Abbildung 1: Drosophila melanogaster Larve (Institut für Neuro- und Verhaltensbiologie, WWU, Münster).

Transkript

1 Biologie-Leistungskurs im Laboralltag Gewinnen Sie für sich und Ihren Kurs einen Tag im Institut für Neurobiologie der WWU Münster Sehr geehrte Lehrerinnen und Lehrer, wir sind drei Biologie-Masterstudentinnen der WWU Münster. Im Rahmen unseres Studiengangs haben wir ein Projekt erarbeitet, welches Ihnen und Ihren Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit bieten soll, einen praktischen Einblick in die Arbeit des Instituts für Neurobiologie zu erhalten. Das bedeutet, wir laden einen Kurs für einen Tag ins Institut für Neurobiologie ein, damit Ihre Schülerinnen und Schüler den praktischen Alltag eines Biologen hautnah erleben können. An diesem Tag können Ihre Schülerinnen und Schüler ihr theoretisches Wissen im Bereich Genetik in seiner Anwendung sehen. Dabei planen wir unter anderem, verschiedene Fruchtfliegen, welche fluoreszierende Proteine exprimieren, zu sezieren und deren Gehirne unter einem hochauflösenden Fluoreszenz Mikroskop anzuschauen. Außerdem können wir in diesem Rahmen Informationen über das Biologiestudium in Münster vermitteln. Unsere zeitlichen und räumlichen Kapazitäten erlauben es leider nur einen einzigen Kurs zu uns einzuladen. Um die Auswahl des Kurses möglichst fair zu gestalten, haben wir einen Wettbewerb ausgeschrieben. Der Preis für den Gewinner wird der beschriebene Tag im Institut für Neurobiologie sein. Auf den folgenden Seiten finden Sie einige Informationen zur wissenschaftlichen Arbeit mit Fruchtfliegen, die einen direkten Bezug zu den geplanten Praxisversuchen haben. Schließlich haben wir eine Reihe von Quizfragen und Aufgaben zum Thema formuliert. Zur Bearbeitung der Aufgaben dürfen natürlich alle bereits im Unterricht erworbenen Kenntnisse eingebracht werden, aber auch die Nutzung einschlägiger Internetsuchmaschinen ist kein Tabu. Abbildung 1: Drosophila melanogaster Larve (Institut für Neuro- und Verhaltensbiologie, WWU, Münster). Also auf die Plätze fertig los! Nutzen Sie die Chance einen spannenden, spaßigen und lehrreichen Tag in einem biologischen Institut mit Ihren Schülerinnen und Schülern zu gewinnen. Dabei können dann unter anderem selber frische Proben hergestellt und eigene hochauflösende Mikroskopiebilder davon aufgenommen werden.

2 Um am Wettbewerb teilzunehmen, bearbeiten Sie die angehängte Aufgabe mit Ihrem Kurs (handschriftlich oder am Computer) und senden bitte eine gemeinsame Antwort (als PDF) bis spätestens an folgende -Adresse: Unter dieser -Adresse stehen wir auch bei möglichen Fragen zur Verfügung. Wir freuen uns auf Ihre Einsendungen. Bedenken Sie, dass auch wenn eine Frage nicht beantwortet werden konnte, die Chance auf den Gewinn besteht. Für alle teilnehmenden Kurse werden wir nach Ende der Wettbewerbsphase eine Musterlösung zur Verfügung stellen. Wir wünschen Ihnen und Ihrem Kurs viel Glück und Erfolg. Ihr Wettbewerbsteam Kirsten Vorwerk (BSc) Manuela Adrian (BSc) Simone Rey (BSc)

3 DROSOPHILA S SECRET The winged supermodel Drosophila melanogaster Die Fruchtfliege, Drosophila melanogaster, (auch: schwarzbäuchige Taufliege) ist ein kleines Insekt von etwa 3 Millimetern Länge. Bekannt ist sie wohl vor allem durch ihr Auftreten in Schwärmen auf verdorbenem Obst. Aber sie ist auch eines der wertvollsten Modelle in den Lebenswissenschaften, speziell in der Genetik und Entwicklungsbiologie, und das seit fast einem Jahrhundert! Die Bedeutung von Drosophila für die Forschung, wurde sogar schon mehrfach mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Das Genom von Drosophila melanogaster besteht aus nur 4 Chromosomen und war bereits im Jahr 2000 vollständig sequenziert. Heute zählt die Fruchtfliege zu den am besten erforschten Organismen. Dies liegt unter anderem daran, dass sich Mutationen im Erbgut der Fruchtfliege in vielen Fällen deutlich im Phänotyp (z.b. Flügelform, Augenfarbe, Borstenzahl) zeigen und so einfach identifiziert werden können. Seit ihrer Etablierung als Modellorganismus konnten mit Hilfe der Fruchtfliege viele grundlegende Erkenntnisse in verschiedensten Forschungsfeldern gewonnen werden. So konnten Gene erstmalig auf Chromosomen lokalisiert werden und die generellen Mechanismen, die der embryonalen Musterbildung im Tierreich zu Grunde liegen wurden entschlüsselt. Alzheimer Bei der Alzheimer Erkrankung handelt es sich um eine neurodegenerative Erkrankung, die erstmals 1906 von dem deutschen Neurologen Alois Alzheimer wissenschaftlich beschrieben wurde. Im Verlaufe der Krankheit sterben langsam immer mehr Nervenzellen ab. Dies führt zu Störungen in der Informationsverarbeitung und zum Gedächtnisverlust. Eine weitere Folge des Nervensterbens ist die Bildung von abnormen Eiweißablagerungen. Der größte Risikofaktor an Alzheimer zu erkranken ist das Alter. Bei einem sehr geringen Anteil der Patienten liegt die Ursache für die Krankheit in einer dominant vererbten Mutation in einem der drei Gene für Präsenilin 1 oder 2 oder für das Amyloid-Vorläufer Protein (Amyloid-precursor-protein; APP). Bei den erblichen Formen von Alzheimer liegt das Erkrankungsalter meist unter 60 Jahren (Quelle: Deutsche Alzheimer Gesellschaft).

4 Humanmedizinische Forschung in Drosophila Bei der Arbeit mit Drosophila liegt in vielen Fällen ein besonderer Fokus auf humanmedizinischen Aspekten. Auf den ersten Blick erscheint dies reichlich abwegig, da die Fliege und der Mensch in ihrer Gestalt nur wenige Gemeinsamkeiten aufweisen. Der genetische Blickwinkel liefert jedoch ein anderes Bild. Das Erbmaterial der beiden Organismen zeigt, dass tatsächlich die meisten der Fliegen-Gene, in identischer oder sehr ähnlicher Form, auch im menschlichen Organismus vorhanden sind. Damit bietet die Fruchtfliege eine gute Plattform, um erste Erkenntnisse über die zelluläre Funktion und Rolle von Genen oder Mutationen zu gewinnen, die vielleicht in Verbindung mit einem menschlichen Krankheitsbild stehen könnten. Betrachten wir als Beispiel die Alzheimer Erkrankung. Es gibt gleich mehrere Drosophila Alzheimer Modelle in denen zum einen die biologische Funktion von Alzheimerrelevanten Proteinen untersucht wird und zum anderen mit Hilfe genetischer Methoden nach möglichen Zielproteinen für eine therapeutische Intervention gesucht wird. Hierbei ist natürlich vor allem das Fliegengehirn zu untersuchen. Im Gehirn, können zwei Zelltypen unterschieden werden, die Neuronen und die Gliazellen. Neurone sind elektrisch erregbare Zellen, die die Datenverarbeitung im Gehirn organisieren. Gliazellen hingegen versorgen die Neuronen mit Nährstoffen, bilden eine elektrische Isolationsschicht und kontrollieren die Immunantwort im Gehirn. Hong und Kollegen konnten in diesem Jahr (2016) zeigen, dass in Alzheimer Patienten bestimmte Gliazellen mit dem Abbau von Zellmaterial zum Krankheitsbild beitragen. In einem frühen Stadium der Alzheimer Erkrankung bewirken diese Gliazellen so den Verlust von wichtigen Verknüpfungen zwischen Neuronen. Abbildung 2: Fluoreszenzmikroskopisches Bild eines Larvengehirns von Drosophila melanogaster (R19E02, Flylight Project, Janelia).

5 Experimentelles Vorgehen Wie auch bei Alzheimer, ist in vielen Fällen der biologischen und medizinischen Forschung die genaue Ursache einer Krankheit (noch) nicht vollständig verstanden. Mit dem Ziel, dies zu ändern, versuchen Wissenschaftler ständig neue, unerforschte Ursachen für einen bekannten Krankheits-Phänotyp zu finden. Der erste Schritt ist dabei häufig ein screen. Das heißt, dass zunächst in großem Umfang nach Genen oder Mutationen gesucht wird, die entweder den betrachteten Phänotyp hervorrufen oder ihn retten. Daraus erhalten sie einen sehr großen Datensatz aus dem nun vielversprechendsten Kandidaten herausgesucht werden können. Anschließend analysiert man die gewählten Kandidaten im Detail. Um beispielsweise die Lokalisation des Genprodukts zu untersuchen, wird in vielen Fällen eine spezifische immunhistochemische Färbung von totem, fixiertem Gewebe durchgeführt und so das Genprodukt nachgewiesen. Eine weitere Möglichkeit ist es ein sogenanntes Fusions-Protein in der Fliege zu produzieren. Das heißt, dass man an die Gensequenz des zu untersuchenden Proteins die Sequenz eines fluoreszierenden Proteins anhängt. Das veränderte Gen wird abgelesen und von der mrna wird dann ein Translationsprodukt gebildet, das aus zwei verknüpften Protein-Abschnitten besteht. Der eine Teil ist das ursprüngliche Protein. Der zweite Teil ist ein fluoreszierendes Protein. Häufig verwendet man dabei das grün fluoreszierende Protein (GFP), welches bei Anregung grünes Licht erzeugt oder mcherry, welches rot fluoresziert. Bei Anregung mit Licht der richtigen Wellenlänge (beispielsweise in einem Fluoreszenz Mikroskop), beginnen alle Zellen, die das Fusions-Protein exprimieren, zu leuchten und können identifiziert werden. Quellen: Hong, Soyon; Beja-Glasser, Victoria F; Nfonoyim, Bianca M; u. a. (2016): Complement and microglia mediate early synapse loss in Alzheimer mouse models.. In: Science (New York, N.Y.). 352 (6286), S , DOI: /science.aad8373.

6 Aufgabe: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät 1. Überlegen oder recherchieren Sie verschiedene Gründe, warum Drosophila sich besonders gut als Modellorganismus eignet? 2. Stellen Sie sich vor, in der Forschung an Alzheimer wurden vor kurzem durch computerunterstützte Analyse zwei neue Gene identifiziert (forgetty und honigkopf), die im Verdacht stehen bei Überexpression Alzheimersymptome zu verstärken. Ein junges Forscherteam hat sich nun vorgenommen, mit Hilfe der Fruchtfliege mehr über diese Kandidaten-Gene in Erfahrung zu bringen. Bei forgetty handelt es sich um ein Gen, welches, so vermutet man, einen in Gliazellen exprimierten Rezeptor kodiert, der die Immunantwort einleitet. Es wurde bereits ein Fliegenstamm erstellt, in dem das endogene forgetty-gen eine fluoreszierende Markierung trägt (forgetty-gfp). Des Weiteren wurde ein Fliegenstamm generiert, bei dem alle Gliazellen durch Expression eines mcherry Fusions-Proteins (repo-mcherry) markiert sind. Die meisten im Laboralltag verwendeten Fliegenstämme zeichnen sich außerdem dadurch aus, dass sie sogenannte Balancer Chromosomen tragen. Diese Chromosomen tragen dominante Mutationen, die in der Fliege phänotypisch erkennbar sind, unterbinden Rekombination und tragen i.r. Letalfaktoren, die in Homozygose zum Tod führen. a) Durch Kreuzung soll nun ein Fliegenstamm produziert werden, der sowohl forgetty- GFP als auch repo-mcherry trägt. Um ein möglichst intensives Signal zu sehen, müssen die beiden verwendeten Allele in homozygoter Form vorliegen. Beantworten Sie dazu folgende Fragestellung. Erstellen Sie dazu zunächst das Kreuzungsschema für die angegebene Kreuzung und benennen Sie alle lebensfähigen Genotypen. Wie kann man die gewünschten Genotypen identifizieren? Tipp: Es ist mehr als ein Kreuzungsschritt notwendig. Legende repo-mcherry: Fluoreszenz-Markierung aller Glia-Zellen forgetty-gfp: fluoreszenz-markierung des Kandidaten- Gens Bl (Bristles): phänotypischer Marker, erkennbar durch verkürzte Borsten (kein Balancer) TM2: Balancer; erkennbar durch verkürzte Borsten an den Halterengelenken; schwer erkennbar TM6: Balancer; erkennbar durch kleineres Larvenstadium und vermehrte Borsten auf der Schulter CyO: Balancer; erkennbar durch geschwungene Flügelform

7 b) Wie oben erwähnt, wurde ein weiteres Gen identifiziert ( honigkopf ), welches bei Überexpression potenziell mit Alzheimer in Verbindung steht. Um die Auswirkung der Überexpression dieses Gens zu untersuchen, möchte man Fliegen generieren, die eine weitere Kopie dieses Gens im Genom tragen. Dazu soll das Gen mit Hilfe eines Vektors in das Genom integriert werden. Welche Eigenschaften sollte dieser Vektor aufzeigen? Nennen Sie gentechnische Schritte, die dazu durchgeführt werden müssten, bis hin zur genveränderten Fliege. Viel Spaß und vielleicht bis bald Abbildung 3: Angepasst nach: bspot.net/hub/306096/file png/Plasmid_Ma p.png.