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Lehrstuhl für Zell- und Entwicklungsbiologie

Theodor Boveri's life and work in Würzburg

Theodor Boveri

and the cradle of developmental cell biology

On the nature of centrosomes

and the chromosome theory of inheritance

More than 600 microscope slides

labelled and dated in Boveri's own handwriting.

From Ascaris to sea urchins, from Würzburg to Naples, from centrosomes to dispermy

In 1893, Theodor Boveri was appointed as Professor of Zoology and director of the Zoological Institute at the University of Würzburg. Despite his young age of just 30 years, Boveri had already made a number of seminal and famous observations and established several basic facts about centrosomes, a term introduced by him in 1887, the year that marks the naissance of centrosome research. Boveri’s visionary monograph "Ueber die Natur der Centrosomen" (On the nature of centrosomes) in 1900 was founded primarily on microscopic observations of cleaving eggs of sea urchins and the roundworm parasite Ascaris. As Boveri wrote in the introductory paragraph, his interests were less about morphological aspects of centrosomes, but rather aimed at an understanding of their physiological role during cell division. Boveri's conception of centrosomes as the dynamic organizing centers of cell division allowed him to solve the riddle of the double-fertilized sea urchin eggs and to exploit this "experiment of nature" (Naturexperiment, as he called it) for the foundation of his famous chromosome theory of inheritance. We have discovered a number of microscopic slides with Ascaris and sea urchin serial sections which have been prepared by Boveri in the course of his centrosome studies and hence date back to the period between 1894 and about 1898.

"We give the cell a nucleus with some parts lacking and follow the effect of this defect"

We found a short while ago that the "primary data" of Boveri's experimental work, namely the microscope slides prepared by him and his wife Marcella in Naples (1901/02, 1911/12 and 1914), have survived at the University of Würzburg. More than 600 slides exist and despite their age they are in a surprisingly good condition and can be assigned to his published experimental work on sea urchin development. These findings allowed Boveri to unravel the role of the cell nucleus and its chromosomes in development and inheritance.

Sea urchin eggs can be easily fertilized in vitro. When sperm is added in excess, often two sperms enter an egg. Following the duplication of the two sperm centrosomes, such dispermic eggs develop tetrapolar mitotic figures and divide immediately into four rather than two cells. The four spindles compete for the chromosomes with the result that the four daughter cells inherit abnormal and different chromosome combinations. The dispermy experiments were carried out by the Boveris in the winter 1901/02 and the results provided compelling evidence for the important role of the nucleus and its chromosomes in heredity and developmental processes. "Somit bleibt nur übrig, dass nicht eine bestimmte Zahl, sondern eine bestimmte Kombination von Chromosomen zur normalen Entwicklung notwendig ist, und dieses bedeutet nichts anderes, als dass die einzelnen Chromosomen verschiedene Qualitäten besitzen müssen" (Thus what remains is that not a certain number, but a certain combination of chromosomes is required for normal development, and this cannot but mean that the individual chromosomes must possess different qualities").

Virtual Boveri Library

We have compiled a complete set of all of Theodor Boveri's publications. With this virtual library we offer free and direct access to all manuscripts. In addition we present a comprehensive selection of high-quality figures of the most important publications. We hope that the "Würzburg Virtual Boveri Library" is going to be a useful resource for research and education.

In future, we will add an extensive selection of Boveri's correspondences with e.g. Roentgen, Spemann and Wilson. 

The exciting story of the rediscovery of Boveri's microscope slides in Würzburg is told here:

Scheer, U., 2018. Boveri's research at the Zoological Station Naples: Rediscovery of his original microscope slides at the University of Würzburg. Marine Genomics (2018)

Other than acknowledged, the Marine Genomics publication, which is part of a special issue, was fully funded by Faculty of Biology of the University of Würzburg.

Scheer, U., 2014. Historical roots of centrosome research: discovery of Boveri's microscope slides in Würzburg. Philos. Trans. R. Soc. B 369, 20130469

For more information and suggestions contact Ulrich Scheer or Markus Engstler

"... Boveri stood without a rival among the biologists of his generation; and his writings will long endure as classical models ..." (Wilson 1918)

Das 19. Jahrhundert war für viele Bereiche der Biologie eine Zeit des methodischen Umbruchs. Die weltanschaulich geprägten Diskussionen um Mechanismus (Präformation) versus Vitalismus (Epigenese) als Erklärung biologischer Phänomene machten allmählich experimentell analysierbaren Fragestellungen Platz. Eine Reihe bahnbrechender Forschungsleistungen hatte dafür die Grundlagen geschaffen: Die Begründung der Zellbildungstheorie durch Schleiden (1838) und ihre Verallgemeinerung durch Schwann zur Zellentheorie (1839) als "allgemeines Bildungsprinzip organismischer Produktionen"; die Entdeckung der Zellteilung in der Embryonalentwicklung durch Koelliker (1844), deren Bedeutung Virchow (1855) in der prägnanten Formel "omnis cellula e cellula" zusammenfaßte; die Aufklärung des Mechanismus der Befruchtung als Verschmelzung von Ei und Samenzelle durch Oskar Hertwig (1875); die Beschreibung der Kernteilung durch Flemming (1880); und schließlich der Nachweis der Chromosomenindividualität durch Theodor Boveri (1887). Boveri legte damit den Grundstein für die Formulierung der Chromosomentheorie der Vererbung (1902/1904), in der er zytologische Befunde mit Gregor Mendels gerade wiederentdeckten Vererbungsregeln zu einer synthetischen Einheit zusammenfügt.

Theodor Boveri wurde am 12. Oktober 1862 in Bamberg geboren. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann 1881 mit dem Studium der Anatomie und Biologie an der Universität München. 1885 promovierte er bei dem Anatomen Carl von Kupffer mit summa cum laude über das Thema "Beiträge zur Kenntnis der Nervenfasern". Ein Stipendium ermöglichte ihm anschließend, sich am Zoologischen Institut der Universität München im Labor von Richard Hertwig frei der Forschung zu widmen. 1887 erfolgte die Habilitation für Zoologie und vergleichende Anatomie. Nach dem Auslaufen des Stipendiums 1891 erhielt Boveri bei Richard Hertwig eine Assistentenstelle. 1893 folgte er dem Ruf auf eine Professur für Zoologie und vergleichende Anatomie an der Universität Würzburg. Auf diesem Lehrstuhl blieb er trotz zahlreicher ehrenvoller Rufe (z.B. als Leiter des neu zu gründenden Kaiser-Wilhelm-Instituts für Biologie in Berlin-Dahlem) bis zu seinem Tod am 15. Oktober 1915.

Das wissenschaftliche Werk Theodor Boveris war - um mit seinen eigenen Worten zu sprechen - der Erforschung jener Vorgänge gewidmet, "durch die aus den elterlichen Zeugungsstoffen ein neues Individuum mit bestimmten Eigenschaften hervorgeht". In diesem Kontext hat er eine Fülle von Ergebnissen erarbeitet. Er verstand es zudem, aus diesen Ergebnissen allgemein gültige Theorien abzuleiten.

"Boveri hat von sich selbst gesagt, er wäre am liebsten Maler geworden..." (Baltzer 1962)

Bei Richard Hertwig fand Boveri zu seinem ersten "Haustier", dem Pferdespulwurm Ascaris megalocephala. An diesem Objekt untersuchte er das Verhalten des Zellkerns und der Chromosomen während der Reifeteilungen und während der ersten Furchungsteilungen. Die geringe Chromosomenzahl dieser Art begünstigte solche Beobachtungen. Er konnte nachweisen, daß sich nach einer Furchungsteilung in den Tochterzellen stets wieder die gleiche individuelle Chromosomenanordnung herausbildet. Mit diesem Befund, daß die Chromosomen "selbständige Individuen sind, die diese Selbständigkeit auch im ruhenden Kern bewahren" - kurz mit der Hypothese der Chromosomenindividualität - reihte sich Boveri sofort in die erste Reihe der Zellforscher ein. Bei diesen Studien beobachtete er auch, daß ein reifendes Ei in zwei Reifeteilungen mit den Richtungskörpern die Hälfte der Kernsubstanz abstößt und so den Chromosomenbestand auf die Hälfte reduziert. Er hatte damit die Funktion der Meiose entdeckt.

1875 hatte Oskar Hertwig das Wesen der Befruchtung als Vereinigung von Ei- und Spermakern definiert. Boveri zeigte nun bei Ascaris, daß väterliche und mütterliche Chromosomen sich direkt in die Spindel der ersten Furchungsteilung einordnen. Ei- und Spermakern liefern dazu jeweils den gleichen Chromosomenbestand. Der Spermakern ersetzt dabei den bei den Reifeteilungen abgestoßenen Anteil. Beinahe nebenbei erkannte Boveri bei diesen Beobachtungen, daß das Spermium mit dem Centrosom auch das Zellteilungsorganell für die Furchungsteilungen der sich entwickelnden Eizelle liefert.

Die Befunde an Ascaris wurden durch mikroskopische Beobachtung gewonnen. Während mehrerer Aufenthalte an der Zoologischen Station in Neapel arbeitete Boveri vorwiegend mit Seeigeln. Hier setzte er vor allem das Experiment zur Klärung seiner Fragestellungen ein. Es gelang ihm, kernlose Bruchstücke von Seeigeleiern zu besamen. Sie konnten sich daraufhin zu anscheinend normalen Larven entwickeln. Umgekehrt können auch aus Eiern, die nur den mütterlichen Chromoso-mensatz besitzen, Larven hervorgehen. Ei- und Spermakern, bzw. väterlicher und mütterlicher Chromosomenbestand sind also nicht nur morphologisch gleich. Sie enthalten jeweils alle Faktoren, die die Bildung eines ganzen Organismus steuern. Die Chromosomen müssen als Träger der Vererbung betrachtet werden. In weiteren Versuchen mit mehrfach besamten Seeigeleiern konnte Boveri die individuelle entwicklungsphysiologische Wertigkeit der einzelnen Chromosomen als Erbträger nachweisen.

Die Dispermie-Experimente wurden 1901/02 durchgeführt. 1900 waren die Arbeiten Gregor Mendels aus dem Jahre 1865 von Correns wiederentdeckt worden. Boveri wies als erster auf die Übereinstimmung von cytologischen und entwicklungsbiolo-gischen Befunden auf der einen Seite und den Vererbungsregeln Mendels auf der anderen Seite hin. Er faßte diese Beziehung zur Chromosomentheorie der Vererbung zusammen, in der er die Chromosomen als Träger der Erbmerkmale ansieht (1902/04).

"...so his work was remarkable not alone for what he did but also in the manner of its doing..." (Wilson 1918)

Die Auffassung, daß die Chromosomen als Merkmalsträger für den normalen Betrieb einer Zelle verantwortlich sind und die Beobachtung, daß bei Dispermie entstehende abnorme Chromosomenkombinationen Schäden der betroffenen Zellen verursachten, führten Boveri zum Krebsproblem. In einer ausführlichen Schrift "Zur Frage der Entstehung maligner Tumoren" postulierte er für das Tumorwachstum "einen bestimmten, unrichtig kombinierten Chromosomenbestand. Dieser ist die Ursache für die Wucherungstendenz, die auf alle Abkömmlinge der Urzelle ... übergeht."

Gleichgewichtig stehen neben den Chromosomenforschungen Boveris Arbeiten zur embryonalen Differenzierung. Die Untersuchungen an Ascaris lieferten auch zu diesem Problemkreis die ersten Ergebnisse. Boveri beobachtete, daß bei der ersten Furchungsteilung die Chromosomen nur in der dotterreichen vegetativen Zelle intakt bleiben. In der animalen Zelle werden die Chromosomenenden abgestoßen und im Cytoplasma resorbiert. Diese Chromosomendiminution setzt sich bei jeder weiteren Furchungsteilung fort. Nur die vegetativste Zelle behält den ganzen Chromosomensatz. Diese Zelle wird zur Urgeschlechtszelle. Sie bildet also die Keimbahn. Die Zellen mit diminuierten Chromosomen bauen den Wurmkörper auf.

In Experimenten mit doppeltbesamten, mit zentrifugierten und mit UV-bestrahlten Eiern konnte Boveri nachweisen, daß die Diminution durch das vegetative Cytoplasma verhindert wird. Die Chromosomen sind zwar die Träger der Erbanlagen. Aber: "Es ist die Beschaffenheit des Plasmas, welche das Schicksal der in ihm liegenden Chromosomen nach der einen oder anderen Richtung bestimmt."

Die Wechselwirkung zwischen cytoplasmatischen Faktoren und der genetischen Information des Zellkerns ist also die Ursache differentieller Zellteilungen. Zentrifugationsversuche am Ascarisei und die Entwicklungsleistungen isolierter Seeigelblastomeren führten Boveri zu dem Schluß, daß cytoplasmatische Determinanten schon im Ei in Form eines animal-vegetativen Gradienten verteilt sind - eine Hypothese, die in jüngster Zeit an mehreren entwicklungsbiologischen Systemen durch zell- und molekularbiologische Untersuchungen bestätigt wurde.

Theodor Boveri stand mit seinen Arbeiten im Brennpunkt der zell- und entwicklungsbiologischen Forschung seiner Zeit. Mit seiner Fähigkeit zur umfassenden theoretischen Umsetzung von Ergebnissen hatte er oft den maßgeblichen Anteil an der Formulierung erklärender Konzepte. Es spricht für sich, daß zwei der damals bedeutendsten Lehrbücher über Zell- und Entwicklungsbiologie ("The Cell in Development and Heredity" von E. B. Wilson und "Experimentelle Beiträge zu einer Theorie der Entwicklung" von Hans Spemann) ihm gewidmet sind. Die weit in die Zukunft reichende interdisziplinäre Bedeutung seines Werkes kann nur im Rückblick erschlossen werden. Sie ist Grund genug, ein Institut, das durch den Zusammenschluß biowissenschaftlicher Lehrstühle über Fakultätsgrenzen hinweg entstanden ist, nach ihm zu benennen. "For, as the interests of his life reached far beyond the limits of the laboratory ...so his work was remarkable not alone for what he did but also in the manner of its doing. That work was in high degree original, logical, accurate, thorough. It enriched biological science with some of the most interesting discoveries and fruitful new conceptions of our time" (E. B. Wilson in: Erinnerungen an Theodor Boveri. Hrsg. von W.C. Röntgen, 1918).

Dr. Peter Wolbert

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