Die Differenzierung von Organismen

Überblick

Alle in den vorangegangenen Kapiteln gestellten Fragen laufen auf die Hauptfragestellung hinaus, durch welche molekularen Prozesse komplexe multizelluläre Organismen mit funktionell unterschiedlichen Zellen entstehen können — ontogenetisch und evolutionär.

Die Genetik hat in den letzten Jahren zu großen Fortschritten im Verständnis der molekularen Grundlagen von Zelldifferenzierungsprozessen beigetragen. So ist es bei Drosophila, Caenorhabditis und einigen anderen Organismen gelungen, durch die Untersuchung von Mutanten den Mechanismus der Geschlechtsbestimmung zumindest in seiner allgemeinen Grundlage zu verstehen: Die Geschlechtsbestimmung wird durch ein hierarchisches System von Genen gesteuert. Für die Anfangsschritte der Regulation der Geschlechtsbestimmung sind eine Reihe nukleinsäurebindender Proteine verantwortlich, die die Expression untergeordneter Gene kontrollieren.

In ganz ähnlicher Weise sind an frühen Differenzierungsschritten des Drosophila-Embryos DNA-bindende Transkriptionsfaktoren und RNA-bindende Regulationsproteine beteiligt, die die Aktivität nachgeordneter Gene regulieren. Nukleinsäurebindende Proteine spielen als molekulare Signale (Morphogene) für die Determination der Achsen des Embryos eine wichtige Rolle. So wird die Grundlage für die beiden embryonalen Achsen bereits während der Oogenese gelegt. Das sich entwickelnde Ei erhält eine positionelle Information in seinem Cytoplasma. Diese Information besteht aus mRNA-Molekülen, die nach der Befruchtung im frühen Embryo translatiert werden und Proteine bilden, die durch ihre asymmetrische Lokalisation im Eiperiplasma und durch Diffusion Gradienten ausbilden. Durch unterschiedliche Konzentrationen solcher Proteine in verschiedenen Bereichen des Embryos kommt es zur unterschiedlichen Regulation der Aktivität funktionell untergeordneter Proteine. In vereinfachter Form können wir also sagen, daß lokalisiert auftretende Transkriptionsfaktoren eine differenzielle Genaktivität in unterschiedlichen Bereichen des Embryos induzieren, die zu weiterer zellulärer Differenzierung führt. Die Unterordnung von Genregulationsprozessen und von Genfunktionen im Embryo unter gemeinsame Kontrollmechanismen, die durch lokalisierte Verteilung von Regulationsmolekülen bereits während der Oogenese festgelegt werden, zeigt an, daß eine morphologische Kontinuität der Organismen über die Generationen hinweg besteht.

Die Untersuchungen von Entwicklungsprozessen an Tieren und Pflanzen deuten darauf hin, daß die molekularen Grundprinzipien von Determinations- und Differenzierungsprozessen evolutionär sehr alt sind. Es zeichnet sich damit nach der Erkenntnis, daß Vererbungsprozesse bei allen Organismen nach den gleichen Grundprinzipien erfolgen, auch ab, daß zelluläre Differenzierung bei allen lebenden Organismen auf ähnlichen molekularen Grundlagen erfolgt.

Die Wege genetischer Forschung haben uns also innerhalb eines Jahrhunderts an die Schwelle des Verständnisses von zellulären und damit auch morphologischen Differenzierungsprozessen geführt.