Mechanismen regionaler Diversifizierung von Zellstammbäumen im Zentralen Nervensystem von Drosophila melanogaster
Final Report Abstract
Die Aufklärung der Mechanismen, die der Entstehung, Spezifizierung und charakteristischen räumlichen Verteilung der vielfältigen Zelltypen im Zentralen Nervensystem (ZNS) zu Grunde liegen, ist ein zentrales Anliegen der Neuro-Entwicklungsbiologie. Ein wichtiger Aspekt der Musterbildung im ZNS ist die strukturelle Diversifizierung segmentaler Einheiten (Neuromere) entsprechend ihrer funktionellen Erfordernisse. Das Modellsystem Drosophila ist geeignet, die genetische Kontrolle solcher Prozesse auf der Ebene individuell identifizierter Zellen zu analysieren. Unsere Untersuchungen belegen eine zentrale Rolle von Kontrollfaktoren der Segment- Identitäten, des Zellteilungsmusters sowie des Programmierten Zelltods bei der regionalen Diversifizierung identifizierter neuraler Zellstammbäume. So konnte erstmals gezeigt werden, dass Hox-Proteine in segment-spezifischer Weise die Zusammensetzung bestimmter Zellstammbäume kontrollieren, indem sie die Teilungssymmetrie und den Stammzell-Charakter von Neuroblasten (neuralen Stammzellen) beeinflussen. Dabei findet eine direkte Interaktion mit CyclinE statt, das seinerseits (unabhängig von dessen bekannter Funktion bei der Kontrolle des Zellzyklus) die Lokalisation des Transkriptionsfaktors Prospero in der Zelle kontrolliert. Ein Schwerpunkt der Analyse richtete sich auf abgeleitete Regionen des ZNS (gnathale und hintere abdominale Segmente), um zu ergründen, welche Spezialisierungen (Abweichungen vom Grundzustand) das ZNS in diesen Körperregionen auszeichnet und wie diese entstehen. Für diese Regionen wurden vollständige Karten der Neuroblasten erstellt, denen, neben dem räumlich-zeitlichen Muster ihrer Entstehung, spezifische Kombinationen der Genexpression und somit individuelle Identitäten (und Zellstammbäume) sowie serielle (segmentale) Homologien zugeschrieben werden konnten. Es konnte nachgewiesen werden, dass Hox-Gene die abgeleitete Morphologie der hinteren abdominalen Segmente (A8-A10) auf verschiedenen Ebenen kontrollieren: sie vermitteln die segmentale Identität der Neuroblasten, inhibieren die Bildung eines bestimmten Satzes der Stammzellen und lösen programmierten Zelltod spezifischer Tochterzellen aus. Ferner wird die geschlechts-spezifische An- bzw. Abwesenheit definierter Zellstammbäume durch das Geschlechts-Determinationsgen doublesex über die Induktion von Zelltod kontrolliert. In einem weiteren Teilprojekt konnten Prinzipien der Bildung und strukturellen Organisation einer segmentalen Einheit (Neuromer) des ZNS über die Identifizierung und detaillierte Beschreibung sämtlicher Interneurone aufgedeckt und eine interaktive Datenbank zur weiteren Analyse zur Verfügung gestellt werden. Schließlich wurde ein experimenteller Ansatz entwickelt, mit dem wir die Verknüpfung aller embryonalen und postembryonalen Zellstammbäume des Bauchmarks mit ihren individuellen Stammzellen herstellen konnten. Mit diesem Ansatz war es somit möglich, die vollständige Entwicklungspotenz jeder einzelnen Stammzelle und ihre segment-spezifischen Abwandlungen aufzudecken.
Publications
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