Modell und Simulation für die Entstehung räumlicher Zellschicksalsmuster in Mausblastozysten basierend auf einem Advektions-Diffusions-Mechanismus für interzelluläre Signalübertragung

• Antragstellerin: Professorin Dr. Sabine Fischer
• Fachliche Zuordnung: Bioinformatik und Theoretische Biologie ; Biophysik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 470129398

Während der Präimplantationsentwicklung von Säugetieren wird die Differenzierung von pluripotenten Stammzellen durch interzelluläre Signalübertragung gesteuert. Die resultierenden Zellschicksale sind in Mustern angeordnet, die Informationen zur Untersuchung der räumlichen Koordination der Zellschicksalsspezifikation enthalten. Wir konzentrieren uns auf die Reichweite der interzellulären Signalübertragung und untersuchen ihr Zusammenspiel mit Zellteilung und Zellsortierung. Motiviert durch den Fibroblasten-Wachstumsfaktor (FGF)-Signalweg, der die Differenzierung in primitives Endoderm und Epiblast im Mausembryo reguliert, entwickeln wir ein mathematisches Modell mit variabler Signalreichweite. Wir möchten zeigen, dass ein Advektions-Diffusions-Mechanismus eine physikalische Erklärung für die Erzeugung unterschiedlicher Signalreichweiten liefern kann. Bei der Integration der Zellteilung und der Zellsortierung in das Modell und folgen wir der Hypothese, dass die drei Mechanismen parallel agieren. Die Implementierung einer Paar-Korrelationsfunktion ermöglicht einen quantitativen Vergleich der Simulationsergebnisse mit mindestens 590 biologischen Proben aus vier veröffentlichten experimentellen Datensätzen von drei verschiedenen Arbeitsgruppen. Dadurch erfahren wir, ob die drei Mechanismen tatsächlich parallel wirken oder ob wir die Mechanismen überlappen oder sogar nacheinander arbeiten lassen müssen. Als Endergebnis erhalten wir die Eigenschaften und die zeitliche Abfolge von Signalübertragung, Zellteilung und Zellsortierung. Die wichtigsten Ergänzungen unserer Arbeit zu bestehenden Modellen der Mausblastozystenentwicklung sind die Einführung einer Reichweite für die Signalübertragung, die auf der Physik des Signalmoleküls basiert; und eine detaillierte Analyse des relativen Einflusses von Signalübertragung, Zellteilung und Zellsortierung durch einen gründlichen Abgleich des Modells mit dreidimensionalen räumlichen experimentellen Daten. Unsere Vorgehensweise ist bewusst allgemein gehalten, um sie auf andere Säugetierarten ausweiten zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen