BMP Shuttling: Role in der Evolution der Körperachsen

In der Evolution ermöglichte die Entstehung von zwei Körperachsen das Aufkommen von komplexeren und vielfältigeren Körperplänen. Bilaterale Körpersymmetrie ist das namensgebende Merkmal für Bilateria (Tiere die sowohl eine Kopf-Schwanz als auch Rücken-Bauch Achse aufweisen, z.B. Insekten, Mollusken, Würmer und Wirbeltiere), ist aber ebenfalls in Seeanemonen und Korallen zu finden. Die zwei letzteren gehören zum Phylum der Nesseltiere, der evolutionären Schwestergruppe der Bilateria, in der sich aber auch radiär-symmetrische Vertreter finden: Quallen, Hydra, und andere. Unklar ist, wann bilaterale Symmetrie im Tierreich erstmals auftrat. Ist dieses Merkmal unabhängig in Bilateria und Nesseltieren entstanden oder war der letzte gemeinsame Vorfahre der Nesseltiere und Bilateria bereits bilateral symmetrisch und ging in radiär symmetrischen Nesseltieren die bilaterale Symmetrie später verloren? Interessanterweise basiert die Regulation der Rücken-Bauch Achse in Bilateria und der Richtungs-Achse in Nesseltieren auf demselben molekularen Mechanismus: dem BMP Signalweg. BMPs sind sekretierte Proteine, die von Chordin gebunden werden können. Chordin verhindert die Aktivierung von BMP Rezeptoren durch BMPs, bleibt aber gleichzeitig in Verbindung mit BMPs frei beweglich und kann über weite Strecken diffundieren und den funktionellen BMP Liganden in großer Entfernung zur Chordin-Quelle wieder freisetzen. Dieser Vorgang von Chordin- vermittelter BMP Signalen (BMP Shuttling) ist für die Bildung der Rücken-Bauch Achse in Fröschen und Fliegen aber auch in Seeanemonen essentiell. In allen bisher untersuchten Quallen und anderen radiär symmetrischen Nesseltieren scheinen die Gene für Chordin oder für einen der wohl wichtigsten BMP Liganden BMP2/4, verloren gegangen zu sein. Das verleitet zu der Annahme, dass der Verlust der Funktionalität des Chordin-abhängigen BMP-Shuttling möglicherweise für den Verlust von bilateralen Symmetrie in radiär symmetrischen Nesseltieren verantwortlich war. Um dies zu untersuchen, werden wir die Genome von radiär symmetrischen Nesseltieren sequenzieren und analysieren um den möglichen Verlust von Chordin und BMP2/4 in allen Gruppen radiär symmetrischen Nesseltieren nachweisen zu können. Anschließend, werden wir die BMP Shuttling-Fähigkeit von Chordin aus Nesseltieren in Fruchtfliegen untersuchen, die kein eigenes funktionelles Chordin besitzen. Sollte Chordin der Seeanemone die Fähigkeit haben BMP Liganden zu transportieren und sollten essentielle Shuttling-Komponenten in radiär symmetrischen Nesseltieren tatsächlich fehlen, sprechen diese Ergebnisse stark für ein Entstehen der bilateralen Körpersymmetrie etwa 200 Millionen Jahre früher als bisher angenommen, also vor der Trennung von Nesseltieren und Bilateria.

Der BMP-Signalweg ist bei Bilateria und bei bilateral symmetrischen Nesseltieren (Korallen, Seeanemonen) für die Ausbildung der sekundären Körperachsen verantwortlich. Radialsymmetrische Nesseltiere (Quallen, Hydrozoen) verfügen ebenfalls über alle intrazellulären BMP-Signalkomponenten, verlieren jedoch häufig entweder den Haupt-BMP-Liganden BMP2/4 oder den wichtigsten sezernierten BMP-Antagonisten Chordin. Da radialsymmetrische Nesseltiere die BMP-Signalmaschinerie nicht verloren haben, war es offensichtlich, dass sich die BMP-Signalfunktion nicht auf die Erzeugung der zweiten Achse beschränken kann, aber es war unklar, was die anderen Funktionen sein könnten. Darüber hinaus besitzt Chordin in Bilateria die einzigartige Fähigkeit, BMP-Liganden zu "shutteln", d. h. die BMP-Signalübertragung lokal zu unterdrücken, aber die BMP-Diffusion zu erleichtern und die BMP-Signalübertragung in der Ferne zu fördern. Wir schlugen vor, dass dieser Chordin-vermittelte "Shuttling"-Mechanismus für die BMP-abhängige bilaterale Symmetrie der Seeanemonen und möglicherweise auch für die bilaterale Symmetrie des Vorfahren der Nesseltiere und Bilateria verantwortlich sein könnte. In diesem FWF-Projekt haben wir uns mit zwei Fragen beschäftigt: i) Ist BMP-Shuttling wirklich der Mechanismus der Chordin-Wirkung in der Seeanemone Nematostella, und ii) was macht BMP-Signalübertragung, wenn sie keine Körperachse strukturiert. Um die erste Frage zu beantworten, haben wir nach dem Testen mehrerer erfolgloser Ansätze ein experimentelles System entwickelt, mit dem wir lokale Quellen von Chordin und verschiedenen BMP-Liganden in einem genetischen Hintergrund erzeugen konnten, in dem Chordin und ein oder mehrere BMPs fehlen. Mit diesem "lokalen Quellensystem" konnten wir nachweisen, dass Chordin tatsächlich BMP-Liganden im Nematostella-Embryo transportiert. Zur Beantwortung der zweiten Frage verwendeten wir einen Antikörper, der die aktivierte Form des BMP-Signaleffektors SMAD1/5 erkennt, und erstellten einen Ganzkörperatlas der BMP-Signalaktivität im adulten Nematostella-Polypen, d. h. in dem Stadium, in dem keine sekundäre Achsenmusterbildung mehr stattfindet. Dann korrelierten wir die BMP-Signalaktivität mit den transkriptomischen Daten aus einzelnen Zellen, die wir aus diesem Lebensstadium gewonnen hatten. Anhand der Einzelzell-Transkriptomdaten konnten wir zeigen, dass ein breites Spektrum von Zelltypen BMP-Signale von einer viel kleineren Anzahl von sendenden Zelltypen empfangen kann. Mit einer Kombination aus Immunhistochemie und Analyse der transgenen Reporterlinien konnten wir spezifische Zellpopulationen identifizieren, die BMP-Signale aussenden und empfangen. Zu den wahrscheinlichsten möglichen Funktionen von BMP-Signaltransduktion, die nicht mit der axialen Musterbildung zusammenhängen, gehörten die Tentakelbildung, die Gameto- oder Gonadogenese und die Differenzierung bestimmter neuronalen Zelltypen. Die Analyse der BMP-Signalübertragung bei den radialsymmetrischen Nesseltieren Aurelia und Tripedalia legt nahe, dass die beiden letztgenannten Funktionen der BMP-Signalübertragung in allen Nesseltieren und möglicherweise auch zwischen Nesseltieren und Bilateria konserviert sind.