe von Antikörpern blau markierte Nervensystem erstreckt sich entlang der Bauchseite des Tieres. Die rot gefärbte Muskulatur dient der Fortbewegung der Larve. Das grün leuchtende Herz ist für die Zirkulation der Körperflüssigkeit verantwortlich. Das Kreislaufsystem der Insekten besteht im Wesentlichen aus einem einfach aufgebauten Herzrohr.

In unserer Arbeitsgruppe untersuchen wir daher an der Fruchtfliege Drosophila melanogaster wie ein Herz konstruiert ist, wie es funktioniert und welche Gene für die Herzbildung wichtig sind, da uns hier eine erstaunliche Vielzahl an experimentellen Möglichkeiten zu Verfügung steht. Für unsere Untersuchungen im Labor nutzen wir neben molekularbiologischen und genetischen Arbeitstechniken auch hochmoderne bildgebende Verfahren, die es uns erlauben, die Entstehung des Herzens und dessen Funktion im lebenden Tier ohne operative Eingriffe direkt verfolgen zu können.

Unser besonderes Augenmerk gilt sowohl jenen Prozessen, die auf der Ebene einzelner Herzzellen ablaufen, als auch denjenen, die dafür sorgen, daß Zellen miteinander kommunizieren und untereinander Netzwerke bilden. So untersuchen wir Drosophila-Mutanten, bei denen der "Klebstoff" zwischen Zellen im Herz fehlerhaft verarbeitet wird. Aus diesen Analysen wollen wir lernen, wie Zellverbindungen in Organsystemen hergestellt werden. 

Abbildung 2 Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie lassen sich Zellen sehr genau untersuchen. Die Abbildung zeigt einen Querschnitt durch das Drosophila-Herz. Es wird deutlich, dass jeweils zwei Herzzellen durch ihre besondere Form ein Lumen bilden, durch das das Blut hindurch strömen kann. Auf der linken Seite ist eine Herzmuskelzelle (Kardiomyocyte) grün unterlegt. Das Herz wird von Perikardzellen begleitet, die hier gelb eingefärbt wurden.

Weitere Projekte befassen sich mit den Bildungsleistungen der Herzzellen. Während der Embryogenese nehmen Herzzellen eine bestimmte Form an, die zur Bildung eines inneren Lumens führt. Durch dieses Rohr wird später das „Blut“ gepumpt. Dazu sind bestimmte in Mikrokompartimenten lokalisierte Membranproteine notwendig, die ein Verschließen des Herzlumens verhindern.

Andere Zellen des Herzrohrs hingegen nehmen eine gänzlich andere Gestalt an und bilden Herzklappen, die einen Rückfluß des „Blutes“ verhindern. Wir erforschen derzeit, welche molekularen Mechanismen der Differenzierung solcher Spezialisierungen zugrunde liegen. Eine besondere Gruppe von Proteinen, die an Zelloberflächen katalytische Funktionen übernehmen, steht dabei im Mittelpunkt des Interesses.

Ein weiteres aktuelles Forschungsprojekt beschäftigt sich mit der Entstehung und Funktion von speziellen Kreislauforganen, die ausschließlich der Bildung und Versorgung von Insektenflügeln dienen. Ohne diese „Extraherzen“ können Fliegen nicht fliegen, da ihre Flügel funktionslos sind. Aus evolutionsbiologischer Sicht sind solche Flügelherzen von großer Bedeutung, da sie den Erfolg der flugfähigen Insekten erst ermöglichten.

Abbildung 3 Die Erforschung von Mutanten, also Tieren mit genetischen Defekten, spielt bei unseren Untersuchungen eine sehr wichtige Rolle. Das Bild oben links zeigt Ausschnitte aus dem Herzen eines normalen und eines fehlentwickelten Drosophila- Embryos. Die aufgetretene Mutation führt zu einem lückenhaften Aufbau wichtiger Herzstrukturen. Aus der Analyse solcher Mutanten lernen wir, welche molekularen Prozesse für die Bildung eines funktionsfähigen Herzens wichtig sind. Mit Hilfe von gentechnischen Methoden werden Proteine gezielt verändert um so ihre Funktion im lebenden Tier zu studieren (oben rechts). Häufig müssen Proteine gereinigt und isoliert werden. Arbeiten mit in Kultur gezüchteten Zellen werden daher immer bedeutsamer. Das Bild unten links zeigt eine Insektenzelle in Kultur, bei der verschiedene künstlich eingebrachte Proteine in unterschiedlichen Farben sichtbar gemacht wurden. Ergänzend sind biochemische Untersuchungen notwendig, bei denen bspw. mit Hilfe von Antikörperbasierten-Techniken erforscht wird, ob wichtige Komponenten der Zelle normal gebildet werden. Die Abbildung unten rechts zeigt eine solche Analyse. Im mutanten Tier ist deutlich zu sehen, dass ein wichtiges Protein fehlt.

Literaturauswahl

  • Albrecht, S., Altenhain, B., and Paululat, A. (2011) The transmembrane receptor Unc5 is essential for cardiac tube alignment and lumen formation in Drosophila. Developmental Biology (in press)
  • Meyer, H., von Ohlen, T. , Panz, M. and Paululat, A. (2010) The disintegrin and metalloprotease Meltrin from Drosophila forms oligomers via its protein binding domain and is regulated by the homeobox protein VND during embryonic development. Insect Biochemistry and Molecular Biology 40 (11): 814-823.9.
  • Meyer, H. Panz, M., Zmojdzian, M., Jagla, K. and Paululat, A. (2009) Neprilysin 4, a novel endopeptidase from Drosophila melanogaster displays distinct substrate specificities and exceptional solubility states. Journal of Experimental Biology 212: 3673-3683.
  • Sellin, J., Drechsler, M., Nguyen, H. and Paululat, A. (2009) Antagonistic function of Lmd and Zfh1 fine tunes cell fate descisions in the Twi and Tin positive mesoderm of Drosophila melanogaster. Developmental Biology 326: 444-455.
  • Tögel, M., Pass, G. and Paululat, A. (2008) The Drosophila wing hearts originate from pericardial cells and are essential for wing maturation. Developmental Biology 318: 29-37.
  • Johnson, A.N., Burnett, L.A., Sellin, J., Paululat, A., Newfeld, S.J. (2007) Defective Dpp signaling results in heart overgrowth and reduced cardiac output in Drosophila. Genetics 176:1609-1624.

Zoologie - Morphologie, Evolution und Phylogenie

apl. Prof. Dr. rer. nat. Günter Purschke

apl. Prof. Dr. rer. nat. Günter Purschke

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Die zentrale Fragestellung der systematischen Zoologie ist die Erforschung der Evolution und Stammesgeschichte (Phylogenie) der vielzelligen Tiere und ihrer Organsysteme. Die Beschreibung der Vielfalt der Arten, ihrer inneren und äußeren Strukturen sowie ihrer Bio- logie ist ein wesentliches Aufgabengebiet, die Einordnung der Arten gemäß ihrer Verwandt- schaften sowie die Rekonstruktion ihrer Entstehung ein weiteres. Wie kommt es trotz vieler grundsätzlicher Gemeinsamkeiten in zahlreichen biochemischen und genetischen Prozessen dennoch zu einer derart großen Vielfalt? So besitzen beispielsweise die ursprünglichsten Metazoa nur 4 Zelltypen, Säugetiere dagegen mehr als 400. Die Zahl der für Proteine ko- dierenden Gene differiert im Vergleich jedoch nur wenig.

Schwerpunkte der eigenen Untersuchungen liegen auf den Ringelwürmern, Annelida, und den wahrscheinlich mit ihnen verwandten höheren Taxa innerhalb der so genannten Lophotrochozoa. Durch ihre große Diversität und ihr hohes phylogenetisches Alter sind die Anneliden sehr gut geeignet, an ihnen neben speziellen Fragestellungen auch allgemeine Probleme zur Evolution, Systematik, Phylogenie und Funktionsmorphologie zu untersuchen. Neben konventionellen Techniken werden moderne Methoden der Lichtmikroskopie (konfokale Laserscanningmikroskopie) ebenso eingesetzt wie die Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, daneben auch molekulare Methoden.

Untersucht werden unter anderem Evolution und Diversität von Augen und Photorezeptorzellen, Nervensystem und Hautmuskelschlauch sowie die Tiefenphylogenie und Artbildungsprozesse (siehe Abbildung 1A-D unten). So besitzen beispielsweise die meisten Arten mehr als einen morphologisch distinkten Augentyp, mehrere verschiedene Photorezeptorzellen und unterschiedliche Sehpigmente, die jeweils eine unterschiedliche Evolutionsgeschichte aufweisen und dementsprechend auch phylogenetische Signale tragen: Innerhalb der Anneliden ist ein bei Tieren einmaliger Photorezeptorzellentyp entstanden, dessen Evolutionsgeschichte nachgezeichnet werden konnte. Derartige Lichtsinneszellen, die als Phaosome bezeichnet werden, gibt es nur bei Gürtelwürmern, zu denen auch die bekannten Regenwürmer gehören. Primär kommen diese Zellen nicht in Augen vor: Augen sind in dieser Teilgruppe offensichtlich zweimal unabhängig entstanden.

Abbildung 1A Whole-mount-in-situ-hybridisation zum Nachweis der Expression eines Sehfarbstoffes (Pfeilköpfe) in Photorezeptorzellen bei einem Egel (Helobdella robusta). Abbildung 1B Gehirn (g) mit zahlreichen abgehenden Nerven eines Polychaeten (Scoloplos armiger) im konfokalen Laserscanningmikroskop, markiert mit einem Antikörper gegen acetyliertes alpha-Tubulin, Tiefenkodierung erlaubt räumliche Zuordnung. no Nuchalorgan, ein chemisches Sinnesorgan, Pfeilköpfe zeigen auf isolierte Photorezeptorzellen. Abbildung 1C Markierte Sinneszelle aus B im Transmissionselektronenmikroskop (TEM), ci Cilien. Abbildung 1D Kleines Auge desselben Polychaeten im TEM mit Pigment- und Sinneszellen (pc, sc).

Literaturauswahl

  • Dordel, J., Fisse, F., Purschke, G. and Struck, T.H. (2010) Phylogenetic position of Sipuncula derived from multigene and phylogenomic data and its implication for the evolution of segmentation. J. zool. Syst. Evol. Res. 48: 197-207.
  • Arendt, D., Hausen, H. and Purschke, G. (2009) The »division of labour« model of eye evolution. Phil. Trans. R. Soc. B 364: 2809 - 2817.
  • Suschenko, D. and Purschke, G. (2009) Ultrastructure of pigmented adult eyes in errant polychaetes (Annelida) – implications for annelid evolution. Zoomorphology 128: 75-96.
  • Purschke, G. and Hausen, H. (2007) Lateral organs in sedentary polychaetes (Annelida) – Ultrastructure and phylogenetic signi- ficance of an insufficiently known sense organ. Acta Zool. (Stockh.) 88: 23-39.
  • Purschke, G., Arendt, D., Hausen, H. and Müller, M. C. M. (2006) Photoreceptor cells and eyes in Annelida. In: Harzsch, S., Melzer, R. (eds.) Origin and evolution of arthropod visual systems. Arthr. Struct. Dev. 35: 211-230.
  • Bartolomaeus, T. and Purschke, G. (2005; eds.) Morphology, Molecules, Evolution and Phylogeny in Polychaeta and related Taxa. Hydrobiologia 535/536: 1-387.