Max-Planck-Gesellschaft Jahrbuch Highlights

_{Die folgenden Artikel sind ausgewählte, beispielhafte wissenschaftliche Forschungsberichte des Max-Planck-Instituts für Biologie in Tübingen. Sie zeigen die Bandbreite der am Institut durchgeführten Forschung auf. Diese werden dann in den Jahresbericht der Max-Planck-Gesellschaft aufgenommen.}

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?

Was sind die Ursachen neuer Krankheitsausbrüche auf unseren Feldern? Wie entwickeln sich Krankheitserreger, um neue Wirtspflanzen auf landwirtschaftlichen Nutzflächen zu infizieren und sich an diese anzupassen? Dies sind einige der Fragen, mit denen wir uns befassen. Aktuell widmen wir uns Krankheitsausbrüchen auf Kiwi-Plantagen in Südkorea und beim Bananenanbau auf dem indonesischen Archipel.

Symbiosen mit Mikroben treten in unterschiedlichen Formen auf: Von Mutualismus bis Parasitismus, entlang einer kontinuierlichen Skala. Aber wie stabil sind diese Einordnungen? Ist es immer von Vorteil, ein Mutualist zu sein? Und sind Parasiten immer dazu bestimmt, ihren Wirten zu schaden?

Viele biologische Phänomene können in Laboratorien bis ins kleinste Detail untersucht werden, ihre ökologische Relevanz erschließt sich aber erst in der Natur, und der Weg vom Labor zurück dorthin ist weit und steinig. Zusammen mit meinem Team untersuche ich, wie Fadenwürmer an Käferkadavern um kurzzeitige Futterquellen konkurrieren. Dabei spielen zentrale Konzepte der Evolutionsbiologie eine entscheidende Rolle. Deren ökologische Bedeutung erforschen wir exemplarisch auf einer kleinen, weitgehend unberührten Tropeninsel.

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.

Braunalgen sind vielzellige Eukaryonten, die sich seit mehr als einer Milliarde Jahren unabhängig von Tieren und Pflanzen entwickelt haben. Sie haben eine faszinierende Vielfalt an Körpermustern und Fortpflanzungsmerkmalen erfunden, deren molekulare Basis noch vollkommen unerforscht ist. Wir nutzen den Reichtum an morphologischen und sexuellen Merkmalen dieser rätselhaften Organismen, um Licht in den Ursprung der Mehrzelligkeit und in die Evolution der Bestimmung des biologischen Geschlechts innerhalb des gesamten eukaryontischen Lebensbaums zu bringen.

Obwohl wir in einem Zeitalter vieler Genomprojekte leben, lassen die daraus abgeleiteten Gene viel zu wünschen übrig. Besonders einige vereinfachte Annahmen verursachen Fehler, sobald die Eigenheiten der Molekularbiologie ins Spiel kommen. Deshalb müssen das maschinelle Lernen und die Algorithmen für die Genvorhersage verbessert werden. Neben der Zusammensetzung und dem Annotieren von Genomen entwickelten wir ein Programm, Intronarrator, um mithilfe direkter Intronenvorhersagen aus deep-RNA-Seq-Daten die aufgrund winziger Intronen entstehenden Probleme zu überwinden.

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.

Der Abbau von Proteinen in der Zelle ist ein hochregulierter Vorgang. Er spielt eine zentrale Rolle in einer Vielzahl lebenswichtiger Prozesse wie Zellzyklus, Signalübertragung, Genexpression und programmiertem Zelltod. In Lebewesen mit einem Zellkern, den Eukaryonten, sorgt eine komplexe Maschinerie aus Enzymen für den korrekten Ablauf dieser Vorgänge. Neuere Ergebnisse zeigen das Vorkommen entsprechender Systeme auch in Prokaryonten, die keinen Zellkern besitzen. Deren Analyse gibt Aufschluss über die Evolution des zellulären Proteinabbaus und die Ursprünge der eukaryontischen Nanomaschinen.

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.

Der Übergang zu einem sesshaften Lebensstil mit Ackerbau und Viehzucht während des Neolithikums hinterließ genetische Spuren. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Abteilung für Mikrobiomforschung haben herausgefunden, dass Unterschiede zwischen Menschen auf der Ebene der Gene, die am Stärke- und Milchstoffwechsel beteiligt sind, eine wichtige Rolle für die Zusammensetzung des Mikrobioms im Darm spielen. Die Anpassung des Menschen an neue Ernährungsgewohnheiten führte zu genetischen Variationen, die sich noch heute in Unterschieden in modernen Mikrobiomen widerspiegeln.

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.

Wie reagieren wilde Arten auf den dramatischen Klimawandel, den wir zurzeit erleben? Wissenschaftler am Institut haben festgestellt, dass die Anpassungsfähigkeit an extreme Klimaereignisse selbst innerhalb einer einzelnen Pflanzenart schon sehr unterschiedlich verteilt ist. Vorhersagen zur zukünftigen Verbreitung von Arten sind daher nur sinnvoll, wenn sie Unterschiede nicht nur zwischen, sondern auch innerhalb von Arten berücksichtigen.

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.

Als Konnektome werden Schaltpläne neuronaler Netze bezeichnet, die die spezifischen Verbindungen zwischen Neuronen darstellen. Die Forschungsgruppe widmet sich dem kompletten Schaltkreis einer kleinen marinen Larve, um herauszufinden, wie neuronale Schaltkreise Verhalten vermitteln.

Organismen müssen, um zu überleben, auf ihre Umweltbedingungen reagieren. Wie aber die genetische Kontrolle und die Umwelt miteinander interagieren, ist wenig erforscht. Phänotypische Plastizität, die Eigenschaft von Organismen, verschiedene Formen je nach Umweltbedingungen zu bilden, bietet eine Möglichkeit, den Einfluss der Umwelt auf die Entwicklung von Organsimen zu untersuchen. Der Nematode Pristionchus pacificus ist für die Erforschung phänotypischer Plastizität geeignet: Durch Ausbildung zweier verschiedener Mundformen, je nachdem, welcher Umwelt er ausgesetzt ist.

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.

In der Embryonalentwicklung wird die Körperorganisation der erwachsenen Pflanze in ihren Grundzügen etabliert. Anfänglich teilt sich die befruchtete Eizelle (Zygote) in eine apikale embryonale Zelle und eine basale extra-embryonale Zelle. Wie dieser anfängliche Unterschied mit Hilfe des beteiligten YODA-Signalwegs zustande kommt, wird skizziert. Aus diesen Zellen entstehen Embryo und extra-embryonaler Suspensor. Die embryonalen Zellen erzeugen dann in Antwort auf das Pflanzenhormon Auxin ein Signal, das die benachbarte extra-embryonale Zelle zur Bildung des embryonalen Wurzelmeristems anregt.

Wir sind umgeben von Mikroorganismen, die sich im Wettstreit ums Überleben ständig verändern. Im Unterschied zu Tieren und Pflanzen dauern solche Veränderungen nicht Tausende von Jahren, sondern oft nur einige Wochen. Um solch schnelle Evolution zu verstehen, benötigen wir neue theoretische Konzepte und müssen die evolutionäre Dynamik direkt beobachten. Die Forschungsgruppe entwickelt dazu Methoden und wendet sie auf Daten von Grippe und HI-Viren an. Die Ergebnisse ermöglichen Vorhersagen der Zusammensetzung zukünftiger Viruspopulationen.

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.

Erforscht wird, wie die Ubiquitinierungsreaktion auf struktureller Ebene funktioniert, wie die Aktivitäten von Ubiquitinierungsenzymen reguliert werden und wie die Ubiquitinierung zelluläre Prozesse und das Zellverhalten kontrolliert. Da eine Dysregulation der Ubiquitinierung mit vielen Erkrankungen des Menschen einhergeht, können die Untersuchungen ein Ausgangspunkt für neue Strategien zur Entwicklung von Arzneimitteln sein, deren Wirkung auf einer Manipulation der Ubiquitinierungsenzym-Aktivitäten mit niedermolekularen Inhibitoren basiert.

Heute lassen sich Genome aus Organismen rekonstruieren, die vor Tausenden von Jahren gelebt haben. In Museen lagern Millionen von getrockneten Pflanzenteilen, deren DNA sich für die Genomsequenzierung eignet. Die Pflanzenproben enthalten unentdeckte Nachweise für die globale Diversität der letzten rund 450 Jahre, und die kombinierte Verwendung von historischen und aktuellen Pflanzenproben führt so eine neue, zeitliche Dimension in die Evolutionsforschung ein. Untersucht wird die Evolution von Pflanzen, ihren Pathogenen und das dazugehörige Mikrobiom unter Verwendung von neuer und alter DNA.

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.

In eukaryotischen Zellen befindet sich die DNA im Zellkern, wo auch die RNA-Transkription erfolgt, während die Protein-Biosynthese im Zytoplasma stattfindet. Zellkern und Zytoplasma sind durch Kernporen miteinander verbunden und der Transport von Makromolekülen wird durch spezielle Transport-Proteine, die Karyopherine, vermittelt. Die meisten Karyopherine befördern ihre Fracht (Kargos) nur in eine Richtung: in den Zellkern (Importine) oder heraus (Exportine). Importin 13 aber ist ein besonderes Karyopherin, das Kargo im- als auch exportieren kann; es agiert als bidirektionaler Transporter.

MicroRNAs sind im Genom kodierte, rund 22 Nukleotide lange RNAs, die die Genexpression post-transkriptional reduzieren, indem sie an die untranslatierten 3′-Regionen von Boten-RNAs (mRNAs) binden und diese meist auch eliminieren. Obwohl viel über ihre Biogenese und biologischen Funktionen berichtet wurde, sind die Mechanismen, mit denen miRNAs die Genexpression deaktivieren, nicht vollständig erforscht. Unser langfristiges Ziel ist es, molekularbiologisch zu verstehen, wie miRNAs gezielt Hunderte von mRNA-Sequenzen in Tierzellen auf spezifische Weise unterdrücken können.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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 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 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.

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.

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.

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 (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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Verfügbarkeit einer großen Anzahl von bakteriellen Genomen hat es ermöglicht, den Einfluss der Lebensbedingungen eines Organismus auf die Struktur seines Genoms zu untersuchen. Die Genome verwandter, wirts-adaptierter Bakterien werden untersucht. 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.

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.