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Kontrollgene für den Körperbauplan

Seit rund 700 Millionen Jahren scheinen sich gewisse Entwicklungskontrollgene funktionell kaum verändert zu haben – ein menschliches Gen wirkt selbst im Fliegenembryo noch gestaltgebend.

Tiere entwickeln sich in der Regel aus einer befruchteten Eizelle, aus der in vielen Teilungsrunden nicht selten Millionen embryonaler Zellen hervorgehen. In einer verblüffenden und immer noch rätselhaften Meisterleistung der Selbstorganisation formieren sich diese Zellen zu einem vollständigen Organismus, in dem alle Strukturen ein harmonisches Ganzes bilden. Der grundlegende Ablauf ist im Prinzip dabei gleich, das Ergebnis jedoch nicht: Menschen, Fliegen oder Würmer repräsentieren sehr unterschiedliche Baupläne.

Angesichts dieses breiten Spektrums ist oft angenommen worden, die genetischen Prozesse, welche die Embryonalentwicklung der diversen Tierarten kontrollieren, seien ebenfalls gänzlich verschieden. Es gibt jedoch überzeugende Hinweise, daß eine Gruppe interagierender Gene – bei Wirbellosen HOM-Gene, bei Wirbeltieren Hox-Gene genannt – in allen Tier-Embryonen ähnliche Schritte der Körpergestaltung steuert.

In zumindest einigen molekularen gestaltgebenden Systemen sind wir Menschen den verwandtschaftlich weit entfernten Würmern und Insekten möglicherweise viel ähnlicher, als sich klarzumachen angenehm ist: dermaßen nämlich, daß sich – wie unsere Arbeit gezeigt hat – mit gewissen Hox-Genen des Menschen oder der Maus die Keimesentwicklung der Taufliege lenken läßt.


Homöotische Gene

Die Geschichte dieser universellen molekularen Architekten beginnt im Grunde mit den bahnbrechenden genetischen Untersuchungen von Edward B. Lewis am California Institute of Technology in Pasadena. Er beschäftigt sich seit gut 40 Jahren überwiegend mit der Erforschung des bithorax-Komplexes, einer kleinen, gedrängt liegenden Gruppe von homöotischen Genen bei der Taufliege Drosophila melanogaster. Das aus dem Griechischen stammende Wortelement homöo bedeutet gleichartig oder ähnlich, und entsprechend haben diese Fliegengene ihren Namen von ihrer merkwürdigen Fähigkeit, im mutierten Zustand einem Körpersegment das Aussehen eines anderen zu verleihen. Mutationen in Genen des bithorax-Komplexes verursachen solche Entwicklungsfehler gewöhnlich in der hinteren Hälfte des Fliegenkörpers.

Thomas C. Kaufman an der Indiana-Universität in Bloomington und seine Mitarbeiter haben eine zweite Ansammlung homöotischer Gene bei der Taufliege entdeckt und erforscht: den Antennapedia-Komplex, so benannt nach dem zuerst beschriebenen Erbfaktor dieser Gruppe. Mutationen in diesen Genen verursachen in der Regel homöotische Defekte in der vorderen Hälfte des Fliegenkörpers.

Schon öfter in der Biologie haben bizarre Mißbildungen an einzelnen Organismen Ansätze zur Lösung wichtiger Fragen geboten, und es gibt kaum etwas Groteskeres als die von homöotischen Mutationen hervorgerufenen Baufehler, durch die reguläre Strukturen an der falschen Stelle erscheinen. Zum Beispiel können gewisse Mutationen im Antennapedia-Gen während der Verpuppung der Taufliege statt Antennen am Kopf ein Beinpaar wachsen lassen, zusätzlich zu den dreien an den Brustsegmenten (Bild 2 unten). Erstaunlicherweise sind einige der derart verwandelten – transformierten – Tiere lebensfähig; sie können fressen und sich sogar mit normalen Artgenossen paaren. Allerdings sind sie eine seltene Ausnahme, weil Mutationen in homöotischen Genen von Drosophila meist tödliche Entwicklungsdefekte hervorrufen.

Doch selbst die absterbenden Embryonen können recht aufschlußreich sein. So haben Ernesto Sanchez-Herrero und Gines Morata von der Autonomen Universität Madrid festgestellt, daß das Ausschalten dreier Gene im bithorax-Komplex – Ultrabithorax, abdominal-A und Abdominal-B – tödlich ist. Immerhin überleben aber derart mutierte Embryonen lange genug, um noch spezialisierte Strukturen zu bilden, die anzeigen, daß alle acht Hinterleibssegmente durch Brustsegmente ersetzt sind. Die meisten Menschen wären über entsprechende angeborene Mißbildungen bei Säugetieren entsetzt; aber derart groteske Fehlbildungen bei der winzigen Taufliege lassen sich emotionsloser betrachten.


Positionsinformation

Aus seinen ursprünglichen genetischen Untersuchungen am bithorax-Komplex gewann Lewis zwei wesentliche Erkenntnisse. Die erste war, daß die normale Funktion dieser homöotischen Gene darin besteht, den Zellen in den verschiedenen Abschnitten längs des Insekts während der Entwicklung eine bestimmte räumliche oder positionsspezifische Identität zu verleihen. Sie informieren sie gewissermaßen, daß sie Teil von Kopf, Brust (Thorax) oder Hinterleib (Abdomen) der Fliege sind.

Die Identität ist insofern in gewissem Grade abstrakt, als die durch die homöotischen Gene vorgegebene Positionsinformation je nach Entwicklungskonstellation unterschiedlich interpretiert wird: Antennapedia beispielsweise legt zwar sowohl im Embryonal- als auch im Puppenstadium die Zugehörigkeit zur Brust fest – die sich jeweils an diesem Abschnitt bildenden Strukturen aber weichen bei der aus dem Embryo hervorgehenden Larve und der sich daraus verpuppenden Fliege voneinander ab.

Die zweite wichtige Erkenntnis des Pioniers Lewis war, daß die Gene des bithorax-Komplexes auf ihrem Chromosom genau in der Reihenfolge angeordnet sind wie die von ihnen bestimmten Körperregionen längs des Fliegenembryos. Gleiches gilt für die Gene des benachbarten Antennapedia-Komplexes. Aufgrund dieser Gemeinsamkeit werden die Gene der bithorax- und der Antennapedia-Gruppierung zusammen als HOM-Komplex bezeichnet (Bild 3).

Betrachtet man, wo am Embryo diese Gene aktiv sind, läßt sich teilweise verstehen, wie sie die Positionen im Bauplan der Taufliege festlegen: Wohl sind die HOM-Gene in der Erbsubstanz aller Drosophila-Zellen vorhanden, aber nur in einigen davon werden die von ihnen codierten HOM-Proteine hergestellt (per Konvention schreibt man die Bezeichnungen von Genen kursiv, nicht aber die von Proteinen); und zwar werden in den frühen Entwicklungsstadien, noch bevor die verschiedenen Teile des Embryos irgendwelche äußeren Anzeichen ihrer späteren Bestimmung zeigen, die Gene des HOM-Komplexes längs der Hauptachse in aufeinanderfolgenden, streifenförmigen Arealen angeschaltet. Manche dieser Aktivitätsstreifen überlappen sich, doch hat jedes HOM-Komplex-Gen seine eigene vordere Grenze, bis zu der hin es aktiviert wird (Bild 3 oben).

Ist die Ausprägung eines HOM-Proteins infolge Genverlusts oder ähnlicher Mißgeschicke gestört, dann werden embryonale Zellen, die es sonst in hoher Konzentration enthalten, oft homöotisch transformiert. Diese Umwandlung rührt von einem weiteren HOM-Gen her, das in denselben Zellen bereits überlappend aktiv ist und mit seiner Positionsinformation nun an die Stelle der anderen tritt. Zum Beispiel übernimmt Antennapedia die Führung in der Entwicklung, wenn das Ultrabithorax-Gen in Zellen der vorderen Hinterleibsregion ausgeschaltet ist. Infolgedessen treten Strukturen, die sich sonst nur im Brustbereich ausbilden (den Antennapedia prägt), auch weiter hinten auf.

Transformationen können ebenso von Mutationen herrühren, die ein homöotisches Gen an einer falschen Stelle aktiv werden lassen. So sind Beine statt Antennen am Kopf voll entwickelter Fliegen das Resultat des dort fälschlich angeschalteten Antennapedia-Gens.

Alles in allem weisen die genetischen Befunde darauf hin, daß jedes Gen des HOM-Komplexes benötigt wird, um das künftige Schicksal von Zellen an bestimmten Längsabschnitten des Organismus festzulegen: Hinterkopf, vorderer Brustbereich und so fort. Wichtiger und auch aussagekräftiger für die biologische Funktion ist, daß die Aktivität der HOM-Komplex-Gene offensichtlich ausreicht, den Entwicklungsweg zumindest einiger Zellen zu bestimmen, selbst wenn diese normalerweise nicht unter dem Einfluß des betreffenden Gens stehen.


Wirkspezifität

Bei Drosophila haben praktisch nur die Gene des HOM-Komplexes diese Eigenschaften. Sie zeigen außerdem ei-ne interessante strukturelle Ähnlichkeit, und zwar gehören alle der Homöobox-Genfamilie an. Homöoboxen sind DNA-Sequenzen für gewisse verwandte Proteinregionen, die als Homöodomänen bezeichnet werden und alle ungefähr 60 Aminosäuren lang sind (Bild 4). Entdeckt wurden diese Domänen in HOM-Proteinen von Drosophila; man hat sie, seither aber in mehr oder weniger ähnlicher Form auch bei zahlreichen anderen Eiweißstoffen gefunden. Die der HOM-Proteine von Drosophila ähneln einander besonders stark, was eine enge Verwandtschaft nahelegt. Darum werden sie oft als Homöodomänen der Antennapedia-Klasse bezeichnet.

Was machen diese HOM-Proteine auf biochemischer Ebene? Das kann momentan nur grob umrissen werden. Alle gehören zur großen Gruppe DNA-bindender Proteine: Sie heften sich an die regulatorischen Abschnitte von Genen, und je nachdem, in welcher Kombination sie das miteinander tun, wird das Gen aktiviert oder unterdrückt (Spektrum der Wissenschaft, Oktober 1991, Seite 64). Wie sich gezeigt hat, ist die Homöodomäne jener Teil der HOM-Proteine, der direkt mit den Bindungsstellen auf der DNA in Wechselwirkung tritt.

Der Kontrast zwischen der strukturellen Ähnlichkeit der HOM-Proteine und ihrer unterschiedlichen, jeweils spezifischen Wirkung ist frappierend. Obwohl es sich um eine Familie von DNA-bindenden Eiweißstoffen handelt, die sich evolutiv vermutlich von einem einzigen gemeinsamen Vorläuferprotein der Antennapedia-Klasse ableiten, haben sie in der Embryonalentwicklung bemerkenswert unterschiedliche Funktionen: Eines bestimmt Zellen dazu, Bestandteil des Kopfes zu sein, ein anderes, den Thorax zu bilden und so fort.

Wahrscheinlich legen die HOM-Proteine bestimmte Positionen entlang der Körperlängsachse dadurch fest, daß sie die Expression von möglicherweise großen Gruppen untergeordneter Gene regulieren. Ihre funktionelle Spezifität müßte daher in molekularen Unterschieden zu suchen sein, die es ihnen erlauben, gezielt gewisse Gene im Embryo zu kontrollieren.


Zwitter-HOM

Um die zuständigen molekularen Bereiche herauszufinden, begannen wir 1986, aus Bestandteilen unterschiedli-cher Herkunft chimäre HOM-Proteine zu konstruieren (die Chimära, ein Ungeheuer der griechischen Mythologie, war teils Löwe, teils Ziege und teils Schlange). Aus ihrer Wirkung am Embryo hofften wir zu ersehen, welche Unterregionen der HOM-Proteine für deren selektive regulatorische Eigenschaften verantwortlich sind.

Für unsere ersten Experimente wählten wir die HOM-Proteine Deformed, Ultrabithorax sowie Abdominal-B. Sie gleichen sich zwar in ihren Homöodomänen (beispielsweise stimmt Deformed dort in 44 seiner 66 Aminosäuren mit Ultrabithorax überein), in anderen Regionen jedoch zeigen sie keine so große Ähnlichkeit. Zudem beeinflußt jedes dieser Proteine auch wiederum HOM-Gene. So aktiviert das Deformed-Protein sein eigenes Gen; das Ultrabithorax-Protein hingegen unterdrückt das Antennapedia-Gen, während das Abdominal-B-Protein sowohl sein eigenes Gen als auch andere Gene im HOM-Komplex reguliert, darunter Antennapedia, Ultrabithorax und abdominal-A. Diese selbst- und fremdregulatorischen Beziehungen wollten wir uns beim Test chimärer HOM-Proteine zunutze machen.

Die erste Herausforderung war, entsprechend chimäre Gene herzustellen, also die passenden DNA-Stücke gentechnisch zu einem Kunstgen zu verknüpfen. Geht man sorgfältig vor, lassen sich auf DNA-Ebene Domänen sehr präzise zwischen Proteinen auswechseln, ohne daß sie ihre funktionellen Charakteristika einbüßten.

Anschließend mußten wir sicherstellen, daß die chimären Gene auch in allen Geweben des Embryos aktiv sind. Dazu griffen wir auf eine Methode zurück, die Gary Struhl, der jetzt an der Columbia-Universität in New York tätig ist, wenige Jahre zuvor entwickelt hatte; er koppelte regulatorische DNA-Sequenzen an, die sich durch einen leichten Hitzeschock, eine Überwärmung, aktivieren lassen. Schließlich bauten wir unsere hitze-induzierbaren HOM-Gen-Chimären mittels einer sogenannten P-Element-Transformation in Drosophila-Erbgut ein. (Der P-Faktor ist ein springendes genetisches Element, dem man ein Gen einbauen kann; es wird – integriert in eine Genfähre – zusammen mit modifizierten, das Springenzym bereitstellenden P-Elementen in frühe Embryonen injiziert.)

Gelingt die Manipulation, tragen die daraus hervorgehenden Fliegen die chimären Gene in ihren Geschlechtszellen und vererben sie weiter. Die entsprechenden chimären Proteine lassen sich dann in der Nachkommenschaft in jedem beliebigen Entwicklungsstadium quasi anwerfen, indem man die Temperatur im Zuchtgefäß für kurze Zeit auf 37 Grad Celsius erhöht (Drosophila gedeiht bevorzugt bei 25 Grad, kann aber für ein oder zwei Stunden auch 37 Grad schadlos vertragen). An diesen Tieren konnten wir nun die chimären Proteine daraufhin prüfen, ob und wie sie auf die regulatorischen Elemente von Zielgenen zu wirken vermögen, und zwar in deren normaler Position auf dem Chromosom und in ihrem natürlichen Milieu im Embryo – ein anspruchsvolles Experiment, das die üblichen Bedingungen, unter denen diese Proteine sonst agieren, täuschend echt nachahmt.

Weil HOM-Proteine höchst ähnliche Homöodomänen enthalten, heften sie sich im Reagenzglas an fast identische Stellen der DNA. Deshalb erwarteten wir, die für die funktionelle Spezifität eines solchen Proteins verantwortlichen Merkmale außerhalb der Homöodomäne zu finden, nämlich in dem Teil, der am individuellsten gestaltet ist. Aber wie so oft, wenn man biologische Probleme durch einfache deduktive Überlegungen zu lösen versucht, war diese Vermutung falsch.

Es zeigte sich vielmehr, daß das Deformed-Protein sein Gen im Embryo nicht mehr regulieren konnte, wenn wir seine Homöodomäne durch die von Ultrabithorax ersetzt hatten. Statt dessen wurde das chimäre Molekül nun am Antennapedia-Gen tätig – wie ein normales Ultrabithorax-Protein es getan hätte (Bild 5). Mit der Homöodomäne hatten wir offensichtlich auch die selektiven regulatorischen Fähigkeiten von Ultrabithorax auf Deformed übertragen. Ein Austausch gegen die Homöodomäne von Abdominal-B erbrachte ein analoges Resultat.

Die chimären Proteine verhielten sich allerdings nicht im gleichen Sinne wie jene, von denen ihre neue Homöodomäne stammte. Sowohl der Zwitter aus Deformed und Ultrabithorax als auch der aus Deformed und Abdominal-B aktivierte seine neuen Zielgene, während das normale Ultrabithorax- und das normale Abdominal-B-Protein eben diese Gene in ihrer Aktivität unterdrücken. Vermutlich haben Regionen des Deformed-Proteins außerhalb der Homöodomäne eine stark aktivierende Wirkung, die sich mit jeder der geprüften HOM-Homöodomänen zu entfalten vermag. Dafür spricht, daß Deformed einige Abschnitte mit einem hohen Anteil jener Typen von Aminosäuren aufweist, die in anderen genregulierenden Proteinen für "Aktivierungsdomänen" charakteristisch sind.

Ähnliche Untersuchungen zur funktionellen Spezifität von HOM-Proteinen haben auch Richard Mann und David Hogness an der Universität Stanford (Kalifornien) sowie Greg Gibson und Walter J. Gehring mit ihren Mitarbeitern an der Universität Basel angestellt. Sie werteten die homöotischen Transformationen aus, die mutierte und chimäre HOM-Proteine während der Entwicklung der Fliegen verursachten. Weil sie die Wirkung der HOM-Proteine auf die Entwicklung selbst und nicht nur auf die Genexpression betrachteten, nutzten sie ein genaueres Maß für die Funktion der HOM-Proteine als wir. Aber selbst ihre Ergebnisse stützen die Vorstellung, daß die funktionelle Spezifität großenteils, wenn auch nicht völlig, durch die kleinen Unterschiede innerhalb der Homöodomänen oder unmittelbar daneben zustande kommt.

Zugleich bedeuteten diese Befunde, daß für bestimmte, bei uns bereits angelaufene übergreifende Experimente, die wenig erfolgversprechend schienen, tatsächlich die Chance auswertbarer Ergebnisse bestand. Sie beinhalteten Funktionstests mit Homöodomänen-Proteinen der Maus und des Menschen in Drosophila-Embryonen. Um die Bedeutung solcher Transfers zwischen verschiedenen Tierklassen zu verdeutlichen, müssen wir erst einmal umreißen, was über die Hox-Gene der Säugetiere bekannt ist.


Verwandtschaft zu Hox

Außer bei Drosophila hat man auch bei zahlreichen anderen Tierarten Gene mit Homöoboxen der Antennapedia-Klasse entdeckt. Eingehend untersucht wurden sie bei Fröschen, Mäusen und Menschen, also Wirbeltieren, wo sie das Kürzel Hox (für Homöobox) erhielten.

Bei Mäusen wie Menschen konzentrieren sich die Hox-Gene auf vier große Komplexe, die auf vier verschiedenen Chromosomen liegen. In ihrer Organisation und ihrem embryonalen Expressionsmuster gleichen sie verblüffend denen des HOM-Komplexes der Taufliege (Bild 3). So findet man zum Beispiel Pendants zu den HOM-Genen labial, proboscipedia, Deformed, Antennapedia und Abdominal-B. Die einander entsprechenden Hox- und HOM-Gene haben innerhalb ihres Komplexes die gleiche Reihenfolge.

Eine weitere Parallele entdeckten Denis Duboule an der Universität Genf (Schweiz) und Pascal Dollé am Laboratorium für Eukaryontische Molekulargenetik des französischen Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung (CNRS) in Straßburg sowie Robb Krumlauf und seine Kollegen am britischen Nationalen Institut für medizinische Forschung in London. Sie haben überzeugende Belege dafür zusammengetragen, daß die Expressionsmuster bei beiden Gen-Typen gleich sind: Die Hox-Gene werden entlang der Kopf-Schwanz-Achse des frühen Mäuse-Embryos in der gleichen relativen Reihenfolge aktiviert wie die HOM-Gene längs des Drosophila-Embryos (Bild 1 oben).

Die strukturellen Ähnlichkeiten zwischen den Mäuse- und den Fliegenproteinen beschränken sich im wesentlichen auf den Bereich der Homöodomäne. Dort sind beispielsweise das Antennapedia-Protein der Fliege und das HoxB6-Protein der Maus fast identisch (sie differieren nur in vier von 61 Aminosäuren). Zwischen ihnen besteht also eine größere Ähnlichkeit als zwischen Antennapedia und irgendeinem anderen HOM-Protein der Taufliege. Evolutionär gesehen spricht dies dafür, daß die Gene HoxB6 und Antennapedia Strukturhomologe sind, also von einem gemeinsamen Vorläufer-Gen abstammen, das verschieden ist von dem, aus dem beispielsweise Abdominal-B oder Deformed hervorgegangen sind.

Nach der gleichen Überlegung bedeutet die Ähnlichkeit zwischen dem HOM-Komplex und den Hox-Komplexen, daß der letzte gemeinsame Urahn von Taufliege, Maus und Mensch – ein wurmähnliches Wesen, das vor ungefähr 700 Millionen Jahren (plus oder minus weniger hundert Jahrmillionen) gelebt haben dürfte – mit einem Proto-Komplex von Homöobox-Genen der Antennapedia-Klasse ausgestattet war. Details über Typ und Anordnung der Gene darin bleiben zwar für immer im dunkeln; doch können wir – mit den modernen HOM- und Hox-Komplexen als Anhalt – unterstellen, daß der alte Proto-Komplex Strukturhomologe von labial, proboscipedia, Deformed, Antennapedia und Abdominal-B enthielt.

Stark untermauert wird diese generelle Sicht der HOM- und Hox-Evolution durch Forschungen an homöotischen Genen von Käfern sowie durch neuere Erkenntnisse an dem primitiven Fadenwurm Caenorhabditis elegans; auch er hat einen HOM-Komplex, der entfernt, aber erkennbar mit dem HOM-Komplex der Taufliege und den Hox-Komplexen der Wirbeltiere verwandt ist.

All diese strukturellen Befunde sind zwar bestechend, können aber nicht direkt zeigen, ob HOM- und Hox-Proteine wirklich die gleiche Funktion bei der Embryonalentwicklung erfüllen. Immerhin haben sich die Stammlinien von Maus und Fliege vor Hunderten von Jahrmillionen getrennt – Zeit genug für die Genkomplexe, sich auseinanderzuentwickeln oder neue Fähigkeiten auszubilden. Mithin könnten die Ähnlichkeiten in Struktur und Expression eine Laune der Natur sein und kein verläßliches Zeichen für eine funktionelle Ähnlichkeit zwischen heutigen HOM- und Hox-Proteinen.

Klassenübergreifende Wirkung

Ein Ansatz zur Lösung dieses Problems besteht darin, die biologischen Wirkungen der Hox-Gene in Wirbeltier-Embryonen zu erforschen und mit denen der HOM-Gene bei wirbellosen Tieren zu vergleichen. Würde zum Beispiel eine Hemmung oder eine unangemessene Aktivierung von Hox-Genen bei Mäusen ebenfalls homöotische Transformationen hervorrufen?

Peter Gruss und seine Kollegen am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen haben dazu Stämme von Mäusen erzeugt, die im Embryonalstadium das HoxA7-Protein im Kopf und in der oberen Halsregion bilden. Normalerweise kommt dieses Molekül (das dem Antennapedia- und dem Ultrabithorax-Protein des HOM-Komplexes gleicht) hauptsächlich im unteren Hals- sowie im vorderen Brustbereich vor, nicht aber noch weiter vorne. Einige der Tiere, bei denen das entsprechende Gen anomal exprimiert wurde, wiesen Mißbildungen von Ohr und Gaumen auf, und gelegentlich war der unterste Halswirbel homöotisch transformiert (er sah dann wie der vorderste Brustwirbel aus).

Das schwierige umgekehrte Experiment – Ausschalten der Hox-Gen-Funktion – gelang Osamu Chisaka und Mario R. Capecchi an der Universität von Utah in Salt Lake City bei HoxA3 und der Gruppe um Thomas Lufkin und Pierre Chambon am Straßburger CNRS-Laboratorium bei HoxA1. Ihre Ergebnisse zeigen, daß einige Strukturen im vorderen Bereich des Mäuseembryos wirklich auf der Aktivität dieser Gene – genauer: der ihrer Produkte – beruhen. So läßt eine Mutation des HoxA3-Gens die Tiere gleich nach der Geburt sterben: Sie weisen komplizierte Mißbildungen von Kopf und Hals auf, darunter abnorm geformte Knochen des Innenohrs und des Gesichtsschädels; zudem fehlt ihnen die hinter dem Brustbein gelegene Thymusdrüse.

Eine solche Kombination von Fehlbildungen erinnert an das Di-George-Syndrom, eine Erbkrankheit des Menschen. Somit ist zu hoffen, daß das Studium der HOM- und Hox-Gene auch für die Erklärung gewisser angeborener Defekte von praktischem Nutzen sein wird. Für ein umfassendes Verständnis dessen, wie die Hox-Gene an der Entwicklung des Körperbauplans von Mäusen und Menschen mitwirken, bleibt noch viel zu erforschen; doch die angeführten und weitere Experimente deuten jedenfalls bereits darauf hin, daß Hox- und HOM-Gene vergleichbaren Zwecken dienen.

Mit unserem Forschungsprojekt haben wir nun einen direkten funktionellen Vergleich versucht und geprüft, ob Hox-Proteine die Rolle der HOM-Proteine bei der Entwicklung des Drosophila-Embryos übernehmen können. Die ideale Methode wäre, das HOM-Gen komplett gegen sein Hox-Homologon auszutauschen; das Ersatz-Gen dürfte so nur zu den Zeiten und an den Orten exprimiert werden wie sonst das Original. Allerdings ist dies noch nicht machbar, weil die kompletten Gene zu groß und mit den gegenwärtig verfügbaren Techniken nicht in der gewünschten Weise handhabbar sind. Wir haben deshalb den zweitbesten Weg eingeschlagen: Hox-DNA-Sequenzen mit hitze-induzierbaren Regulatorelementen gekoppelt und zusätzlich eingeschleust; auf diese Weise konnten wir alle Zellen einer sich entwickelnden Fliege dazu bringen, ein Hox-Protein herzustellen.

Als erstes testeten wir gemeinsam mit Nadine McGinnis das menschliche HOXD4-Protein, also das Pendant zum HoxD4 der Maus (wenn wir uns speziell auf menschliche Gene beziehungsweise Proteine beziehen, steht das Kürzel HOX gemäß dem Standard der genetischen Nomenklatur in Großbuchstaben, um eine Verwechslung mit denen der Maus zu vermeiden). Es hat eine ähnliche Homöodomäne wie das Deformed-Protein der Taufliege. Isoliert und charakterisiert wurde sein Gen 1986 von Fulvio Mavilio, Edoardo Boncinelli und ihren Kollegen am Institut für Genetik und Biophysik in Neapel.

Wird das Deformed-Gen bei Drosophila außerhalb seiner vorderen und hinteren Grenzen exprimiert (Bild 6), haben die geschlüpften Fliegen vielfältige Mißbildungen am Kopf; so fehlt ihnen etwa der untere Teil des Auges (Bild 7). Die gleichen Defekte rief erstaunlicherweise auch das menschliche HOXD4-Protein hervor, wenn es in allen Zellen einer sich entwickelnden Fliege synthetisiert wurde. Sie ließen sich jedoch nicht ganz und gar dem menschlichen Protein zuschreiben, denn unsere Versuche zeigten, daß es auch die Expression des Deformed-Gens der Fliege ankurbelte (eine der normalen Aufgaben des Deformed-Proteins ist ja, sein eigenes Gen durch positive Rückkoppelung zu aktivieren). Das menschliche HOXD4-Protein imitierte also den Effekt einer deplazierten Expression des Deformed-Gens deshalb, weil es – zumindest teilweise – tatsächlich eine unangemessene Expression eben dieses Gens verursachte. Dennoch ließ sich erkennen, daß das HOXD4-Gen wie ein schwacher, aber spezifischer Abklatsch des Drosophila-Originals wirkte.

Daraufhin prüfte Jarema Malicki in unserem Labor nach demselben Prinzip die Wirkung von HoxB6 der Maus auf sich entwickelnde Fliegen. Dieses Protein, das Klaus Schughart und Frank H. Ruddle in einem anderen Labor des Gebäudes entdeckt und beschrieben haben, enthält eine dem Antennapedia-Protein sehr ähnliche Homöodomäne. Sein Effekt bei Drosophila war eindrucksvoll und unverwechselbar homöotischer Natur: Bei den betroffenen Larven entwickelte sich ein großer Teil des Kopfbereichs so, als gehörte er zur Brust; statt eines larvalen Kopfskeletts bildeten sich sogenannte Dentikelgürtel, Reihen von Zähnchen, wie sie sich sonst auf der Bauchseite von Drosophila-Larven finden (Bild 2 oben). Die geschlüpften Fliegen trugen dann statt der Antennen Beine. Die homöotischen Transformationen der Larve wie jene der Fliege entsprachen ziemlich genau denen, wie sie zu beobachten sind, wenn das Antennapedia-Protein fälschlicherweise überall im Organismus hergestellt wird.


Molekulare Architekten

Was sagen diese Unterschiebungsexperimente nun aus? Zum einen bestärken sie unsere Schlußfolgerung, daß die Homöodomänen selbst einen Großteil der regulatorischen Spezifität bestimmen; denn die homologen Fliegen- und Wirbeltierproteine haben außerhalb der Homöodomänen-Region wenig Gemeinsames. Außerdem legen die Experimente nahe, daß die homologen Proteine einander zumindest bis zu einem gewissen Grade funktionell ersetzen können und für frühe Embryonen beider Tiergruppen etwas Ähnliches bedeuten. Das System, das Positionen in der Längsachse festlegt, hat sich im Laufe der letzten 700 Millionen Jahre offensichtlich nur wenig verändert.

Stellt man sich das komplizierte Netz von Wechselbeziehungen zwischen genregulierenden Proteinen eines Organismus als Puzzle vor, so sind die homologen Fliegen- und Säugerproteine Teile, die an dieselbe Stelle passen. Bleibt man bei diesem Bild, so werden freilich die vielen noch bestehenden Lücken augenfällig: Die anderen Teile des Puzzles, welche die HOM- und Hox-Proteine zur Genregulation befähigen und ihnen eine spezifische Funktion ermöglichen, müssen erst noch gefunden werden.

In gewisser Weise kommen wir mit diesen Erkenntnissen auf die klassischen Beobachtungen von Karl Ernst von Baer (1792 bis 1876) zurück, dem Begründer der modernen Embryologie. In den zwanziger Jahren des letzten Jahrhunderts schloß er aus seinen vergleichenden Untersuchungen, daß im Hinblick auf die frühembryonale Gestalt alle Wirbeltierformen in einem gemeinsamen allgemeinen Bauplan zusammenzukommen scheinen (Bild 1). Diesen Geistesblitz hatte Baer einem Mißgeschick zu verdanken – eine Geschichte, die fast zu schön klingt, um wahr zu sein. "Ich habe", so schrieb er 1828, "zwei kleine, in Alkohol konservierte Embryonen, aber ich habe vergessen, die Gläser zu beschriften. Derzeit kann ich nicht feststellen, zu welcher Gattung sie gehören. Es könnten Eidechsen, kleine Vögel oder sogar Säugetiere sein."

Struktur und Funktion der HOM- und Hox-Gene lassen vermuten, daß diese Gleichartigkeit im Entwicklungsablauf die frühembryonalen Stadien einer Vielzahl anderer Tierarten einschließt. Aber nur auf der Ebene des molekularen Musters wird diese Konvergenz bei solch unterschiedlichen Embryonen wie denen von Fliegen und Mäusen sichtbar.

Irgendwann in der Spanne vor einer Milliarde bis vor 600 Millionen Jahren hat sich das HOM/Hox-System herausgebildet; es erwies sich als so nützlich, daß sich in vielen Tieren seine grundlegende Fähigkeit erhalten hat, bei der Individualentwicklung Positionen entlang der Längsachse festzulegen.

Und es ist wohl nicht einmal das einzige entwicklungsgenetische System, das so getreulich beibehalten wurde. Man hat nämlich Hinweise gefunden, daß einige weitere regulatorische Gene von Fliegen und Mäusen sich einander strukturell äußerst ähneln und in einander entsprechenden Geweben aktiviert werden. Die Funktion dieser anderen Gene und ihre Wechselwirkung mit dem HOM/Hox-System zu erforschen verspricht weitere faszinierende Einblicke in die Evolution und die Mechanismen der uralten genetischen Systeme, die als molekulare Architekten der tierischen Baupläne fungieren.

Literaturhinweise

- Die molekulare Grundlage der Entwicklung. Von Walter Gehring in Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1985, Seite 148.

– Entwicklungsgenetik von Drosophila. 1. Teil: Wie im Insekten-Ei ein Koordinatensystem festgelegt und im Embryo die Gliederung in Segmente bewirkt wird. Von Oswald Hess in: BioEngineering, 4. Jahrgang, Heft 3, Seiten 58 bis 68 (1988).

– Entwicklungsgenetik von Drosophila. 2. Teil: Die Homöobox – Drosophila als Schrittmacher der Evolution. Von Oswald Hess in: BioEngineering, 4. Jahrgang, Heft 4, Seiten 51 bis 60 (1988).

– Homöobox-Gene und der Wirbeltier-Bauplan. Von Eddy H. De Robertis, Guillermo Oliver und Christopher V.E. Wright in: Spektrum der Wissenschaft, September 1990, Seite 84.

– Mouse Hox-2.2 Specifies Thoracic Segmental Identity in Drosophila Embryos and Larvae. Von Jarema Malicki, Klaus Schughart und William McGinnis in: Cell, Band 63, Heft 5, Seiten 961 bis 967, 30. November 1990.

– Homeobox Genes and Axial Patterning. Von William McGinnis und Robb Krumlauf in: Cell, Band 68, Heft 2, Seiten 283 bis 302, 24. Januar 1992.

– The Mouse Hox-1.3 Gene is Functionally Equivalent to the Drosophila Sex Combs Reduced Gene. Von J.J. Zhao, R.A. Lazzarini und L. Pick in: Genes and Development, Band 7, Heft 3, Seiten 343 bis 354, März 1993.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1994, Seite 38
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
4 / 1994

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 4 / 1994

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