Kontrolle des embryonalen Teilungsmusters

Um die mechanischen und biomolekularen Mechanismen, die der Gestaltbildung von Organismen unterliegen, aufzuklären, beabsichtigen wir einen Organismus zu untersuchen mit einer kleinen Anzahl von Zellen und einer festgelegten und damit vorhersehbaren Zellteilungsachse. Die europäische Seescheide Phallusia mammillata hat transparent Embryonen, entwickelt sich mit einer kleinen Anzahl von Zellen (64-Zell-Blastula), und zeigt ein festgelegten Zellteilungsmuster, was ideal dafür ist die Rolle der Zellteilungsachse in der Morphogenese von Organismen aufzuklären. Vorhergehende Studien haben darauf hingewiesen, dass alle Zellteilungsachsen während der frühen Entwicklung von Phallusia durch eine Kombination von Zellform und apikal-basaler Zellpolarisierung bestimmt werden. Jedoch ist es bisher unklar wie Zellpolarisierung und Zellform miteinander interagieren um die Zellteilungsachse zu determinieren. In diesem Antrag wollen wir die Interaktion und Rückkopplung zwischen den molekularen, zellulären und physikalischen Mechanismen bestimmen, die die Form und Polarisierung von Zellen kontrollieren, und wie diese Mechanismen die Orientierung der Zellteilungsachse in der Gestaltbildung von Organismen beeinflussen.

Die Zellteilung ist ein wesentlicher Prozess in der Entwicklung aller multizellulären Tiere. Sie bestimmt das Wachstum und die Gestalt des sich entwickelnden Organismus und beeinflusst den Prozess wie sich Zellen in bestimmte Zelltypen differenzieren. Störungen in der Zellteilung führen nicht nur zu Defekten in der Entwicklung, sondern sind auch der Grund für die Entstehung von Tumoren und Metastasen, einem entscheidenden Merkmal von Krebserkrankungen. In diesem Projekt wurden die molekularen, zellulären und biophysikalischen Grundlagen untersucht, die der Orientierung der Zellteilung in der frühen Embryonalentwicklung von Chordatieren (Chordaten) unterliegen. Dabei wurden die ersten Zellteilungen während der Entwicklung von Aszidien (Phallusia mammillata) untersucht, einem populären Modellorganismus in der Entwicklungsbiologie. Unsere Studien konnten zeigen, daß das Zusammenspiel zweier wesentlicher Faktoren die Orientierung dieser Zellteilungen, und somit die frühe Embryonalentwicklung, entscheidend beeinflussen: (1) Die Form der Zellen während der Zellteilung, die wiederum die Position der mitotischen Spindel und somit die Orientierung der Zellteilung bestimmt; (2) die polarisierte subzellulare Lokalisation von molekularen Signalen in der sich teilenden Zelle, die direkt die mitotische Spindel an den Kortex der Zelle koppeln, und somit die Orientierung der Zellteilung bestimmen. Interessanterweise üben diese beiden Faktoren einen gemeinsamen, und nicht entgegengesetzten Einfluss auf die Zellteilungsorientierung aus. Dies ist eine unerwartete Beobachtung, da bisher davon ausgegangen wurde, daß einer dieser beiden Faktoren, aber nicht beide zusammen, die Zellteilungsorientierung bestimmt. Die Ergebnisse dieser Studie geben Einblick nicht nur in die Grundlagen der Embryonalentwicklung, und der Rolle der Zellteilung in diesem Prozess, sonder noch allgemeiner in die Regulation der Zellteilung an sich, die, wenn gestört, ein wesentliche Rolle in der Entstehung von Tumoren und Metastasen in verschiedenen Krebserkrankungen spielt. In weiterführenden Studien müsste untersucht werden, wie sich die Form einer Zelle und die subzelluläre Lokalisation von molekularen Signalen gegenseitig beeinflussen: hat die Form einer Zelle einen direkten Einfluss auf ihre molekulare Polarisierung? Beeinflusst die molekulare Polarisierung einer Zelle ihre Form z.B. in dem es die Verformbarkeit der Zelle beeinflusst? Die vorliegende Studie hat die Basis zur Beantwortung dieser Fragen gelegt.