Die Bedeutung der elastischen Vorspannung in der Basalmembran für die Epithelmorphogenese von Drosophila

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Christian Dahmann; Professorin Dr. Elisabeth Fischer-Friedrich
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsbiologie ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 500219968

Die korrekte Formgebung von Geweben ist ein wichtiger Beitrag zur Bildung von funktionellen Organen. Die Gewebemorphogenese hängt von der Krafterzeugung und den mechanischen Eigenschaften der Zellen ab. Dabei wird die mechanische Kraft in Zellen häufig vom Aktomyosin-Zytoskelett erzeugt. Neuere Arbeiten deuten auch auf eine wichtige Rolle der extrazellulären Matrix (ECM) hin. Allerdings ist die Rolle der ECM bei der Morphogenese von Geweben derzeit noch nicht vollständig geklärt. Epithelien werden basal von einer dünnen ECM-Schicht gestützt, die als Basalmembran bezeichnet wird. Die Basalmembran ist ein dichtes Polymermaterial, das durch elastische Verformungen mechanisch vorgespannt sein kann. Wie solche elastischen Verformungen von einem Epithel erzeugt werden und sie zur Gewebemorphogenese beitragen, ist jedoch unbekannt. Die Flügelscheibe von Drosophila ist ein Modellsystem zur Untersuchung der Gewebemorphogenese. Während ihrer Morphogenese bildet die Flügelscheibe mehrere stereotype Falten, darunter auch die H/H-Falte, die sich in der zukünftigen Gelenksregion des Flügels befindet. Unsere bereits veröffentlichten Arbeiten haben gezeigt, dass die Bildung der H/H-Falte mit einer lokalen Reduktion der ECM einhergeht. Unsere jüngsten unveröffentlichten Daten zeigen außerdem, dass die Basalmembran der Flügelscheibe mechanisch vorgespannt ist und dass die mechanische Vorspannung sowohl von der Aktomyosin-Aktivität als auch von Basalmembrankomponenten (Kollagen IV) abhängt. Mit dem vorgeschlagenen Projekt werden vier Ziele verfolgt: Erstens werden wir mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie die Vorspannung der Basalmembran in der Flügelscheibe in Raum und Zeit in Korrelation mit der H/H-Faltenbildung quantifizieren. Zweitens wollen wir den Ursprung der mechanischen Vorspannung in der Basalmembran verstehen. Insbesondere werden wir experimentell untersuchen, wie sich Veränderungen i) der Zellproliferation, ii) des hydrostatischen Drucks und iii) der lateralen Zellspannung auf die mechanische Vorspannung auswirken. Gleichzeitig wollen wir herausfinden, wie diese Veränderungen die Bildung von H/H-Falten beeinflussen.Drittens wollen wir eine physikalische Theorie entwickeln, die die mechanischen Auswirkungen des hydrostatischen Drucks, der lateralen Spannung und der lokalen Reduzierung der ECM unter den Epithelzellen in der Faltungsregion einbezieht.Viertens werden wir das Ausmaß der elastischen Aufdehnung in der Basalmembran von Flügelscheiben mit Hilfe von Dezellularisierung, Bildgebung und Particle Image Velocimetry quantifizieren.Wir erwarten, dass dieser interdisziplinäre Ansatz neue Erkenntnisse über die Rolle der ECM bei der Morphogenese von Geweben liefert und damit zu einem besseren Verständnis von Krankheiten beiträgt, die durch ECM-Veränderungen verursacht werden. Weiterhin erwarten wir, dass unsere Erkenntnisse neue Ansätze für die Entwicklung effizienter Tissue-Engineering-Protokolle aufzeigen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen