Anzestrale Mechanismen der BMP-abhängigen Musterbildung

In der Tierwelt gibt es eine faszinierende Artenvielfalt. Die größte Zahl unterschiedlicher Arten und Körperformen ist innerhalb der sogenannten Zweiseitentiere (Bilateria) zu finden. Bilateria zeichnen sich durch ihre zwei Körperachsen aus: die primäre Kopf-Schwanz Achse und die sekundäre Rücken-Bauch Achse. Die meisten Tierarten sind Bilateria, inklusive der Wirbeltiere und Seeigel, Insekten und Krebstiere, Skorpione und Spinnen, Weichtiere und Würmer. Nesseltiere (Cnidaria; Korallen, Seeanemonen, Quallen) sind eine Tiergruppe, die nicht zu den Bilateria gehören, aber evolutionär ihre nächsten Verwandten sind. Obwohl man ursprünglich dachte, dass Cnidaria nur eine einzige Körperachse haben, weiß man heute, dass die Untergruppe der Blumentiere (Anthozoa; Korallen, Seeanemonen) ebenfalls eine zweite Körperachse aufweisen. Es wird deshalb vermutet, dass der letzte gemeinsame Vorfahre der Bilateria und Cnidaria eine zweite Körperachse hatte, also zweiseitig war. Die Seeanemone Nematostella vectensis ist der am meisten verwendete Modellorganismus, um die sekundäre Körperachse der Anthozoa zu erforschen. Für die Ausbildung der sekundären Achse werden Signalmoleküle als Kommunikationsmittel zwischen den Zellen des Embryos benötigt. Die verblüffende Entdeckung, dass Bilateria und das Nesseltier Nematostella die gleichen Signalmoleküle, genannt BMPs (Bone Morphogenetic Proteins), verwenden, um ihre jeweiligen sekundären Körperachsen zu regulieren, unterstützt die Hypothese eines zweiseitigen gemeinsamen Vorfahren der Cnidaria und Bilateria. Die Mechanismen, welche die BMP Signalfunktion in der Körperachsenbildung regulieren, wurden allerdings hauptsächlich in Bilateria Modellorganismen (Fruchtfliegen und Fröschen) untersucht. Es wird deshalb zurzeit angenommen, dass die Funktionsweise von BMPs in der Sekundärachsenbildung bei Nematostella die gleiche ist, wie bei Fruchtfliegen oder Fröschen. Im Speziellen wird vermutet, dass BMPs mit ihrem negativen Regulator Chordin kooperieren, um ihre Signalfunktion zu erfüllen. Im vorliegenden Forschungsvorhaben werde ich die molekularen Funktionsmechanismen von BMP und Chordin in Nematostella untersuchen, um herauszufinden, ob die Mechanismen der BMP Funktion bei der Achsenbildung in der Seeanemone tatsächlich denen in Bilateria entsprechen. Hierfür werde ich mit biochemischen Verfahren messen, wie sich BMPs und Chordin gegenseitig regulieren, und mit Hilfe von Fluoreszenzmikroskopie visualisieren, wie sich diese Moleküle zwischen den Zellen des Nematostella Embryos bewegen. Besonders möchte ich verstehen, ob Chordin den BMP Signalen dabei hilft ihre Zielzellen im Embryo zu erreichen, indem es die BMP Stabilität oder Mobilität erhöht. Das spannende Forschungsprojekt wird neue Einblicke in die molekulare Kontrolle der Sekundärachsenbildung in Nematostella gewähren und helfen zu verstehen, wie der letzte gemeinsame Vorfahre der Cnidaria und Bilateria eine zweite Körperachse gebildet haben könnte.

In den frühesten Stadien der Tierentwicklung teilt sich die befruchtete Eizelle und die resultierenden embryonalen Zellen bilden zunehmend komplexe Strukturen aus. Entlang des sich formenden Körpers entstehen Symmetrieachsen, die Körperachsen heißen. In Bilateria (Zweiseitentiere), welche Wirbeltiere, Insekten, Würmer, Weichtiere und eine Vielzahl anderer Tiere umfassen, ist die primäre Achse die Kopf-Schwanz Achse und die sekundäre Achse die Rücken-Bauch Achse. Um die Entwicklung zu koordinieren und die Körperachsen auszubilden werden Signalproteine als Kommunikationsmittel zwischen den Zellen benötigt. Knochenmorphogenetische Proteine (Engl. bone morphogenetic proteins, BMPs) sind sezernierte Signalproteine die in Bilateria kritisch für die korrekte Bildung der sekundären Körperachse sind. Interessanterweise gibt es BMP-abhängige sekundäre Körperachsen auch außerhalb der Bilateria, in bestimmten Nesseltieren: Anthozoa (Seeanemonen, Korallen) haben eine zweite Körperachse, wohingegen Medusozoa (Quallen) keine zweite Körperachse haben und radialsymmetrisch sind. Studien an Nesseltieren können daher Aufschluss darüber geben wann und wie oft BMP-abhängige sekundäre Körperachsen im Laufe der Evolution "erfunden" wurden. Die Seeanemone Nematostella vectensis ist außerhalb der Bilateria der Modellorganismus in dem die BMP-abhängige Körperachsenbildung am besten untersucht ist. Jedoch mangelte es hier bisher an Studien welche die Mechanismen des BMP Signalwegs betrachten. So war z.B. unbekannt wie BMPs sich durch den Embryo bewegen um von den produzierenden Zellen zu den Zielzellen zu gelangen. Es wurde vermutet, dass in Nematostella - ähnlich wie in Fruchtfliegen oder Fröschen - der BMP Inhibitor Chordin entscheidend ist. Bei dem hypothetischen Mechanismus, genannt "BMP shuttling", kann Chordin, welches die BMP Signalaktivierung normalerweise blockiert, die BMP Funktion fördern indem es BMPs zu den Zielzellen transportiert. Ein alternativer Mechanismus, bei dem Chordin als einfacher BMP Inhibitor agiert, konnte allerdings nicht ausgeschlossen werden. Das Ziel meines Projektes war zu verstehen, wie Chordin den BMP Signalweg in Nematostella reguliert und zu testen, ob BMP shuttling vorliegt. Ich entdeckte, dass Nematostella Chordin an BMPs bindet und so einen Komplex auf der Zelloberfläche bildet. Um den shuttling Mechanismus zu testen, verglich ich normales Chordin mit modifiziertem Chordin, welches and der Zelloberfläche verankert ist und sich somit nicht durch den Embryo bewegen kann. Meine Ergebnisse zeigen, dass normales (mobiles) Chordin BMP Signalaktivierung in entfernten Zielzellen fördert, verankertes (immobiles) Chordin aber nicht. Ich konnte somit belegen, dass BMP shuttling die Bildung der zweiten Körperachse in Nematostella steuert. Dieser Mechanismus ist jenem in Fruchtfliegen und Fröschen sehr ähnlich, was darauf hindeutet, dass solch ein Mechanismus bereits im letzen gemeinsamen Vorfahren der Nesseltiere und Zweiseitentiere gewirkt haben könnte.