Flügelkreislauforgane bei Drosophila

Für das Verständnis der morphologischen Evolution von Organismen ist die Frage der Etablierung von evolutionären Neuheiten von zentraler Bedeutung. Ein wichtiger Mechanismus ist dabei die Rekrutierung von Komponenten aus verschiedenen Organsystemen und ihre Zusammenfügung zu neuen funktionellen Einheiten. Auf Grund von vergleichend anatomischen Untersuchungen nehmen wir an, dass die Flügelzirkulationsorgane (FZO) von Drosophila aus Zellen bestehen, die während der Ontogenese vom Gewebe des Dorsalgefäßes ("Herz") dieser Tiere rekrutiert werden. Ziel des vorliegenden Projektes ist es, diese Hypothese durch einen kombinierten entwicklungsbiologischen und genetischen Ansatz zu prüfen. Wir haben dabei den großen Vorteil einen erst kürzlich entwickelten gewebsspezifischen Lebendzellmarker für unsere Untersuchungen nutzen zu können, der dadurch charakterisiert ist, dass GFP sowohl im Herzgewebe als auch in den Zellen der FZO während der gesamten Entwicklung exprimiert wird. Diesen Marker werden wir in unserem entwicklungsbiologischen Ansatz sowohl bei den in vivo Beobachtungen mittels Live Cell Imaging als auch in den ergänzende histologische Untersuchungen anwenden, um den Ursprung und die Entwicklungswege der Vorläuferzellen der FZO zu analysieren. In unserem genetischen Ansatz werden wir diesen visuellen Marker dazu verwenden, um in ausgewählten Mutations-Zuchtlinien von Drosophila nach Phänotypen zu suchen, die eine Veränderung in der FZO-Bildung oder Funktion zeigen. Die anschließende Identifizierung der zugehörigen Gene wird einen exzellenten Ausgangspunkt zur Aufklärung der genetischen Abläufe darstellen, die für die Entwicklung der FZO und deren Funktion von Bedeutung sind. Durch dieses Projekt erwarten wir Ergebnisse, die für das grundlegende Verständnis der Entwicklung und Genetik der Zirkulationsorgane des Modellorganismus Drosophila von großer Bedeutung sind. Darüber hinaus sollen diese Untersuchungen einen tieferen Einblick in die Prozesse ermöglichen, die im Rahmen der Evolution von Organen an der Rekrutierung von Bauelementen beteiligt sind und, aus einer übergeordneten Perspektive, an der evolutionären Entstehung von morphologischen Neuheiten.

Für das Verständnis wie sich Organsimen im Laufe der Evolution verändern, ist die Frage wie evolutionären Neuheiten etabliert werden von zentraler Bedeutung. Ein wichtiger Mechanismus ist dabei die Rekrutierung von Komponenten aus verschiedenen Organsystemen und ihre Zusammenfügung zu neuen funktionellen Einheiten. Auf Grund von vergleichend anatomischen Untersuchungen gingen wir davon aus, dass die Flügelherzen der bekannten Taufliege Drosophila aus Zellen bestehen, die während der Entwicklung vom Gewebe des Dorsalgefäßes ("Herz") dieser Tiere rekrutiert werden. Ziel des vorliegenden Projektes war es diese Hypothese durch einen kombinierten entwicklungsbiologischen und genetischen Ansatz zu prüfen. Im vorliegenden Projekt hatten wir den großen Vorteil für unsere Untersuchungen eine, von der Arbeitsgruppe unseres Kooperationspartners entwickelte, transgene Zuchtline von Drosophila benützen zu können. In diesen Fliegen leuchten während der gesamten Entwicklung sowohl die Zellen des Herzens als auch der Flügelherzen unter UV-Licht grün. Damit konnte die Entwicklung der Flügelherzen genau analysiert werden. Die Organe gehen zwar aus Zellen hervor, die klassisch dem Herzmesoderm zugerechnet werden, aber nicht aus den Herzmuskelzellen des Rückengefäßes, sondern aus einer Teilpopulation der sogenannten Perikardialzellen. Das war eine überraschende Entdeckung, da die Perikardialzellen normalerweise kein Muskelgewebe bilden. In einem genetischen Ansatz wurden dann in Mutationszuchtlinien Fliegen gesucht, bei denen die Bildung oder Funktion der Flügelherzen verändert ist. An solchen Tieren war es in weiterer Folge möglich eine Reihe von Genen zu identifizieren, die für die Entwicklung der Flügelherzen notwendig sind. Darüber hinaus ist es gelungen eine neue biologische Funktion der Flügelherzen zu entdecken. Dazu wurden durch genetische Manipulation Fliegen erzeugt, die keine Flügelherzen entwickeln. Solche Fliegen bilden zwar Flügel aus, können aber nicht richtig fliegen. Zum gleichen Ergebnis führten Experimente, bei denen die Flügelherzen durch Laserstrahlen zerstört wurden. Es konnte gezeigt werden, dass die Flügelherzen am Ende der Flügelentwicklung die nicht mehr benötigten Hautzellen aus dem Flügel heraus saugen, damit die Flügelflächen fest miteinander verklebt werden können. Wenn keine funktionsfähigen Flügelherzen vorhanden sind, dann verbleiben diese Zellen in den Flügeln und verhindern das Verbinden der Flügelflächen. Wir gehen davon aus, dass diese Funktion der Flügelherzen für alle Insekten zutrifft.