Transcriptionsfaktoren

Transcriptionsfaktoren sind Proteine, die Gene an- oder abschalten können. Für diesen Zweck besitzen sie eine Domäne, mit der sie an DNA binden können und weitere Domänen zur Aktivierung des Gens. Ihre Arbeitsweise wird in der folgenden Abbildung dargestellt:

Abb. 1
Arbeitsweise von Transkriptionsfaktoren

Das betreffende Gen ist hier mit X bezeichnet. Es wird abgelesen, also in mRNA transkribiert und es entsteht der Transcriptionsfaktor. Dieser wird in den Kern transportiert, bindet dort an ganz bestimmte Regionen der DNA und schaltet dadurch z.B. die Gene A, B, C, und E an und Gen D ab. Dadurch entstehen in der Zelle die Proteine A, B, C und E. Diese werden in der Zelle für ihre Arbeit benötigt.

In jeder Zelle sind zu einer bestimmten Zeit immer viele Transcriptionsfaktoren aktiv. Dadurch werden die für den speziellen Zelltyp benötigten Enzyme hergestellt. In einer Leberzelle sind also andere Transcriptionsfaktoren aktiv als in einer Herzzelle. Die Sache kann aber noch komplizierter sein, wenn die Proteine A oder B z.B. ihrerseits Transcriptionsfaktoren sind. Dann schalten sie weitere Gene an oder aus.

Entwicklungskontrollgene

Entwicklungskontrollgene steuern die Entwicklung eines Organismusses. Sie sind Transcriptionsfaktoren, d.h. es handelt sich um Proteine, wie sie oben beschrieben wurden.
Maternal effect genes sind nun diejenigen Gene, die ganz oben in der Hierarchie der Entwicklungskontrollgene stehen (wie hier X), d.h. sie müssen als erste aktiv werden. Der Name deutet an, dass sie nicht vom Embryo selbst produziert werden, sondern von der Mutter (maternal) und dass ihr Produkt, ein Protein, einen Effekt im Ei auslöst. Die RNA der Entwicklungskontrollgene wurde von der Mutter vorher in das Ei transportiert.
Das Eigenartige an diesen Genen besteht darin, dass der Embryo völlig gesund in Bezug auf dieses Gen sein kann und trotzdem stirbt, weil die Mutter ihm eine defekte RNA geliefert hat. Ein Beispiel für ein solches Gen ist bicoid (bcd) bei Drosophila. Das BCD-Protein ist für die Ausbildung der Längsachse der Larve von Drosophila verantwortlich. Seine mRNA wird am vorderen Eipol gebunden, so dass sie nur hier das BCD-Protein produzieren kann. Vom vorderen Eipol aus diffundiert das produzierte Protein entsteht zum hinteren Ende des Eis und es entsteht daher ein Konzentrationsgefälle, vorne ist die Konzentration hoch, hinten sehr niedrig. Dadurch wird am vorderen Pol der Kopf gebildet, weil das BCD-Protein nun andere Gene anschaltet, die dafüt notwendig sind. Fehlt das BCD-Protein oder ist es defekt, so entsteht eine Larve ohne Kopf und mit zwei Hinterteilen.

Abb 2.
Wildtyp und Mutante

Am Wildtyp ist das Vorderende dadurch zu erkennen, dass man die Mundregion sehen kann und drei schwarze Punkte, an denen sich die Segmente T1 (für Thorax- bzw. Brustsehgment 1), T2 und T3 bilden werden. Die bicoid-Mutante zeigt diese Merkmale am Vorderteil nicht und stattdessen eine ähnliche Form wie sie am Hinterteil erkennbar ist. Fachleute können außerdem an dem bristle-Muster (kleine Härchen) an der Larve erkennen, wo welches Segment gebildet werden wird.

Abb. 3
In situ Färbung eines frisch gelegten Drosophila Eis

Die mRNA des bicoid-Gens der Mutter ist blau gefärbt. Würde das Ei einer Mutante gefärbt, so würde es einheitlich grau aussehen.

Wie die bicoid-mRNA in das Ei kommt zeigt folgende Abb. 4

Abb. 4
Färbung der bicoid-mRNA in einem Follikel

Es ist ein Follikel abgebildet, wie er sich im Eileiter von Drosophila befindet. Dieser besteht aus mütterlichen Nährzellen, Follikelzellen und dem Ei. Die Nährzellen produzieren unter Anderem die bicoid-mRNA (blau) und transportieren sie in das Ei (ebenfalls blau gefärbt). Aus dem Material der Nährzellen wird das Ei nach und nach vergrößert und nimmt schließlich den ganzen Raum ein und ist dann nur noch von einer dünnen Schutzschicht umgeben, die von den Follikelzellen produziert wird. Wie man sieht, bleibt die bicoid-mRNA am vorderen Pol des Eis angeheftet. Hier ist nur die bicoid-mRNA gefärbt. Darüber hinaus werden natürlich noch viele andere mRNAs und Proteine in das Ei transportiert.

Mit dem folgenden Experiment wird nun die Wirkung der bicoid-mRNA demonstriert:

Abb.5
Wiederherstellungsexperimente

Obere Zeile: die Larve einer gesunden Mutter (bcd+) und von einer Mutante (bcd-) sind hier abgebildet.
Mittlere Zeile: bicoid-mRNA wird in eine Mutante (bcd-) am vorderen Pol injiziert. Daraufhin entwickelt sich eine normalisierte Larve. Eine völlige Wiederherstellung ist schwierig, weil genau die richtige Menge von bicoid-mRNA injiziert werden müsste.
Untere Zeile: bicoid-mRNA wird in die Mitte einer Mutante injiziert. Nun entwickelt sich eine Larve, die von der Eimitte aus zwei Vorderenden entwickelt. Das ist an den schwarzen Punkten erkennbar aus denen sich Thoraxsegmente entwickeln werden.

Maternale Effektgene gibt es nicht nur bei Drosophila oder Insekten, sondern auch bei Säugetieren und dem Menschen. Ein Beispiel für ein solches Gen ist das Gen Stella bei der Maus. Die Nachkommen der Mütter bei denen Stella mutiert ist sind stark in ihrer Fruchtbarkeit eingeschränkt.

Das BCD-Protein ist darüber hinaus ein sog. Morphogen. Das sind Substanzen, die das Schicksal von anderen Zellen in Abhängigkeit von ihrer Konzentration determinieren. In gesunden Embryonen liegt das BCD-Protein in einem relativ steilen Konzentrationsgradienten vor von einer sehr hohen Konzentration ganz vorn bis zu einer sehr niedrigen Konzentration am Ende des Eis. Dort wo die Konzentration hoch ist, "wissen" die Zellen, dass sie ein Vorderende der Larve bilden sollen, dort wo die Konzentration niedrig ist wird ein Hinterende gebildet.

Kontakt:: Kontakt: Mario.Hupfeld@uni-konstanz.de
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