Musterbildung der oral-aboralen Achse einer Seeanemone

Körperachsen sind molekulare Koordinatensysteme, die die Entwicklung der richtigen Strukturen an den richtigen Stellen im Embryo steuern. Sowohl in Bilateria (Insekten, Weichtiere, Würmer und Wirbeltiere also, Tiere mit einer Kopf-Schwanz- und einer Rücken-Bauch Achse) als auch in ihren urtümlichen Cousins Seeanemonen und Korallen, sind diese Koordinatensysteme durch orthogonal zueinander verlaufenden Gradienten der Wnt/beta-catenin und BMP Signalen etabliert. Das heißt, dass jede Zelle eine einzigartige Kombination der Intensitäten von Wnt/beta-catenin und BMP Signalen wahrnimmt. So entsteht eine molekulare Adresse, die jeder Zelle ihre räumliche Position zuteilt. Diese Adresse bestimmt in jeder Zelle, welche Gene aktiviert bzw. deaktiviert und welche anatomischen Strukturen während der Entwicklung gebildet werden müssen. Die Entstehung der molekularen Adressen entlang einer Körperachse nennt man achsiale Musterbildung. Unser Ziel ist es zu verstehen, wie die Mechanismen der achsialen Musterbildung am Beginn der Evolution der Tiere entstanden sind. Um das zu erreichen, muss man die Mechanismen von Bilateria mit denen von den Seeanemonen vergleichen, weil diese zu ihrer evolutionären Schwestergruppe gehören. Allerdings ist die Information über achsiale Musterbildung bei Seeanemonen äußerst begrenzt. In diesem Projekt werden wir versuchen zu verstehen, wie bei der Seeanemone Nematostella vectensis achsiale Musterbildung der Hauptkörperachse, die oral-aboral Achse, auf der molekularen Ebene gesteuert wird. Um herauszufinden, welche Gene vom beta-catenin Signal reguliert werden und welche davon in der achsialen Musterbildung der oral-aboralen Achse teilnehmen, werden wir chemisch behandelte und mutante Nematostella benutzen, bei denen das beta-catenin Signal entweder abnormal stark oder abnormal schwach ist. Dann werden wir herausfinden, welche Wnt Liganden fähig sind beta- catenin Signalleitung zu aktivieren und welche Rezeptorpräferenzen sie haben. Schließlich, werden wir alle Wnt Liganden und Frizzled Rezeptoren, die in der beta-catenin Signalleitung in Nematostella beteiligt sind, funktionell analysieren. Unsere Analysen werden uns erlauben, den Kern des genregulatorischen Netzwerkes, der die positionabhängige Aktivierung verschiedener Gene an den richtigen Stellen entlang der oral-aboralen Körperachse bei Nematostella steuert, zu entziffern. Das wird den Vergleich der Mechanismen der von Wnt/beta-catenin regulierten Musterbildung zwischen der Schwanz-Kopf Achse der Bilateria und oral-aboralen Achse der Seeanemone ermöglichen.

Bilateria sind eine umfangreiche taxonomische Gruppe, die alle Wirbeltiere sowie die überwiegende Mehrheit der Wirbellosen umfasst. Der angestammte Weg der Musterbildung der posterior-anterioren (PA) Körperachse von Bilateriaembryonen ist durch einen Gradienten der Wnt/-Catenin-Signalaktivität charakterisiert. Dieser hat am hinteren Ende des Embryos sein Maximum und am vorderen Ende sein Minimum. Die evolutionäre Schwestergruppe der Bilateria sind Nesseltiere (Korallen, Seeanemonen, Quallen), deren oral-aborale (OA) Körperachse ebenfalls von Wnt gemustert ist, jedoch ist die Übereinstimmung der Nesseltier- und Bilateria-Körperachsen umstritten. Um dies zu klären, haben wir den molekularen Mechanismus der Wnt/-Catenin-abhängigen Musterbildung in der Modell-Seeanemone Nematostella vectensis analysiert. Wir haben gezeigt, dass, ähnlich wie bei Bilateria, LRP5/6 und alle vier Frizzled-Rezeptoren an der Übertragung von für die OA-Musterbildung erforderlichen Wnt-Signalen beteiligt sind. Die Wnt-Liganden, die die Hauptrollen in diesem Prozess spielen, haben wir ebenfalls identifiziert. Interessanterweise fanden wir heraus, dass anders als bei Bilateria die Wnt/Frizzled/LRP5/6-vermittelte Signalübertragung nicht für die Spezifikation des Endomesoderms des Seeanemonenembryos verantwortlich ist - ein kritischer Prozess, der sowohl bei den Nesseltieren als auch bei Bilateria der axialen Musterbildung vorausgeht. Außerdem entdeckten wir das molekulare Prinzip der dosisabhängigen Reaktion von Genen auf die -Catenin-Signalgebung im embryonalen Ektoderm von Nematostella. Das Ergebnis dieser Dosisabhängigkeit ist die Unterteilung der OA-Körperachse in drei Hauptdomänen: die orale Domäne, die Körpermitte und die aborale Domäne. Die Unterteilung geschieht wie folgt: In der oralen Hemisphäre des Nematostella-Embryos beginnt die Expression einer Reihe von Transkriptionsfaktor-codierenden Genen, deren Transkription durch die -Catenin-Signalgebung gefördert wird. Ihre Expression löst sich in spezifische Domänen entlang der OA-Achse auf, da einige dieser Gene, die eher oral exprimiert werden, Transkriptionsrepressoren kodieren, die auf die Gene wirken, die eher aboral exprimiert werden. Dadurch entstehen die beiden molekularen Hauptgrenzen des frühen Nematostella-Embryos - die Grenze zwischen der oralen Domäne und der Körpermitte und die Grenze zwischen der Körpermitte und der aboralen Domäne. Durch eine RNA-Seq-basierte Suche nach Transkriptionsfaktoren, die positiv oder negativ auf die Modulation der -Catenin-Signalübertragung reagierten, einem anschließenden In-situ-Hybridisierungsscreening und Funktionsverlustexperimenten an mehreren Kandidatengenen zeigten wir, dass die Oral/Körpermitte-Grenze durch ein Modul aus vier Transkriptionsfaktoren, Brachyury, Lmx, FoxA und FoxB hergestellt wird, während die Körpermitte/Aboral-Grenze aufgrund der Aktivität des Transkriptionsfaktors Sp6-9 entsteht. Die regulatorische Logik und die Transkriptionsfaktoren, die an der -Catenin-abhängigen OA-Musterbildung in Nematostella beteiligt sind, sind denen in Bilateria auffallend ähnlich, was es uns erlaubte vorzuschlagen, dass die OA-Körperachse von den Nesseltieren und die PA-Körperachse der Bilateria einen gemeinsamen evolutionären Ursprung haben.