beta-Catenin Zielgene in der Achsenbildung und Regeneration

Die meisten der mehr als 30 Baupläne der heute existierenden Tierstämme sind bilateralsymmetrisch organisiert. Sie entwickelten sich im frühen Kambrium aus stärker radiärsymmetrisch organisierten Vorfahren, die heute nur mehr durch wenige Tierstämme repräsentiert werden. Mitglieder des Stammes der Cnidaria gehören zu diesen ursprünglichen Tierformen und stellen die Schwestergruppe der Bilateria dar. Ihre oral-aborale Hauptkörperachse wird durch ein oral lokalisiertes Signalzentrum gebildet. Dieses Signalzentrum entsteht während der frühen Gastrulation im Blastoporus und es bildet im Laufe der weiteren Entwicklung den Kopf der entstehenden Polypen. In Polypen der Gattung Hydra hat der Kopf die Fähigkeit behalten, als dynamisches Signalzentrum die oral-aborale Musterbildung während der permanent ablaufenden Gewebeerneuerung zu kontrollieren. Viele kürzlich erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass der Wnt/beta-Catenin Signalweg eine zentrale Rolle bei der embryonalen Achsenbildung sowohl in höheren Tieren als auch in Cnidariern spielt. Dieser Signalweg induziert eine orale Entwicklung in den Signalzentren im Blastoporus und im Kopf von Polypen der Cnidaria. In gleicher Weise scheinen Mitglieder der sFRP Genfamilie, die als Wnt-Antagonisten bekannt sind, an der Ausbildung des aboralen Teils der Polypen beteiligt zu sein. Wie diese Signalproteine in zelluläre Entwicklungsprozesse übersetzt werden, und ob die Mechanismen der zellulären Signalinterpretation in der Evolution der Tiere erhalten geblieben sind, ist gegenwärtig unbekannt. Das allgemeine Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, kritische Targetgene von beta-Catenin in der Achsenbildung und Regeneration in den Cnidaria durch systematisches Expression Profiling zu charakterisieren. Dies würde zu einem genaueren Verständnis beitragen, durch welche zellulären Prozesse der Wnt/beta-Catenin Signalweg das Zellschicksal während der Achsenbildung und Regeneration beeinflusst. Die Untersuchungen werden in zwei verschiedenen Polypen, Hydra magnipapillata (Hydrozoa) und Nematostella vectensis (Anthozoa) durchgeführt, um die experimentellen Stärken beider Organismen zu verknüpfen. Hydra bietet die Möglichkeit, Achsenbildung während der asexuellen Reproduktion zu studieren und ist ein klassisches System für Regenerationsstudien. Nematostella bietet optimalen Zugang zur Analyse der Embryonalentwicklung.

Die meisten der mehr als 30 tierischen Stämme weisen einen bilateralsymmetrischen Bauplan auf, und sie evolvierten aus radiärsymmetrischen Vorfahren während der kambrischen Radiation. Heute werden die radiärsymmetrischen Vorfahren durch die Tiergruppe Cnidaria repräsentiert. Neue Daten zeigen zunehmend klarer, dass der Wnt/beta-Catenin Signalweg entscheidend an der Ausbildung der primären Körperachse bei Cnidarieren und Bilateriern beteiligt ist. Wnt/beta-Catenin Signalgebung findet im Kopforganisator in Cnidarier-Polypen statt und steuert die Positionswerte in der sich entwickelnden Hauptkörperachse. Es ist völlig unklar, wie diese Positionsinformation in ein definiertes zelluläres Verhalten umgewandelt wird, und in welchem Ausmaß diese Prozesse innerhalb der Cnidarier und zwischen Cnidariern und Bilateriern evolutiv konserviert sind. Das Hauptziel dieses Antrags war die Charakterisierung wichtiger Zielgene, die durch transkriptionelle Aktivität von beta-Catenin-Tcf Komplexen während der Achsenbildung und Regeneration bei Cnidariern reguliert werden. Von zentraler Bedeutung war ein Expression Profiling, in dem Polypengewebe mit stark aktiviertem oder gehemmtem beta-Catenin verwendet wurden. Aus einem anfänglich erhaltenen Satz von etwa 200 reagierenden Genen wurde über zwei Selektionsschritte eine Auswahl von 10 möglichen Zielgenen durchgeführt. Darunter befanden sich drei Gene, die bereits bekannt und beschrieben sind, und sieben Gene, die bislang nicht als Zielgene von beta-Catenin gelten. Wir haben nun begonnen, diese zehn Gene umfangreich zu studieren, einschließlich einer funktionellen Analyse in transgenen Polypen und Tcf-Bindungsstudien an den entsprechenden Promotorelementen. Unsere vorläufigen Daten aus dem Expression Profiling weisen klar auf eine Rolle von beta-Catenin in der positionsabhängigen Festlegung des Zellschicksals im Kopf (Mundfeld und Tentakel) und im oberen Bereich des Gastralraumes hin. Wir haben darüberhinaus definierte Kandidatengene analysiert, die auf eine breitere Wirkungsweise des Wnt/beta-Catenin Signalwegs in formbildenden Gewebeprozessen und in der Zellteilung hinweisen. Zusammenfassend führen unsere Ergebnisse zu einem genaueren Verständnis der molekularen Mechanismen, wie der Wnt/beta-Catenin Signalweg die Achsenspezifizierung in unseren evolutiv ursprünglichen Modellorganismen Hydra und Nematostella steuert. Indem wir beide Modellorganismen in unsere Studien einbeziehen, erfassen wir neben asexueller Fortpflanzung und Regeneration nun auch die Embryonalentwicklung dieser Tiere.