Erzeugung neuronaler Vielfalt im Rückenmark beim Zebrafisch - Wie führt dieselbe Kombination von Trankriptionsfaktoren zur Differenzierung unterschiedlicher neuronaler Subtypen?

• Antragsteller: Dr. Sepand Rastegar, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsneurobiologie ; Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 517446433

Ein mechanistisches Verständnis der Entwicklung neuraler Vielfalt ist unabdingbar, um den Aufbau und die Funktion des Nervensystems zu verstehen. Dieses Wissen wird dabei helfen, maßgeschneidertes Nervengewebe in vitro nachzubilden und regenerative Therapien zu entwickeln. Bestimmte evolutionär konservierte Neuronen im ventralen Rückenmark von Wirbeltieren, die Kolmer-Agduhr (KA)-Neuronen, kontrollieren wichtige Funktionen wie Bewegung und Haltung. Obwohl KA´ und KA´´-Neuronen sich aus zwei unterschiedlichen Vorläuferdomänen entwickeln und an unterschiedlichen Stellen im Rückenmark befinden, sind sie morphologisch sehr ähnlich – beide berühren die cerebrospinale Flüssigkeit. Außerdem exprimieren beide als GABAerge inhibitorische Neuronen das GABA synthetisierende Enzym gad1b, sowie die Transkriptionsfaktoren (TFs) gata2a, gata3, tal1 und tal2. Erstaunlicherweise sind gata2a und tal2 für die Differenzierung von gad1-exprimierenden KA´´-Zellen notwendig, aber nicht für gad1-Expression in KA´-Zellen, wofür stattdessen gata3 und tal1 benötigt wird. Die Spezifizierung von KA-Zellen scheint also nicht allein durch die Kombination der verschiedenen Transkriptionsfaktoren als Schlüsseldeterminanten für die Entwicklung neuraler Diversität im Rückenmark erklärbar zu sein. Regulatorische Mechanismen der Kontrolle spezifischer Genexpression scheinen recht flexibel evolvieren zu können, indem gemeinsame Komponenten der zugrundeliegenden regulatorischen Schaltkreise neu arrangiert werden, um weitere neurale Diversifizierung in funktionelle Unterklassen zu ermöglichen.Hiermit stellen wir die Hypothese auf, dass TFs in KA´ und KA´´-Zellen verschiedene Funktionen haben, weil ihr Zielgen gad1b eine unterschiedliche Empfänglichkeit für die Kombination von gata2/tal2 und gata3/tal1 erworben hat, was schließlich die Differenzierung der Zellen entweder zu KA´ oder zu KA´´-Zellen festlegt. Dies könnte daran liegen, dass KA´ und KA´´-Zellen sich aus verschiedenen Vorläuferdomänen entwickeln, der Motoneuron- (KA´) bzw. V3-Vorläuferdomäne (KA´´) und/oder von geringen Unterschieden bezüglich Geburtsort und -zeit der zwei verschiedenen Neuronentypen abhängen.Aufbauend auf vorläufigen Daten und mit neuen genetischen Werkzeugen (Einzelzell- und ATAC-Sequenzierung, CRISPR/Cas9-Mutagenese) wollen wir folgende Fragen untersuchen: Welche unterschiedlichen Rollen haben die gemeinsamen TFs in KA´ und KA´´-Zellen? Zum Beispiel, warum sind gata2a und tal2 entbehrlich für die Kontrolle von gad1b-Expression in KA´-Zellen, aber nicht in KA´´-Zellen? Wie unterscheiden sich die Transkriptome der beiden KA-Zelltypen? Werden unterschiedliche cis-regulatorische Module (CRMs) benutzt, um gad1b-Expression anzutreiben, und unterscheiden sie zwischen aktiven und inaktiven Faktoren? Sind Repressoren nur in einem der KA-Zelltypen vorhanden?

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen