Der diesjährige Nobelpreis für Medizin und Physiologie wurde an die Amerikaner Edward Lewis und Eric Wieschaus, sowie an die deutsche Entwicklungsbiologin Christiane Nüsslein-Volhard verliehen. Sie erhielten den Preis für ihre Arbeit zur Aufklärung der Steuerung der Embryonalentwicklung bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster.
Diese kleine Fliege ist seit Anbeginn unseres Jahrhunderts das klassische Untersuchungsobjekt der Genetiker und Entwicklungsbiologen. Auch an unserer Universität wird noch viel an Drosophila geforscht, was jede Biologiestudentin und jeder Biologiestudent im Genetik-Grundpraktikum selbst erfahren kann. Auch für unseren mittlerweile emeritierten Professor Oswald Hess war die "Fliege" das Lieblingshaustier, wenngleich er sich mehr mit Drosophila hydei beschäftigte. Daßfür eine Arbeit mit Drosophila, einem immer wieder tot gesagtem Forschungsobjekt, nochmals ein Nobelpreis verliehen wird, prophezeite Professor Hess übrigens schon vor zwei Jahren!
Wieso ist diese kleine Fliege seit fast einem Jahrhundert immer noch ein so beliebtes Forschungsobjekt? Der wichtigste Grund ist sicherlich die rasche Generationenfolge: Ein Weibchen legt etwa zwei Wochen lang jeden Tag über hundert Eier, aus denen sich innerhalb von zwölf Tagen eine Fliege entwickelt. Es können also relativ schnell mutierte Larven oder Fliegen gefunden und ausgewertet werden. Hinzu kommt, daßDrosophila recht häufig spontane Mutationen zeigt, was die Arbeit sehr erleichtert.
Abb. 2: Der Entwicklungsverlauf von Drosophila.
Die drei Preisträger sind der Frage nachgegangen, welche Gene die Embryonalentwicklung der befruchteten Eizelle steuern. Edward Lewis war es bereits in den fünfziger Jahren gelungen, den genetischen Defekt für die Mutante Bithorax (zwei anstatt ein Flügelpaar) zu finden (s. Abb. 1). Bei diesem genetischen Defekt ist ein homöotisches ("ähnliches") Gen mutiert. Mutationen in solchen Genen bewirken, daßein Segment der Fliege sich falsch differenziert; bei der Bithorax-Mutante entstehen im dritten Thoraxsegment anstatt Schwingkölbchen (Halteren) Flügel, so wie es für das zweite Thoraxsegment normal ist. Homöotische Gene haben eine wichtige Funktion bei der Steuerung der Embryonalentwicklung, was von Edward Lewis als erstem erkannt wurde und mittlerweile als trivial gilt. Im Zusammenhang hiermit wurden auch die sogenannten Homöoboxen entdeckt, ein den homöotischen Genen gemeinsamer, 180 Basenpaare langer, DNA-Abschnitt. Diese Homöoboxen geistern seitdem quer durch das Tier- und Pflanzenreich.
Christiane Nüsslein-Volhard und Eric Wieschaus haben gemeinsam am Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie in Heidelberg systematisch nach Entwicklungsmutanten bei Drosophila gesucht. Dabei entdeckten sie drei verschiedene Mutationsklassen (s. Abb. 2), die die Organisation der Larve in spezieller Weise verändern: Musterduplikation in jedem Segment (Segmentpolaritäts-Mutanten, sechs Loci), Musterdeletionen in alternierenden Segmenten (Paarregel-Mutanten, sechs Loci) und Deletionen von einer Gruppe von angrenzenden Segmenten (Lücken-Mutanten, drei Loci). Nüsslein-Volhard und Wieschaus haben versucht, alle Genorte (Loci) zu identifizieren, die für die Musterbildung erforderlich sind. Die Identifikation dieser Gene und die Beschreibung ihres Phänotyps trug zum besseren Verständnis der generellen Mechanismen bei, die verantwortlich für die Bildung von metameren (sich wiederholenden) Muster sind.
Entwicklungsgeschichte
Bei Drosophila entstehen die Anlagen jedes individuellen Segmentes als gleichmäßige Unterteilung des Blastoderms, jedes Segment wird durch einen querlaufenden Streifen von vier oder fünf Zellen Durchmesser repräsentiert. Die Festlegung der Entwicklung jeder einzelnen Zelle (Zellinienrestriktion) ist in diesem Stadium oder kurz danach etabliert. Abbildung 3 zeigt die Entwicklung der Köperstrukturen von Drosophila melanogaster.
Abb. 1: Das Foto zeigt eine Taufliege (Drosophila melanogaster) mit der Mutation Bithorax (Dreifachmutante in abx, bx und pbx). Foto: Edward Lewis.
Die Entwicklung kann auf zwei Ebenen betrachtet werden, deren Beziehungen aber bis heute noch nicht ganz aufgeklärt sind. Zum einen sind es Segmente, zum anderen Kompartimente. Unter Segment versteht man die morphologisch sichtbare Struktur, ein Kompartiment hingegen ist eine genetische Entwicklungseinheit. Die Kompartimente werden von einer kleinen Anzahl von Gründerzellen aufgebaut; jedes individuelle Kompartiment stammt also von einer einzigen Gründerzelle ab! Schon im Blastoderm ist eine Anlagenkarte nachweisbar, die bestimmt, aus welchen Zellen des Embryos später die einzelnen Teile des adulten Tieres werden. Die Hauptmasse des Embryos ordnet sich hier abwechselnd in anteriorer (A) und posteriorer (P) Kompartimente. Das Blastoderstadium kann man auch noch in sogenannte Parasegmente unterteilen. Aus dem anterioren Teil eines Parasegmentes und dem posterioren Teil eines benachbarten Parasegmentes entsteht in der Larve ein Segment.
Die Mutanten
Schon vor der Veröffentlichung von Nüsslein-Volhard und Wieschaus wurden zwei Basistypen von Mutationen beschrieben, welche die Segmentmuster der Drosophila-Larve ändern. Da gibt es zum einen Mutationen mit maternalem Effekt wie Bicaudal; sie bewirken globale Veränderungen der Musterbildung im Embryo. Bicaudale Embryonen entwickeln zwei Posterior-Enden mit Spiegelbild-Symmetrie; es fehlen Kopf, Thorax und Anterior-Abdomen. Der bicaudale Phänotyp ließvermuten, daßdie anfängliche räumliche Organisation des Eies, die während der Oogenese etabliert wird, durch einen morphogenetischen Gradienten beeinflußt wird, welcher die Anteroposterior-Koordinaten im frühen embryonalen Stadium definiert. Mittlerweile weißman, daßmütterliche mRNA für Regulatorproteine im Ei enthalten sind. Die Unterteilung des Embryos in Segmente kann man sich als differenzierte Antwort des zygotischen Genoms auf diesen maternalen Gradienten vorstellen. In diesem Prozeßscheinen die bereits erwähnten homöotischen Genen involviert zu sein. Die homöotischen Loci haben keinen Einflußauf die Gesamtzahl, Größe oder Polarität der Segmente, ebenso wenig setzen sie an irgendeinem anderen Punkt an, welcher zwischen dem maternalen Gradienten und dem letztendlichen Muster der Segmente involviert ist.
Das Segmentmuster in normalen Drosophila-Larven
Der larvale Köper umfaßt drei thoracale und acht abdominale Segmente. Obwohl Unterschiede zwischen den verschiedenen Körperregionen zu sehen sind, haben sicher alle Segmente gemeinsame morphologische Merkmale. Das Vorderende jedes Segmentes wird durch ein Band von Zähnchen markiert, das Hinterende jedes Segmentes ist nackt. Die Segmentgrenzen laufen entlang der Anteriorbegrenzung des Zähnchenbandes; sie haben keine speziellen morphologischen Merkmale. Die Polarität des Musters wird durch die Orientierung des mit Zähnchen besetzten Streifens und, im Abdomen, durch die Form des Bandes induziert. In den Thorax-Segmenten sind die Bänder schmaler und mit feineren Zähnchen, wo hingegen solche in den abdominalen Segmenten breiter und von dick pigmentierten Zähnchen eingeschlossen sind.
Abb. 3: Halbschematische Zeichnung, welche einige Mutanten der drei neuen Mutationsklassen darstellt.
SegmentpolaritätsmutantenDiese Mutanten haben die normale Anzahl von Segmenten, aber in jedem Segment fehlt eine definierte Fraktion des normalen Musters und der Rest zeigt sich als Spiegelbild-Duplikation. Der duplizierte Teil liegt posterior zum normalen Teil und hat die umgekehrte Polarität. Alle diese Mutatationen sind lethal und der Phänotyp wird nur in homozygoten Larven ausgebildet.
Paarregel-Mutanten
In diesen Mutanten fehlen immer homologe Teile des Musters in jedem Segment. Alle Mutationen betreffen Regionen mit einer doppelten Segmentwiederholung. Die Grenzen der fehlenden Regionen stimmen nie mit den Segmentgrenzen überein. Wenn die fehlenden Regionen größer sind als einzelne Segmente, so werden Teile von zwei anstatt einem angrenzenden Segment mit eingeschlossen. Diese Mutantionen zeigen, daßwährend einiger Stadien in der normalen Entwicklung der Embryo in sich wiederholende Einheiten organisiert ist, deren Länge mit zwei späteren segmentalen Anlagen korrespondiert.
Lücken-Mutanten
In dieser dritten Klasse von Mutationen gibt es im Gegensatz zu den beiden vorangegangenen Mutationsklassen keine alternierenden Deletionsmuster entlang der Anteroposterior-Achse des Embryos. Hier fehlen bis zu acht aneinandergrenzende Segmente im letztendlichen Muster der Larve. Alle entdeckten mutierten Genloci sind für eine normale segmentale Unterteilung einer zusammenhängenden Körperregion erforderlich. Das Fehlen von sich wiederholenden Defekten läßt darauf schließen, daßdie Loci in einen Prozeßinvolviert sind, in welchem Positionen entlang der Anteroposterior-Achse des Embryos durch einen einmaligen Vorgang definiert werden.
Die jetzt ausgezeichneten Arbeiten haben zum grundlegenden Verständnis von Entwicklungsvorgängen geführt und zwar in allen Bereichen der belebten Natur. So konnten durch moderne molekularbiologische Methoden auch verwandte Gene bei Vertebraten gefunden werden. Dies geht so weit, daßdie Reihenfolge der homöotischen Gene auf den Chromosomen bei der Fliege die gleiche Reihenfolge haben wie beim Menschen, so daßman sich jetzt z. B. daran macht, die genetischen Mechanismen der Krebsentstehung und von Mißbildungen aufzuklären.
Referenzen:
Ch. Nüsslein-Volhard & E. Wieschaus: "Mutations affecting segment number and polarity in Drosophila", Nature 287, 1980, 795 - 801.
O. Serafimov: "Vom Ei zur Larve: Medizin-Nobelpreis für drei Biologen", CLB 11, 1995, 525.
G. Jürgens: "Nobelpreis für deutsche Entwicklungsbiologin", BIOspektrum 6, 1995, 13 - 15.
B. Lewin: "Gene", VCH-Verlag, 1. Auflage 1988.
