Homöobox-Gene und der Wirbeltier-Bauplan

Homöobox-Gene und der Wirbeltier-Bauplan

Was sind eigentlich „Homöobox-Gene“?

„Homöobox-Gene“ sind Gene, die den Bauplan von Lebewesen in der Embryonalentwicklung festlegen. Die Aktivität (Expression) dieser Gene untergliedert den Embryo entlang der Kopf- Schwanz-Achse in Zellareale, aus denen letztlich unterschiedliche Körperstrukturen wie Organe und Gliedmaßen entstehen.

Wie kontrollieren diese Gene die Entwicklung eines Lebewesens?

Die Tätigkeit dieser Gene unterteilt den Embryo im Frühstadium in zelluläre Areale mit dem schon spezielleren Entwicklungspotential für bestimmte Gewebe und Organe.

Der Frosch als Beispiel:

- Frosch- Eizelle teilt sich 90 Minuten nach der Befruchtung in zwei Tochterzellen (Bild 2a und 2b).
- Weitere Teilungen alle 30 Minuten, bis sich etwa 4000 Zellen gebildet haben (Bild 2c). Hier sehen mit bloßem Auge noch alle Zellen gleich aus, aber einige am Äquator sind dazu bestimmt, das Mesoderm (mittleres Keimblatt in der menschlichen und tierischen Embryonalentwicklung) zu bilden.
- Das nächste Stadium ist die sog. „Gastrulation“: hier verlagern sich die dotterreichen Zellen samt der Zellschicht, die das Mesoderm bildet, in das Innere des Embryos (Bild 2d und 2e). Jetzt kann man zum ersten Mal die drei Zellschichten (Ektoderm, Mesoderm und Entoderm), jeweils mit verschiedenen Entwicklungspotentialen, unterscheiden.
- Das Nervensystem entwickelt sich durch chemische Signale des Mesoderms: Ein Teil des
-ktoderms wird zur Neuralplatte (Bild 2f und 2g). Die Ränder der länglichen Neuralplatte falten sich zu Wülsten auf, sie verwachsen über der eindellenden Mitte zum Neuralrohr; der Grundstruktur, aus der Gehirn und Rückenmark hervorgehen.
- So hat man die Festlegung der embryonalen „Kopf-Schwanz-Achse“ erkannt, einen Meilenstein der Entwicklung. Sie liefert die Hauptkoordinate, an der sich die unterschiedlichen Strukturen ausbilden.

Wie ist man darauf gekommen, daß Zellen darauf programmiert werden, verschiedene Körperstrukturen zu bilden?

Man entnahm den Seiten von einigen Zellen im Neurula-Stadium ein Stück des Mesoderms und pflanzte sie woanders ein in Zellen des selben Stadiums ein. Jetzt bildeten sich immer zusätzliche Körperteile, je nach Region des entnommenen Stücks. Trotzdem konnte der Spender Embryo ein Vorderbein bilden, also musste auch das benachbarte Mesoderm das Potential haben, die Bildung eines Beines zu steuern. So ein Bereich mit erweitertem Entwicklungspotential wurde „morphogenetisches Feld“ genannt. Das Mesoderm ist die entscheidene Zellschicht dafür, welches Ende des Embryos Kopf und welches Schwanz wird. So konnte man nach und nach einen Bauplan ermitteln.

Homöobox-Gene

Viele Entwicklungs-Kontrollgene sind miteinander verwandt. Diese Gene werden Homöobox genannt: die Homöodomäne codiert für eine Teilsequenz von 60 Aminosäuren das Proteinprodukt des Gens (Bild 4). Proteine mit Homöodomänen heften sich an die DNS und kontrollieren nun die Genaktivität (Bild 5). Die gefaltenen Aminosäuren enthalten Helices, die für die Erkennung der DNS Sequenz notwendig ist. Beim Frosch heißt diese Homoöbox-Region „XlHbox 1“. Es gibt Proteine, die die Aktivität mancher Gene verstärken.

→ Homöobox-Gene regulieren die Aktivität anderer Gene.

Expressionsmuster für räumliche Informationen

Durch Analyse der Expressionsmuster kann man auf verschiedene morphogenetische Felder mit unterschiedlichen Entwicklungspotentialen schließen. Die Homöobox-Gene treten als zusammenhängende Gruppen auf den Chromosomen auf; sie bilden einen sog. Cluster. Innerhalb dieses Clusters stehen die Gene in einer Wechselbeziehung mit dem Ort der Aktivität entlang der „Kopf-Schwanz-Achse“. Es gilt ein bestimmtes Organisationsprinzip: Homöbox-Gene, die im hinteren Teil des Embryos Aktivität ausüben, liegen - in Leserichtung- links auf der DNS, die für den vorderen Teil bestimmt sind rechts (Bild 1).

Direkte Steuerung

Man deaktivierte beim Festlegen des Anlageplans ein Homöobox-Gen, so erreichte man den Funktionsverlust. Deshalb wurden dann andere Strukturen gebildet (Bild 7). Derselbe Satz von Homöobox-Genen der die Kopf-Schwanz-Achse festlegt, sorgt später für die richtige Lage der Extremitäten.