Proportionale Skalierung räumlicher Signalmuster während der Regeneration von Gliedmaßen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Benjamin M. Friedrich; Dr. Tatiana Sandoval-Guzmán, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 441649267

Der Axolotl-Molch besitzt die Fähigkeit, komplette Gliedmaßen zu regenerieren, und dies in allen postembryonalen Stadien, von der 2 cm großen Larve bis zum 20 cm großen Erwachsenen. Dies bietet die bemerkenswerte Gelegenheit zu verstehen, wie entwicklungsbiologische Signalsysteme Strukturen proportional zur Größe des Gesamtorganismus skalieren. Im Axolotl führt die Amputation einer Gliedmaße zur Bildung eines Blastems mit mesenchymalen Vorläuferzellen, welche die gleichen Entwicklungsfaktoren aufweisen wie die der embryonalen Extremitätenknospe des Axolotls und anderer Wirbeltiere. Wichtig ist, dass die Größe der regenerierenden Axolotl-Blastemen proportional mit der Körpergröße skaliert. Diese deutet darauf hin, dass auch der Wirkungsbereich der Entwicklungsfaktoren proportional skaliert. Das zentrale Ziel dieses Forschungsantrages ist es, quantitative Bildgebung morphologischer Strukturen mit der Quantifizierung räumlicher Profile von molekularer Signalfaktoren zu kombinieren, um so eine mathematische Modellierung der initialen Phase der Gliedmaßenregeneration zu ermöglichen. Unser Ziel ist es zu verstehen, wie das entwicklungsbiologische Signalnetzwerk für Extremitäten in Axolotl-Gliedmaß-Blastemen erfolgreich Strukturen anlegt, deren Größe proportional zur Größe des Gesamtorganismus skaliert. Wir werden zwei alternative Hypothesen, wie sich entwicklungsbiologische Musterbildung an unterschiedliche Blastemgrößen anpassen kann, experimentell testen und mathematisch modellieren: Hypothese 1: Räumliche Konzentrationsgradienten von Signalmolekülen entstehen durch lokale Expression und effektive Diffusion. Es gibt eine größenabhängige Modulation effektiver Diffusionskoeffizienten, Degradationsraten oder der Empfindlichkeit nachgeschalteter Signaltransduktion. Hypothese 2: Signalfelder werden durch sich ausbreitende Wellen aufgebaut, wobei Blastemzellen als Relaiseinheiten für die Signalausbreitung dienen. Um zwischen den Hypothesen 1 und 2 zu unterscheiden und ihre mechanistische Grundlage aufzuklären, planen wir folgende Arbeitsschritte: 1) Wir werden effektive Diffusionskoeffizienten sowie die Empfindlichkeit nachgeschalteter Signaltransduktion in kleinen und großen Blastemen messen. 2) Wir werden Reporter für potentielle Signalwellen entwickeln. 3) Wir werden mathematische Modelle der Größen-Skalierung von Morphogen-Gradienten für Hypothesen 1 und 2 entwickeln, und anhand dieser Modelle, die geplanten Experimente zur Unterscheidung dieser Hypothesen präzisieren. 4) Schließlich werden wir untersuchen, welche spezifischen Moleküle die Größe der Expressions- und Aktivitätsdomänen der Gliedmaßenmorphogene regulieren, indem wir TomoSeq in Kombination mit funktionellen Assays durchführen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartnerin: Professorin Dr. Elly Margaret Tanaka, Ph.D.