Glow Worms – German Version

Hättet ihr gedacht, dass wir Menschen auf der genetischen Ebene Würmern relativ ähnlich sind? Viele Gene stellen in Würmern Proteine her, die identisch mit denen von Menschen sind. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik erforschen diese Proteine mit Hilfe des Fadenwurms Caenorhabditis elegans und hoffen, so auch besser verstehen zu können, welche Funktionen diese Gene bei uns Menschen erfüllen. Gut 80% der menschlichen Proteine haben eine Entsprechung in entwicklungsgeschichtlich sehr entfernten Organismen wie solchen Würmern.

 

Der Fadenwurm C. elegans lebt in nahrungsreicher Erde und frisst Bakterien, die auf organischem Material, das verrottet, zu Haufe vorkommen. Der Wurm hat zwar kein Atmungs- und Kreislaufsystem, verfügt aber trotzdem über einen Mund, eine Art Speiseröhre, einen Darm und ein Nervensystem. Ausgewachsen ist der Wurm ungefähr 1mm lang. Dieser minikleine Wurm kann sein ganzes Leben über mehr als 20.000 Proteine herstellen. Wenn wir verstehen, wie diese Proteine im Fadenwurm C. elegans funktionieren, können wir vielleicht Rückschlüsse darauf ziehen, welche Funktion sie bei uns Menschen haben.

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Fadenwürmer mit grün markierten Proteinen. Oben links: ein Ei, aus dem sich ein Wurm-Embryo entwickelt Oben rechts: Drei Würmer im Larvenstadium Unten links: Der Kopf eines ausgewachsenen Wurms Unten rechts: Der Schwanz eines ausgewachsenen Wurms

Abbildungen: Ich mit Transgeneomics-Facility am MPI-CBG

Die Proteine dieses Wurms sichtbar zu machen, ist relativ einfach, da der Wurm durchsichtig ist und sich somit perfekt zum Mikroskopieren eignet. Aber wie unterscheidet man unterschiedliche Proteine? Und wie macht man möglichst gute Bilder? Wir arbeiten mit Licht.

Stellt euch vor, man könnte ein bestimmtes Protein in so einem Wurm überall aufleuchten lassen, und hätte schließlich einen leuchtenden Wurm, an dem man genau dieses Protein dann unter dem Mikroskop genau erforschen kann. Nun, genau das haben Wissenschaftler am MPI schon geschafft. Sie haben ein grün leuchtendes Gen (GFP – green fluorescent protein) als Markierung an ein Wurmprotein gehängt, das auch beim Menschen vorkommt. Das haben sie dann mit vielen anderen Proteinen genau so gemacht. Durch das angehängte GFP leuchtet das Protein unter UV-Licht grün und kann gut lokalisiert werden.

 

Die Mikroskopietechnik, die genutzt wird, um die grün leuchtenden Proteine zu erforschen, heißt SPIM – Selective Plane Illumination Microscopy. Hier nehmen Lichtscheiben die Probe ins Visier, die im 90°-Winkle zum Detektionsobjektiv liegt (das ist anders als bei anderen Mikroskopen). Bei dieser Mikroskopietechnik entfällt das Problem des optischen Bleichens – Licht kann die Fluoreszenz verschwinden lassen und damit die Probe unbrauchbar machen. Mit den Lichtscheiben kann man schnell ein 360°-Bild der Probe machen, und dann alles als 3D-Bild zusammensetzen.

 

Die Wissenschaftler am MPI-CBG nutzen SPIM, um Bilder von vielen verschiedenen, mit GFP markierten Proteinen im Fadenwurm aufzunehmen. Die Lichtscheibe erleuchtet einen hauchdünnen Schnitt durch die Probe. Der gesamte Rest des Wurms verbleibt im Dunkeln. Ist das leuchtende Protein in der erleuchteten Schnittfläche vorhanden, wird es sichtbar. Scheibe für Scheibe wird der Wurm so vom Kopf bis zum Schwanz durchleuchtet und wird währenddessen auch um 360° gedreht. Mit einer Software kann man daraus dann ein 3D-Bild rekonstruieren.

 

Ziel ist es, einen interaktiven Bildatlas der Wurmproteine zu erstellen. Damit hätte man die Möglichkeit, bestimmte Proteine zu bestimmten Zeitpunkten in der Entwicklung eines Wurmes zu lokalisieren. Schaut man sich die 3D-Bilder am Computer an, kann man den Wurm in alle Richtungen drehen und ein bestimmtes Protein sichtbar machen. Das kann viele Forschungsfragen beantworten: Wie viel vom Protein X ist in der Kopfregion, wie viel davon in der Schwanzregion vorhanden? Ist das Protein Y immer nur im Kopf des Wurms angesiedelt, oder ändert es seine Position um Laufe der Entwicklung auch? Interagieren Protein X und Y miteinander?

 

Dieses Wissen kann uns helfen, die Funktion bestimmter Proteine auch beim Menschen besser zu verstehen. Und das kann medizinische Bedeutung haben, weil es neue Ansätze für die Behandlung von Krankheiten wie Alzheimer, Parkinson oder Krebs liefern könnte.

Glow Worms – English Version

First published online for Germany’s Year of Light 2015, here is what I do these days.

Did you know that humans are genetically similar worms? Some worm genes make proteins that are similar to proteins in humans. Scientists at Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics are using the worm, C. elegans, to study these proteins in hopes of gaining a better understanding of how the proteins function in humans.

C. elegans is a nematode worm. It can be found in nutrient rich soil often feeding on bacteria that thrive on decaying organic matter. Although lacking a circulatory and respiratory system, the worm has a mouth, pharynx, intestines and a nervous system. As an adult worm, it only grows to about 1mm in length. This tiny worm can generate over 20,000 proteins throughout its life. If we can understand how these proteins function in C. elegans we may be able to draw the same conclusions about their functions in human.

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Above: C. elegans worms with a GFP tagged protein, syp-1.  The green is the protein and the blue is the DNA inside the worm. Syp-1 plays a role in pairing chromosomes during meiosis. Top Left: egg, Top Right: Three worms at larvae stage 1, Bottom Left: Midsection of larvae stage 4, Bottom Right: Tail of adult. Taken by Me, while in the Transgeneomics Facility/Sarov Lab – MPI-CBG.

Imaging this creature’s proteins is a fairly simplified task as the worm is transparent, making it perfect for microscopy work. But how do we distinguish between different proteins in the worm? And how do we get the best image possible? We use light.

Imagine if we could light up one specific protein in the entire worm, essentially creating a glowing worm that we could use to study one protein at a time under a microscope. Well that is what the scientists at MPI have done. Using molecular biology techniques, they have attached a green fluorescent tag (or green fluorescent protein – GFP) to a worm protein that exists also in humans. And they have done this for many different proteins. The GFP tag makes the protein glow green under fluorescent light and allows the scientists to track the protein inside the worm.

The particular microscopy method employed to study these fluorescent worm proteins is known as SPIM. SPIM stands for Selective Plane Illumination Microscopy and uses sheets of light perpendicular to the detection lens to bring a specimen in to focus. This is different from other microscopes in many ways. It allows the scientist to avoid a lot of photo bleaching – a phenomenon where light fades the fluorescence in a sample, rendering it unusable. The light sheet SPIM also allows for quick 360o imaging and 3D reconstruction of specimens.

The scientists at MPI used SPIM to take pictures of many different GFP tagged proteins in C. elegans. A thin sheet of fluorescent light illuminates a tiny section along the worm body. Every other part of the worm is in the dark. If a fluorescent protein is present in this tiny lit up section, it will become visible. The light is repositioned on a different tiny section along the worm body and pictures are taken in this fashion along the entire length of the worm, from head to tail. The worm is also rotated a full 360o while pictures are being acquired via the light sheet illumination. After all of the 2D pictures are taken, a computer program uses the fluorescent light data in each image to construct the pictures into a final 3D image.

One goal of these images is to complete an interactive Pictionary of worm proteins, providing a visual tool to track where specific proteins are located during the different stages of the worm life cycle. Viewing the 3D image on a computer, one can rotate the worm in the x, y and z-axis allowing the visualization of one specific protein throughout the entire worm. This provides a multitude of answers to questions about worm proteins. How much of Protein A is present in the head of the worm as opposed to the body or the tail? Is Protein B always in the head of the worm or does its position change throughout the worm’s life cycle? Is it possible that Protein A and Protein B interact with each other?

If we can make conclusions about these human-like worm proteins, we will gain an understanding of how these proteins function in humans. This alone could lead to medical advancements in treating human diseases such as Alzheimer’s disease, spinal muscular atrophy, Parkinson’s disease and cancer.

Boobies – 560 Breast Cancer Cases

A lab in the UK sequences the genomes of 560 different breast cancer tumors and has published a list of genes that, if mutated, could cause tumor growth. I’m sure there are other papers out there like this, but who has time to read? This one caught my eye on BBC this morning.

The list consists of 93 genes. They give the information in a simple figure:

naturebreastcancer1

Ok, maybe it isn’t SO simple. I do have the slight advantage of reading scientific papers, albeit I should read more of them for work. Let’s ignore Part A. There is a better figure for that, below. Part B lists the 93 genes that can play a part in breast cancer development. They’ve told us which genes are estrogen receptor positive (ER +) and which ones are negative… important if your doctor wants to treat your breast cancer with hormone therapy. If the genes mutated in your breast cancer are ER+, that means they are fed by estrogen in your body. Hormone therapy to reduce/remove estrogen could reduce or even eliminate your breast cancer. If the genes mutated in your breast cancer are ER-, hormone therapy won’t help eliminate the cancer.

The figure below shows the frequency of different types of mutations in the tumors as well as the chromosomes involved. I love it! I love that I can finally just look at a chromosome map and see where breast cancer mutations most likely occur.

bc

The Ven diagram (ooooh, look at the pretty colors!) breaks down the ER+ and ER- into numerical data. It also shows how many HER2 mutations they came across and classified them into ER+ and ER-. An early breast cancer drug discovery showed that if HER2 is mutated, it could be treated with Herceptin. This diagram shows that of the 73 HER2 mutations they found, 27 of them will not respond to Herceptin treatment (because they are ER -). Neat, huh?

They saw substitutions, rearrangments and inserts and deletions (indels) in the DNA sequences that are not normal and put them in an easy-to-read pie chart. Mmmm, pie charts. Sixth grade math. Yummy!

Now can someone tell me why HER2 is not on the list of 93 genes??

It’s because HER2 is also known as ERBB2. Why? I don’t know. But the figures in this paper are still sexy.

Nik-Zainal, S., Davies, H., Staaf, J., Ramakrishna, M., Glodzik, D., Zou, X., et al. (2016). Landscape of somatic mutations in 560 breast cancer whole-genome sequences, advance online publication SP – EP . doi:10.1038/nature17676