Screening
Fragen an eine Fliege
Herz, Schmerz, Hirn. Wie diese funktionieren, wollen Forscher(innen) vom IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie der ÖAW herausfinden. Deswegen durchsuchen sie das gesamte Erbgut der Taufliege Drosophila – Gen für Gen. Als Werkzeug dient ihnen ein ganz spezieller Filter, das genomweite RNAi-Screening.
- Die meisten Fliegen-Gene haben eine Entsprechung im Humangenom. Deswegen erlauben genetische Erkenntnisse über das Drosophila-Herz Rückschlüsse auf die Regulation der menschlichen Herzfunktion. Bild: IMB/IMBA Graphics
Heiß! Autsch! Finger verbrannt! Ein Rendezvous zwischen glühender Herdplatte und empfindlichen Extremitäten findet meist ein jähes Ende. Beteiligt an der unangenehmen Empfindung – auch wenn dies Brandblasengeplagte erstmals kaum trösten mag – ist ein Ensemble aus 400 Genen. Die Forschungsarbeiten zur Lokalisierung der Gene und ihre Zuordnung zu Wirkungsbereichen resultieren in einer „genetic map“.
Diese molekulare „Landkarte“ des menschlichen Schmerzempfindens könnte sich als höchst nützlich für die Entwicklung neuer Medikamente erweisen. Publiziert wurde sie durch Forscher(innen) um IMBA-Direktor Josef Penninger und Greg Neely (Garvan Institute of Medical Research, Sydney) im Dezember 2012. Basis für die Schmerz-Landkarte war ein genomweiter Screen der Taufliege Drosophila.
Ganzheitliche Landkarten
Ebenfalls durch systematische „Gen-Filterung“ konnten Penninger, Neely und ihr internationales Team im Jahr 2010 eine „Herz-Landkarte“ erstellen. Darauf verortet: 500 Fliegengene, die für das einwandfreie Funktionieren des Herzens notwendig sind.
Auch Jürgen Knoblich, Senior Gruppenleiter und stellvertretender Direktor des IMBA, nutzt die genomweiten Analysen. Er ergründet u. a. die genetische Basis von Tumorbildung und Stammzellkontrolle – Vorgänge, bei denen ganze Gen-Netzwerke involviert sind. Diese zu verstehen, so Knoblich, sei notwendig, um Krankheiten in den Griff zu bekommen. Und so ist Knoblich davon überzeugt, dass der ganzheitliche Screening-Zugang einer isolierten Betrachtung von einzelnen Genen weit überlegen ist.
Der unverstellte Blick
IMBA-Gruppenleiter Julius Brennecke hat im letzten Jahr gemeinsam mit dem Nachwuchsforscher Dominik Handler ebenfalls einen genetischen Screen durchgeführt. Die RNA-Experten waren auf der Suche nach Genprodukten, die wie ein Miniatur-Immunsystem das Drosophila-Genom vor „Genomparasiten“ (Transposons) schützen. Ausbeute des Screens, der ein Jahr lang dauerte und rund 60.000 Euro kostete: 60 Gene sind im Fliegenovar dafür zuständig, die gefährlichen Transposons in Schach zu halten.
Biologische Prozesse sind anfangs oft wie eine „Blackbox“, sagt Brennecke, und genetische Screens seien oft der Schlüssel, um Gene zu offenbaren, die in bestimmten Lebenssituationen oder Körperregionen gebraucht werden: „Das Wunderbare an genetischen Screens ist, dass man mit großer Unvoreingenommenheit quasi eine Frage an die Fliege stellen kann.“ Bei anderen Methoden würde durch Design oder Interpretation der Versuche viel eher ein erhofftes Ergebnis heraufbeschworen.
Bei genetischen Screens jedoch, so Brennecke, sei der Forscherblick nicht durch Wunschdenken verstellt. Und so ist den am IMBA absolvierten Screens – trotz großer Unterschiede in experimentellen Details – eines gemeinsam, sagt Julius Brennecke: „Sie fördern immer wieder verblüffende Zusammenhänge zu Tage.“
Überraschungen aus der Blackbox
Ein eindrucksvolles Beispiel für eine solche Überraschung: Josef Penninger und sein Team berichteten im Jahr 2010 über ein Schmerzgen namens α2δ3, auf das sie im Zuge der Fliegen-Screens aufmerksam geworden waren und weiter in Mäusen untersucht hatten.
Eine Veränderung dieses Gens sorgte dafür, dass die kleinen Säuger Schmerzen offenbar nicht mehr auf herkömmliche Weise fühlten, sondern diese sehen, hören und riechen konnten. Derselbe Mechanismus ist möglicherweise für die erbliche Synästhesie beim Menschen verantwortlich. Diese Personen assoziieren Worte mit Farben oder Laute mit Bildern. JH
Ein Sieb für die Gene
Unter großem Jubel wurde im Jahr 2000 die Sequenz des humanen Genoms vorgelegt. Darauf folgte eine gewisse Ernüchterung. Denn auch wenn die Abfolge der Basenpaare im Erbgut des Menschen niedergeschrieben war, so fehlte doch die Interpretation des beeindruckenden „Datensalats“. Bis heute ist die Funktion von vielen Genen unbekannt. Um also festzustellen, welche Abschnitte des Erbguts an Prozessen wie Entwicklung, Wachstum, Kommunikation oder Krankheitsentstehung beteiligt sind, setzen heute viele Molekularbiolog(inn)en auf das so genannte genomweite Screening – eine Art Hochdurchsatz-Sieb für die Gesamtheit aller Gene in einem Organismus.
Auch verschiedene Forscher(innen)gruppen vom IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie der ÖAW nutzen diese automatisierte Filtertechnik. Konkret kommt beim Screening am IMBA ein Lieblingstier der Genetik zum Handkuss: die Taufliege Drosophila. Ein Vorteil dieses Tierchens ist, dass viele seiner Gene jenen von Säugetieren entsprechen. Versuchsergebnisse können daher oft vom Insekt gut auf den Menschen übertragen werden.
In den Fliegen wird im Laufe des Screenings jedes ihrer rund 14.000 Gene gezielt durch die so genannte RNA-Interferenz stillgelegt. In Folge muss der Organismus ohne die Produkte des ausgeknipsten Gens zurecht kommen und bestimmte Experimente durchlaufen. Wenn das Ruhigstellen eines Gens mehr oder weniger schwerwiegende Folgen hat (zum Beispiel Missbildungen, Krebsentstehung, Tod), ist dies ein wertvoller Hinweis auf seine Rolle im gesunden Organismus. JH
Rückfragehinweis:
Elena Bertolini
IMBA – Institut für Molekulare Biotechnologie
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
IMBA Communications
Dr. Bohr-Gasse 3, 1030 Wien
T +43 1 79 044-4700
elena.bertolini@imba.oeaw.ac.at
www.imba.oeaw.ac.at
Wissenschaftliche Kontakte:
Prof. Dr. Josef Penninger
Scientific Director
josef.penninger@imba.oeaw.ac.at
Dr. Jürgen Knoblich
Senior Scientist, Deputy Scientific Director
juergen.knoblich@imba.oeaw.ac.at
Dr. Julius Brennecke
Group Leader
julius.brennecke@imba.oeaw.ac.at