idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
Thema Corona

Science Video Project
idw-Abo

idw-News App:

AppStore

Google Play Store



Instance:
Share on: 
06/26/2019 19:00

Netzwerke der Genaktivität steuern die Organentwicklung

Marietta Fuhrmann-Koch Kommunikation und Marketing
Universität Heidelberg

    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.

    Netzwerke der Genaktivität steuern die Organentwicklung
    Heidelberger Forscher veröffentlichen evolutionäre Studien zu entwicklungsgenetischen Programmen verschiedener Säugetiere

    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


    Contact for scientific information:

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


    Original publication:

    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


    More information:

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


    Images

    Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Henrik Kaessmann hat die Aktivität (Expression) von Genen in der Entwicklung von Säugetierorganen untersucht.
    Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Henrik Kaessmann hat die Aktivität (Expression) von Genen in der ...
    Quelle: Forschungsgruppe Kaessmann
    None


    Criteria of this press release:
    Journalists
    Biology
    transregional, national
    Research results
    German


     

    Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Henrik Kaessmann hat die Aktivität (Expression) von Genen in der Entwicklung von Säugetierorganen untersucht.


    For download

    x

    Help

    Search / advanced search of the idw archives
    Combination of search terms

    You can combine search terms with and, or and/or not, e.g. Philo not logy.

    Brackets

    You can use brackets to separate combinations from each other, e.g. (Philo not logy) or (Psycho and logy).

    Phrases

    Coherent groups of words will be located as complete phrases if you put them into quotation marks, e.g. “Federal Republic of Germany”.

    Selection criteria

    You can also use the advanced search without entering search terms. It will then follow the criteria you have selected (e.g. country or subject area).

    If you have not selected any criteria in a given category, the entire category will be searched (e.g. all subject areas or all countries).