Entwicklungsbiologie, Bewegung und Hormone

Transkript

1 Entwicklungsbiologie, Bewegung und Hormone eine Vorlesung von Helmut Guttenberger Institut für Pflanzenwissenschaften Uni Graz

2 In dieser Vorlesung: wird nicht die phylogenetische Entwicklung, sondern die ontogenetische Entwicklung behandelt Als neue Dimension kommt die Zeit dazu Wenn man die Natur im Zeitverlauf betrachtet, gibt es bei zeitlichen Veränderungen zwei Unterscheidungen: Periodische Veränderungen Einsinnige Veränderungen

3 Kreisprozesse z.b.: Jahreszeiten, Laubfall, Blüte Einsinnige Veränderungen: Einbahnstraßen z.b. Lebenslauf: Anfang Veränderungen Ende

4 Individualentwicklung von Lebewesen: Stoffe von komplizierten atomaren Gefüge und hohem Energiegehalt werden nicht nur ersetzt, sondern im Überschuss neu gebildet = Individuenvermehrung!

5 Lebensläufe = unendlich verschieden! Aber: Individuen, die durch die Fortpflanzung in einer kontinuierlichen Kette aufeinanderfolgen, wiederholen unter gleichen Außenbedingungen gleiche Entwicklungsvorgänge

6 Das Zellgefüge ist nicht, sondern enthält die spezifische Struktur!

7 Individuen, die durch die Fortpflanzung in einer kontinuierlichen Kette aufeinanderfolgen, wiederholen unter gleichen Außenbedingungen gleiche Entwicklungsvorgänge

8 Entwicklungsreize Funktionszustände der Zellen Stoff und Formbildung Außen Innen Entwicklungsreaktion Änderung der INNEREN Bedingungen Erbgut wird NICHT geändert! MODIFIKATION!

9 Wachstum Differenzierung Morphogenese (Musterbildung)

10 Trockengewichtszunahme Frischgewichtszunahme Volumszunahme DNA-Synthesen Proteinsynthesen

11 Wachstum Teilungswachstum Streckungswachstum Differenzierung Verschiedenwerden d. Zellen in Struktur und Funktion Morphogenese (Musterbildung) Räumliche Organisierung differenzierter Einheiten zu einem übergeordneten Ganzen.

12 Innere Faktoren Intrazelluläre Regulation Regulation an der DNA (Synthese, Verteilung, etc.) Regulation der Genexpression Regulation der Enzymaktivität Interzelluläre Regulation Phytohormone Äußere Faktoren Biotische Abiotische

13 In Eukaryonten kompliziert Sehr langer DNA-Strang muss komprimiert werden Gleichzeitig muss gewährleistet sein, dass die DNA abgelesen werden kann DNA in Verbindung mit Proteinen

14 Verdichtetes Chromatin im Zellkern DNA stark an Histon- und Nichthiston-Proteine gebunden

15 Konstitutives Heterochromatin In der Nähe der Centromere (centromerisches Heterochromatin) Wird nie exprimiert Zahlreiche Kopien Repetitiver DNA direkt hintereinander, keine Gene In allen Zellen eines Organismus an den gleichen Abschnitten der Chromosomen gebildet (Name!) Fakultatives Heterochromatin nur in einigen Zellen eines Organismus Wird manchmal exprimiert Z. B. Barr-Körperchen: eines der beiden X-Chromosomen in den Zellen weiblicher Säuger (ist stillgelegt)

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17 Stark unterschiedliche Proteine Oft sauer (glutamin- u. asparaginsäurereich) Kondensieren und legen Nucleosomen (30 nm Faser) in Schleifen. Durch die extrem dichte Packung ist die DNA weniger gut zugänglich für Transkriptionsfaktoren

18 Als Hertone werden alle Nicht-Histon-Proteine bezeichnet, die im Nukleus vorkommen. Dazu zählen Strukturproteine sowie Enzyme und Regulatorproteine.

19 DNA als Chromatin im Komplex mit Histonen Kleinste Verpackungseinheit: Nucleosom Histonmodifizierende Enzyme: Veränderungen in den Funktionszuständen des Chromatins Verschieden dichte Verpackung Größte Dichte: Chromosom

20 Proteine mit basischen Charakter (Lysin, Arginin) 5 Fraktionen: H1, H2A, H2B, H3, H4 Bilden (+ DNA) Nucleosomen (2x (H2A, H2B, H3, H4) = Core) werden durch H1 zusammengehalten = Chromatosomen

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24 Kondensation der Chromosomen: Condensin und Cohesin wirken zusammen

25 Nucleomer Jeweils sechs Nucleosomen bilden eine Windung der 30-nm-Faser, die die nächste Ebene der Chromosomen-Kondensation darstellt. Diese Faser wird durch andere, Nicht-Histon-Proteine weiter kondensiert und in Schleifen gelegt. Durch die extrem dichte Packung ist die DNA weniger gut zugänglich für Transkriptionsfaktoren

26 Enden der Chromosomen, bestehen aus repetitiver DNA und assoziierten Proteinen Mit jeder Zellteilung werden die Telomere verkürzt (DNA-Polymerase kann am Folgestrang nicht mehr ansetzen) Kritisches Minimum ca. 4 kbp: Zelle kann sich nicht mehr weiter teilen Telomerase (ein RNA-Protein-Komplex mit einer reverse-transkriptase-aktivität) kann die Verkürzung wieder ausgleichen Für Stabilität der Chromosomen

27 Das Genom wird nicht verändert NICHTERBLICHE phänotypische Merkmalvarianten Können durch Umweltfaktoren entstehen Klone eignen sich gut zu deren Untersuchung Fließende Modifikation (z. B. Größe) Umschlagende M. (Blütenfarbe, chinesische Primel) Phänotypische Geschlechtsbestimmung (Aligatoren)

28 Stabile Weitergabe: Histoncode Modifikationszustand der Histone gibt Auskunft über Aktivität HAC: Histon-Acetyltransferase, HDAC: Histon-Deacetylase

29 findet ausschließlich an Lysinen statt Hauptwirkung: Neutralisierung der positiven Ladung des Lysins Verringerung der elektrostatischen Wechselwirkung zwischen dem Lysin und den negativen Ladungen an der DNA Öffnung der Chromatin-Struktur Begünstigt Transkription

30 Sowohl an Lysinen als auch an Argininen Kann sowohl positiv als auch negativ mit Transkription korrelieren Wird erzeugt durch Histon-Methyltransferasen (HMT) und entfernt durch Histon- Demethylasen (KDM).

31 Aktives, inaktives Chromatin: Eu- und Heterochromatin Ergibt ein Muster, das von Zelle zu Zelle in einer bestimmten Gruppe spezialisierter Zellen in einem Gewebe weitergegeben wird Epigenetisch; wird nicht an die nächste Generation weiterverbt

32 Unterschiede zwischen eineiigen Zwillingen Asthma: Kombination aus genetischer Vorbelastung und Umwelteinflüssen; nur 20 % von eineiigen Zwillingen leiden beide an Asthma Brustkrebs: 2 Gene identifiziert. Aber: Risikofaktoren etc. kommen dazu Eineiige Zwillinge haben unterschiedliche Fingerabdrücke. Werden im 4. Embryonalmonat ausgebildet. Ernährung? Umwelteinflüsse, aber auch psychische Einflüsse bestimmen, ob gewisse Gen ein- oder ausgeschaltet werden

33 Methylierung von C Basen Methylierung und Acetylierung von Histonen

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35 Mitosezyklus Bei Vicia faba

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41 Genommutationen Chromosomenmutationen Genmutationen Mutagene Agenzien DNA-Reparatur

42 Generative und somatische Polyploidie Autoploidie: Vermehrung der Chromosomensätze einer Art Alloploidie: verschiedene Arten: steril; durch Vermehrung der Chromosomensätze: Paarung homologer Chromosomen wieder möglich (fertile Nachkommen!)

43 G 1, S, G 2, Z, Pro-, Meta-, Ana- und Telophase Abgewandelte Zyklen: Unterreplikation, Endoreduplikation, Endomitose, Restitutionskern

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46 Endomitose Endoreduplikation Amplifikation Unterreplikation Restitution DNA-Gehalte, die nicht ein Vielfaches von 2 sind

47 Freie Trisomie Zusätzliches Chromosom Nur bei einigen möglich (21 = Down-Syndrom, 18, 13; sonst letal) Geschlechtschromosomen Ullrich-Turner-Syndrom (45,X): unterentwickelte weibliche Geschlechtsmerkmale, eine kleine Statur, einen tiefen Haaransatz, eine ungewöhnliche Augen- und Knochenentwicklung, eine Trichterbrust und sind meist unfruchtbar Triplo-X-Syndrom (47,XXX). Das Triplo-X-Syndrom ist die klinisch unauffälligste Chromosomenaberration Klinefelter-Syndrom (fast immer 47,XXY; selten 48,XXXY oder 49,XXXXY). Männer mit diesem Syndrom sind oft unfruchtbar, groß, haben ungewöhnlich lange Arme und Beine, eine Tendenz zur Ausbildung von Brüsten (Pseudo-Gynäkomastie) und eine reduzierte Körperbehaarung. Der Intelligenzquotient liegt durchschnittlich um 10 niedriger als bei Geschwistern

48 Deletion Translokation Duplikation Inversion Nicht nur Gen, sondern auch Lage wichtig: Positions Effekte, epigenetische Effekte

49 1 Wildtyp 2 Deletion (Verlusst) 3 wechselseitige Translokation 4 einseitige Translokation 5 Duplikation 6 Inversion

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52 Leseraster M. Insertion Stumme M. Duplikation Missense M. (Austausch von AS) Deletion Nonsens M. (Kettenabbruch)

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54 Fluoreszent in situ hybridisation Nachweis von DNA oder RNA (RNA-FISH) in Zellkernen einzelner Zellen oder auf Metaphase-Chromosomen sowie die Untersuchung der Verteilung von mrna in ganzen Embryonen, Schnitten oder Geweben mit farbgebenden (chromogenen) Enzymen.

55 Eine DNA-Sonde (A) wird mit molekularbiologischen oder chemischen Methoden behandelt und ist anschließend markiert (B). Sonden-DNA und Ziel-DNA werden zu Einzelsträngen aufgeschmolzen (nicht gezeigt), anschließend können sich passende Sequenzen aneinanderlagern (C). Dadurch entsteht an der entsprechenden Stelle des Präparats eine mikroskopisch nachweisbare Markierung.

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