Woher wissen die Zellen eines Embryos, ob und wann sie Haut oder Hirn werden und warum Augen immer vorn im Kopf wachsen sollen? Wie steuern Gene die Entwicklung? Über den Stand ihrer Forschungen und die möglichen Folgen für die Krebs-Therapie berichten die mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Biologin Prof. Christiane Nüsslein-Volhard und ihr Mitarbeiter Andreas Bergmann vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen, in bild der wissenschaft (1/96).

bild der wissenschaft: Gene steuern die Entwicklung

Die Geburt wird gemeinhin als großes Wunder empfunden, und man fragt sich beim Anblick des Säuglings ehrfürchtig, wie dieses Wunder zustande kam. Oft gilt die erste Sorge der Eltern der Gesundheit des Neugeborenen. War das Wunder wirklich komplett, oder hat ein Fehler im Entwicklungsprogramm zu Mißbildungen oder Krankheiten geführt? Berücksichtigt man die komplexen Prozesse während der Entwicklung eines Embryos, kann man sich tatsächlich wundern, daß sie meistens fehlerfrei abläuft und ein gesunder Mensch geboren wird.

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Die Geburt eines Lebewesens markiert den Endpunkt der Embryonalentwicklung. Am Anfang jedoch liegt nur eine einzige Zelle vor, die befruchtete Eizelle oder Zygote. Durch fortgesetzte Zellteilung entsteht der Organismus mit Abermilliarden von Zellen. Zusätzlich muß jede Zelle die Information erhalten, zu welchem Zelltyp – ob Nerven- oder Muskelzelle – sie sich entwickeln soll und welche Funktion sie zu erfüllen hat. So entsteht der Organismus mit hochspezialisierten Organen und Geweben und der für jedes Lebewesen charakteristischen Form.

Die Entwicklung endet auch nicht mit der Geburt oder mit dem Erwachsenwerden. Wir Menschen zum Beispiel ersetzen täglich über ein Gramm Hautzellen, unser Knochenmark produziert in jeder Minute Millionen neuer roter Blutkörperchen.

Konsequenterweise kann man die Bildung von Krebstumoren als einen fehlgeleiteten Entwicklungsprozeß betrachten. Viele Faktoren, die die Embryonalentwicklung eines Lebewesens steuern, sind auch an der Entstehung von Tumoren involviert. Das bekannteste Beispiel dieser Art ist das Krebsgen „ras”. Es ist gleich an mehreren Entwicklungsprozessen beteiligt, aber auch an der Entstehung von mindestens der Hälfte aller menschlichen Tumoren. Erkenntnisse der Entwicklungsbiologie können also für das Verständnis, wie Krebs entsteht, sehr hilfreich sein.

Ein grundlegendes Problem in der Entwicklungsbiologie betrifft die Struktur der Eizelle. Sie muß bereits alle Informationen für die Entwicklung des Lebewesens enthalten. Äußerlich weist sie keine Merkmale auf, die auf die Gestalt des Organismus hindeuten. Was aber ist in der Eizelle enthalten und wie entsteht Komplexes aus Einfachem?

Antworten auf diese Fragen gibt die Fruchtfliege Drosophila. Die kleine rotäugige Fliege, die sich an faulendem Obst und in Weingläsern sammelt, ist seit etwa einem Jahrhundert Modellobjekt für genetische Studien. Viele fundamentale Erkenntnisse über Gene, ihre Anordnung in Chromosomen und ihre Weitergabe an die nächste Generation wurden durch Untersuchungen an dieser Fliege gewonnen. Die Gene sind kleine Abschnitte im Erbgut, die die Information für ein Protein in verschlüsselter Form enthalten.

Im Gegensatz zu den Säugetieren entwickelt sich der Drosophila-Embryo außerhalb des Muttertiers, was die direkte Beobachtung ermöglicht. Nach nur 22 Stunden schlüpft aus dem Ei die Larve (im Volksmund: Made), ein segmentiertes wurmartiges Wesen.

Darüber hinaus läßt sich das Erbgut von Drosophila leicht handhaben. Sämtliche Entwicklungsprozesse werden von Genen gesteuert, sogenannten Entwicklungskontrollgenen. Werden sie ausgeschaltet, führt das zu Störungen des normalen Entwicklungsablaufs. Die fehlerhafte Entwicklung kann das Aussehen des betroffenen Tieres, der Mutante, ändern. Anhand des veränderten Erscheinungsbildes läßt sich die Funktion des defekten Gens bei der Entwicklung ableiten.

Da am Anfang unserer Arbeit nichts über spezifische Entwicklungskontrollgene bekannt war, haben wir in jahrelangen Experimenten nacheinander sämtliche Gene des Drosophila-Erbguts ausgeschaltet und Mutationen anhand von deutlich sichtbaren Veränderungen im Aussehen der Larve identifiziert und isoliert. Im Laufe dieser Untersuchungen wurden zwei Hauptgruppen von Entwicklungskontrollgenen entdeckt, die sich später weiter unterteilen ließen.

Die erste Hauptgruppe umfaßt etwa dreißig Gene. Sie sind bereits während der Eireifung im Mutterleib aktiv. Man spricht daher von maternalen (mütterlichen) Genen. Die maternalen Gene enthalten Programme für Proteine, die erst nach der Befruchtung der Eizelle benötigt werden, zu einem Zeitpunkt also, wenn die Mutter das Ei bereits abgelegt hat. Dennoch sind es die mütterlichen Gene, die den Embryo in bestimmte Zonen oder Felder, das sogenannte Vormuster, unterteilen. Die entsprechenden Proteine müssen also bereits während der Eireifung vom Muttertier in der Eizelle deponiert werden.

Die zweite Hauptgruppe der Entwicklungskontrollgene wird von der befruchteten Eizelle, der Zygote, selbst bereitgestellt. Sie werden daher als zygotische Gene bezeichnet.

Diese Gene stehen unter direkter Kontrolle der mütterlichen Gene. Das von der Mutter mitgelieferte Vormuster aktiviert je nach seiner Lage in der Eizelle die zygotischen Gene in unterschiedlicher Weise. Die mütterlichen Kontrollgene lassen sich in vier Untergruppen einteilen. Drei davon bestimmen das Vormuster entlang der Längsachse des Embryos, sie legen also fest, wo vorne und hinten ist. Ein bestimmter Gen-Defekt hat zum Beispiel zur Folge, daß die Larven keinen Kopf bilden. Das berühmteste Gen dieser Gruppe ist „bicoid” („Vom Ei zum Organismus”, in bild der Wissenschaft 9/1993).

Die vierte Untergruppe kontrolliert die Ausbildung von Rücken- und Bauchseite, der dorsoventralen Achse also. Die Bauchseite (ventral) der Larve ist an den Bändern pigmentierter Zähnchen zu erkennen, mit denen die Larve sich fortbewegt. Die Rückenseite (dorsal) zeigt dagegen feine Härchen.

Bisher wurden zwei Arten von Mutationen entdeckt, die das dorsoventrale Muster betreffen. Beim ersten Typ wird kein Rücken gebildet. Stattdessen dehnen sich die Bauchstrukturen aus und ersetzen das fehlende Rückengewebe. Die Zähnchenbänder umgeben am Ende den Embryo kreisförmig. Ein solches Erscheinungsbild erzeugen Mutationen im Gen „cactus”. Mutationen des zweiten Typs rufen das entgegengesetzte Erscheinungsbild hervor. Die Larve besteht nur noch aus Rückenstrukturen. Ein solches Erscheinungsbild erzeugen Mutationen im Gen „dorsal”.

Am Beispiel von dorsal und cactus soll illustriert werden, wie die mütterlichen Gene das Vormuster festlegen. Die Musterveränderungen der Larve zeigen sich am Ende der Embryonalentwicklung, nach etwa 22 Stunden. Die von den mütterlichen Genen erzeugten Proteine sind jedoch viel eher aktiv, schon in den ersten drei Stunden nach Befruchtung der Eizelle. Auch wenn noch keine Unterscheidungen sichtbar sind, haben inzwischen biochemische Prozesse stattgefunden, die den Embryo in bestimmte Felder aufteilen. Mit Hilfe spezifischer Färbemethoden kann man dieses Vormuster im Embryo zeigen.

Die Schlüsselkomponente der dorsoventralen Achsenbildung ist das Gen dorsal. Es wird schon in der Mutter aktiv, was zur Synthese des entsprechenden Proteins führt.

Das dorsal-Protein wird anschließend in die Eizelle transportiert. Im frühen Embryo ist es völlig homogen im Zellplasma verteilt. Die biochemische Funktion des dorsal-Proteins besteht in der Aktivierung von Genen der Eizelle.

Diese Funktion kann es jedoch nur im Zellkern ausüben, da alle Gene im Zellkern lokalisiert sind. Außerhalb, im Zellplasma, ist das dorsal-Protein also inaktiv, bis es in der Embryonalentwicklung benötigt wird. Die zeitweilige Bindung des dorsal-Proteins im Plasma wird durch das zweite Protein der Gene für die Bauch-Rückenbildung, durch cactus, kontrolliert. Cactus fungiert im Zellplasma sozusagen als Anker für das dorsal-Protein und hindert es am Eintritt in den Zellkern.

Nach der Befruchtung der Eizelle beginnt der Zellkern sich rasch zu teilen. Zwei Stunden später sind es schon viertausend Zellkerne, die wie ein Mantel den zentralen Dotter umgeben. Jetzt ist der Zeitpunkt zur Aktivierung des dorsal-Proteins gekommen. Der Proteinkomplex zwischen dorsal und cactus wird örtlich aufgelöst und das freie dorsal-Protein in die Kerne transportiert – allerdings nicht überall in der gleichen Konzentration, wie mit speziellen Färbemethoden gezeigt werden kann. Sie ist auf der Bauchseite maximal und fällt in weiter seitlich gelegenen Kernen gleichmäßig ab. Auf der Rückenseite ist das dorsal-Protein überhaupt nicht mehr im Kern vorhanden. Es hat sich ein vom Bauch zum Rücken abfallender Protein-Gradient gebildet.

Die Konzentration dieses Proteins, das noch von mütterlichen Genen gebildet wurde, reguliert nun die Aktivierung von zygotischen, also Genen des Embryos selbst. Dabei sind drei Varianten möglich:

• Eine Gruppe von zygotischen Zielgenen des dorsal-Proteins benötigt sehr hohe Konzentrationen des Proteins im Zellkern, um aktiviert zu werden, das Gen „twist” zum Beispiel. Es wird nur auf der Bauchseite aktiviert. An den Seiten des Embryos reicht die Konzentration des dorsal-Proteins dazu nicht mehr aus. Es ist also eine bestimmte Minimalkonzentration nötig, ein Schwellenwert, um das twist-Gen zu aktivieren. Es handelt sich um einen einfachen konzentrationsabhängigen „An-Aus” Mechanismus.

• Eine andere Gruppe von Zielgenen des Embryos wird von niedrigen Konzentrationen des dorsal-Proteins aktiviert, bei hohen Konzentrationen ist sie inaktiv. Das Aktivierungszentrum dieser Gene, auch Promoter genannt, enthält zwei Schalterstellen, an die das dorsal-Protein binden kann. Wenn nur einer dieser Schalter vom dorsal-Protein besetzt ist, werden diese Gene aktiviert. Das ist bei niedrigen Proteinkonzentrationen in den Zellkernen an den Seiten des Embryos der Fall. Bei den hohen Konzentrationen des dorsal-Proteins in den Kernen am Bauch werden beide Schalterstellen gleichzeitig besetzt. Das führt zu einem Kurzschluß, das Gen kann nicht mehr aktiviert werden. Auch das ist also ein „An-Aus”-Mechanismus, der von einem bestimmten Schwellenwert abhängt. Das Gen „sog” ist ein Beispiel für eine Regulation dieses Typs.

• Schließlich kann das dorsal-Protein nicht nur aktivieren, sondern auch Genaktivität unterdrücken. Diese Gene sind nur in Abwesenheit des dorsal-Proteins aktiv. Das ist auf der Rückenseite des Embryos der Fall.

Auf drei unterschiedliche Arten kann also der Embryo die Anweisungen aus den mütterlichen Genen in drei verschiedenen Zonen des wachsenden Organismus in räumlich begrenzte Aktivitäten umsetzen. Der Embryo hat sich zu einer komplexeren Struktur entwickelt.

Natürlich reicht die Unterteilung in drei Zonen unterschiedlicher Genaktivität nicht aus, aber das dorsal-Protein aktiviert und unterdrückt ja nicht nur die exemplarisch herausgegriffenen Gene. Es reguliert eine Vielzahl weiterer Zielgene mit unterschiedlichen Schwellenwerten.

Zusätzlich üben die zygotischen Gene aufeinander positive und negative Einflüsse aus, so daß das Wachstums-Muster ständig überarbeitet und verfeinert wird.

Die in Drosophila entdeckten genetischen und biochemischen Prozesse von Aktivierung und Unterdrückung kommen auch bei Wirbeltieren vor. Dabei werden zum Teil ähnliche Proteine benutzt wie in der Fruchtfliege. Diese können dieselben Funktionen ausüben. Es gibt zum Beispiel Frosch-Proteine, die im Fliegen-Embryo die gleiche Wirkung bei der Differenzierung in Bauch und Rücken haben. Es scheint also, daß die Natur grundlegende Entwicklungsprozesse in vielen verschiedenen Lebewesen, von Drosophila bis hin zum Menschen, in ähnlicher Form steuert.

Jüngstes Beispiel für dieses Prinzip ist die Entdeckung, daß ein verwandtes Gen in Drosophila und in der Maus die Ausbildung der Augen kontrolliert. Das daraufhin eingeleitete Entwicklungsprogramm verläuft später unterschiedlich und mündet in die völlig verschiedenen Augen von Fliege und Maus. Doch die grundlegende Entscheidung für die Augenbildung wird nach denselben Prinzipien von der Fliege bis zur Maus getroffen. Eine weitere bemerkenswerte Ähnlichkeit zwischen Drosophila und Säugetieren wurde vor etwa vier Jahren entdeckt:

Die Gene dorsal und cactus sind auch in Säugetieren vorhanden, heißen hier jedoch NFkB (dorsal) und IkB (cactus). Diese Gene werden allerdings bei den Säugern nicht für die Entwicklung des Organismus benötigt, sondern spielen später eine zentrale Rolle im Immunsystem.

In Struktur und Funktion sind sich die Gene von Fliegen und Säugetieren sehr ähnlich. Das NFkB-Protein wird vom IkB-Protein im Plasma der Zellen des Immunsystems verankert. Infiziert ein Krankheitserreger den Organismus, wird das IkB-Protein abgebaut und das NFkB-Protein in den Zellkern transportiert. Dort reguliert es die Aktivierung von immunspezifischen Genen. Es werden jetzt Antikörper produziert, die die Krankheitserreger bekämpfen.

NFkB ist bei vielen Krankheiten beteiligt, beispielsweise beim toxischen und septischen Schock, bei Entzündungsprozessen, Arteriosklerose, Strahlungsschäden und Krebs. Darüber hinaus wird es mit Abstoßungsreaktionen des Organismus bei Transplantaten in Verbindung gebracht, sowie mit der Auslösung von AIDS.

Ein genaues Verständnis der Aktivierung und Wirkungsweise von NFkB könnte die Entwicklung von entzündungshemmenden und das Immunsystem stärkenden Medikamenten ermöglichen. Die Arbeit mit den Embryos der Fruchtfliege und ihren Genen eröffnet damit die Möglichkeit, auch den Menschen und seine Krankheiten besser zu verstehen. So bereichern sich biologische Grundlagenforschung und medizinische Anwendung gegenseitig.

Mit freundlicher Genehmigung von: bild der wissenschaft, 1996, H. 1.

Erscheint in:

Krebserkrankungen; Entwicklungsbiologie; Gen