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Die Evolution von AAA ATPase-Nanomaschinen zur Regulierung des Proteinabbaus

2013, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Martin, Jörg; Lupas, Andrei N.

Als zentrale Bausteine des Lebens erfüllen Proteine viele Funktionen als Enzyme oder Strukturelemente von Zellen und Geweben. Nicht nur ihre Synthese, auch ihr Abbau muss genau reguliert werden. Netzwerke ringförmiger AAA ATPasen, die energieabhängig Proteine entfalten können, kooperieren dabei mit zylindrischen Enzymkomplexen, den Proteasomen, in deren Innerem die entfalteten Proteine zerlegt werden. Biochemische, informatische und strukturelle Methoden erlauben ein Verständnis dieser Vorgänge auf molekularer Ebene und geben Einblicke in die Evolution komplexer Protein-Nanomaschinen.

Einblicke in die mRNA-abbauende Maschinerie der Zelle

2013, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Sprangers, Remco

Jede Zelle enthält Tausende unterschiedlicher Proteine, von denen jedes eine bestimmte Aufgabe erfüllt. Um sicherzustellen, dass zu jedem Zeitpunkt die richtige Menge eines jeden Proteins produziert wird, reguliert eine Zelle die Expression ihrer Gene sehr genau. Die genetische Information wird dabei über Boten-RNA (mRNA) an den Ort der Proteinherstellung übermittelt. Die Arbeitsgruppe untersucht diejenige Maschinerie, die die mRNA-Moleküle wieder abbaut - denn sie bietet der Zelle Ansatzpunkte, um die Produktion von Proteinen, die sie nicht länger benötigt, zu beenden.

Neurobiologie des marinen Zooplanktons

2012, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Jékely, Gáspár

Die Ozeane der Erde wimmeln von mikroskopisch kleinen Tieren – Myriaden winziger schwimmender Kreaturen, die durch das Wasser wirbeln und in ihrer Gesamtheit als Zooplankton bezeichnet werden. Diese Organismen nehmen ihre Umwelt wahr und reagieren auf sie: Sie registrieren, woher das Licht kommt, wie kalt das Wasser ist, oder in welcher Tiefe sie sich befinden – all dies mit Nervensystemen, die erstaunlich einfach gebaut sind. Die Arbeitsgruppe erforscht, wie diese Nervensysteme verschaltet sind und wie sie arbeiten. Als Modell dient der marine Ringelwurm Platynereis.

Die genetische Grundlage der morphologischen Variation

2012, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Nüsslein-Volhard, Christiane; Alsheimer, Soeren; Dooley, Christopher; Krauss, Jana; Harris, Matthew; Rohner, Nicolas; Frohnhöfer, Hans Georg

Darwins Theorie der Entstehung der Arten durch natürliche Selektion geht davon aus, dass in jeder Generation die Nachkommen variieren. Diejenigen setzen sich durch, die am besten an die sie umgebenden Bedingungen angepasst sind. Um die Gene zu finden, deren Mutationen die Grundlage für die Variation der Gestalt der Tiere in der Evolution sind, wollen Forscher verstehen, wie sich die äußere Form der Tiere während des Wachstums entwickelt. Dazu untersuchen sie mit genetischen Methoden die Stammzellen der Muskulatur sowie die Entwicklung von Hautstrukturen und des Farbmusters beim Zebrafisch.

Integrative Forschungsansätze der modernen Evolutionsbiologie

2011, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Sommer, Ralf J.

Die moderne Entwicklungsbiologie hat das Verständnis evolutionsbiologischer Zusammenhänge grundlegend erweitert. Entwicklungskontrollgene sind im Tierreich hochkonserviert. Wie sich dennoch im Laufe der Evolution die uns bekannte hohe Arten- und Formenvielfalt herausbilden konnte, ist Gegenstand aktueller Forschungsansätze der Evolutionsbiologie. Dabei sind integrative Ansätze zwischen Entwicklungsbiologie, Ökologie und Populationsgenetik von essenzieller Bedeutung.

Keimzellmigration: Auch Zellen brauchen Wanderführer

2011, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Renault, Andrew

Wie kann aus einer Zelle ein mehrzelliger Embryo entstehen? Wie werden Teilung, Differenzierung und Wanderung (Migration) von Zellen exakt koordiniert? An der Embryonalentwicklung der Fruchtfliege Drosophila melanogaster lässt sich die Migration von Zellen in idealer Weise untersuchen. Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich im Besonderen mit der Migration von Keimzellen, den Vorläufern von Ei- und Samenzellen. Dieser Bericht zeigt, welche Rolle Lipide dabei spielen, das Überleben und die Wanderung von Keimzellen zu regulieren und welche biologischen Prinzipien dabei wirksam werden.

Mechanismen der Evolution als Matrize für Protein Engineering

2010, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Höcker, Birte

Die heute bestehende Diversität der Proteine ist durch viele Veränderungen entstanden: Gen-Duplikationen lieferten das Material für Mutation und Selektion, Rekombinationen trugen zur Schaffung ihrer Vielfältigkeit bei. Basierend auf diesen evolutionären Mechanismen wurden Engineering-Experimente durchgeführt. Die Fülle verfügbarer Sequenz- und Struktur-Daten ermöglicht es, Aussagen über wichtige molekulare Faktoren in Struktur-Funktionsbeziehungen zu machen. Mittels Computer gestütztem Design können diese Kenntnisse genutzt werden, um Proteine mit neuen, gewünschten Eigenschaften zu erzeugen.

Die Anfänge der Embryonalentwicklung von Arabidopsis

2010, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Jürgens, Gerd

In der Embryonalentwicklung wird die Körperorganisation der erwachsenen Pflanze in ihren Grundzügen etabliert. Zuerst teilt sich die befruchtete Eizelle (Zygote) in eine apikale embryonale Zelle und eine basale extra-embryonale Zelle, die sich jeweils weiter teilen. Hier wird beschrieben, wie die embryonalen Zellen als Antwort auf das Pflanzenhormon Auxin ein Signal erzeugen, das die benachbarte extra-embryonale Zelle zur Bildung des embryonalen Wurzelmeristems anregt. Weiter wird skizziert, wie die Entstehung des anfänglichen Unterschieds zwischen apikaler und basaler Zelle untersucht wird.

Die 1001 Genome der Ackerschmalwand

2009, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Weigel, Detlef

Die Ackerschmalwand, Arabidopsis thaliana, ist das bevorzugte Studienobjekt vieler Pflanzengenetiker. Außer dem Menschen gibt es keine Art, über deren innerartliche Variation in der Genomsequenz man so viel weiß. In den letzten zwei Jahren ist die Technologie zur Sequenzierung von Genomen revolutioniert worden, und A. thaliana bietet sich wie kaum ein anderer vielzelliger Organismus zur Anwendung dieser neuen Methoden an. In diesem Bericht werden die Anfänge eines Projektes beschrieben, das die komplette Entzifferung des Genoms von 1001 A. thaliana-Stämmen zum Ziel hat.

Festlegung von Zelltypen des Krebstieres Parhyale hawaiensis

2008, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Gerberding, Matthias

Die Embryonen aller Tiere legen früh vier verschiedene Zelltypen an. Wie dies passiert, ist eine zentrale Frage der Entwicklungsbiologie. Untersucht wird, wie dieser Prozess im 8-Zellstadium des Krebses Parhyale hawaiensis abläuft. Die Bildung der Keimzellen benötigt z.B. die Gene vasa und nanos. Ihre Funktion weicht von der in der Fliege Drosophila melanogaster ab. Dies verdeutlicht Funktionswechsel von Genen in der Evolution.

MicroRNAs - mächtige Winzlinge, die Gene ausschalten

2008, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Elisa Izaurralde

MicroRNAs (miRNAs) bestehen aus etwa 22 Nukleotiden, die im Erbgut kodiert sind. Sie blockieren Genaktivität, indem sie sich an die 3’-nicht-translatierten Bereiche von Boten-RNA (mRNA) anlagern. Der genaue Mechanismus, mit dem miRNAs Genaktivität in tierischen Zellen unterdrücken, ist nicht bekannt. Ziel ist es, den Mechanismus miRNA-vermittelter Genregulation, die mit der so genannten RNA-Interferenz nah verwandt ist, aufzuklären.

Molekularer Mechanismus der Signalübertragung durch Membranen

2007, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Martin, Jörg; Lupas, Andrei

Wie gelangt Information in das Zellinnere? Die molekularen Mechanismen der Signalübertragung durch Membranen sind weitgehend unbekannt. Durch die Struktur einer archaealen HAMP-Domäne, welche mittels magnetischer Resonanzspektroskopie entschlüsselt wurde, ist es gelungen, Einsicht in diesen Vorgang zu gewinnen. HAMP verbindet als Teilbereich vieler Transmembran-Rezeptorproteine deren extrazelluläre mit der intrazellulären Domäne und spielt daher eine entscheidende Rolle bei der Signalweiterleitung. HAMP offenbart die Fähigkeit, zwei stabile, konvertierbare Konformationen mit ähnlicher Energie einzunehmen, wobei die Bindung bzw. Dissoziation eines Liganden an den Rezeptor die Umwandlung der einen in die andere Form begünstigt. Ein solcher Konformationswechsel erinnert an ein Uhrwerk, das sich zwischen zwei definierten Zuständen hin und herdreht und erklärt zugleich, wie die signalabhängige Strukturänderung von Rezeptoren auf molekularer Ebene ablaufen könnte.

Die Erforschung der Evolution sozialer Systeme mithilfe kooperativer Bakterien

2006, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Velicer, Gregory

Das langfristige Ziel unserer Forschung ist zu verstehen, wie sich soziale Systeme wechselnden Umweltbedingungen anpassen. Erst durch umfangreiche Kenntnisse über die den Anpassungen zugrunde liegenden Mutationen, die durch sie verursachten phänotypischen Effekte und schließlich derjenigen Umweltbedingungen, unter denen sie sich vorteilhaft auf die Selektion auswirken, ist ein tief greifendes Verständnis des Adaptionsprozesses möglich. Um dieses Ziel zu erreichen, führen wir an Myxococcus xanthus sowohl Evolutions-Experimente und Studien im Labor als auch hoch auflösende Analysen über phäno- und genotypische Variationen zwischen Wild-Isolaten durch. Im Folgenden werden einige unserer aktuellen Studien über im Evolutions-Experiment entstandene Genotypen vorgestellt.

Zellwanderungen im Embryo des Zebrafisches: Wie Zellen ihren Weg beim Aufbau von Organen finden

2006, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Gilmour, Darren; Knaut, Holger; Nüsslein-Volhard, Christiane

Die Wanderung einer Zelle im Organismus ist ein komplizierter Prozess, der von einer genau gesteuerten Aktivität des Zytoskeletts in unterschiedlichen Regionen der Zelle bewirkt wird. Zellwanderungen sind bei der Wirbeltier-Entwicklung von fundamentaler Bedeutung, da die dreidimensionale Struktur vieler Organe durch gemeinsame Migration vieler Zelltypen gebildet wird. Solche Wanderungsprozesse spielen beim Aufbau des Nervensystems und der Blutgefäße eine große Rolle. Die gemeinsamen Wanderungen von vielen Zellen unterschiedlicher Herkunft müssen sehr genau koordiniert sein, damit jede einzelne Zelle an den richtigen Ort gelangt – es ist aber noch sehr wenig darüber bekannt, wie ein Embryo diese logistische Meisterleistung vollbringt. Embryonen des Zebrafisches Danio rerio haben viele Eigenschaften, die sie zu einem idealen Modellorganismus machen, um dieses dynamische Zellverhalten in vivo zu untersuchen: Die Embryonal-Entwicklung verläuft außerhalb des Mutterleibs und sie läuft sehr schnell ab, denn schon innerhalb von 24 Stunden nach der Befruchtung sind die meisten Organsysteme angelegt. Fischembryonen sind außerdem vollkommen durchsichtig - dies erlaubt, sie mithilfe von hochauflösenden Zeitraffer-Filmen im lebenden Zustand zu beobachten und zu untersuchen.

Der Fadenwurm Pristionchus pacificus als Modellsystem für die Erforschung evolutionärer Prinzipien im Tierreich

2005, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Sommer, Ralf J.

Die Organismen des Tierreichs besitzen eine überraschend große Übereinstimmung in den molekularen Regulationsmechanismen, die ihre Entwicklung steuern. Bisher ist es aber vollkommen unklar, wie die verschiedenen Organismen diese Regulationsmechanismen verwenden und abwandeln, um die nahezu unendliche biologische Formenvielfalt zu schaffen, die wir in der Natur beobachten können. Die evolutionäre Entwicklungsbiologie geht der Frage nach, wie diese Vielfalt entsteht, indem verwandte, aber trotzdem unterschiedliche Arten miteinander verglichen werden. Dazu haben wir den Fadenwurm Pristionchus pacificus als Satellitensystem der evolutionären Entwicklungsbiologie etabliert. Nach der Erstellung einer ganzen Palette von molekularen Methoden zum Vergleich von P. pacificus mit dem Modellorganismus Caenorhabditis elegans, konzentrieren sich unsere gegenwärtigen Arbeiten auf die Entwicklungsbiologie, Neurobiologie, Genomik und Ökologie dieser Tierarten.

Ein Blick in die molekularen Vorgänge beim Lernen

2005, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Macchi, Paolo; Götze, Bernhard; Tübing, Fabian; Mallardo, Massimo; Köhrmann, Martin; Kiebler, Michael

Lernen und Gedächtnis sind elementare Eigenschaften höher entwickelter Organismen. Unter Lernen versteht man die Fähigkeit, sich Kenntnisse anzueignen. Gedächtnis bezeichnet die Fähigkeit, die erlernten Inhalte zu speichern und in neuen Kontexten wieder abzurufen. In den letzten 50 Jahren stellte sich heraus, dass sich verschiedene Arten von Gedächtnis bestimmten Regionen des Gehirns zuordnen lassen. Eine Region, die als Hippocampus bezeichnet wird, spielt hierbei eine besondere Rolle: Sie beherbergt Zellen, die für das so genannte explizite Gedächtnis verantwortlich sind. Unter dieser Form des Gedächtnis versteht man das bewusste Wissen über die Welt - im Gegensatz zu Gedächtnisformen, die uns bei unbewussten Handlungen leiten. Ziel unserer Forschung ist es, die zellulären und molekularen Grundlagen zu verstehen, die Lernen und Gedächtnis ermöglichen.

Genom-Evolution in Wirts-adaptierten Bakterien

2004, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Schuster, Stephan C.

Die Verfügbarkeit einer großen Anzahl von bakteriellen Genomen hat es ermöglicht, den Einfluss der Lebensbedingungen eines Organismus auf die Struktur seines Genoms zu untersuchen. Unsere Arbeitsgruppe untersucht daher die Genome verwandter, wirts-adaptierter Bakterien, die sich jedoch in ihrem Lebensstil als Symbionten, Kommensale oder Pathogene unterscheiden. Aus diesen Untersuchungen geht hervor, dass Mikroorganismen, die sich sehr eng an einen Wirt in Form einer Symbiose oder eines krankheitserregenden Verhältnisses angepasst haben, kleine Genome aufweisen. Im Gegensatz hierzu besitzen Organismen, die in der freien Umwelt leben oder für den Wirt unschädlich sind, größere Genome. Diese "frei-lebenden Verwandten" können somit Aufschluss über die Physiologie eines bakteriellen Vorfahren geben, aus dem die heutigen krankheitserregenden Bakterien hervorgegangen sind.

Das Genom als Schlüssel zum Verständnis der Anpassung von Pflanzen an ihre Umwelt

2004, Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Weigel, Detlef

Das langfristige Ziel unserer Arbeiten ist es, die Mechanismen zu verstehen, mit denen sich Organismen an eine variable Umgebung anpassen. Voraussetzung dafür ist, dass man die Gene identifiziert, die für die Diversität im Erscheinungsbild von Pflanzen und Tieren verantwortlich sind. Auf dem Verständnis der Funktionsweise genetischer Netzwerke aufbauend möchten wir verstehen, welche Bedeutung die Variation im Erscheinungsbild von Lebewesen für die Anpassung an ihren Lebensraum hat. Diese Erkenntnisse sind nicht nur von rein akademischem Interesse, sondern werden uns auch helfen, die zukünftige Entwicklung von tierischen und pflanzlichen Populationen in einer Ära, in der sich die Umwelt besonders durch menschlichen Einfluss rapide verändert, voraussagen zu können.

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Forschungsberichte

Die Evolution von AAA ATPase-Nanomaschinen zur Regulierung des Proteinabbaus

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Neurobiologie des marinen Zooplanktons

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Integrative Forschungsansätze der modernen Evolutionsbiologie

Keimzellmigration: Auch Zellen brauchen Wanderführer

Mechanismen der Evolution als Matrize für Protein Engineering

Die Anfänge der Embryonalentwicklung von Arabidopsis

Die 1001 Genome der Ackerschmalwand

Festlegung von Zelltypen des Krebstieres Parhyale hawaiensis

MicroRNAs - mächtige Winzlinge, die Gene ausschalten

Molekularer Mechanismus der Signalübertragung durch Membranen

Die Erforschung der Evolution sozialer Systeme mithilfe kooperativer Bakterien

Zellwanderungen im Embryo des Zebrafisches: Wie Zellen ihren Weg beim Aufbau von Organen finden

Der Fadenwurm Pristionchus pacificus als Modellsystem für die Erforschung evolutionärer Prinzipien im Tierreich

Ein Blick in die molekularen Vorgänge beim Lernen

Genom-Evolution in Wirts-adaptierten Bakterien

Das Genom als Schlüssel zum Verständnis der Anpassung von Pflanzen an ihre Umwelt