Ordnung im Chaos des Seins -
Wie Gene die Entwicklung steuern

Die Biologin Ingrid Lohmann geht den Mechanismen nach, die aus einer einzigen befruchteten Eizelle einen komplexen Organismus entstehen lassen. Dabei hilft der Wissenschaftlerin eine kleine Fliege: Drosophila melanogaster - ein Star unter den Labortieren.

Ingrid Lohmann hat sich systematisch hochgearbeitet: vom niederen Schleimpilz Dictyostelium über den Süßwasserpolypen Hydra, einem einfachen mehrzelligen Organismus, bis hin zu Drosophila melanogaster, der „schwarzbäuchigen Liebhaberin des Taus“. Die winzige, aber komplex gebaute Fliege mit dem poetischen Namen hilft Biologen seit Jahrzehnten dabei, Ordnung im Chaos des Seins zu schaffen und die Grundprinzipien des Lebens zu verstehen. Ingrid Lohmann hat das berühmte Insekt näher kennengelernt, als sie nach ihrer Promotion im Labor des renommierten Molekularbiologen William McGinnis an der Universität von Kalifornien in San Diego arbeitete. „Das war wie eine Offenbarung für mich“, erinnert sie sich. „Mit Drosophila“, erfuhr die Biologin, „geht nahezu alles.“

Dr. Ingrid Lohmann

In der Tat stammt das meiste, was die Wissenschaft heute über Gene und Vererbung weiß, von der Forschung an Drosophila, einem Star unter den Labortieren. Dem millimeterkleinen zweiflügligen Wesen, das weit mehr mit dem Menschen zu tun hat, als es der erste Augenschein vermuten lässt, ist Ingrid Lohmann seither treu geblieben. Ihr Ziel ist es, mithilfe von Drosophila und unterstützt von den Forschungsstrukturen, die ihr das Exzellenzcluster CellNetworks der Universität Heidelberg bietet, zur Lösung einer der wichtigsten Fragen der Biologie beizutragen: Wie entwickelt sich aus einer einzigen befruchteten Eizelle ein Organismus?

Die Wissenschaftlerin interessiert sich vor allem für eine Familie von Entwicklungsgenen namens „Hox“. Die Produkte der Hox-Gene arbeiten in der Zelle als „Transkriptionsfaktoren“: Sie steuern die Aktivität einer Vielzahl von Genen, die für die frühe Entwicklung eines Individuums verantwortlich sind. Insbesondere sorgen Hox-Gene dafür, dass sich der Körper des Embryos entlang seiner Längsachse gliedert, etwa in Kopf und Rumpf, und dass sich die dazugehörigen Gliedmaßen ausbilden.

Erstaunlich ist, dass Hox-Gene diese Aufgabe quer durch das Reich des Lebens bei allen Tieren ausüben, die eine Körperachse besitzen: beim Süßwasserpolypen Hydra ebenso wie beim Insekt Drosophila oder bei Wirbeltieren wie dem Menschen. „Hox-Gene sind die Meistergene der Entwicklung“, sagt Ingrid Lohmann. Das gilt nicht nur für die individuelle Entwicklung eines Lebewesens, sondern auch für die Evolution, während derer die Hox-Gene bei verschiedenen Stämmen und Ordnungen nahezu unverändert erhalten blieben. So erklärt sich, dass die Gene, die den Körper des Menschen aufbauen, weitgehend die gleichen sind wie diejenigen, die den Körper der Fliege einrichten.

Während ihrer Forschungsarbeiten in San Diego hat Ingrid Lohmann einen wichtigen Mechanismus erkannt, den Hox-Gene benutzen, um ihre Gestaltungskraft zu entfalten: Sie sind beteiligt an der Regulation des programmierten Zelltods, der sogenannten „Apoptose“, und lassen Zellen während der Entwicklung gezielt absterben. Auf diese Weise entstehen beispielsweise aus einem noch unförmigen paddelartigen Gewebe die fünf Finger der Hand.

2010 übernahm Ingrid Lohmann die Leitung einer Arbeitsgruppe am Exzellenzcluster CellNetworks. Dafür ist sie gemeinsam mit ihrem Mann Jan Lohmann und ihren beiden Söhnen nach Heidelberg gezogen. Jan Lohmann, der ebenfalls Mitglied des Clusters ist, leitet eine neue Abteilung für Stammzellbiologie am „Centre for Organismal Studies“ der Universität. „Uns gibt es immer nur im Paket“, sagt Ingrid Lohmann und lächelt. „Die Universität Heidelberg bietet uns im Exzellenzcluster CellNetworks nicht nur optimale Möglichkeiten zur interdisziplinären Forschung, sondern hat uns auch ermöglicht, Familie und Forschung miteinander zu verbinden.“

Derzeit erforscht Ingrid Lohmann am Cluster, wie Hox-Gene Nervenzellen zu Schaltkreisen im Gehirn verbinden und komplexe Verhaltensweisen veranlassen - beispielsweise das Kriechen der Drosophila-Larven zu einer Futterquelle oder die Bewegungen der Kiefermuskulatur während des Kauens. Auch die Bedeutung der Hox-Gene für die Aufrechterhaltung und Differenzierung von Stammzellen, den Alleskönnern unter den Zellen, beschäftigen die Biologin und ihre rund zehn Mitarbeiter. Oder die Frage, wie Hox-Gene, die sich aufgrund einer Mutation verändert haben, zum Entstehen von Krebs beitragen. Dazu entwickelt Ingrid Lohmann die in dieser Fragestellung noch ungeübte Drosophila zum „Modell“ für Krebserkrankungen weiter und kooperiert mit Wissenschaftlern im Deutschen Krebsforschungszentrum, das direkt um die Ecke liegt. Das sei der entscheidende „Heidelberger Vorteil“ und die Charakteristik von CellNetworks, betont die Wissenschaftlerin: der unmittelbare Zugang zu modernen Techniken, beispielsweise einer leistungsstarken Mik roskopie, die Möglichkeit, auch Forscher anderer Fachbereiche rasch in eigene Fragestellungen einzubeziehen, und der Ideenaustausch im zwanglosen Gespräch mit exzellenten Wissenschaftlern - „wenn es nötig ist, gleich draußen auf dem Gang oder auf der Treppe“.