Musterbildung und Morphogenese des Insektenkörpers durch genetische Analyse und Zell-Verfolgung in Einzel-Zell-Auflösung

• Antragsteller: Professor Dr. Gregor Bucher
• Fachliche Zuordnung: Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 283945540

Drosophila melanogaster ist das wichtigste Insektenmodell, in dem zell- und entwicklungsbiologische Fragen mit einer Vielzahl an Werkzeugen und Resourcen untersucht werden können. Allerdings sind einige entwicklungsbiologische Mechanismen dort nicht untersuchbar, weil sie sekundär verloren gingen oder modifiziert wurden. Zum Beispiel bilden die meisten Insekten (aber nicht Drosophila) die Rumpf-Segmente nacheinander von einer posterioren Wachstumszone aus, wie das auch die Wirbeltiere tun. Ein weiteres Beispiel ist der larvale Kopf, der bei Drosophila stark reduziert und in den Thorax eingestülpt ist. Durch die Entwicklung neuartiger experimenteller Werkzeuge und genomischer Resourcen (RNA interferenz; Transgenese; CRISPR; live-imaging) können diese Prozesse nun auch in einem typischeren Insekt untersucht werden, dem Reismehlkäfer Tribolium castaneum.Wir schlagen in diesem Projekt vor, gemeinsam neuartige und mächtige Werkzeuge für Untersuchungen an Tribolium weiter zu entwickeln: die Manipulation von Genfunktion in kleinen Zellgruppen (z.B. klonale Analyse), CRISPR Genomeditierung, klonale Markierung von Zellen, Light-sheet-Mikroskopie (SPIM) und extensive RNAi Screens. Unsere Labore haben die letzten Jahre eng zusammengearbeitet, um diese Techniken zu etablieren und sind nun in der Lage, diese Methoden zur Analyse von Musterbildung und Morphogenese anzuwenden, um Kopf- und Rumpf-Entwicklung wesentlich genauer als bisher möglich zu untersuchen.Wir werden diese Prozesse mit hoher zellulärer Auflösung untersuchen, indem wir markierte Zellen verfolgen, um einerseits Schicksalskarten zu erstellen und andererseits das Zellverhalten zu beschreiben, das zur Morphogenese von Kopf und Rumpf beiträgt. Um Musterbildungsprozesse besser zu verstehen, werden wir Genfunktion und Signalwege in kleinen Zellgruppen manipulieren, indem wir genetische Mosaike oder lokalisierte RNAi nutzen. So sollen zell-autonome von nicht-zell-autonomen Effekten unterschieden werden. Schließlich werden wir den großen iBeetle-RNAi Screen nutzen, um neue Gene zu entdecken, die an diesen Prozessen beteiligt sind und werden sie genauer untersuchen.Unsere Resultate werden Mechanismen der Kopf- und Rumpf-Morphogenese in einem typischen Insektenembryo ans Licht bringen, die auf einem Verständnis des Zellverhaltens und der Genfunktion auf Einzel-Zell-Ebene beruhen. Indem wir ähnliche Fragestellungen im Kopf und Rumpf von Tribolium untersuchen, werden uns erlauben neue Mechanismen zu beschreiben und neue experimentelle Ansätze zu entwickeln. Die Werkzeuge, die in diesem Projekt weiter entwickelt werden sollen, werden die Möglichkeiten zur mechanistischen Untersuchung in Tribolium deutlich erweitern und daher die Wissenschaft weit über dieses Projekt hinaus beeinflussen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Michalis Averof