Experimentelle und rechnergestützte Analyse sequentieller und oszillatorischer Musterbildung in der Embryonalentwicklung

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Klingler, seit 9/2022
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsbiologie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418594528

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Tiere beginnen ihr Leben als eine einzige Zelle, die Zygote, die sich teilt und deren Tochterzellen sich spezialisieren, um einen komplexen vielzelligen Organismus zu bilden. Dieser bemerkenswerte Prozess beinhaltet, dass sich Zellen im Lauf der Embryonalentwicklung in räumlichen und zeitlichen Mustern differenzieren. Diese embryonale Musterbildung wird durch differenzielle Genexpression gesteuert. Jüngste Arbeiten deuten darauf hin, dass die embryonale Musterbildung in vielen sich entwickelnden Geweben, und in verschiedensten Organismen, zunächst ein zeitlicher Prozess ist, der später erst in räumliche Organisation umgewandelt wird. Rhythmische und sequentielle Genaktivitäten spielen eine entscheidende Rolle bei dieser räumlichen Musterbildung. Beispielsweise steuert eine molekulare Uhr Genexpressionsstreifen, die Wirbeltier-Somiten, Segmente in Kurzkeim-Arthropoden und Seitenwurzeln bei Pflanzen festlegen. Sequenzielle, nicht periodische Genaktivierung ist an der räumlichen Musterbildung von Drosophila-Neuroblasten, dem Neuralrohr der Wirbeltiere, und dem anterior-posterioren Anlagenplan bei Insekten beteiligt. In diesem Projekt haben wir die anterior-posteriore Musterbildung des Mehlkäfers Tribolium castaneum untersucht um zu erforschen, wie sequenzielle und oszillatorische Genaktivitäten während der Embryogenese in räumliche Muster übersetzt werden. Unsere Ergebnisse unterstützen ein Modell, bei dem diese Übersetzung durch die Modulation der Geschwindigkeit sequenzieller Genaktivitäten vermittelt wird. Insbesondere stimmen unsere Daten mit einem Modell überein, bei dem ein Gleichgewicht zwischen zwei genetischen Modulen hergestellt wird: eines, das dynamische Veränderungen in der Genexpression induziert, und ein anderes, das diese Veränderungen stabilisiert. Die Ergebnisse dieses Projekts bieten neue Einblicke in die embryonale Musterbildung, und könnten auch zu Fortschritten in Medizin und Biotechnologie führen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A systems-level view of pattern formation mechanisms in development. Developmental Biology, 460(1), 1.
  Müller, Patrick & El-Sherif, Ezzat
  
• Geometric models for robust encoding of dynamical information into embryonic patterns. eLife, 9.
  Jutras-Dubé, Laurent; El-Sherif, Ezzat & François, Paul
  
• Speeding up anterior-posterior patterning of insects by differential initialization of the gap gene cascade. Developmental Biology, 460(1), 20-31.
  Rudolf, Heike; Zellner, Christine & El-Sherif, Ezzat
  
• Patterning with clocks and genetic cascades: Segmentation and regionalization of vertebrate versus insect body plans. PLOS Genetics, 17(10), e1009812.
  Diaz-Cuadros, Margarete; Pourquié, Olivier & El-Sherif, Ezzat
  
• How enhancers regulate wavelike gene expression patterns. eLife, 12.
  Mau, Christine; Rudolf, Heike; Strobl, Frederic; Schmid, Benjamin; Regensburger, Timo; Palmisano, Ralf; Stelzer, Ernst HK; Taher, Leila & El-Sherif, Ezzat