VO Entwicklungsbiologie, Prüfungsfragen/Antworten

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Antworten Entwicklungsbiologie

Teil Bauer

1. Themenbereiche der Entwicklungsbiologie

I. Embryologie

a) Vergleichende Embryologie Beispiele: Aristoteles (Oviparti, Viviparti); Avicena = Ibn Sina (persischer Arzt, schreib Buch über Entwicklungsbiologie); Harvey („Blutinseln“ = Blutzellen); Malpighi (Nierenforscher, Insekten -> Malpighische Gefäße, Beschreibung Somiten und Neuralfurche, Unterscheidung Arterie und Vene)

b) Evolutive Embryologie Haeckl -> Beschrieb Wiederholung der Phylogenese der Lebewesen im Lauf der Erdgeschichte während der Ontogenese (z.B. Homologie der Armknochen von Mensch – Seehund – Vogelflügel – Fledermausflügel)

c) Teratologie / medizinische Embryologie Lehre von den Missbildungen (Mehrfingrigkeit, Albinismus, etc. ) und Mutationen (Strahlung oder Medikamente z.B. Contergan) durch Teratogene

d) Mathematische Modelle Allometrie -> Messen/Vergleichen von Beziehungen zwischen der Körpergröße und deren Verhältnissen zu verschiedenen biologischen Größen. Ontogenetische Allometrie: Vergleicht z. B. Organ-Körper-Relationen bei wachsenden Individuen einer Art.

-> Intraspezifische Allometrie: Hier werden biologische Größen bei ausgewachsenen Individuen einer Art miteinander verglichen. -> Interspezifische Allometrie: Die interspezifische Allometrie vergleicht das Verhalten von Messgrößen bei ausgewachsenen Individuen von mehreren, miteinander näher verwandten Arten bis zum Taxus Familie. Phylogenetische Allometrie: Hier werden biologische Größen bei ausgewachsenen Individuen über den Taxus Familie hinweg miteinander verglichen. Hier werden biologische Größen bei ausgewachsenen Individuen über den Taxus Familie hinweg miteinander verglichen. Turing -> Entwicklung einer Maschine zur Berechung komplexer Vorgänge Otto Snell -> Abhängigkeit des Hirngewichts vom Körpergewicht und den geistigen Fähigkeiten

II. Stammzellenforschung

2. Enstehung des Wirbeltier-Nervensystems

Neuralizing Factors -> Sind an bildung des Kopfes+Gehirn und ZNS beteiligt. Am Beginn der Neurulation grenzt sich die Neuralplatte von der (kugeligen) Gastrula ab. Die Ränder der Neuralplatte wölben sich zur Neuralrinne und anschließend zum Neuralrohr. Das Neuralrohr löst sich vom übrigen Ektoderm ab und verlagert sich ins Innere des Embryos -> Anlegung des Rückenmarkes. Die Liquor cerebrospinalis (Gehirn- Rückenmarks Flüssigkeit) befindet sich im Inneren des Neuralrohres, durch den Druck den die Flüssigkeit ausübt bildet sich ein Raum für das Gehirn und später auch für die Augen aus. Vom Neuralrohr lösen sich multipotente Neuralleistenzellen ab aus denen mit Hilfe von diversen Signalmolekülen (z.B. Bmp) später verschiedene Zellen bilden (z.B. Schwannzellen, sensorische Neuronen…)

3. Was ist Induktion? Erkläre anhand der Forschungen von Mangold&Spemann

Induktion bedeutet, dass ein „Sender“ = Induktor entwicklungssteuernde Signale in seine Umgebung schickt, besonders wirkungsvoll macht dies der so gennante „Spemann Organisator“ (-> Arbeit von Spemann & Mangold: Experimente mit Molchen über die Signalwirkungen zwischen Teilen des Embryos. Mittels mikrochirurgischer Instrumente wurden Spenderkeime aus der frühen Gastrula entnommen und an andere Stellen in den Empfängerkeimen transplantiert. Man wollte erfahren, ob sich die Gewebestücke sich am neuen Ort ortsgemäß, oder herkunftsgemäß verhalten würden -> bei früher Gastrula ortsgemäß d.h. Zellen noch nicht determiniert, späte Gastrula herkunftsgemäß d.h. Zellen determiniert). Enger Kontakt zwischen Zellen und Induktor -> embryonale Induktion Weiter Kontakt zwischen Zelle und Induktor -> hormonelle Induktion Meist ist eine Singnalkaskade für die Induktion verantwortlich.

4. Bevorzugte Modellorganismen der Entwicklungsbiologie

Nematod - Caenorhabditis elegans

Vor allem Forschung zur Apoptose (programmierter Zelltod), auch Nervenprozess und Alterung. Kann leicht gehalten werden, hat schnellen Entwicklungszyklus, alle Zellen bekannt, Adultstadium kann leicht erkannt werden.

Fruchtfliege - Drosophila melanogaster

Schneller Lebenszyklus, zahlreiche Mutationen und Stämme, interessantes Detail -> Imaginalscheiben, versuchen sie zu versetzen erzeugt z.B. Beine am Kopf oÄ. Afrikanischer Krallenfrosch – Xenopus laevis Großer Vorteil -> Eier können extern studiert werden, vor allem Einsatz in der Krebsforschung. Meroblastische Furchung (animaler und vegetativer Pol)

Zebrafisch – Danio rerio

Embryonalstadium durchsichtig, erleichter in vivo Studien, vor allem Einsatz bei der Forschung der Angiogenese (Bildung von kleinen Blutgefäßen), ebenfalls Mutagenese und Karzinogenese

Huhn – Gallus gallus

Ei relativ groß -> Vorteil, vor allem Forschung der Neuralrohrentwicklung, Organogenese und Vaskularisation (Entwicklung des Blutkreislaufes), Albinismus

Maus – Mus musculus

Komplexer Organismus, komplexe Entwicklung, soziale Tiere, relativ intelligent, dem Mensch von allen Modellorganismen am ähnlichsten, Befruchtung einwandfrei feststellbar, rasche Generationsfolge, sehr viele Inzuchtstämme = sehr hohe Homozygotie. Forschung auf vielen Gebieten, vor allem aber bei neurodegenerativen Erkrankungen. Nachteil: Relativ teure Züchtung

5. Was sind Homeobox Gene? Welche Funktion haben sie?

Auch „Hox-Gen“ -> Gen, das mehrere andere, funktionell zusammenhängende Gene im Verlauf der Ontogenese, und im Speziellen der Morphogenese, von Embryonen steuert (Längssegmente und Organausbildung, homeotische Transformation = Struktur wird durch eine andere ersetzt oder repliziert). Sie sind Entwicklungsgene die den Phänotyp beeinflussen. Kodieren nicht direkt für Proteine, sondern steuern die Entwicklung durch Regulation anderer Gene. Sind recht groß, umfassen mehrere hunderttausend BP der DNA. Ein charakteristischer Bestandteil ist die „Homeobox“, dies ist ein ca. 180 BP langer DNA Abschnitt der wiederum die „Homeodomain“ Enthält (Sequenz von 60 AS). Hox-Domains sind immer im Zellkern und binden zwischen der DANN -> blockieren die DNA und regulieren sie dadurch = Mastergene

Teil Tenhaken

6. 10 Formen von differenzierten Zellen

Parenchym, Collenchym, Epidermis, Stomata, Sklerenchym, Tracheiden, Tracheen, Siebröhren, Geleitzellen, Phelloderm, Trichome, Synergiden, Antipoden, etc…

7. Agrobacterium tumefaciens; Gentransfer von Bakterium in Pfl.; wie ensteht Tumor

Pathogene Agrobakterien tragen stets ein Plasmid. Dieses Ti-Plasmid (Ti steht für tumor inducing - Tumor erzeugend) enthält Gene, die für die spätere DNA-Übertragung in die Pflanzenzelle notwendig sind. Die Transkription dieser sogenannten "Virulenz-" oder vir- Gene wird durch sekundäre Pflanzenstoffe, die aus verwundeten Pflanzenteilen austreten, aktiviert. Man spricht auf Seiten des Bakteriums auch von positiver Chemotaxis, da sich die Bakterien gezielt zur Quelle des Botenstoffs hin bewegen. Das aktivierte vir-Genom des Bakteriums befindet sich auf seinem Ti-Plasmid und codiert für Proteine, die in die Pflanze eindringen und in der Pflanze Fremdgene installieren können. Mit Hilfe der vir-Genprodukte kann ein anderer Teil der DNA des Ti-Plasmides als so genannte „Transfer- oder t-DNA“ in die Pflanzenzelle übertragen werden. Diese t-DNA ist an ein Protein gebunden, welches durch ein bestimmtes Motiv dafür sorgt, dass die DNA in den pflanzlichen Zellkern transportiert wird (NLS oder Kernlokalisierungssignal). Außerdem sind Gene der t-DNA verantwortlich für die Auxin-, bzw. Cytokinbildung und somit für das Callus- „Tumor“-Wachstum. Im Zellkern angekommen, wird die DNA in das pflanzliche Genom integriert. Promotoren, die von der Pflanzenzelle erkannt werden, sorgen dafür, dass die Gene in der Pflanze auch aktiv sind. Die übertragenen Gene lösen Tumore aus und veranlassen die pflanzliche Zelle, Opine (Octopin und Nopalin) zu produzieren, die den Bakterien als Nahrung dienen, für die Pflanze aber wertlos sind.

8. Wo ist beim Auxintransport Energieaufwand nötig?

Das ATP wird hier für die Protonenpumpen benötigt, welche den Protonengradient zwischen innen und außen aufrecht erhalten.

9. Hormonelle Steuerung der Keimung

Phytohormon das für Keimung notwendig ist: Gibberelin. Ohne Gibberelin bleibt das Gen für den Myb-Transkriptionsfaktor reprimiert, wenn Gibberelin vorhanden ist wird der Repressor im Proteasom abgebaut. Dadurch kann der Myb-Transkriptionsfaktor gebildet werden, der an den Promotor des α-Amylase-Gens bindet und zu hoher Syntheseleistung von α-Amylase (Protein) führt.

10. 5 Beispiele für programmierten Zelltod + Funktion

- Bildung von Xylemzellen -> tote Zellen für Wassertransport, pflanzlich - Bildung der Wurzelspitze = Calyptra -> besseres Vorstoßen ins Substrat möglich, pflanzlich - Degeneration von Aleuronzellen, Aleuronzellen sind Zellen (eine einlagige Zellschicht), die im Getreidekorn, das Endosperm von der Samenhülle trennt. Die Aleuronzellen bilden während der Keimung Hydrolasen (z.B. Amylase) und geben diese ins Endosperm ab, wo dann anschliessend die Stärke abgebaut wird. Ist der Keimungsprozess abgeschlossen, sterben die Aleuronzellen über programmierten Zelltod ab. Pflanzlich - Laubfall im Herbst, pflanzlich - Fiedrigkeit von Blättern, pflanzlich - Trennung der Finger, tierisch - Hemopoetisches System

11. Cytokinine (Grundgerüst; Wirkung auf Seneszenz; molekulare Vorgänge bei Zellteilung)

Grundgerüst: N6-substituiertes Purinderivat Hat eine hemmende Wirkung auf die Seneszenz der Pflanze, da es den Chlorophyllabbau verzögert. Behandlung mit Cytokinin lässt Blätter wie Cytokinine fördern außerdem die Zellteilung durch Induktion von Cyclinen und Proteinkinasen des Zellzyklus.

12. ABC-Modell

Modell zur Festlegung der Blütenorgange. A, B und C sind jeweils Genklassen die durch Interaktion untereinander die Blüte A -> Kelchblätter A + B -> Kronblätter B + C -> Staubblätter C -> Fruchtblätter A und C unterdrücken sich gegenseitig, d.h. zwischen ihnen kann es zu keiner Überschneidung kommen.

13. Begriffe Dormanz, Stratifikation und Vernalisation

Dormanz: Bei Pflanzen -> Samen Umweltbedingungen zu überdauern Stratifikation: Beendigung der Dormanz durch Kälteschock Vernalisation: Natürliche Induktion des Wachstums bzw. Blühen von Pflanzen durch eine längere Kälteperiode. Dies verhindert einen ungünstigen Beginn der generativen Phase kurz vor Wintereinbruch.

14. Pfropfung

Abschneiden der Pflanze knapp über dem Wurzel (Unterlage) „Austauschen“ von Wurzel/Spross (siehe Folie, Zeichnung). entstehenden Wundcallus, in dem sich Phloem und Xylemelemente differenzieren und dadurch eine funktionstüchtige Leitung zwischen Reiser und Unterlage entsteht. Verwendung zur Veredelung und vegetativen Vermehrung, oft im Obstbau oder Züchtung von Zierpflanzen (z.B. Rosen). Durch Pfropfung können Pflanzen auch gegen bestimmte Krankheiten/Schädlinge immun gemacht werden, z.B. Veredelung von europäischen Reben durch amerikanische -> resistent gegenüber Reblaus.

15. Was ist ein Meristem? Welche Gene kontrollieren es, wie wird es im Gleichgewicht gehalten?

Meristeme sind Bildungsgewebe in Pflanzen, aus ihnen entstehen Zellen für die Gewebe des Organismus. Man unterscheidet prinzipiell 2 Arten, das shoot apical meristem SAM und das root apical meristem RAM. Sie werden während der frühen Keimlingsentwicklung angelegt. Weiters gibt es Sekundärmeristeme die durch Reembryonalisierung von bereits differenzierten Zellen entstehen, ansonsten sind sie zu den primären Meristemen (s.o.) äquivalent. Kontrollierende Gene sind das Gen Clavata (im WT -> Inhibierung = Hemmung der Meristembildung) und Wuschel (im WT -> Proliferation = Vermehrung neuer Meristemzellen). Eine regulatorische Schleife hält die Meristemgröße im Gleichgewicht: Meristemzellen entsprechen in etwa Stammzellen… wenn zu viele Meristemzellen -> viel Clv3 wird gebildet, wenig Wuschel, ergo weniger Meristemzellen; wenn zu wenig Meristemzellen -> wenig Clv3 wird produziert, viel Wuschel, ergo mehr Meristemzellen.

16. Welche 3 Photorezeptoren + Lichtabsorption + Chromophore

Phytochrom -> rotes Licht, Chromophor proteingebunden, durch Bestrahlung mit hellrotem Licht geht Übergang in cis-trans Isomerie, weil es proteingebunden ist -> Veränderung des gesamten Proteins, dadurch Pr oder Pfr-Form. Phototropin -> blaues Licht, Chromophor ist ein Flavin-Mononukleotid (FMN). Phototropin enthält 2 LOV-Domänen (Light-Oxygen-Voltage) an die FMN bindet (pro Phototropin also 2 FMN). Dadurch wird bei Bestrahlung mit Licht des wirksamen Spektralbereichs (blau) eine reversible Strukturänderung des Proteins ermöglicht. Cryptochrom -> blaues Licht

17. Gibberelinbehandlung hebt Zwergwuchs von Mutanten auf. Stimmt das? Wenn ja, warum ist das so?

Ja, stimmt. Gibbereline sind eine Klasse von Phytohormonen, also am Wachstum von Pflanzen beteiligt. Weist eine Pflanze Zwergenwuchs auf, ist es naheliegend, dass der Syntheseweg für Gibberelin gestört ist, ohne Gibberelin bleibt ein Gen für Myb- Transkriptionsfaktor reprimiert, der Repressor wird in der Gegenwart von Gibberelin abgebaut, dadurch Bildung des Myb-Transkriptionsfaktors, dieser bindet an Promotor des α-Amylase-Gens, dadurch hohe Syntheseleistung von α-Amylase -> Zugabe von Gibberelin führt zu Wachstum.