Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Netzwerke der Genaktivität steuern die Organentwicklung

27.06.2019

Erstmals haben Wissenschaftler in zwei großen Studien vergleichend die genetischen Programme entschlüsselt, die die Entwicklung wichtiger Organe beim Menschen und bei anderen ausgewählten Säugetieren vor und nach der Geburt steuern. Dabei konnten die Molekularbiologen der Universität Heidelberg unter anderem zeigen, dass alle untersuchten Organe fundamentale und ursprüngliche Genaktivitäts-Netzwerke aufweisen, die bereits in der Frühzeit der Säugetierevolution entstanden sein müssen.

Heidelberger Forscher veröffentlichen evolutionäre Studien zu entwicklungsgenetischen Programmen verschiedener Säugetiere


Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Henrik Kaessmann hat die Aktivität (Expression) von Genen in der Entwicklung von Säugetierorganen untersucht. Die Abbildung (Würfel) veranschaulicht die drei biologischen Dimensionen der Arbeiten: Spezies, Organe, Entwicklungsstadien. Die evolutionäre Verwandtschaft der Spezies ist in einem Stammbaum auf der linken vorderen Oberfläche des Würfels angedeutet, während die Expression eines beispielhaften Gens in der Entwicklung in verschiedenen Organen auf der rechten vorderen Oberfläche anschaulich gemacht wird.

Quelle: Forschungsgruppe Kaessmann

Erstmals haben Wissenschaftler vergleichend die genetischen Programme entschlüsselt, die die Entwicklung wichtiger Organe beim Menschen und bei anderen ausgewählten Säugetieren – Rhesusaffe, Maus, Ratte, Kaninchen und Opossum – vor und nach der Geburt steuern.

Die Molekularbiologen der Universität Heidelberg analysierten dazu mithilfe moderner Sequenzierungstechnologien neben Gehirn und Herz auch Leber, Niere, Hoden und Eierstock. Ihre großangelegte Studie hat unter anderem gezeigt, dass alle untersuchten Organe fundamentale und ursprüngliche Genaktivitäts-Netzwerke aufweisen, die bereits in der Frühzeit der Säugetierevolution vor mehr als 200 Millionen Jahren entstanden sein müssen.

In einer zweiten großen Studie wurden zum ersten Mal die Funktionen einer bisher wenig verstandenen, aber großen Kategorie von Genen in der Entwicklung der Säugetiere beleuchtet, die sogenannten RNA-Gene, deren Aktivität lange Ribonukleinsäuren und nicht – wie „normale“ Gene – Proteine hervorbringt.

Ein fein abgestimmtes und komplexes Zusammenspiel der Aktivität einer großen Zahl von Genen – auch Genexpression genannt – steuert die Entwicklung von einer befruchteten Eizelle zum erwachsenen Lebewesen. Bisher war das Verständnis dieser essentiellen genetischen Programme in Säugetieren auf einzelne Protein-Gene und bestimmte Organe oder Entwicklungsphasen beschränkt. Zudem wurden unter den vielen Arten vorwiegend Mäuse untersucht.

„Weitgehend unbekannt waren somit die genetischen Grundlagen, die die Unterschiede von Organen hinsichtlich Größe, Struktur und Funktion in verschiedenen Säugetieren ausmachen“, so Prof. Dr. Henrik Kaessmann, der am Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg (ZMBH) die Forschungsgruppe „Evolution des Säugetiergenoms“ leitet.

Um die genetischen Entwicklungsprogramme umfassend zu untersuchen, hat das Kaessmann-Team neuartige Hochdurchsatz-Verfahren eingesetzt. Diese sogenannten Next-Generation-Sequenzierungstechnologien (NGS) erlauben es, die Expression aller Gene im jeweiligen Genom gleichzeitig zu analysieren.

Mithilfe dieser NGS wurden mehr als 100 Milliarden Aktivitätsschnipsel sowohl von Protein-Genen als auch RNA-Genen aus den verschiedenen Organen und Säugetieren abgelesen. „Damit konnten wir die im Verlauf der Entwicklung wechselnden Genaktivitäten quantifizieren und vergleichen“, erläutern Dr. Margarida Cardoso-Moreira und Ioannis Sarropoulos, die Erstautoren der zwei Veröffentlichungen, die zu den Studien erschienen sind.

Die bioinformatischen Analysen der Daten wurden mit Hochleistungsrechnern des Universitätsrechenzentrums Heidelberg durchgeführt. Sie haben neue Einsichten in die genetische Steuerung der Organentwicklung bei Säugetieren geliefert.

So arbeiten die fundamentalen und ursprünglichen Genaktivitäts-Netzwerke, die die Forscher entdeckt haben, in allen untersuchten Säugetieren – der Mensch zählt zu den Säugetieren – ähnlich und bestimmen Schlüsselprozesse der Entwicklung.

Das bedeutet, dass diese molekularen Netzwerke schon vor mehr als 200 Millionen Jahren die Organentwicklung früher Säugetierarten kontrolliert haben.

Gleichzeitig fanden die Wissenschaftler eine überraschend große Anzahl von Genen, deren Aktivitätsmuster in den verschiedenen Säugetierarten deutlich voneinander abweichen. Diese Unterschiede, die im Laufe der Evolution entstanden sind, erklären die besonderen Organmerkmale der jeweiligen Arten. Für die Gene, die die Gehirnentwicklung steuern, konnten die Heidelberger Forscher beispielsweise für den Menschen eigene Expressionsmuster identifizieren.

Insgesamt konnten die Forscher auch einer überraschend großen Anzahl von RNA-Genen Funktionen in der Steuerung der Organentwicklung zuweisen. Somit spielt dieser bisher schwer zu charakterisierende Gentypus eine wichtige Rolle in der Entwicklung der Säugetiere, wie Prof. Kaessmann betont.

In ihren großangelegten Studien identifizierten die Forscher des ZMBH ein übergeordnetes Muster im Ablauf der genetischen Programme. Während sie in der frühen, das heißt vorgeburtlichen Phase der Organentwicklung in allen untersuchten Säugetieren noch sehr ähnlich ablaufen, weichen sie im weiteren Verlauf immer stärker voneinander ab. „Die Eigenschaften der Organe, die für eine Art bestimmend sind, entstehen also erst spät im Laufe der Entwicklung“, betont Prof. Kaessmann.

„Wir haben damit erstmals mit modernen molekularen Methoden eine richtungsweisende Hypothese der Biologie aus dem 19. Jahrhundert untermauert.“ Der deutsch-baltische Naturforscher Karl Ernst von Baer (1792 bis 1876) erkannte bei Wirbeltieren, dass die Embryonen verschiedener Arten immer schwerer zu unterscheiden sind, je jünger sie angetroffen werden.

An den Arbeiten waren Wissenschaftler aus China, Großbritannien, Portugal, Russland, Schweden, der Schweiz und den USA beteiligt. Die Studien wurden vom European Research Council und dem Schweizerischen Nationalfonds sowie mit einem Marie-Curie-Stipendium der Europäischen Union gefördert. Die Daten sind in einer frei zugänglichen Datenbank abrufbar. Die Forschungsergebnisse wurden in „Nature“ veröffentlicht.

Bilderläuterung:
Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Henrik Kaessmann hat die Aktivität (Expression) von Genen in der Entwicklung von Säugetierorganen untersucht. Die Abbildung (Würfel) veranschaulicht die drei biologischen Dimensionen der Arbeiten: Spezies, Organe, Entwicklungsstadien. Die evolutionäre Verwandtschaft der Spezies ist in einem Stammbaum auf der linken vorderen Oberfläche des Würfels angedeutet, während die Expression eines beispielhaften Gens in der Entwicklung in verschiedenen Organen auf der rechten vorderen Oberfläche anschaulich gemacht wird.
Quelle: Forschungsgruppe Kaessmann

Kontakt:
Universität Heidelberg
Kommunikation und Marketing
Pressestelle, Telefon (06221) 54-2311
presse@rektorat.uni-heidelberg.de

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Henrik Kaessmann
Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg (ZMBH)
Telefon (06221) 54-5854
h.kaessmann@zmbh.uni-heidelberg.de

Originalpublikation:

M. Cardoso-Moreira, J. Halbert, D. Valloton, B. Velten, C. Chen, Y. Shao, A. Liechti, K. Ascenção, C. Rummel, S. Ovchinnikova, P.V. Mazin, I. Xenarios, K. Harshman, M. Mort, D.N. Cooper, C. Sandi, M. J. Soares, P.G. Ferreira, S. Afonso, M. Carneiro, J.M. Turner, J.L. VandeBerg, A. Fallahshahroudi, P. Jensen, R. Behr, S. Lisgo, Susan Lindsay, P. Khaitovich, W. Huber, J. Baker, S. Anders, Y.E. Zhang & Henrik Kaessmann: Gene expression across mammalian organ development. Nature (2019), doi: 10.1038/s41586-019-1338-5

I. Sarropoulos, R. Marin, M. Cardoso-Moreira & H. Kaessmann: Developmental dynamics of lncRNAs across mammalian organs and species. Nature (2019), doi: 10.1038/s41586-019-1341-x

Weitere Informationen:

http://www.zmbh.uni-heidelberg.de/Kaessmann
http://evodevoapp.kaessmannlab.org
http://lncrnas.kaessmannlab.org

Marietta Fuhrmann-Koch | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Immunologie - Rachenmandeln als Test-Labor
27.02.2020 | Ludwig-Maximilians-Universität München

nachricht Pestizide erhöhen Risiko für Tropenkrankheit Schistosomiasis / Belastete Gewässer fördern Zwischenwirt des Erregers
27.02.2020 | Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ

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: Wiegende Halme auf der Handwerksmesse München

Talente-Sonderschau: Architekturstudenten der HTWK Leipzig zeigen filigrane Skulptur aus Strohhalmen – dahinter steckt eine Konstruktionsidee für organisch gekrümmte Fassaden

Swaying Straws (Wiegende Halme) heißt die Skulptur, die die zwei Architekturstudenten Fabian Eidner und Theodor Reinhardt von der Hochschule für Technik,...

Im Focus: Wissenschaftler beleuchten aktuellen Stand der Anwendung des Maschinenlernens bei Forschung an aktiven Materialien

Verfahren des Maschinenlernens haben durch die Verfügbarkeit von enormen Datenmengen in den vergangenen Jahren einen großen Zuwachs an Anwendungen in vielen Gebieten erfahren: vom Klassifizieren von Objekten, über die Analyse von Zeitreihen bis hin zur Kontrolle von Computerspielen und Fahrzeugen. In einem aktuellen Review in der Zeitschrift „Nature Machine Intelligence“ beleuchten Autoren der Universitäten Leipzig und Göteborg den aktuellen Stand der Anwendung und Anwendungsmöglichkeiten des Maschinenlernens im Bereich der Forschung an aktiven Materialien.

Als aktive Materialien bezeichnet man Systeme, die durch die Umwandlung von Energie angetrieben werden. Bestes Beispiel für aktive Materialien sind biologische...

Im Focus: Computersimulationen stellen bildlich dar, wie DNA erkannt wird, um Zellen in Stammzellen umzuwandeln

Forscher des Hubrecht-Instituts (KNAW - Niederlande) und des Max-Planck-Instituts in Münster haben entdeckt, wie ein essentielles Protein bei der Umwandlung von normalen adulten humanen Zellen in Stammzellen zur Aktivierung der genomischen DNA beiträgt. Ihre Ergebnisse werden im „Biophysical Journal“ veröffentlicht.

Die Identität einer Zelle wird dadurch bestimmt, ob die DNA zu einem beliebigen Zeitpunkt „gelesen“ oder „nicht gelesen“ wird. Die Signalisierung in der Zelle,...

Im Focus: Bayreuther Hochdruck-Forscher entdecken vielversprechendes Material für Informationstechnologien

Forscher der Universität Bayreuth haben ein ungewöhnliches Material entdeckt: Bei einer Abkühlung auf zwei Grad Celsius ändern sich seine Kristallstruktur und seine elektronischen Eigenschaften abrupt und signifikant. In diesem neuen Zustand lassen sich die Abstände zwischen Eisenatomen mithilfe von Lichtstrahlen gezielt verändern. Daraus ergeben sich hochinteressante Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Informationstechnologien. In der Zeitschrift „Angewandte Chemie – International Edition“ stellen die Wissenschaftler ihre Entdeckung vor. Die neuen Erkenntnisse sind aus einer engen Zusammenarbeit mit Partnereinrichtungen in Augsburg, Dresden, Hamburg und Moskau hervorgegangen.

Bei dem ungewöhnlichen Material handelt es sich um ein Eisenoxid mit der Zusammensetzung Fe₅O₆. In einem Hochdrucklabor des Bayerischen Geoinstituts (BGI),...

Im Focus: Von China an den Südpol: Mit vereinten Kräften dem Rätsel der Neutrinomassen auf der Spur

Studie von Mainzer Physikern zeigt: Experimente der nächsten Generation versprechen Antworten auf eine der aktuellsten Fragen der Neutrinophysik

Eine der spannendsten Herausforderungen der modernen Physik ist die Ordnung oder Hierarchie der Neutrinomassen. Eine aktuelle Studie, an der Physiker des...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hate Speech bis KI: Online-Forscher_innen aus aller Welt treffen sich zur General Online Research an der HTW Berlin

28.02.2020 | Veranstaltungen

CLIMATE2020 – Weltweite Online-Klimakonferenz vom 23. bis 30. März 2020

26.02.2020 | Veranstaltungen

Automatisierung im Dienst des Menschen

25.02.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Asteroid in eiserner Rüstung

28.02.2020 | Geowissenschaften

Hate Speech bis KI: Online-Forscher_innen aus aller Welt treffen sich zur General Online Research an der HTW Berlin

28.02.2020 | Veranstaltungsnachrichten

UV-Licht gegen störenden Unterwasserbewuchs – Innovatives Antifouling-System des IOW jetzt reif für Serienproduktion

28.02.2020 | Energie und Elektrotechnik

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics