Proportionale Skalierung räumlicher Signalmuster während der Regeneration von Gliedmaßen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Gegensatz zu Menschen können verschiedene Tiere, darunter Axolotl, verlorene Gliedmaßen nachwachsen lassen. Wie große Tiere verlorene Gliedmaßen nachwachsen lassen und insbesondere wie die Größe des regenerierenden Körperteils an die oft stark variierende Größe erwachsener Tiere angepasst wird, ist nicht gut verstanden. Wir haben dieses offene Problem der adaptiven Morphogenese beim bemerkenswerten Axolotl untersucht, bei dem regenerierende Blastemata (Wundgewebe) je nach Tiergröße um mehr als das Dreifache in den linearen Abmessungen variieren können. Wir haben die experimentelle Quantifizierung von Morphogen-Gradienten in 3D mit mathematischer Modellierung kombiniert, um potenzielle Mechanismen der Wachstumskontrolle zu identifizieren. Es ist bekannt, dass ein System aus entgegengesetzt ausgerichteten Morphogen-Gradienten (SHH & FGF8) das Wachstum steuert, jedoch nicht, wie dieses System (i) auf die Gewebegröße reagiert und (ii) die Gewebegröße steuert. Auf der Theorie- Seite haben wir systematisch mögliche Modelle der Wachstumskontrolle durch entgegengesetzt ausgerichtete Morphogen-Gradienten formuliert und diese mathematischen Modelle auf ihre Fähigkeit hin analysiert, Wachstum autonom zu terminieren und proportionales Wachstum zu ermöglichen. Durch diese theoretische Analyse konnte die Anzahl möglicher Mechanismen erheblich reduziert werden. Bei jedem der verbleibenden möglichen Mechanismen sollte die Größe mindestens eine Morphogen-Quelle proportional zur Tiergröße skalieren, dann aber während des Blastemwachstums statisch bleiben. Genau dies konnten wir auf experimenteller Seite beobachten, indem wir die Morphogen-Gradientenparameter mithilfe der In-situ-Hybridisierung zu verschiedenen Zeitpunkten der Regeneration quantifiziert haben. Auf der Grundlage unserer Ergebnisse schlagen wir einen einfachen, aber effektiven Mechanismus für robuste Wachstumsskontrolle vor, bei dem zwei überlappende Morphogen-Gradienten gemeinsam das Gewebewachstum ermöglichen. Durch das Wachstum verringert sich der Überlapp zwischen den beiden Gradienten, so dass schließlich die Morphogen-Produktion gestoppt und das Gewebewachstum terminiert wird. Wir vermuten, dass der hier vorgestellte einfache und robuste Wachstumskontrollmechanismus auch während der Embryonalentwicklung und Regeneration von Gliedmaßen in anderen Arten anwendbar ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Static morphogen scaling enables proportional growth in a tissue growth model inspired by axolotl limb regeneration. Proceedings of the National Academy of Sciences, 122(47).
Lyubaykina, Natalia; Knapp, Dunja; Tardivo, Pietro; Kotz, Maximilian; Sandoval-Guzmán, Tatiana & Friedrich, Benjamin M.
