Keimblattspezifikation in einem Diploblasten

Eine der frühesten zellulären Entscheidungen während der Entwicklung der meisten Tiere ist die Aufteilung in drei embryonale Keimblätter (Ektoderm, Entoderm, Mesoderm), die jeweils wichtige Funktionen und Differenzierungen in distinkte Gewebe im weiteren Verlauf haben. Ektoderm wird die äussere Zellschicht (später die Haut) bilden, während Entoderm (späterer Darm) und Mesoderm (z.B. Muskeln, Blut) innere Zellschichten bilden. In diesem Kontext stellen sich fundamentale Fragen, (A) wie die Transition der Zellzustände und Zelltypen während der Keimblattbildung stattfindet und (B) was die Konsequenzen von Änderungen in der Regulation von Zellzuständen in der Entwicklung und während der Evolution haben. Allerdings bestehen Cnidaria (Nesseltiere: Seeanemonen, Korallen, Quallen), die sehr früh in der Evolution entstanden sind, nur aus zwei Zellschichten, üblicherweise als Entoderm und Ektoderm bezeichnet. Das heisst, ihnen scheint das das Mesoderm (noch) zu fehlen, obwohl sie viele Gene besitzen, die an der Entwicklung des Mesoderms in anderen Tieren eine wichtige Rolle spielen. Kürzliche Arbeiten aus unserem Labor haben aber nahegelegt, dass Cnidaria bereits eine topologische Segregation der inneren Zellschicht in entodermale und mesodermale Identitäten aufweisen. In diesem Projekt soll untersucht werden, wie diese zellulären Identitäten vom Ektoderm (und voneinander) in der Seeanemone getrennt werden, mit dem Ziel, Einsicht in die Evolution der drei Keimblätter der Vertebraten und Insekten zu bekommen. Hierzu werden wir die Funktion von regulatorischen Schlüsselproteinen durch genomweite Identifikation ihrer Zielgene in Cnidaria studieren und mit anderen Tieren vergleichen. Dies wird uns Aufschluss geben über die wichtigsten Änderungen im regulatorischen Netzwerk dieser wichtigen Entwicklungsfaktoren während der Entwicklung und der Evolution geben und damit Schlussfolgerungen erlauben, wie der Übergang von relativ einfachen Tieren wie den Cnidaria zu komplexeren Organismen in der Evolution vonstatten ging.

Alle Organe, Gewebe und Zelltypen des menschlichen Körpers stammen von drei "Keimblättern" ab, die ganz früh in der Embryonalentwicklung angelegt werden: Ektoderm, Entoderm und Mesoderm. Dies trifft auch für fast alle anderen Tiere zu, die in den "Bilateral" zusammengefasst werden. Die Nesseltiere (Korallen, Seeanemonen, Quallen), die sich schon vor 650 Mio Jahren vor den Bilateral abgespalten haben, bestehen jedoch aus nur 2 Zellschichten, die gemeinhin als Ektoderm und Entoderm bezeichnet werden. Das Mesoderm schien also erst auf der Stufe der Bilateria evolviert worden zu sein. Um den evolutionären Ursprung der drei Keimblätter zu klären, wurden in der Seeanemone Gene untersucht, die in der Spezifikation der drei Keimblätter bei Bilateria eine wichtige Rolle spielen. Überraschenderweise konnten wir zeigen, dass es in der zweischichtigen Seeanemone bereits eine klare Segregation der drei Keimblatt-Identitäten auf molekularer Ebene gibt, der offensichtlich nur noch die räumliche Trennung in der Abspaltung der Bilateria folgen musste. Viele der untersuchten Gene haben tatsächlich die gleiche molekulare Funktion in Nesseltieren und Bilateria (inclusive des Menschen). Selbst das Zusammenspiel der gleichen Signalwege für die molekulare Segregation der späteren Keimblattdomänen während der frühen Embryogenese hat ihren Ursprung im gemeinsamen Vorfahren von Seeanemonen und Menschen, vor etwa unterliegt seit 650 Millionen Jahren.