Neurobiologie und Biophysik Prof. Dr. Ad Aertsen PD Dr. Ulrich Egert Neurogenetik

1. Fortschritte in den Neurowissenschaften Lehrerfortbildung 18.6.2004 Denzlingen Department für Neurobiologie in Freiburg Entwicklungsbiologie Dr. Jochen Holzschuh Neurobiologie und Biophysik Prof. Dr. Ad Aertsen PD Dr. Ulrich Egert Neurogenetik Prof. Dr. Karl-Friedrich Fischbach Institut für Biologie III Schänzlestrasse 1 79104 Freiburg i. Brsg. Institut für Biologie I Hauptstrasse 1 79104 Freiburg i. Brsg.

2. Fortschritte in den Neurowissenschaften Lehrerfortbildung 18.6.2004 Denzlingen Zeitplan 10.00 Uhr: Wie Nervenzellen spezifische Kontakte knüpfen. (Prof. Dr. Karl Fischbach) 11.00 Uhr: Neue Modellsysteme zum Verständnis neurodegenerativer Erkrankungen. (Dr. Jochen Holzschuh) 12.00 Uhr: Mittagspause (Imbiss) Informationen zu Ressourcen im Internet 14.00 Uhr: Aktivität in kortikalen Netzwerken. Von Netzwerkdynamik zu Neuroprothesen. (Prof. Dr. Ad Aertsen) 15.00 Uhr: Gehirne auf Chips. Neurobiologie: Von der Grundlagenforschung zur Anwendung. (Dr. U. Egert)

3. Wie Nervenzellen spezifische Kontakte knüpfen Lehrerfortbildung 18.6.2004 Denzlingen http://zum.de/lehrerfortbildung/denzlingen ab Sonntag, den 20.6.2004, freigeschaltet Karl-Friedrich Fischbach Institut für Biologie III Schänzlestr.1 79104 Freiburg i. Brsg. E-Mail: kff@uni-freiburg.de WWW: http://filab.biologie.uni-freiburg.de

4. Ziele des Vortrags Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem. Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de

5. Ziele des Vortrags Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem. Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de

6. Die Expression konservierter Gene für Transkriptionsfaktorenuntergliedert die Längsachse des NS KFF 2001

7. Die otd/OTX2 Gene sind Kausalfaktoren beim Bau des VorderhirnsFliegen-otd und Menschen-OTX2 sind funktionell konserviert. KFF 2001

8. Die otd/OTX2 Gene sind Transkriptionsfaktoren, die den Ort festlegen, an denen das Entwicklungsprogramm „Vorderhirn“ ablaufen soll. Die Funktion der Gene ist konserviert. Dieses und andere Ergebnisse sind Indizien dafür, dass die gemeinsamen Vorfahren von Fliege und Mensch bereits ein bilateral symmetrisches Nervensystem und ein Gehirn besaßen. Einmal „erfunden“, wurden diese grundlegenden Genfunktionen kaum noch modifiziert. KFF 2001

9. Am Fliegengehirns lassen sich grundlegende molekulare Entwicklungsmechanismen studieren. Die Relevanz der Ergebnisse für Wirbeltiere wird durch die Verwandtschaft der Gensysteme gestützt, die das ZNS von Bilateraliern untergliedern. KFF 2001

10. Ziele des Vortrags Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem. Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de

11. Gehirn Verhalten mut. Genom Gehirn Verhalten Wissen um Entwicklungsprozesse Wissen um Gehirnfunktionen Neurogenetischer Ansatz wt Genom KFF 2001

12. Das Gal4/UAS-Expressionssystem KFF 2001

13. KFF 2001

14. Wie wird ein Gehirn verdrahtet? KFF 2001

15. Ziele des Vortrags Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de

16. Nervenzellen sind über lange Fortsätze miteinander spezifisch verknüpft. Wie finden sie zueinander? KFF 2001

17. Mechanismen der Wegfindung Kontaktführung Chemotaxis KFF 2001

18. http://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htmhttp://www.fmi.ch/groups/AndrewMatus/video.actin.dynamics.htm KFF 2001

19. Wachstumskegel macht Kontakt mit Laminin Tropfen KFF 2001

20. Wachstumskegel hangelt sich entlang vorgegebener Axone KFF 2001

21. Wie findet man Gene mit Bedeutung für axonale Wegfindung? Durch die Isolierung von Defektmutanten! KFF 2001

22. Ziele des Vortrags Drosophila melanogaster als Modellsystem der Neurogenetik Vorstellung gentechnischer Methoden bei diesem Modellsystem Darstellung allgemeiner Mechanismen axonaler Weg- und Zielfindung Darstellung eigener Untersuchungen auf diesem Gebiet http://filab.biologie.uni-freiburg.de

23. Unser System: Der optische Lobus von Drosophila melanogaster ist eine geschichtete Struktur Unser Ziel: Verständnis der molekularen Mechanismen, die den Aufbau der „visuellen Pathways“ ermöglichen, insbesondere die Erkennung der prä- und postsynaptischen Partner.

24. Phenotype of UB883 mutant (P-element mutagenesis) KFF 2001

25. Wildtyp (A) und UB883 mutanter Phänotyp (B) KFF 2001

26. What can we do with this gene? Lets clone it! Why not? KFF 2001

27. Immunglobulin-ähnliche Domäne 5 extracellular Ig-domains Plasmamembran intracellular domain KFF 2001

28. KFF 2001

29. C. elegans: syg-2 Homo: Nephrin C. elegans: syg-1 Homo: Neph1,2,3 Unser Hauptaugenmerk gilt inzwischen den vier Mitgliedern des „irre cell recognition“-Moduls (IRM) IrreC-rst (Rst) Expression in den Neuroommatidien der Medulla

30. IrreC-rst transfecteduntransfected anti IrreC-rst anti Sns anti IrreC-rst Die Proteine des „IRM“ vermitteln homophile und heterophile Interaktionen in Zellkultur KFF 2001

31. rst -kirre - rst -kirre - Das „irre cell recognition“ Modul ist notwendig, damitMyoblasten mit wachsenden Muskelfasern fusionieren Sns auf Myoblasten sowie Kirre und Rst auf wachsenden Muskelfasern vermitteln die Zellerkennung und sind notwendig, um den Synapsen-ähnlichen Präfusionskomplex auszubilden. wild type

32. IrreC-rst ist ein Myoblastenattraktant anti-ß-3-tubulinDf(1)w67k30 background dll-Gal4/UAS-irreC-rstanti-IrreC-rst IrreC-rst ist ein heterophiles Zelladhäsionsprotein KFF 2001

33. Bei der Augenentwicklung vermittelt das „IRM“ Zellsortierung

34. Augenentwicklung I: Spezifizierung der Zellen eines Ommatidiums 4 3 Die Zellen eines Ommatidiums werden durch Signalen der Gründerzelle R8 aus umgebenden Zellen rekrutiert. 5 2 8 6 1 7 KFF 2001

35. 4 4 4 4 4 4 4 3 3 3 3 3 3 3 5 5 5 5 5 5 5 2 2 2 2 2 2 2 8 8 8 8 8 8 8 6 6 6 6 6 6 6 1 1 1 1 1 1 1 7 7 7 7 7 7 7 KFF 2001

36. KFF 2001

37. irreC-rst in situ, wild type Augenentwicklung II: irreC-rst mRNA wird in Interommatidialzellen exprimiert KFF 2001

38. Augenentwicklung III: IrreC-rst Protein Expression KFF 2001

39. KFF 2001

40. KFF 2001

41. Rst immunoreactivity Vorhergesagte Verteilung des Rst-Liganden (grün) bei Rst-Fehlexpression (Reiter et al., 1996) SNS immunoreactivity KFF 2001

42. (verifiziert durch Immunoprecipitation) Was sind die intrazellulären Interaktionspartner von Rst und Kirre? 8 Proteine interagierten in einem Two Hybrid Screen mit den intrazellulären Domänen von Kirre und Rst in Hefe: Ubiquitin protein ligase RNase PH AKAP (PKA achoring protein) D-Mint Nemo (serin/threonine kinase) Actinin Paxillin Cystein Protease Cp1

43. Mint-1 CASK PTB PDZ PDZ PDZ Presynaptic PDZ IrreC-rst Kirre Neurexin Neuriligin Sns Hibris Postsynaptic Arbeitshypothese basierend auf nachgewiesenen Proteininteraktionen: Das IRM ist an der Erkennung synaptischer Partner beteiligt.

44. Expressionsmuster von Mint und Rst überlappen hoch spezifisch in der distalen Medullaschicht Mint Rst Merge

45. Eliminating IrreC-rst mediated positional information in the optic lobe by its global expression elav-Gal4/UAS-irreC-rst anti-IrreC-rst 3rd instar larva KFF 2001

46. Eliminating positional information in the optic lobe by global expression yields a phenocopy of the loss of function phenotype elav-Gal4/UAS-irreC-rst anti-fascicline II midpupal stage KFF 2001

47. Bedeutung des Expressionsmusters im optischen Lobus II Gal4(1407) KFF 2001

48. Zusammenfassung Die Mitglieder des „irre-Zelladhäsionsmoduls kodieren für immunglobulinähnlicheTransmembranproteine Sie sind an der Muskelfusion, der Zellsortierung im Auge, bei der axonalen Wegfindung und der Zielerkennung wie der Synaptogenese beteiligt. Fehlen des Proteins (Nullmutante) und experimentelle Überexpression auf allen Neuronen (Transformante) haben das gleiche Ergebnis: Fehlgeleitete Nervenfasern. Diese Proteine sind Beispiele für neuronale Erkennungsmoleküle KFF 2001

49. Zusammenfassung „Entwicklung“ Transmembranproteine verleihen den Neuronen „Tastsinn“ und setzen zugleich Oberflächenmarkierungen Zellen (auch Neurone) unterscheiden sich an ihren Oberflächen und ertasten die ihnen liebsten Partner KFF 2001