Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wenn jedes Lichtquant zählt - Ungewöhnliche Zellkerne lassen Nachttiere besser sehen

17.04.2009
Augen nachtaktiver Säugetiere verfügen über besonders viele hochempfindliche Stäbchen-Fotorezeptoren. Das ist der für das Nachtsehen zuständige Sehzelltyp. Schließlich müssen sie Licht wahrnehmen, dessen Intensität millionenfach unter der des Tageslichts liegt.

Ein internationales Team um die LMU-Forscher Dr. Boris Joffe, Dr. Irina Solovei und Professor Thomas Cremer konnte nun zeigen, dass sich der nächtliche Lebensstil und die damit verbundenen Herausforderungen dauerhaft auf die Organisation der Zellkerne in den Stäbchen ausgewirkt haben: Dicht gepackte inaktive und weniger dicht gepackte aktive Bereiche des Erbmoleküls DNA sind anders verteilt als bei den übrigen Körperzellen fast aller Organismen vom Einzeller bis zum Vielzeller - einschließlich der Stäbchen tagaktiver Säuger.

"Es gibt auch eine Erklärung für diese Abweichung", sagt Joffe. "Die Zellkerne der nachtaktiven Säuger fungieren in dieser speziellen Anordnung als Sammellinsen, die das eintreffende Licht bündeln. Computersimulationen zeigen, dass mehrere solcher Zellkerne übereinander das Licht sehr effektiv zu den lichtsensitiven Außensegmenten der Stäbchen lenken. Die veränderte Organisation der Stäbchen-Zellkerne verbessert also das nächtliche Sehen der Tiere - und liefert neue Erkenntnisse zur Evolution der Retina bei Säugetieren und zum Verständnis der räumlichen Organisation des Zellkerns." (Cell, 17. April 2009)

Zellkerne als Verpackungskünstler: Das Erbmolekül DNA einer diploiden Säugerzelle ist zwei Meter lang, muss aber in den nur wenige Mikrometer großen Zellkern passen. Die fadenförmigen Moleküle des Erbmaterials sind mit Proteinen als sogenanntes Chromatin verpackt. Dabei sind DNA-Abschnitte, deren genetische Information gerade benötigt wird, weniger eng gepackt und besser zugänglich. Dieses sogenannte Euchromatin befindet sich typischerweise in inneren Bereichen des Zellkerns. Ein erheblicher Teil des Heterochromatins mit den "nicht benötigten" DNA-Bereichen liegt dagegen an der Peripherie des Zellkerns. Diese Art der Organisation hat sich im Lauf der letzten 500 Millionen Jahre bei fast ausnahmslos allen höheren Organismen etabliert.

"Diese Anordnung ist so universell, dass man von der 'konventionellen Architektur' des Zellkerns sprechen kann", meint Dr. Boris Joffe vom Biozentrum der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. "Umso überraschender ist die jetzige Erkenntnis, dass es doch prinzipielle Unterschiede bei der Anordnung gibt - und dass diese von der Lebensweise abhängen." Ein interdisziplinäres Team von Forschern der LMU, des Max-Planck-Instituts für Hirnforschung in Frankfurt und des Cavendish Laboratory in Cambridge konnte zeigen, dass bei nachtaktiven Säugetieren die Anordnung des Chromatins in den Stäbchenkernen genau umgekehrt ist: Das dicht gepackte Heterochromatin befindet sich im Zellkern-Inneren, während das weniger dicht gepackte Euchromatin mit den aktiven DNA-Bereichen an der Peripherie liegt.

Die Erklärung für die ungewöhnliche Architektur dieser Zellkerne liegt in der Biologie der Sinneswahrnehmung. Beim Menschen und bei allen anderen Wirbeltieren muss das Licht erst die Netzhaut, die Retina, durchdringen, um auf die lichtempfindlichen äußeren Teile der Fotorezeptoren zu stoßen. Und hier stehen die nachtaktiven Tiere vor einem Dilemma: Sie brauchen besonders viele Stäbchen zur Detektion des schwachen Lichts, wodurch aber ihre Retina dicker wird und mehr Licht durch Streuung verliert, bevor es die Außensegmente der Fotorezeptoren erreicht. Zur Lösung des Problems machte sich die Evolution eine physikalische Besonderheit des dicht gepackten Heterochromatins zunutze.

Wegen seiner höheren Packungsdichte wirkt Heterochromatin stärker lichtbrechend als Euchromatin. Dieser Effekt kommt nicht zum Tragen, wenn das Heterochromatin in der Peripherie des Zellkerns liegt. Wenn es sich dagegen im Inneren des Zellkerns zusammenballt, wirkt das Heterochromatin wie eine winzige Sammellinse. Weil die Stäbchenkerne in Säulen angeordnet sind, kommen mehrere dieser Mikrolinsen übereinander zu liegen. Das an sich wenig intensive Licht wird so - das zeigen Computersimulationen - fast ohne Streuverluste gebündelt und durch die Retina geleitet, es trifft fokussierter auf die lichtempfindlichen Außensegmente der Fotorezeptoren.

Die ungewöhnliche Architektur der Stäbchen-Zellkerne liefert zudem neue Erkenntnisse zur frühen Evolution der Säugetiere. Denn die besondere Anordnung des genetischen Materials muss schon vor mehr als hundert Millionen Jahren erstmals aufgetreten sein. Zu dieser Zeit haben sich die Vorfahren der heutigen Säugetiere an ein nachtaktives Leben angepasst, um den damals dominanten fleischfressenden Reptilien zu entgehen. Während die nachtaktiven Nachfahren die invertierte Architektur der Stäbchenkerne beibehalten haben, kehrten später tagaktiv gewordene Nachfahren - auch wir Menschen - zur konventionellen Organisation zurück.

"Das bestätigt uns die Überlegenheit der konventionellen Kernarchitektur", so Joffe. "Die von uns gefundene invertierte Zellkernorganisation bringt offensichtlich noch unbekannte Nachteile mit sich. Eine mögliche Erklärung besteht darin, dass die konventionelle Architektur es für Chromosomen leichter macht, die aktiven Kernbereiche gemeinsam zu nutzen. Aber bei den nachtaktiven Säugetieren scheint der Vorteil verbesserter Nachtsicht überwogen zu haben" (suwe)

Publikation:
"Nuclear architecture of rod photoreceptor cells adapts to vision in mammalian evolution",
Irina Solovei, Moritz Kreysing, Christian Lanctot, Süleyman Kösem, Leo Peichl, Thomas Cremer, Jochen Guck, Boris Joffe,

Cell, 17. April 2009

Ansprechpartner:
Professor Dr. Thomas Cremer
Biozentrum der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München
Tel.: 089 / 2180 - 74329
Fax: 089 / 2180 - 74331
E-Mail: thomas.cremer@lrz.uni-muenchen.de
Dr. Boris Joffe
Biozentrum der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München
Tel.: 089 / 2180 - 74332
Fax: 089 / 2180 - 74331
E-Mail: boris.joffe@lrz.uni-muenchen.de

Luise Dirscherl | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-muenchen.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Auf der molekularen Streckbank
24.02.2017 | Technische Universität München

nachricht Sicherungskopie im Zentralhirn: Wie Fruchtfliegen ein Ortsgedächtnis bilden
24.02.2017 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: „Vernetzte Autonome Systeme“ von acatech und DFKI auf der CeBIT

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI) in Kooperation mit der Deutschen Messe AG vernetzte Autonome Systeme. In Halle 12 am Stand B 63 erwarten die Besucherinnen und Besucher unter anderem Roboter, die Hand in Hand mit Menschen zusammenarbeiten oder die selbstständig gefährliche Umgebungen erkunden.

Auf der IT-Messe CeBIT vom 20. bis 24. März präsentieren acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften und das Deutsche Forschungszentrum für...

Im Focus: Kühler Zwerg und die sieben Planeten

Erdgroße Planeten mit gemäßigtem Klima in System mit ungewöhnlich vielen Planeten entdeckt

In einer Entfernung von nur 40 Lichtjahren haben Astronomen ein System aus sieben erdgroßen Planeten entdeckt. Alle Planeten wurden unter Verwendung von boden-...

Im Focus: Mehr Sicherheit für Flugzeuge

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem totalen Triebwerksausfall zum Einsatz kommt, um den Piloten ein sicheres Gleiten zu einem Notlandeplatz zu ermöglichen, und ein Assistenzsystem für Segelflieger, das ihnen das Erreichen größerer Höhen erleichtert. Präsentiert werden sie von Prof. Dr.-Ing. Wolfram Schiffmann auf der Internationalen Fachmesse für Allgemeine Luftfahrt AERO vom 5. bis 8. April in Friedrichshafen.

Zwei Entwicklungen am Lehrgebiet Rechnerarchitektur der FernUniversität in Hagen können das Fliegen sicherer machen: ein Flugassistenzsystem, das bei einem...

Im Focus: HIGH-TOOL unterstützt Verkehrsplanung in Europa

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt sich bewerten, wie verkehrspolitische Maßnahmen langfristig auf Wirtschaft, Gesellschaft und Umwelt wirken. HIGH-TOOL ist ein frei zugängliches Modell mit Modulen für Demografie, Wirtschaft und Ressourcen, Fahrzeugbestand, Nachfrage im Personen- und Güterverkehr sowie Umwelt und Sicherheit. An dem nun erfolgreich abgeschlossenen EU-Projekt unter der Koordination des KIT waren acht Partner aus fünf Ländern beteiligt.

Forschung am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) unterstützt die Europäische Kommission bei der Verkehrsplanung: Anhand des neuen Modells HIGH-TOOL lässt...

Im Focus: Zinn in der Photodiode: nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Jülicher Physiker haben nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.

Schon lange suchen Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aufbruch: Forschungsmethoden in einer personalisierten Medizin

24.02.2017 | Veranstaltungen

Österreich erzeugt erstmals Erdgas aus Sonnen- und Windenergie

24.02.2017 | Veranstaltungen

Big Data Centrum Ostbayern-Südböhmen startet Veranstaltungsreihe

23.02.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Fraunhofer HHI auf dem Mobile World Congress mit VR- und 5G-Technologien

24.02.2017 | Messenachrichten

MWC 2017: 5G-Hauptstadt Berlin

24.02.2017 | Messenachrichten

Auf der molekularen Streckbank

24.02.2017 | Biowissenschaften Chemie