Zusammenspiel mechanischer und biochemischer Signale bei Selbstorganisations-prozessen während der Embryogenese - Teil II

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Weiss
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 257444317

Dynamische Selbstorganisationsphaenomene in multizellulaeren Organismen basieren neben genetischen und molekular-biologischen Faktoren auch zu einem erheblichen Grad auf physikalischen Einfluessen, z.B. auf der Integration interzellulärer mechanischer Kräfte. Das Zusammenspiel dieser verschiedenen Signale ist trotz großer Fortschritte in den letzten Jahren noch immer unzureichend verstanden. Ein prominentes Beispiel dafuer ist die fruehe Embryogenese des Fadenwurms Caenorhabditis elegans, die bei allen Individuen dieser Spezies gleich verlaeuft und zur immer gleichen Anzahl von Zellen im adulten Zustand führt. An dieser hohen und nahezu deterministischen Reproduzierbarkeit der fruehen Entwicklungsphase sind sowohl biochemische Signalkaskaden als auch mechanische Kraefte beteiligt, so dass C. elegans ein hervorragendes Modell zum Studium der wechselseitigen Beeinflussung dieser beiden Taktgeber ist. Basierend auf Vorarbeiten zum ersten Antrag konnten wir in der ersten Förderperiode mittels selective plane illumination microscopy (SPIM) den quantitativen Zusammenhang von Zellteilungszeiten und -volumina aufdecken, so dass ein wichtiger Aspekt des Zusammenspiels biochemischer und mechanischer Signale erfolgreich in ein Simulationsmodell integriert werden konnte. In begleitenden Experimenten konnten wir ein physikalisch-quantitatives Verstaendnis wichtiger asymmetrischer Zellteilungen bis zur Gastrulationsphase erreichen. Zudem konnten wir diffusion maps von Proteinen mittels SPIM-FCS in einzelnen Zellen des Embryos quantifizieren. Aufbauend auf diesen ueberwiegend bereits publizierten Resultaten sollen in der hier beantragten finalen Foerderperiode weitere zentrale Aspekte der Kopplung biochemischer und mechanischer Signale in der fruehen Embryogenese von C. elegans aufgedeckt werden. Im Fokus der Experimente stehen dabei (1) die Einfluesse veraenderter mechanischer Randbedingungen (z.B. Messungen an Embryos ohne Eihuelle), (2) die teilweise aktive Zellmigration waehrend der Gastrulation, und (3) das Zusammenspiel von kortikalen Actomyosin-basierten Kraftfeldern und intrazellulaeren Protein- bzw. Mobilitaetsgradienten bei der Festlegung von Zellteilungsachsen. Dazu sollen z.B. die Ausrichtungen von Mitosespindeln, Flussfelder der Actomyosin-Netzwerke und die Lokalisierung von Polaritaetsproteinen in Embryos verschiedener transgener Wurmstaemme dreidimensional und zeitaufgeloest mittels SPIM, SPIM-FCS und spinning-disk confocal microscopy quantifiziert werden. Dabei werden mechanische Randbedingungen geaendert und/oder bestimmte Signalwege mittels RNAi stillgelegt. Diese experimentellen Daten sowie deren Korrelationen dienen zur Verfeinerung und Erweiterung des Simulationsmodells zur mechanisch getriebenen Selbstorganisation von C. elegans. Ziel ist es, innerhalb der beantragten finalen Foerderperiode, eine praediktive und quantitative Beschreibung der embryonalen Zellanordnungen bis weit in die Gastrulationsphase hinein zu bekommen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen