The molecular mechanism of tissue boundary formation in animals
Animal Physiology and Biochemistry
Final Report Abstract
Die Frage, wie sich komplexe Organismen mit einem klar definierten dreidimensionalen Körperbau aus einer einzigen befruchteten Eizelle entwickeln, ist ein Mysterium, mit dem sich schon Aristoteles beschäftigte. Wir kennen heute einige molekulare Werkzeuge, die bei solchen Prozessen eine Rolle spielen. Dazu gehören Moleküle, die dem werdenden Organismus Signale für die Achsenbildung und Zelldifferenzierung übermitteln. Diese Signale werden von einzelnen Zellen erkannt und führen zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren, welche positions- und funktionsabhängige Differenzierungsprogramme einleiten. Ähnliche molekulare Programme laufen auch bei der Regeneration des Kopfes von Hydrapolypen ab. Wenn dieser entfernt wird, bilden sich die Mundöffnung (Hypostom) und symmetrisch angeordnete Tentakel innerhalb von 48 Stunden nach. Wir haben uns mit dem Wnt- und dem Notch-Signalweg in diesem Zusammenhang befasst. Wnt-Moleküle werden von Zellen ausgesendet und führen zur Aktivierung eines Transkriptionsaktivators namens b-Catenin. Dieser schaltet die Expression von Genen an, welche zuvor gehemmt waren und führt dadurch zur Differenzierung des Gewebes. Notch hingegen ist ein Rezeptorprotein, das durch Kontakt mit seinem Liganden aus direkt benachbarten Zellen aktiviert wird und dann die Transkription von Genen aktiviert, die die Ausbildung von Gewebegrenzen bzw. in benachbarten Zellen unterschiedlichen Entwicklungsschicksale steuern. b-Catenin ist während der Hydra-Kopfregeneration insbesondere für die Differenzierung von Tentakelzellen notwendig, während Wnt3 Zellen zur Regeneration des Hypostoms instruiert. Wenn wir b-Catenin inhibieren, kann das Tier ein Hypostom regenerieren, aber keine Tentakel. Wird Notch gehemmt, kann das Tier neue Tentakelzellen bilden, aber kein Hypostom. Wir schlussfolgern daraus, dass Notch während der Kopfregeneration von Hydrapolypen eine Art Drehkreuz bildet, das die Neubildung von Hypostom und Körperachse sowie Tentakeln und deren Achsen organisiert. Wenn der Hydrakopf entfernt wird, wird zunächst die b-Catenin abhängige Transkription zur Wiederherstellung von Tentakeln aktiv. Notch muss diese „Tentakelbildungsaktivität“ dann räumlich und zeitlich einschränken, so dass schließlich ein Wnt-Signal am Hypostom aktiviert werden kann und für die Bildung des Hypostoms und die Wiederherstellung des Kopforganisatorgewebes sorgt. Diese Idee wurde durch unsere Experimente mit Polypen von Craspedacusta sowerbii indirekt bestärkt. Der Kopf von Craspedacusta Polypen besteht nur aus einer Mundöffnung die von einem Kranz von Zellen des Typs, der in Hydrapolypen die Tentakel ausmacht, umgeben ist. Es gibt also nur die Körperachse, keine Tentakelachsen. Zur Regeneration von Craspedacusta-Köpfen wird Notch nicht benötigt, allerdings hängt diese dann wiederum von der Aktivität von b-Catenin ab. Wir haben mit diesem Antrag daher einen Mechanismus offengelegt, der miteinander konkurrierende Bestrebungen zur Neubildung von Gewebe der Tentakel sowie Gewebe des Kopforganisators und der Mundöffnung nach Entfernung des Kopfes von Hydrapolypen ausbalanciert. Dieser beruht auf Notch vermittelten lateralen Inhibierungsvorgängen, die die Funktionen von b-Catenin und Wnt-Molekülen zeitlich und räumlich koordinieren.
Publications
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Differential gene regulation in DAPT-treated Hydra reveals candidate direct Notch signalling targets. Journal of Cell Science, 134(15).
Moneer, Jasmin; Siebert, Stefan; Krebs, Stefan; Cazet, Jack; Prexl, Andrea; Pan, Qin; Juliano, Celina & Böttger, Angelika
