Modellorganismen Zusammenfassung Zoologie und Querschnittsthemen
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Course
Modellorganismen
Institution
Karlsruher Institut Für Technologie
Sehr gute Modellorganismen Zusammenfassung zum Teil der Zoologie und den dazugehörigen Querschnittsthemen. KIT, 5. Semester, Allgemeine Biologie Bachelor
Drosophila Eigenschaften für guten Modellorganismus:
Drosophila melanogaster - Fruchtfliege
• Schnelle Entwicklung mit kurzen
Taxa: Insekten Größe: 2-3 mm lang Lebenszyklus
3 Körpersegmente (Kopf, Thorax, Abdomen), 6 Beine, 1 Flügelpaar • Kleine Adulte Größe + viele Nachkommen
Essen + Reproduktion auf Früchten (Küche) • Einfache + günstige Haltung und
Warum Drosophila so guter Modellorganismus? Manipulation
• Kurzer Lebenszyklus -> tempabhängig -> 10 Tage bei 25 Grad, • Etablierung von biologischen Methoden
Labornutzung: 18 für Aufbewahrung, 25 und mehr -> schnelle • Biologische Relevanz zum Mensch
Entwicklung + Verfügbarkeit • Wenig ethische Bedenken
• Jedes Weibchen legt 400-500 Eier
• Einfache Haltung und Manipulation (günstig)
• Geeignet für genetische Manipulation Lebenszyklus -> insg. 10 Tage
• Großes Set an genetischen Tools verfügbar -> Mutanten • Männchen kleiner + Sexcrops an Vorderbein
bestellbar -> gute Datenbank • Weibch. helles Abdomen + Männchen dunkel
• Einfacher Karyotyp: 4 Chromosomenpaare • Bei 3. Larve fängt an sich festzuklammern +
3 Autosome + 1 Sexuelles -> sind zytologisch gut unterteilt verpuppen
4.Chromosom ist sehr klein + heterochromatisch: vernachlässigt • In Puppe findet Metamorphose statt
Man konzentriert sich auf: X, 2, 3
• 60% Gensequenz konserviert zu Mensch
Homologe für mind. 75% menschl. Krankheitsgene
• Genom vollständig sequenziert -> nicht komplett annotiert, weil
hoch repetitiv
• Genomgröße gut handhabbar: 175 Mb (Human: 3,3 Gb)
• Weniger genetische Redundanz im Vgl zu Säugetieren
Wenn man Gen hat, gibts idR. nur das und keine Genkopien
Embryonalentwicklung
• Entwicklung beginnt mit Befruchtung
• Schon vor Befruchtung molekularer Gradient in Eiern,
Polar Cytoplasma am posterioren Ende (maternaler Effekt) Historischer Blick Drosophila-Forschung:
• 2 Kerne fusionieren nach Befruchtung zu Zygote (Mensch) • Thomas Hunt Morgan = 1. an Drosphila gearbeitet
• 9 mitotische Teilung finden statt, aber keine Zellteilung • 1900: Beginn Forschung (Mutationsforschung)
-> Zellkerne teilen sich 1 Cytoplasma • 1910: 1. Mutante gefunden
-> nach der 7. Teilung migrieren einige Kerne zum polar -> white Mutante: Fliege hat weiße Augen
Cytoplasma (posterior) + bilden Keimbahnvorläufer Gen white = rote Augen -> oft bei Fliegen Gen
• Andere Nuclei migrieren zur Zelloberfläche/außenseite nach Phänotyp benannt, wenn man es ausschaltet
nach 9. -> bilden Blastoderm Vorläufer • 1911: Gene liegen auf Chromosomen
• 4 weitere mitot. Teilungen -> dann alle Kerne separiert Entdeckung durch Mut. White: white auf X
durch Zellmembranen Homozygot weiß Weibchen mit rot Männchen
• Zellteilung läuft komplett synchron ab gekreuzt -> alle F1 Männchen weiße Augen, X von
• Gut reguliert, Defekte hier leicht feststellbar Weibchen -> alle F1 Weibchen rote Augen, X WT
Bsp Mutation, die Zellteilung betrifft sofort sichtbar -> white von Männchen -> klass. Mendel Vererbung
keine korrekte Zellteilung -> nicht mehr synchron -> Zhr1 • 1933: Nobelpreis in Physiologie + Medizin für die
Mutante Rolle die Chromosomen bei Vererbung spielen
• 1946: Nobelpreis in Physiologie + Medizin (H.
Müller) -> für Entdeckung der gen. Effekte durch
Bestrahlung -> viele neue Mutanten entdeckt +
entdeckt das Röntgenstrahlung neue gen. Effekte
auslöst
• 1995 Nobelpreis für 3 Forscher/in in Physiologie +
Medizin für Aufdeckung der genet. Kontrolle der
Embryonalentwicklung
,Signalintegration – Segmentierung des Drosophila Embryos Räumliche Expressionskontrolle
Was verursacht die gestreifte Expression der Eve- und anderen Pair-Rule • Kontrolle der Genexpression im
Gene? (Eve = Pair-Rule Gen) frühen Embryo
• Verschiedene maternale Gene, die im Ei spezifisch angelegt werden als • mit versch. AK sind die Muster im
mRNA oder Proteine -> sind Transkriptionsfaktoren Embryo, die für die spätere
• Regulieren Expressionsmuster von Eve-Gen + anderen Pair-Rule Genen Körperplanung zuständig sind
markiert (streifenförmig)
• Im Ei Gradienten der versch. Transkriptionsfaktoren -> je nach
Konzentration dieser bekommt man spez. Expression von Eve und anderen Pair-Rule Genen
-> zB. hoher Hunchback, etwas Bicoid, kein Krüppel, kein Giant bildet Eve Streifen 2
• Spezifische Promotorregionen des even-skipped (eve) Gens kontrollieren die spezifischen
Transkriptionsbanden (Streifen/Segmente) innerhalb des Embryos -> Eve Gen hat viele Promotorregionen,
an die versch. TF binden können -> je nachdem welcher Promotor aktiviert wird, wird spezifischer Streifen
gebildet -> beginnt ab 13. Teilungszyklus
Homöotische Transformation
Hox-Gene
• wenn Mutation in Hox-Gen (Cluster)
• Legen die Identität der schon angelegten Segmente (Streifen) fest
• Umbildung einer Körperregion in eine
• Aktivität der Hox-Gene wird durch die vorangehende Aktivität der andere Körperregion
Pair-Rule Gene gesteuert -> Segmente müssen erst angelegt sein,
• Bithorax Gen mutiert: Duplikation des
bevor sie Identität bekommen können
ganzen Thoraxbereich -> 2 Flügelpaare
• Homologe Hox-Gen Cluster in Drosophila und Maus -> Hox Gen Cluster
• antennapedia mutiert: aus Bereich der
genau 1 mal in Fliege -> bei Maus (Mensch) komplexer, mehrere
Antennen wachsen Beine
Gencluster -> redundant (teilweise Kopien)
• Aber gleiche lineare Aufteilung der Hox-Gencluster -> homolog
Zellzyklus Drosophila
Links: normaler Zellzyklus
Rechts: Endoreplikation
• Endomitosis: Mitose übersprungen,
keine Trennung der Chromosomen
• Endocycling: gar keine Mitose, nur
Replikationsphasen -> keine Trennung
der Chromosomen -> also bleiben zsm
• In früher Embryonalentwicklung = nuclear cycles, nur Mitose und Replikation -> muss nichts hergestellt
werden -> mRNA + Proteine sind schon da -> keine Gap-Phase nötig
• Ab postblastodermen Zyklus kommt G2-Phase dazu
• Danach: Epidermis: terminale Differenzierung; Nervensystem: Mitose
• In larvalem Gewebe, das später im Adult nicht genutzt wird -> Endocycling -> viele S-Runden finden statt
ohne Mitose -> Chromosomen werden jedesmal dupliziert, aber nicht getrennt -> Polyploidie -> also führt
zu polytenen Chromosomen -> durch Hetero- und Euchromatin kommt es zu spez. Bandenmuster in diesen
• Meisten Strukturen in Larvalem Gewebe/ in Larven polyploid durch Endocyclen, außer die Bereiche, die für
adulte Fliege wichtig sind -> Imaginalscheiben
,Entwicklung von Imaginalscheiben
• Alles für die Metamorphose ist schon in der Larve angelegt -> in Imaginalscheiben
• Imaginalscheiben = nicht polyploide Bereiche -> klassisches Gewebe mit diploiden
Zellen
• Imaginalscheiben haben typ. Funktion -> an der Morphologie der Imaginalscheibe
erkennbar was es in Metamorphose macht (zB. Augen, Antenne)
• Imaginalscheiben als genetisches + cytologisches Tool einsetzbar (wichtiges Tool):
Überexpression von CID in Imaginalscheibe -> Überproliferation wie in Tumor zu untersuchen
Balancer Chromosome: Mutantenphänotyp
1. Dominanter Marker (zb CurlyO) Oben rezessiv: Ebony= dunklere
2. Rezessives letales Gen (sodass wenn Balancer 2 mal vorliegt -> tot) Körperfarbe
3. Multiple Inversionen, die genetischen Austausch Unten dominant: Serrated = Flügel
zwischen Balancer und seinem nicht-balancer ausgefranst, Stubble = kleine Borsten an
homolog während Mitose verhindern Rücken, CurlyO = gebogene Flügel
• Balancer Chromosom = Chromosom, das designt
wurde um letale Mutationen nicht im
Fliegenstock zu verlieren -> kann man sonst nicht
lange aufrecht erhalten -> betroffene sterben
• Leichte Erkennung ist wichtig -> gut weil auf
Balancer Marker sitzt -> man sieht genau wo
letale Mutation ist
• Reinkreuzung in Fliege: Fliege 1 Balancerchr. + 1 WT-Chromosom, mit -> Sehr einfach Markergene in Fliege zu
letaler Mutation erkennen
• 2 mal Balancer -> tot
• 2 mal WT mit let. Gen -> tot
• Mit Balancer und WT Chromosom mit letaler Mutation lebt -> wichtig um letale Mutationen zu erhalten +
untersuchen zu können -> mit Balancer lässt sich gute Genetik betreiben, man weiß immer bei
Kreuzungen, wo ist mein Balancer hinvererbt worden und damit auch wenn Fliege wo die letale Mutation
ist -> gut erkennbar durch dom. Marker auf Balancer
Postion effect variegation (PEV)
• Inaktivierung eines Gens durch Nebeneinanderstellung zu Heterochromatin
• Oben: white gen an nomaler Position in Euchromatin
• Unten: Chromosom Inversion -> white gen liegt jetzt nah an Heterochromatin ->
Heterochromatin kann in white gen reinwandern und es somit stummschalten
• was in Heterochromatin liegt wird nicht bzw. minimal exprimiert -> sieht man Flybase: Datenbank für Drosophila
an Augenfarbe -> wird weiß Gen + Genom
-Findet hier alles zu Genetik & co
P-Element Mobilität in Keimbahn verursacht Hybrid-Dysgenese in best. Stämmen -> Genfkt, Genlokalisation, wie
• WT-Fliegen = P mit Laborfliegen = M gekreuzt Transkript aussieht, cDNA, RNAseq
• In Keimbahn von P P-Elemente aktiv -> Transposase, in M gibt es keine zu versch. Entwicklungsstadien,
Elemente/Funktionen, die Transposase unterdrücken können (in P schon) transgene Insertionsstellen (P-
• F1 teil steril -> Kreuzung mit P oder M (egal) -> F2 Generation mit vielen Elemente) -> wichtig für gen.
Mutationen + Chromosom Rearrangements -> in Keimbahn von F1 tritt Manipulation -> also sichtbar
aufgrund der Transposaseaktivität hohe Mutationsrate auf welche Transposons wo integriert
sind, Interaktionspathways
Kann Allel eines Gens sehen + alle
Mutationen darauf + wie
entstanden -> sieht die ganzen
transgenen Konstrukte (P-
Elemente) -> kann Stock bestellen
, P-Elemente:
• Transposable Elemente haben inverted repeats -> kleine Bereiche, die
repetitiv sind in die jeweilige Richtung -> dazwischen liegt
Transposontranskript
Transposable Elemente für Drosophila Forschung hohe Bedeutung:
P-Element-Mutagenese, P-Element vermittelte trangene Fliegen, P-Element vermittelte Reporterkonstrukte
P-Element Transformation
• P-Elemente inserieren sich mittels Transposase ins Genom -> man braucht
dafür nur die Enden = inverted repeats -> mittlerer Bereich
(Transposontranskript) egal, hier kann Transgen und Marker drin sein
• Klassischer Transformationsplasmid = pCasper Vektor: enthät white + (rote
Augen) und Gen der Interesse (Transgen, kann auch GFP tagged sein)
• pCasper + Helperplasmid (enthält Transposase Gen) wird in M-Stamm (w-)
Embryo injiziert -> kann Transposition nicht unterdrücken -> Gamete mit
transformierter DNA im Genom entsteht = weiße Augen > Transposase erst in
Keimbahn der Fliege aktiv -> nach Kreuzung erhält man rote Augen -> daran
erkennt man transgene Fliege
Yeast Gal4-UAS System
• UAS Konstrukte = sehr wichtiges Tool
• transgene Fliege: Gal 4 aus Hefe zwischen P-Elementenden,
-> steht unter Kontrolle eines gewebespez. Enhancer
(GMR-GAL4 -> zB. augenspezifisch)
• andere transgene Fliege besitzt zwischen P-Elementenden
Gen of Interest + UAS -> Gen steht unter Kontrolle von UAS
• Nach Kreuzung beider Fliegen, wird Gal4
gewebespezifischen produziert = Transkriptionsfaktor -> bindet an UAS -> Gen of Interest wird exprimiert -
> aber nur gewebespezifisch
• Oft als tool eingesetzt für Screens -> um Überexpression eines Gens in best. Bereich/Gewebe zu erhalten
=> Genetic modifier screen -> Nachkommen aus Kreuzung (mit GAL4 und UAS Konstrukt auf Chromosom +
Balancer Chromosom) eingesetzt für weitere Kreuzungen -> weitere Mutationen werden reingekreuzt und
man schaut wird gewebespez. Effekt stärker, supprimiert oder kein Effekt
• Bsp: links Nachkomme -> hier wird augenspezifisch CID
überexprimiert -> Auge reduziert -> rough eye
• Dann verschiedene Mutanten eingekreuzt -> unten welche
Gene Phänotyp supprimieren
• Diese Art von Screens wird auch für großindustrielle
Screens genutzt -> Drosophila als Krebs-Modell
CHRAC 14 Mutante supprimiert Augenphänotyp:
In CHRAC14 Mutante sieht man erhöhtes Level von
endogenem CID -> wird nicht mehr richtig positioniert,
dadurch wird Phänotyp reduziert
CHRAC hat Fkt in DNA Zerstörung, aber auch Fkt für richtige
Lokalisation von CID
-> bei CHRAC Mutation: Fehleinbauten + Chromosomen, die
auseinanderbrechen
CID = Centromer Identifier -> Histon sitzt nur am Centromer,
also genau da wo Spindel für Trennung der Chr. ansetzt -> oft
überexprimiert bei Krebs: Überproliferation
CID (CENP-A) sehr wichtiges Protein für normale Zellteilung
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