Max-Planck-Gesellschaft Jahrbuch Highlights

_{Jedes Jahr wählt die Max-Planck-Gesellschaft herausragende wissenschaftliche Forschungsberichte aus ihren Instituten aus, um die Breite der in der Gesellschaft durchgeführten Forschung hervorzuheben. Die folgenden Artikel stammen aus dem Max-Planck-Institut für Biologie Tübingen.}

Eines der Ziele der Evolutionsforschung ist es zu verstehen, warum sich Individuen unterscheiden. Wir untersuchen das Fruchtfliegengenom, um herauszufinden, welche Gene die phänotypische Variation regulieren und beziehen dabei Umwelteinflüsse ein, um eine noch ungelöste Frage zu beantworten: Ist die Funktion eines Gens von der Umwelt abhängig? Mithilfe Tausender Fruchtfliegen identifizieren wir die Gene, die die Lebensdauer bei zuckerarmer und zuckerreicher Ernährung regulieren, und fragen: Sind die Gene, die bestimmen, wie lange ein Individuum bei beiden Ernährungsweisen lebt, dieselben?

Um haploide Gameten zu erzeugen, können Eukaryoten eine spezielle Form der Zellteilung durchlaufen, die als Meiose bezeichnet wird. Im ersten Schritt müssen homologe Chromosomen, eines von jedem Elternteil, zusammengeführt werden, damit sie danach korrekt getrennt werden können. Hierzu verwenden die meisten Organismen die meiotische Rekombination, um Crossovers zwischen homologen Chromosomen zu erzeugen. Wir berichten über unsere Forschung, die sich dem Verständnis derjenigen Proteinmaschinerie widmet, die eine verlässliche Trennung homologer Chromosomen während der Meiose gewährleistet.

Genomsequenzierung ist ein Schlüssel sowohl zur Krankheitsbekämpfung als auch zum Verstehen von Biodiversität. Gängige Techniken liefern allerdings nur Sequenzinformation über ein Genfragment, ohne dessen Kontext im Genom zu betrachten. Wir haben daher haplotagging, eine präzise und kostengünstige Sequenzierungsmethode, entwickelt, bei der der Kontext der jeweiligen Sequenz erhalten bleibt. So gelang es nachzuweisen, wie ein einzelnes Gen zweier Schmetterlingsarten, die zwischen dem Amazonas und den Anden vorkommen, ein einzigartiges Flügelmuster erzeugen kann.

Wir verwenden einen interdisziplinären Ansatz, der rechnergestützte Chemie, Biophysik und Entwicklungsbiologie kombiniert, um neue hämatopoetische Signalaktivatoren und -inhibitoren zu designen. Die Strukturen unserer neuen Signalmoleküle stimmen mit unseren theoretischen Berechnungen atomgenau überein. Die Wachstumsfaktoren sind hochaktiv und fördern während der Zebrafisch-Entwicklung die Differenzierung spezifischer Blutzellen. Unser Ansatz erscheint deshalb äußerst vielversprechend, um Signalmoleküle mit neuartigen Funktionen für zukünftige klinische Anwendungen zu konstruieren.

Genetische Variation ist die Grundlage der Biodiversität und das wichtigste Substrat der Evolution. Dazu untersuchen wir die Rolle der meiotischen Rekombination im Verlauf der Anpassung von Organismen an neue Umgebungen. Mithilfe einer von uns auf der linked-read Genomsequenzierungstechnologie basierenden Methode können wir individuelle Rekombinationsabläufe studieren und so deren molekulare Basis identifizieren. Die Daten werden unsere Kenntnisse über den Einfluss der meiotischen Rekombination auf die Evolution in natürlichen Populationen und über eine der Ursachen von Fehlgeburten erweitern.

Sexuelle Fortpflanzung setzt die Bildung von Gameten, also Samen- und Eizellen, voraus. Diese verfügen, im Gegensatz zu Köperzellen, nur über einen einfachen Chromosomensatz. Meiose ist derjenige Prozess, durch den das elterliche Erbgut aufgeteilt wird und Keimzellen entstehen. Um die Chromosomen voneinander zu trennen, müssen strukturgleiche Chromosomen miteinander verknüpft werden. Dazu werden zunächst gezielt Brüche in die DNA eingebracht und anschließend exakt repariert. Das Verständnis dieser Prozesse liefert neue Einblicke in die Fruchtbarkeit und genetische Erkrankungen des Menschen.

Die Ursachen für Unterschiede zwischen den Arten ist ein großes Rätsel in der Biologie. Da Hybride aus Kreuzungen zweier Arten in der Regel steril sind, war eine genetische Kartierung in der Genetik sehr schwierig. Die Forschungsgruppe hat jetzt die bahnbrechende Methode der in vitro recombination zum Einsatz gebracht, bei der der Genaustausch direkt im Zellsystem erzielt wird. Dadurch konnten die Unterschiede zwischen Mausarten genetisch kartiert werden. Durch die Überwindung kreuzungsimmanenter Artgrenzen liefert diese Methode nun umfassende Einblicke in die Grundlagen genetischer Variation.

Die Gruppe Systembiologie der Entwicklung erforscht, wie Signalmoleküle einen zunächst undifferenzierten Zellhaufen in einen strukturierten Embryo verwandeln. Die Wissenschaftler verfolgen dazu einen interdisziplinären Ansatz und nutzen Methoden der Genetik, der Biophysik, der Mathematik und der Informatik. Die Ergebnisse sollen insbesondere darüber Aufschluss geben, wie aus Stammzellen Gewebe für die Regenerationsmedizin hergestellt werden könnten.

Organismen haben einzigartige Anpassungsmechanismen entwickelt, die ihnen ein Überleben in einer bestimmten Umwelt ermöglichen. Forscher im Friedrich-Miescher-Laboratorium suchen in Stichlingen diejenigen genetischen Veränderungen, die es Organismen im Allgemeinen ermöglichen, sich an neue Umgebungen anzupassen und zu spezifizieren. Meerwasserstichlinge beispielsweise haben eine adaptive Radiation durchgemacht, aus der an vielen verschiedenen Orten wiederholt Süßwasserformen entstanden sind. Untersucht werden die der Anpassung und Speziation zugrunde liegenden Muster molekularer Veränderungen.

Die Hausmäuse der Färöer zählen zu den größten Mäusen der Welt. Forscher des Friedrich-Miescher-Laboratoriums untersuchen, wie es zu ihrer Ansiedlung auf der Färöer Inselgruppe kam und wie die Tiere in den vergangenen tausend Jahren durch Genom-Selektion in so rasantem Tempo diesen Inselgigantismus entwickeln konnten. In der Maus-DNA verbirgt sich eine komplexe Geschichte, die das Ergebnis einer Mischung verschiedener Mausunterarten über Hunderte von Jahren ist. Jetzt sind Bestrebungen im Gange, die Genetik des Inselgigantismus aufzuklären.

Pflanzen und Tiere haben unabhängig voneinander den Schritt zum Vielzeller gemacht. Beide Lebensformen haben dabei das Konzept entwickelt, das Wachstum ihrer Zellen durch die konzertierte Produktion von Hormonen zu koordinieren. Die Arbeitsgruppe erforscht, welche Rezeptorproteine Pflanzen benutzen, um ein wachstumsförderndes Steroidhormon zu erkennen und in eine Signalantwort zu übersetzen. Dazu werden strukturbiologische und biochemische Methoden mit genetischen Experimenten im Modellsystem Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) kombiniert.

Der Zellkern, die Steuerzentrale der eukaryontischen Zelle, wird durch die Kernhülle vom Zellplasma abgegrenzt. Zu Beginn der Zellteilung fällt die Kernhülle auseinander und die im Zellkern liegende DNA verdichtet sich zu Chromosomen. Nachdem die Chromosomen auf die entstehenden Tochterzellen gleichmäßig verteilt wurden, dekondensieren sie wieder und werden von einer neuen Kernhülle umschlossen. Die Neubildung der Kernhülle ist ein kompliziertes Zusammenspiel von zellulären Membranen und Proteinen, dessen Regeln Wissenschaftler am Friedrich-Miescher-Labor in Tübingen verstehen wollen.

Die Teilung einer Zelle in zwei Tochterzellen erfordert eine Vielzahl zellulärer Veränderungen. Kinasen, die Proteine durch Hinzufügen von Phosphat-Gruppen modifizieren, spielen dabei eine zentrale Rolle. Forscher am Friedrich-Miescher-Laboratorium haben untersucht, welche Proteine durch die Aurora-Kinase modifiziert werden. Aurora-Kinasen sind für die korrekte Verteilung der Erbinformation auf die Tochterzellen notwendig, und Hemmstoffe für diese Kinasen sind derzeit in der klinischen Entwicklung. Diese Arbeiten sind daher sowohl von wissenschaftlicher als auch klinischer Bedeutung.

Die Entwicklung neuer Sequenziertechnologien mit hohem Durchsatz macht es möglich, die Gesamtheit an Transkripten von unter bestimmten Bedingungen exprimierten Genen zu messen. Um die bei diesen Verfahren entstehenden großen Datenmengen auszuwerten, werden akkurate und effiziente computergestützte Methoden benötigt. Unsere Arbeitsgruppe versucht, mithilfe modernster Algorithmen aus dem Bereich des „maschinellen Lernens“ Transkriptomdaten zu analysieren, um beispielsweise den Zusammenhang zwischen genetischer Information und Erscheinungsbild eines Individuums zu verstehen.

DNA ist in Chromosomen verpackt. Während der Zellteilung muss jede der beiden Tochterzellen einen identischen Chromosomensatz, der die genetische Information trägt, erhalten. Das Fehlen oder zusätzliche Kopien einzelner oder mehrerer Chromosomen können zum Zelltod und zu Krankheiten führen, daher stellen komplexe zelluläre Mechanismen die gleichmäßige Verteilung des genetischen Materials während der Zellteilung sicher. Forscher am Friedrich-Miescher-Laboratorium versuchen zu verstehen, wie die zwei Hälften des Chromosoms zusammengehalten und nachfolgend auf die Tochterzellen verteilt werden.

Der Zellkern, Steuerzentrum der eukaryontischen Zelle, wird durch die Kernhülle vom Zellplasma abgegrenzt. Wie die Kernhülle am Beginn der Zellteilung zuerst abgebaut und am Ende um das genetische Material, die DNA, wieder aufgebaut wird, ist noch weitestgehend unbekannt. Es ist ein komlexes Zusammenspiel von zellulären Membranen und Proteinen, dessen Regeln Wissenschaftler am Friedrich-Miescher-Laboratorium verstehen wollen.

Wenn Zellen sich teilen, wird die Erbinformation verdoppelt und während der Teilung gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt. Fehler bei der Verteilung der Erbinformation können zum Zelltod führen oder zu maligner Entartung beitragen. Am Friedrich-Miescher-Laboratorium wird mithilfe von Hefen untersucht, wie Zellen die extrem niedrige Fehlerrate bei der Verteilung der Erbinformation sicherstellen.

Neueste Technologien erlauben vielfältige Messungen an biologischen Systemen, die zu einer immer größer werdenden Datenmenge und -vielfalt führen. Das volle Potenzial lässt sich dabei nur durch gründliche Auswertung ausschöpfen. Neben der elektronischen Organisation stellt die effiziente, automatisierte Analyse dieser Beobachtungen eine große, konzeptionelle Herausforderung dar. Mithilfe moderner Techniken des maschinellen Lernens wird am Friedrich-Miescher-Laboratorium beispielsweise das komplexe Phänomen des zellulären Spleißens von Boten-RNA (mRNA) im Zellkern analysiert. Dabei ist man besonders an der Vorhersage alternativen Spleißens und dem damit verbundenen, tieferen Verständnis genetischer Regulationsmechanismen interessiert.

Membran- und Proteintransport sind essenzielle Vorgänge in der Zelle. Die meisten Organellen innerhalb einer Zelle sind von Membranen umgeben, die das unkontrollierte Vermischen deren Inhalts mit dem Cytoplasma verhindern sollen. Die Kommunikation zwischen verschiedenen Organellen wird durch Membranhohlkugeln, so genannte Vesikel, vermittelt. Wir untersuchen die Regulation von Protein- und Membrantransport in verschiedenen Organismen. In der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae beschäftigen wir uns hauptsächlich mit dem Lebenszyklus eines Transportvesikels, das am Golgi-Apparat gebildet und mit dem endoplasmatischen Retikulum verschmelzen wird. Dahingegen untersuchen wir im Fadenwurm Caenorhabditis elegans, wie Membranen in die Teilungsebenen während der Cytokinese transportiert werden. Die Cytokinese stellt den letzten Schritt in der Zellteilung dar: Nachdem die DNA gleichmäßig auf zwei Pole in der Zelle verteilt wurde (in der Mitose), wird neue Membran an der Plasmamembran zwischen den beiden Polen eingefügt. Diese neue Membran teilt dann den Zellinhalt, wobei zwei Zellen erhalten werden.

Die Arbeitsgruppe befasst sich mit Veränderungen der visuellen Informationsverarbeitung vom Säuglings- zum Erwachsenenalter und mit Determinanten der kindlichen Wissensentwicklung im Bereich der intuitiven Physik.

Membran- und Proteintransport sind essentielle Vorgänge in der Zelle. Die meisten Organellen in der Zelle sind von einer Membran umgeben, die das unkontrollierte Vermischen des Inhalts der Kompartimente mit dem Cytoplasma verhindern soll. Die Kommunikation zwischen verschiedenen Organellen wird durch Membranhohlkugeln, so genannte Vesikel, vermittelt. Wir untersuchen die Regulation von Protein- und Membrantransport in verschiedenen Systemen. In der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae beschäftigen wir uns hauptsächlich mit dem Lebenszyklus eines Transportvesikels, das am Golgi-Apparat gebildet wird und mit dem endoplasmatischen Retikulum (ER) verschmelzen wird. Dahingegen untersuchen wir im Fadenwurm Caenorhabditis elegans wie Membranen in die Teilungsebenen während der Cytokinese transportiert werden. Die Cytokinese stellt den letzten Schritt in der Zellteilung dar. Nachdem die DNA gleichmäßig auf 2 Pole in der Zelle verteilt wurde (in der Mitose), wird neue Membran an der Plasmamembran zwischen den beiden Polen eingefügt. Diese neue Membran teilt dann den Zellinhalt, wobei zwei Zellen erhalten werden, die sich dann wieder von neuem in den Zellzyklus eintreten können.