Identifikation neuer Ziliogenesefaktoren

Zilien, auch Wimpern oder Geißeln genannt, sind zylindrische, von einigen Mikrometern bis zu mehreren Millimetern lange Projektionen der Zelle, die sensorische als auch motorische Funktionen ausführen. Bestbekannt in ihrer Rolle als Photorezeptoren im Auge und in der Fortbewegung von Spermatozoen sind Zilien in fast allen Zellen des menschlichen Körpers vorhanden. Dementsprechend kommt es bei erblich bedingten Zilienanomalien zu teilweise schwerwiegenden Entwicklungs- und Stoffwechselkrankheiten, sogenannten Ziliopathien. Trotz intensiver Forschung ist deren genetische Ursache in vielen Fällen weiterhin unbekannt. Ziel dieses Forschungsprojektes ist es, weitere Faktoren die am Aufbau und der Funktion von Zilien beteiligt sind zu identifizieren und zu charakterisieren. Ausgangspunkt dieses Forschungsprojektes ist die Erkenntnis daß Zilien nicht in allen eukaryotischen Lebewesen und nicht in der selben Form vorkommen. Mit Hilfe bioinformatischer Methoden und der vollständigen Genomsequenz verschiedener Spezies lässt sich somit eine Signatur für Ziliengene bestimmen. Bislang nicht charakterisierte Gene die diesem Muster entsprechen werden auf eventuelle Funktion im Aufbau und der Funktion von Zilien in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster und dem Fadenwurm C. elegans untersucht. Im ersten Durchgang kommen einfache und robuste Versuchsabläufe zur Anwendung, die sich im hohen Durchsatz durchführen lassen. Vielversprechende Kandidaten werdendann mit HilfeimLabor etabliertenhochauflösenden Licht- und Elektronenmikroskopiemethoden genauer untersucht. Von besonderem Interesse sind eine Gruppe von Genen die universell in allen eukaryotischen Zellen mit Zilien vorkommen und somit eine fundamentale Rolle in deren Entstehen spielen könnten. Die hier kurz zusammengefassten Experimente haben das Ziel, die Vorteile von Drosophila melanogaster und C. elegans als experimentelle Modelle zu nützen, um ein besseres Verständnis des Aufbaus und der Funktion von Zilien zu gewinnen. Ein wichtiger Teil dieser Arbeit wird es sein, die Relevanz unserer Ergebnisse in höheren Organismen sowie in der Klinik mit entsprechenden Experten zu untersuchen. -1-

Zilien sind fingerartige zelluläre Fortsätze von einigen Mikrometern bis zu mehreren Millimetern in Länge, die in eukaryontischen Zellen wichtige sensorische und motorische Funktionen ausführen. Am bekanntesten ist ihre Rolle als Photorezeptoren im Auge und als Geißel von Spermien, doch sind Zilien im menschlichen Körper nahezu allgegenwärtig. Defekte im Aufbau und in der Funktion der Zilien werden mit einer Vielzahl von menschlichen Erbkrankheiten in Verbindung gebracht, die unter dem Begriff Ziliopathien zusammengefasst werden. Trotz intensiver Forschung ist die ursächliche Mutation in vielen Ziliopathiefällen nach wie vor unbekannt, was darauf hindeutet, dass noch nicht alle Faktoren für die Ziliogenese identifiziert sind. Ziel dieses FWF Einzelprojektes war es, solche Faktoren zu identifizieren und zu charakterisieren und die molekularen Mechanismen, die dem Aufbau und der Funktion von Zilien zugrunde liegen, besser zu verstehen. Ausgangspunkt dieser Arbeiten war die Beobachtung, dass Zilien bei Eukaryonten nicht durchgängig vorhanden sind, sondern im Laufe der Evolution in verschiedenen Zweigen des Stammbaums des Lebens verloren gegangen sind. Das sich daraus ergebende Muster des Vorhandenseins und Fehlens in den vollständig sequenzierten Genomen verschiedener Eukaryonten kann zur Ableitung einer phylogenetischen Signatur für Ziliengene verwendet werden. Neue Gene, die dieselbe Signatur aufweisen, sind natürlich hervorragende Kandidaten für zusätzliche Akteure beim Aufbau und der Funktion der Zilien. Mit diesem Ansatz konnten wir einen Cluster von 386 Genen identifizieren, zu dem die meisten bekannten Zilienkomponenten gehören, aber auch 152 Gene, die bisher noch nicht charakterisiert wurden. Um diese Gene zu bewerten, führten wir eine Analyse in der Fruchtfliege Drosophila und dem Fadenwurm C. elegans durch. Bemerkenswerterweise erzielten bislang nicht charakterisierte Gene in unseren Assays eine ähnlich hohe Trefferquote wie bekannte Ziliengene, was darauf hindeutet, dass die meisten, wenn nicht sogar alle 386 Gene mit Zilien in Verbindung stehen. Bei unserer weiteren Analyse konzentrierten wir uns auf eine Handvoll besonders vielversprechender Kandidaten, die wir mit Hilfe empfindlicher, auf Licht- und Elektronenmikroskopie basierender Assays, die wir im Labor entwickelt haben, in den Cilium-Aufbauweg einordneten. Neben diesem Hauptaspekt umfasste dieses Einzelprojekt auch die Charakterisierung der Zilienbasis in C. elegans, die dazu beitrug, die Mechanismen zu erhellen, die dem Zusammenbau einer verwandten zellulären Organelle, dem Zentrosom, zugrunde liegen, sowie die Entwicklung einer Methodik zur Charakterisierung von molekularen Interaktionen, die auch in anderen zellulären Kontexten und experimentellen Modellen breit anwendbar sein sollte. Schließlich charakterisieren wir in Zusammenarbeit mit Klinikern aus Großbritannien und Frankreich die Rolle einiger Gene, die in menschlichen Ziliopathien eine Rolle spielen, in Arbeiten, die derzeit noch nicht abgeschlossen sind.