Der Einfluss des dynamischen Abbaus von Zilien auf zelluläre Signale während der Embryonalentwicklung

• Antragsteller: Professor Dr. David Mick; Dr. Peter Walentek
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Biochemie ; Entwicklungsbiologie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503306912

Primäre Zilien sind solitäre, dynamische Mikrodomänen der Plasmamembran und regulieren zelluläre Signalkaskaden mit besonderer Bedeutung für die Embryonalentwicklung. Der Hedgehog Signalweg ist ein Hauptvertreter der zilienabhängigen Signalwege. Komponenten seiner Signaltransduktionskaskade lokalisieren dynamisch und signalabhängig im primären Zilium, was entscheidend zur intrazellulären Weiterleitung und Interpretation von Morphogenen beiträgt. Aus diesem Grund können Hedgehog Signale nur dann von einer Zelle wahrgenommen werden, wenn diese ein primäres Zilium ausbildet. Ob jedoch eine Zelle ein Zilium trägt, ist abhängig vom Zellzyklus. Hedgehog-Morphogen-Gradienten regulieren die Embryonalentwicklung, z.B. die Ausbildung der links-rechts Achse sowie den Neuralrohrschluss. Diese Prozesse können auch im Menschen pathologisch gestört sein. In diesem Kontext müssen Zellen zunächst ein Signal über das Zilium empfangen, dann jedoch das Zilium abbauen, um das initiierte Entwicklungsprogramm auszuführen. Da Morphogene Zellschicksale konzentrationsabhängig beeinflussen, spielen sowohl Signalstärke als auch -dauer entscheidende Rollen. Der konkrete Einfluss des dynamischen Abbaus von Zilien (sowie dessen Verzögerung) auf Entwicklungssignale und -prozesse wurde jedoch bisher nicht näher untersucht. Wir werden in diesem Projekt biochemische in vitro Methoden mit in vivo Experimenten im Wirbeltier-Entwicklungsmodell Afrikanischer Krallenfrosch (Xenopus laevis) kombinieren, um den Einfluss des dynamischen Abbaus von Zilien auf entwicklungsrelevante Signalprozesse zu untersuchen. Dabei werden wir unser Augenmerk auf den Hedgehog Signalweg legen und Proximity-Labeling-Methoden sowie quantitative Massenspektrometrie einsetzen, um den dynamischen Wandel des Zilienproteoms während des Abbaus zu charakterisieren und den molekularen Einfluss dieser Vorgänge auf Signalprozesse aufzuklären. Die Relevanz dieser dynamischen Veränderungen wird weiterhin im Kontext der links-rechts Achsenentwicklung und des Neuralrohrschlusses in vivo untersucht. Die wichtigsten Ziele dieses Projekts sind: 1) Die molekularen Mechanismen der Proteinentfernung aus dem Zilium während des Abbaus zu entschlüsseln, sowie zu untersuchen, wie Defekte in diesen Prozessen zilienabhängige Signale verändern; und 2) zu verstehen, wie sich die intraziliäre Hedgehog-Signaldynamik auf die Morphogenese von Geweben auswirkt. Dadurch werden wir mechanistisch aufklären, wie Veränderungen im dynamischen Zilien-Abbau auf Signaltransduktion und Embryonalentwicklung einwirken. Diese Einblicke werden die Basis für zukünftige Studien bilden, in denen mit translationalem Fokus humane Krankheiten erforscht werden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5547: Entschlüsselung der Rolle der primären Ziliendynamik in der Gewebeorganisation und -funktion