Entwicklungsbiologie Master-Module

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1 Entwicklungsbiologie Master-Module (9) (9) 4 4

2 Entwicklungsbiologie Master-Module Block 3 Ebio I Musterbildung und Differenzierung Mikroinjektion von Tribolium-Embryonen zur Proteinlokalisierung und Mutantenerzeugung (Klingler) Herz- und Muskelentwicklung im Modellorganismus Drosophila (Reim) Molekulare Ursachen erblicher Erkrankungen (Schambony) Block 6 Ebio III Systems Biology of Embryonic Patterning Computer Simulation of Embryonic & Animal Pattern Formation (El-Sherif/Klingler) Block 7 Ebio II Gewebsdifferenzierung & Organogenese Charakterisierung von Regulatorgenen der Muskelentwicklung in Drosophila (Frasch) Wie entstehen die unterschiedlichen Anlagen im Embryo in Tribolium? (Schoppmeier) Molekulare Ursachen erblicher Erkrankungen (Schambony)

3 Module I & II Ablauf In Lehrstuhl-Laboren in Kleingruppen (2-4 Studenten pro Gruppe) Ø Ø Woche: Praktische Arbeiten (forschungsnah), parallel dazu Seminare ü 20-minütiger Seminarvortrag (Journal-Artikel, Englisch) ü Führen eines Laborhefts 4. Woche: Abfassen des Protokolls (~10 Seiten plus Abb.) Vorbereitung auf Prüfung Ø Prüfung: 30 min (10 min Projektvorstellung + 20 min Diskussion) Einzelprüfung mit Betreuer + Beisitzer Prüfungsnote => Modulnote Modul III: Computer-basiertes Arbeiten (Englisch)

4 Methoden & Techniken am Lehrstuhl u. in Modulen Modellsysteme: - Insekten (Drosophila, Tribolium, Honigbiene) - Vertebraten (Xenopus) Molekularbiologie: - z.b.: PCR/inverse PCR/RT-PCR - DNA-Klonierung, Generieren von Antikörpern mithilfe bakterieller Proteinexpression, in vitro Transkription (Herstellung markierter RNA-Sonden und dsrnas für RNAi) Bildgebung: Genetik: Genomik: - Fluoreszenz-Mikroskopie, ApoTome ( structured illumination microscopy ), konfokale Laserscanning-Mikroskopie - Immunhistochemie, in situ Hybridisierung, Lebendbeobachtung mit GFP & RFP - Elektronenmikroskopie - Mutagenese-Screens (chemisch, Transposons,Defizienzen) - RNA-Interferenz (incl. Screens), Morpholino-vermittelte Gen- Inaktivierung, CRISPR/Cas9 Genom-Editing - transgene Techniken (Reporter-Analyse, GAL4/UAS-vermittelte ektopische Expression, Flippase-vermittelte Expression bzw. Mutation in Zellklonen - Transkriptomik (Next-Generation Sequencing) - in silico-identifizierung von Transkriptionsfaktor- Bindungsstellen & Ziel-Enhancern Mikromanipulation: - Embryo-Injektion von dsrna, Morpholinos, und CRISPR- Guide RNAs

5 EBio Master Modul I Musterbildung und Differenzierung Klingler, Reim, Schambony Block 3: Teilnehmerzahl: maximal 9 (ZMB) Nach Platzerhalt können Präferenzen für Arbeitsgruppen angegeben werden ( mit 1. und 2. Präferenz an Dr. Reim: ingolf.reim@fau.de) Weitere Informationen bei den Dozenten

6 Mastermodul EntwBio I AG Klingler Mikroinjektion von Tribolium-Embryonen FP mrnas mrna, Plasmide, oder dsrna CRISPR Mutanten RNAi hbn + zen1 Wir untersuchen Entwicklungsgene im Kurzkeim-Embryo des Mehlkäfers ("segmentation clock" statt Gradienten wie in Drosophila!): 1.Überexprimierung: Fusions-Protein-Lokalisierung 2.CRISPR-induzierte Mutanten erzeugen 3.knock-down von Genen via RNAi 4.Phänotyp-Analyse einer früher erzeugten CRISPR-induzierten Mutante Wildtyp

7 Arbeitsgruppe Dr. Ingolf Reim Herz- und Muskelentwicklung im Modelorganismus Drosophila Herz Pericardialzellen Somatische Muskulatur Darmmuskulatur longitudinal VM circular VM Fragestellungen: Welche Gene und Mechanismen sind für die Anlage und Differenzierung verschiedener Herz- und Muskelzellen nötig? Ausgewählte neue Mutanten aus einem EMS-Screen sollen phänotypisch und molekular charakterisiert werden Faktoren, die Aktivität bestimmter Signalwege in Herz/Muskel- Progenitoren beeinflussen, sollen näher untersucht werden Experimente: Analyse von Phänotypen/Expressionsmustern: RFP- und GFP-Reporter/Fusionsproteine in lebenden Embryonen Färbungen durch Antikörper oder RNA in situ-hybridisierung Mikroskopie ( Apotome, Konfokales Laser-Scanning-Mikroskop) Time-lapse Imaging Genetische Arbeiten mit Drosophila: Komplementations-Kreuzungen gewebe-spezifische Überexpression oder knock-down von Genen (UAS-GAL4-System; DeGradFP-System mit anti-gfp-nanobody) molekulare Arbeiten zur Identifizierung von Mutationen Isolierung von DNA, PCR, Sequenzanalyse x Embryo mit gewebespezifisch exprimiertem GFP + RFP

8 Molekulare Ursachen erblicher Erkrankungen Fehlbildungs-Syndrome und schon im Kindesalter auftretende Erkrankungen: Ursache meist bereits in der Embryonalentwicklung häufig sind Assoziationen mit spezifischen Genen bzw. Mutationen bekannt Funktionsweise der betroffenen Genprodukte (Proteine) in der Entwicklung meist unbekannt Xenopus laevis als Modellorganismus evolutiv, genetisch und physiologisch näher am Menschen als Invertebraten und niedere Vertebraten extrakorporale Entwicklung breites Methodenspektrum (Embryologie, Organoide, Biochemie, Proteomik, Transkriptomik, Imaging usw.) Entschlüsselung der physiologischen Funktionen und Fehlfunktionen von krankheits-assoziierten Genen und Proteinen

9 Molekulare Ursachen erblicher Erkrankungen unsere aktuellen Themen Robinow Syndrom: Kleinwuchs typischer Gesichtsphänotyp vermindertes Längenwachstum Fehlentwicklungen der Wirbelsäule und Extremitäten Rezessive und dominante Formen; verursacht durch Mutationen in ROR2, WNT5A, DVL1, DVL3 Wilms Tumor: der am häufigsten auftretende bösartige Nierentumor im Kindesalter ausgehend von embryonalen Vorläuferzellen Genetisch assoziiert mit WT-1, WT-2, Wnt und anderen; nicht völlig verstanden

10 Master-Modul II Gewebsdifferenzierung und Organogenese Frasch, Schoppmeier, Schambony Block 7: Teilnehmerzahl: Maximal 9 (ZMB) Nach Platzerhalt können Präferenzen für bestimmte Arbeitsgruppe(n) angegeben werden ( mit 1. und 2. Präferenz an Dr. Reim: ingolf.reim@fau.de) Weitere Informationen bei den Dozenten

11 Molekulare Ursachen erblicher Erkrankungen Fehlbildungs-Syndrome und schon im Kindesalter auftretende Erkrankungen: Ursache meist bereits in der Embryonalentwicklung häufig sind Assoziationen mit spezifischen Genen bzw. Mutationen bekannt Funktionsweise der betroffenen Genprodukte (Proteine) in der Entwicklung meist unbekannt Xenopus laevis als Modellorganismus evolutiv, genetisch und physiologisch näher am Menschen als Invertebraten und niedere Vertebraten extrakorporale Entwicklung breites Methodenspektrum (Embryologie, Organoide, Biochemie, Proteomik, Transkriptomik, Imaging usw.) Entschlüsselung der physiologischen Funktionen und Fehlfunktionen von krankheits-assoziierten Genen und Proteinen

12 Welche Gene steuern die Muskelentwicklung? Manfred Frasch/Christoph Schaub Pluripotente Mesodermzellen Differenzierte und diversifizierte Muskeln

13 Welche Gene steuern die Muskelentwicklung? Manfred Frasch/Christoph Schaub CRISPR/Cas9-induzierte Mutationen in Regulatorgenen - in Muskelgeweben - in Keimbahn Phänotyp? Guide RNAs Ø Guide RNA-Vector konstruieren (Klonierung) Ø Vorhandene transformierte Guide RNA Konstrukte in Fliegen exprimieren (in Muskeln u. Keimbahn - Fliegenkreuzungen) Ø DNA-Läsionen in Genen charakterisieren (PCR, Sequenzierung) Ø Muskelphänotyp bestimmen (Immunhistologie) manfred.frasch@fau.de

14 Master Modul Entwicklungsbiologie Michael Schoppmeier Anlagen im Embryo: extraembryonal Kopf Thorax Abdomen Abdomen Kopf Thorax à Wie entstehen die unterschiedlichen Anlagen?

15 Master Modul Entwicklungsbiologie Michael Schoppmeier extraembryonal Wachstumszone Ziel: Einblicke in die embryonale Musterbildung wie werden die Achsen definiert? wie werden Zellschicksale definiert? z.b. Kopf vs. Thorax? welche Gene sind beteiligt? Kopf Thorax Fragestellung Hypothesen Ziel: WissenschaIliches Arbeiten eigene Hypothesen erstellen eigene Experimente entwerfen, auswerten Ergebnisse interpreleren Hypothesen widerlegen, bestälgen ggf. neue Hypothesen erstellen BestäLgung Experiment Widerlegung

16 Master-Modul III Systems Biology of Embryonic Patterning Computer Simulation of Embryonic Pattern Formation El-Sherif/Klingler Block 6: Teilnehmerzahl: Maximal 8 (4 MZB + 4 ILS) Weitere Informationen bei den Dozenten: ezzat.el-sherif@fau.de/martin.klingler@fau.de/ Ezzat El-Sherif & Martin Klingler

17 In silico Modeling of Embryonic & Animal Pa5erning The module introduces into the use of computer programs to model patterning processes during animal development. 17

18 Master Module Ebio III - Sec=on El-Sherif Gene circuit to read a morphogen gradient G G X Y Z Systems Biology videos: Check out Youtube channel: Ezzat El-Sherif Research

19 Mastermodul Ebio III Teil Klingler: Reaktions-Diffusionssysteme Meinhardt-Gierer Modell: Aktivator/InHibitor-System: Beispiel eines Turing-Systems A H Computersimulation