Die Rolle direkter Heparansulfat-Interaktionen und Kalziumkomplexierung in der Hedgehog Morphogengradientenbildung in vivo

• Antragsteller: Professor Dr. Kay Grobe; Dr. Georg Steffes
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung seit 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273964293

Ein wesentlicher Fokus aktueller entwicklungsbiologischer Forschung behandelt die Frage wie lösliche Signalmoleküle in konzentrationsabhängiger Weise die Entwicklungsprogramme auf Zielzellen steuern. Ein prominentes Beispiel für diese als Morphogene bezeichneten Signalmoleküle ist die Hedgehog (Hh) Proteinfamilie. Ein Schlüssel zum besseren Verständnis der Hh Gradientenbildung sind die Heparansulfat-Proteoglykane (HSPGs). Diese bestehen aus extrazellulär lokalisierten Proteinen, welche eine variable Anzahl stark negativ geladener Heparansulfat (HS)-Zuckerketten tragen. Obwohl HS normalerweise positiv geladene Moleküle immobilisiert, gilt dies nicht für Hh: obwohl auch diese stark mit HS assoziieren, ist die HS Expression absolut essentiell für den raschen Hh Transport hin zu den Zielzellen. Als mögliche Erklärungen hierfür wurden in der Vergangenheit eine HSPG-regulierte Stabilisierung von Hh-transportierenden zellulären Ausläufern, Cytoneme genannt, postuliert. In der vorangehenden Förderperiode haben wir ein alternatives Modell, welches auf direkten Hh-Interaktionen mit HSPGs in der Matrix beruht, etablieren können. Hierbei bewegen sich die Hhs im Extrazellulärraum in ähnlicher Weise wie DNA-bindende Proteine im Nukleus. Diese interagieren elektrostatisch mit dem Zuckerphosphatrückgrat der DNA und wechseln gleichzeitig direkt mittels einer zweiten Bindestelle zwischen 2 Helices. Mittels einer Kombination aus in silico Methoden und neuartigen in vitro- und in vivo-Ansätzen haben wir zeigen können, dass Hhs über sehr ähnliche Mechanismen zwischen zwei Zuckersulfatketten wechseln können. Dieser Mechanismus besitzt somit eine hohe Relevanz für den Transport anderer Morphogene und von Chemokinen mit zwei oder mehr HS-Bindestellen. Wie in der vorangegangenen Förderperiode vorgeschlagen, haben wir uns auch mit dem Cytonem-Modell befasst und konnten dessen physiologische Relevanz deutlich einschränken. In einem dritten Projekt exprimieren wir Hh-Varianten ohne intakte Ca2+-Koordinierungsstelle unter endogener Promotorkontrolle in Fliegen, welche kein wildtypisches Hh mehr exprimieren. Überraschenderweise entwickeln sich diese Fliegen völlig normal, homozygote Männchen und Weibchen sind jedoch infertil. Dieses weist auf eine spezifische Rolle der hochkonservierten Ca2+-Koordinierungstelle in der Hh-regulierten Stammzellproliferation hin. In dieser Förderperiode möchten wir dieses hochspannende Projekt weiterführen und die molekularen Mechanismen der bisher wenig untersuchten Hh Funktion als Proliferationsfaktor detailliert ausarbeiten. Wir möchten weiterhin die Mechanismen des direkten HSPG-Kettenwechsels von Hhs weiter charakterisieren und eine neuartige Methode zur in vivo Detektion dynamischer HSPG Expression in der Fliege entwickeln. Wir erwarten neue Einsichten in Hh-regulierte (Stammzell-) Proliferationsprozesse und eine Überprüfung der Hypothese, ob regulierte HSPG Expression den „Pfad“ der Hh Morphogene in vivo vorbestimmt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen