Molekulare Charakterisierung und Manipulation der Verschaltung eines regulatorischen Rückkopplungsmechanismus in Drosophila BMP Morphogen Signaling

• Antragsteller: Dr. Giorgos Pyrowolakis
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsbiologie ; Evolutionäre Zell- und Entwicklungsbiologie der Tiere
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 299075474

Eine wesentliche Rolle im Wachstum und der Mustergebung von Geweben während der Entwicklung von Tieren spielen Morphogene, sekretierte Moleküle welche Signalaktivitätsgradienten bilden. Die Bedeutung von Morphogenen wird durch die Vielfältigkeit von regulatorischen Mechanismen untermauert, welche die Reichweite und das Profil des Signalaktivitätsgradienten kontrollieren. Eine besondere Bedeutung haben hier regulatorische Rückkopplungsschleifen, welche Signalantworten an die Ausbildung und Aufrechthaltung des Signalaktivitätsgradienten koppeln und letzteren mit Präzision, Robustheit und der Fähigkeit zur Anpassung an das Gewebewachstum ausstatten. Das hier beantragte Projekt beschäftigt sich mit der Frage wie der gleiche Rückkopplungsmechanismus in verschiedenen Organen zu Unterschieden im Signalprofil und deren Antwort führen kann. Als Model dienen zwei evolutionär eng verwandte dorsale Extremitäten von Drosophila, der Flügel und die Haltere. Obwohl sich beide entwicklungsbiologisch sehr ähneln und beide von dem Morphogen Dpp (Decapentaplegic, ein Drosophila BMP) abhängig sind, weisen sie drastische Unterschiede in Form und Grösse auf. Genetische Studien konnten zeigen dass Unterschiede im Dpp Signalgradienten am Grössenunterschied beider Organen beteiligt sind. Zudem weiss man dass Unterschiede im BMP Signalaktivitätsgradienten zum Teil auf Unterschiede in der BMP-abhängigen Regulation des BMP-Rezeptors Thickveins (Tkv) zurückzuführen sind. Im larvalen Flügel reprimiert der Dpp Gradient die Transcription von tkv was eine effiziente Ausbreitung des Liganden und die Ausbildung eines weitreichenden Signalaktivitätsgradienten ermöglicht. Im Gegensatz dazu, verhindert in der Haltere das homeotischen Gen ultrabithorax (ubx) die Repression von tkv. Die erhöhte Menge an Tkv 'bremst' die Ausbreitung von Dpp und führt zur Bildung eines kompakteren Aktivitätsgradienten mit kurzer Reichweite. Ziel dieses Projektes ist es die molekularen Mechanismen zu entschlüsseln, welche für die Unterschiede in der Verschaltung der Rückkopplungsschleife im Flügel und der Haltere zuständig sind. Wir möchten die cis und trans Komponenten identifizieren und charakterisieren, die für die Kopplung der Tkv Expression an den BMP Signalaktivitätsgradienten zuständig sind und verstehen wie Ubx mit diesen interagiert um den Regulationsprozess auszukoppeln. Ziel ist es die Mechanismen auf einer solchen Ebene zu verstehen, dass wir, im zweiten Teil des Projekts, den Rückkopplungsmechanismus selbst manipulieren können um so direkt dessen Einfluss auf Signalaktivität (BMP-Aktivitätsprofil) und Signaloutput (Organgrösse) in vivo zu verfolgen. Diese Arbeit wird wichtige Erkenntnisse über die Mechanismen und Verdrahtung von Rückkopplungsnetzwerke liefern welche Signalaktivitäten an den jeweiligen gewebespezifischen 'Bedarf' anpassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen