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Neurobiologie und Biophysik Prof. Dr. Ad Aertsen PD Dr. Ulrich Egert Neurogenetik - PowerPoint PPT Presentation


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Fortschritte in den Neurowissenschaften. Lehrerfortbildung 18.6.2004 Denzlingen. Department für Neurobiologie in Freiburg. Entwicklungsbiologie Dr. Jochen Holzschuh. Neurobiologie und Biophysik Prof. Dr. Ad Aertsen PD Dr. Ulrich Egert Neurogenetik Prof. Dr. Karl-Friedrich Fischbach.

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Presentation Transcript

Fortschritte in den

Neurowissenschaften

Lehrerfortbildung 18.6.2004 Denzlingen

Department für Neurobiologie in Freiburg

Entwicklungsbiologie

Dr. Jochen Holzschuh

Neurobiologie und Biophysik

Prof. Dr. Ad Aertsen

PD Dr. Ulrich Egert

Neurogenetik

Prof. Dr. Karl-Friedrich Fischbach

Institut für Biologie III

Schänzlestrasse 1

79104 Freiburg i. Brsg.

Institut für Biologie I

Hauptstrasse 1

79104 Freiburg i. Brsg.


Fortschritte in den

Neurowissenschaften

Lehrerfortbildung 18.6.2004 Denzlingen

Zeitplan

10.00 Uhr: Wie Nervenzellen spezifische Kontakte knüpfen. (Prof. Dr. Karl Fischbach)

11.00 Uhr: Neue Modellsysteme zum Verständnis neurodegenerativer Erkrankungen.

(Dr. Jochen Holzschuh)

12.00 Uhr: Mittagspause (Imbiss) Informationen zu Ressourcen im Internet

14.00 Uhr: Aktivität in kortikalen Netzwerken. Von Netzwerkdynamik zu Neuroprothesen.

(Prof. Dr. Ad Aertsen)

15.00 Uhr: Gehirne auf Chips. Neurobiologie: Von der Grundlagenforschung zur Anwendung.

(Dr. U. Egert)


Karl friedrich fischbach institut f r biologie iii sch nzlestr 1 79104 freiburg i brsg

Wie Nervenzellen spezifische Kontakte knüpfen

Lehrerfortbildung 18.6.2004 Denzlingen

http://zum.de/lehrerfortbildung/denzlingen

ab Sonntag, den 20.6.2004, freigeschaltet

Karl-Friedrich Fischbach

Institut für Biologie III

Schänzlestr.1

79104 Freiburg i. Brsg.

E-Mail: [email protected]

WWW: http://filab.biologie.uni-freiburg.de


Ziele des vortrags

Ziele des Vortrags

Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik

Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem.

Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung

Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de


Ziele des vortrags1

Ziele des Vortrags

Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik

Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem.

Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung

Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de


Die expression konservierter gene f r transkriptionsfaktoren untergliedert die l ngsachse des ns
Die Expression konservierter Gene für Transkriptionsfaktorenuntergliedert die Längsachse des NS

KFF 2001


Die otd/OTX2 Gene sind Kausalfaktoren beim Bau des VorderhirnsFliegen-otd und Menschen-OTX2 sind funktionell konserviert.

KFF 2001


Die otd/OTX2 Gene sind Transkriptionsfaktoren, die den Ort festlegen, an denen das Entwicklungsprogramm „Vorderhirn“ ablaufen soll. Die Funktion der Gene ist konserviert.

Dieses und andere Ergebnisse sind Indizien dafür, dass die gemeinsamen Vorfahren von Fliege und Mensch bereits ein bilateral symmetrisches Nervensystem und ein Gehirn besaßen.

Einmal „erfunden“, wurden diese grundlegenden Genfunktionen kaum noch modifiziert.

KFF 2001


Am Fliegengehirns lassen sich grundlegende molekulare Entwicklungsmechanismen studieren. Die Relevanz der Ergebnisse für Wirbeltiere wird durch die Verwandtschaft der Gensysteme gestützt, die das ZNS von Bilateraliern untergliedern.

KFF 2001


Ziele des vortrags2

Ziele des Vortrags Entwicklungsmechanismen studieren. Die Relevanz der Ergebnisse für Wirbeltiere wird durch die Verwandtschaft der Gensysteme gestützt, die das ZNS von Bilateraliern untergliedern.

Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik

Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem.

Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung

Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de


Neurogenetischer ansatz

Gehirn Entwicklungsmechanismen studieren. Die Relevanz der Ergebnisse für Wirbeltiere wird durch die Verwandtschaft der Gensysteme gestützt, die das ZNS von Bilateraliern untergliedern.

Verhalten

mut. Genom

Gehirn

Verhalten

Wissen um

Entwicklungsprozesse

Wissen um

Gehirnfunktionen

Neurogenetischer Ansatz

wt Genom

KFF 2001


Das Gal4/UAS-Expressionssystem Entwicklungsmechanismen studieren. Die Relevanz der Ergebnisse für Wirbeltiere wird durch die Verwandtschaft der Gensysteme gestützt, die das ZNS von Bilateraliern untergliedern.

KFF 2001


KFF 2001 Entwicklungsmechanismen studieren. Die Relevanz der Ergebnisse für Wirbeltiere wird durch die Verwandtschaft der Gensysteme gestützt, die das ZNS von Bilateraliern untergliedern.


Wie wird ein gehirn verdrahtet
Wie wird ein Gehirn verdrahtet? Entwicklungsmechanismen studieren. Die Relevanz der Ergebnisse für Wirbeltiere wird durch die Verwandtschaft der Gensysteme gestützt, die das ZNS von Bilateraliern untergliedern.

KFF 2001


Ziele des vortrags3

Ziele des Vortrags Entwicklungsmechanismen studieren. Die Relevanz der Ergebnisse für Wirbeltiere wird durch die Verwandtschaft der Gensysteme gestützt, die das ZNS von Bilateraliern untergliedern.

Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik

Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem

Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung

Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de


Nervenzellen sind ber lange forts tze miteinander spezifisch verkn pft
Nervenzellen sind über lange Fortsätze miteinander spezifisch verknüpft.

Wie finden sie zueinander?

KFF 2001


Mechanismen der wegfindung
Mechanismen der Wegfindung spezifisch verknüpft.

Kontaktführung

Chemotaxis

KFF 2001


http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htmhttp://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm

KFF 2001


Wachstumskegel macht Kontakt mit Laminin Tropfenhttp://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm

KFF 2001


Wachstumskegel hangelt sich entlang vorgegebener Axonehttp://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm

KFF 2001


Wie findet man Gene mit Bedeutung für axonale Wegfindung? http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm

Durch die Isolierung von Defektmutanten!

KFF 2001


Ziele des vortrags4

Ziele des Vortragshttp://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm

Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik

Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem

Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung

Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de


Unser System:http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm

Der optische Lobus von Drosophila melanogaster

ist eine geschichtete Struktur

Unser Ziel:

Verständnis der molekularen Mechanismen, die den Aufbau der „visuellen Pathways“ ermöglichen, insbesondere die Erkennung der prä- und postsynaptischen Partner.


Phenotype of ub883 mutant p element mutagenesis
Phenotype of UB883 mutant (P-element mutagenesis)http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm

KFF 2001


Wildtyp a und ub883 mutanter ph notyp b
Wildtyp (A) und http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htmUB883 mutanter Phänotyp (B)

KFF 2001


What can we do with this gene
What can we do with this gene?http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm

Lets clone it!

Why

not?

KFF 2001


Immunglobulin-ähnlichehttp://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm

Domäne

5 extracellular

Ig-domains

Plasmamembran

intracellular domain

KFF 2001


KFF 2001http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm


C. elegans: syg-2http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm

Homo: Nephrin

C. elegans: syg-1

Homo: Neph1,2,3

Unser Hauptaugenmerk gilt inzwischen den vier Mitgliedern des

„irre cell recognition“-Moduls (IRM)

IrreC-rst (Rst) Expression in den

Neuroommatidien der Medulla


IrreC-rst transfectedhttp://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htmuntransfected

anti IrreC-rst

anti Sns anti IrreC-rst

Die Proteine des „IRM“ vermitteln homophile und

heterophile Interaktionen in Zellkultur

KFF 2001


rst http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm-kirre -

rst -kirre -

Das „irre cell recognition“ Modul ist notwendig, damitMyoblasten mit wachsenden Muskelfasern fusionieren

Sns auf Myoblasten

sowie Kirre und Rst

auf wachsenden

Muskelfasern

vermitteln die

Zellerkennung

und sind notwendig,

um den

Synapsen-ähnlichen

Präfusionskomplex

auszubilden.

wild type


Irrec rst ist ein myoblastenattraktant
IrreC-rst ist ein Myoblastenattraktanthttp://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm

anti-ß-3-tubulinDf(1)w67k30 background

dll-Gal4/UAS-irreC-rstanti-IrreC-rst

IrreC-rst ist ein heterophiles Zelladhäsionsprotein

KFF 2001



Augenentwicklung I: Zellsortierung

Spezifizierung der Zellen eines Ommatidiums

4

3

Die Zellen eines Ommatidiums werden durch Signalen der Gründerzelle R8 aus umgebenden Zellen rekrutiert.

5

2

8

6

1

7

KFF 2001


4 Zellsortierung

4

4

4

4

4

4

3

3

3

3

3

3

3

5

5

5

5

5

5

5

2

2

2

2

2

2

2

8

8

8

8

8

8

8

6

6

6

6

6

6

6

1

1

1

1

1

1

1

7

7

7

7

7

7

7

KFF 2001


KFF 2001 Zellsortierung


irreC-rst Zellsortierung in situ,

wild type

Augenentwicklung II:

irreC-rst mRNA wird in Interommatidialzellen

exprimiert

KFF 2001



KFF 2001 Zellsortierung


KFF 2001 Zellsortierung


Rst immunoreactivity Zellsortierung

Vorhergesagte Verteilung

des Rst-Liganden (grün) bei

Rst-Fehlexpression

(Reiter et al., 1996)

SNS immunoreactivity

KFF 2001


(verifiziert durch Immunoprecipitation) Zellsortierung

Was sind die intrazellulären

Interaktionspartner von Rst und Kirre?

8 Proteine interagierten in einem Two Hybrid Screen mit den intrazellulären Domänen von Kirre und Rst in Hefe:

Ubiquitin protein ligase

RNase PH

AKAP (PKA achoring protein)

D-Mint

Nemo (serin/threonine kinase)

Actinin

Paxillin

Cystein Protease Cp1


Mint-1 Zellsortierung

CASK

PTB

PDZ

PDZ

PDZ

Presynaptic

PDZ

IrreC-rst

Kirre

Neurexin

Neuriligin

Sns

Hibris

Postsynaptic

Arbeitshypothese basierend auf nachgewiesenen Proteininteraktionen:

Das IRM ist an der Erkennung synaptischer Partner beteiligt.


Expressionsmuster von Mint und Rst überlappen hoch spezifisch in der distalen Medullaschicht

Mint Rst Merge


Eliminating irrec rst mediated positional information in the optic lobe by its global expression
Eliminating IrreC-rst mediated positional information in the optic lobe by its global expression

elav-Gal4/UAS-irreC-rst

anti-IrreC-rst

3rd instar larva

KFF 2001


Eliminating positional information in the optic lobe by global expression yields a phenocopy of the loss of function phenotype

elav-Gal4/UAS-irreC-rst

anti-fascicline II

midpupal stage

KFF 2001



Zusammenfassung Gal4(1407)

Die Mitglieder des „irre-Zelladhäsionsmoduls kodieren

für immunglobulinähnlicheTransmembranproteine

Sie sind an der Muskelfusion, der Zellsortierung im Auge,

bei der axonalen Wegfindung und der Zielerkennung wie der

Synaptogenese beteiligt.

Fehlen des Proteins (Nullmutante) und experimentelle

Überexpression auf allen Neuronen (Transformante)

haben das gleiche Ergebnis: Fehlgeleitete Nervenfasern.

Diese Proteine sind Beispiele für

neuronale Erkennungsmoleküle

KFF 2001


Zusammenfassung „Entwicklung“ Gal4(1407)

Transmembranproteine verleihen den Neuronen „Tastsinn“

und setzen zugleich Oberflächenmarkierungen

Zellen (auch Neurone) unterscheiden sich an ihren Oberflächen

und ertasten die ihnen liebsten Partner

KFF 2001


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