Musterbildung der direktiven Achse einer Seeanemone

Die Bildung von Körperachsen ist ein Schlüsselprozess in der Entwicklung von Tieren. Nachdem die Achsen festgelegt worden sind, kann der Körper in verschiedene Regionen unterteilt werden, die als Anlagen für morphologische Strukturen dienen. Die Staffelung der Expression von Hox-Genen entlang der anterior-posterioren Achse von Bilateria führt zur Spezifizierung der Zellen entlang dieser. Die Fehlexpression der Hox-Gene kann zu homeotischen Transformationen führen, bei denen Teile des Körpers falsche molekulare Identitäten erhalten und deshalb ektopische Stukturen bilden. Nesseltiere (Korallen, Seeanemonen, Quallen und Hydrozoen) sind diploblastische Tiere, welche die Schwestergruppe der Bilateria bilden und konventionell als radiärsymmetrische beschrieben werden. Die Mitglieder der Klasse Anthozoa (Korallen und Seeanemonen) jedoch, weisen eine eindeutige bilaterale Symmertrie mit einer sekunderären direktiven Achse auf. Diese liegt orthogonal zur primären oral-aboralen Achse. Bei der Seeanemone, Nematostella vectensis, sind die Expressionsareale mehrer Hox-Gene sowie des zur Antennapedia-Klasse gehörenden Homeobox-Gens NvGbx entlang dieser direktiven Achse aufgefächert. Kürzlich wiesen wir nach, dass der BMP Signalweg in Nematostella die direktive Achse spezifiziert und aufrecht erhält und weiter, dass Hox- Gene, welche entlang dieser Achse aufgefächert sind, sowie NvGbx vom BMP Signalweg reguliert werden. Das Ziel des Projekts ist, den Mechanismus der genetischen Unterteilung der direktiven Achse zu verstehen, sowie die Rolle der Hox-Gene und NvGbx nachzuvollziehen. Wir stellen die Hypothese auf, dass ein BMP Gradient die Expression der Hox-Gene sowie NvGbx in Nematostella etabliert und dass die Grenzen ihrer Expression die Position der entodermalen Mesenterien festlegt und überprüfen diese im Zuge unseres Projekts. Um Zielgene, die direkt vom BMP Signalweg gesteuert werden, zu identifizieren, verwenden wir Chromatinimmunoprezipitation mit einem anti-pSMAD1/5 Antikörper und Next Generation Sequencing. Indirekte Zielgene ermitteln wir durch die Sequenzierung der Transkriptome nach Morpholino-Knockdown von Genen, die für zwei BMP Liganden und für einen BMP Antagonisten kodieren. Weiters führen wir Loss-of-funtion- und Überexpressionsexperimente von Hox-Genen und NvGbx durch, um deren Funktion in der regionalen Spezifikation der direktiven Achse zu erschließen. Wir vergleichen die Wirkweisen von Hox-Genen von Nematostella mit jener in Bilateria und untersuchen, ob die Modifikation der Hox- und NvGbx Expression morphologische Änderungen, ähnlich der homeotischen Transformationen in Bilateria, herbeiführen. Unsere Erkenntnisse werden das Verständnis über Achsenbildungsprozesse basaler Metazoa grundlegend voranbringen. Da wir im Laufe unserer Forschung neue genetische Methoden, die es ermöglichen, gewebsspezifische Genexpression zu induzieren, entwickeln, festigen wir Nematostella vectensis in seiner Rolle als Evo/Devo-Modellorganismus.

Der BMP Signalweg spielt eine zentrale Rolle in der Bildung der Rücken/Bauch-Achse in Bilateria die umfangreiche Gruppe, die alle konventionellen Tiere, wie Wirbeltieren oder Insekten umfasst. Bilateria besitzen zwei Körperachsen, eine Kopf/Schwanz-Achse und eine Rücken/Bauch-Achse. Die evolutionäre Schwestergruppe der Bilateria sind die Nesseltiere (Quallen, Korallen, Seeanemonen), die ursprünglich als radiärsymmetrisch beschrieben waren. Erst später stellte sich heraus, dass nur Quallen und deren nächsten Verwandten eine Radial-Symmetrie aufweisen, während Korallen und Seeanemonen bilateral symmetrisch sind. Neben einer bei allen Nesseltieren vorhandenen oral-aboralen Achse, haben Korallen und Seeanemonen eine zweite, sogenannte Richtungsachse, die, wie die Bauch-Rücken Achse der Bilateria, durch BMP Signale reguliert wird. Ungeklärt bleibt in welchen Bezug die Körperachsen der Nesseltiere zu denen der Bilateria stehen und ob der letzte gemeinsame Vorfahre radiär- oder bilateralsymmetrisch war. Um diese Frage beantworten zu können, muss man verstehen, wie BMP Signale die Körperachse in Nesseltieren formen, was im Zuge dieses FWF Projektes untersucht wurde. Wir zeigten, dass ähnlich wie in den Bilateria BMP Signale sich in Form eines Gradienten ausprägen, der den Verlauf der Richtungsachse in der Seeanemone Nematostella vectensis bestimmt und deren Unterteilung in morphologisch abgrenzbare Bereiche steuert. Mittels Analyse zur Funktion von individuellen Genen und mathematischer Modellierung, konnten wir das Gen- Regulatorische Netzwerk, welches für die Aufrechterhaltung des BMP Signalgradienten verantwortlich ist, entschlüsseln und mit dem für die Rücken/Bauch Achse der Bilateria zuständigen Gen-Regulatorischen Netzwerk vergleichen. Dabei fanden wir erstaunliche Gemeinsamkeiten in der Logik der Interaktionen aber auch signifikante Unterschiede in der Topologie. Wir haben Ziel-Gene identifiziert, die direkt durch BMP Signale reguliert werden. Dazu gehören auch Hox Gene und Gbx, deren Rolle in der morphologischen Unterteilung der Richtungsachse erst kürzlich aufgezeigt wurde. In Ergänzung zu bekannten regulatorischen Genen, die unter der Kontrolle von BMP Signalen stehen, entdeckten wir auch zahlreiche Ziel-Gene, deren Aufgabe noch ungeklärt ist. Darunter findet sich auch ZSWIM, der sich als komplett neuer Modulator von BMP Signal in Nematostella herausstellte. Nematostella ZSWIM codiert für ein Zellkernprotein, das augenscheinlich, nur an der von BMP Signalen abhängigen Repression von Genen beteiligt ist. In der BMP- abhängigen Gen-Aktivierung scheint ZSWIM keine Rolle zu spielen. Obwohl ZSWIM auch in Bilateria konserviert ist, ist dessen Funktion dort nicht geklärt. Wir kollaborieren derzeit mit anderen Forschungsgruppen, um herauszufinden welche Rolle ZSWIM in Bilateria spielt. Zusammengefasst war es uns im Zuge dieses Projektes möglich, die grundlegenden Zusammenhänge von BMP Signalen in der Ausprägung der Richtungsachse in der Seeanemone aufzuklären und die Aufgaben des Signalweges in bilateral symmetrischen Nesseltieren und Bilateria gegenüberzustellen.