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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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Neurobiologie und Biophysik Prof. Dr. Ad Aertsen PD Dr. Ulrich Egert Neurogenetik

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Presentation Transcript


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

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.


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

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


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

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

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

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


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

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

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

Verhalten

mut. Genom

Gehirn

Verhalten

Wissen um

Entwicklungsprozesse

Wissen um

Gehirnfunktionen

Neurogenetischer Ansatz

wt Genom

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

Das Gal4/UAS-Expressionssystem

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

KFF 2001


Wie wird ein gehirn verdrahtet

Wie wird ein Gehirn verdrahtet?

KFF 2001


Ziele des vortrags3

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


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

Kontaktführung

Chemotaxis

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

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

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

Wachstumskegel macht Kontakt mit Laminin Tropfen

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

Wachstumskegel hangelt sich entlang vorgegebener Axone

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

Wie findet man Gene mit Bedeutung für axonale Wegfindung?

Durch die Isolierung von Defektmutanten!

KFF 2001


Ziele des vortrags4

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


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

Unser System:

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)

KFF 2001


Wildtyp a und ub883 mutanter ph notyp b

Wildtyp (A) und UB883 mutanter Phänotyp (B)

KFF 2001


What can we do with this gene

What can we do with this gene?

Lets clone it!

Why

not?

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

Immunglobulin-ähnliche

Domäne

5 extracellular

Ig-domains

Plasmamembran

intracellular domain

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

C. elegans: syg-2

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


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

IrreC-rst transfecteduntransfected

anti IrreC-rst

anti Sns anti IrreC-rst

Die Proteine des „IRM“ vermitteln homophile und

heterophile Interaktionen in Zellkultur

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

rst -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 Myoblastenattraktant

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

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

IrreC-rst ist ein heterophiles Zelladhäsionsprotein

KFF 2001


Bei der augenentwicklung vermittelt das irm zellsortierung

Bei der Augenentwicklung vermittelt das „IRM“ Zellsortierung


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

Augenentwicklung I:

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


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

4

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


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

irreC-rst in situ,

wild type

Augenentwicklung II:

irreC-rst mRNA wird in Interommatidialzellen

exprimiert

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

Augenentwicklung III: IrreC-rst Protein Expression

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

Rst immunoreactivity

Vorhergesagte Verteilung

des Rst-Liganden (grün) bei

Rst-Fehlexpression

(Reiter et al., 1996)

SNS immunoreactivity

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

(verifiziert durch Immunoprecipitation)

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


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

Mint-1

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.


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

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


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

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


Bedeutung des expressionsmusters im optischen lobus ii gal4 1407

Bedeutung des Expressionsmusters im optischen Lobus II Gal4(1407)

KFF 2001


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

Zusammenfassung

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


Neurobiologie und biophysik prof dr ad aertsen pd dr ulrich egert neurogenetik

Zusammenfassung „Entwicklung“

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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