Rolle von PAX2 bei Entwicklung des Mittelhirns und der Niere

Forschungsprojekt P 13601Die Rolle von Pax2 bei der Entwicklung des Mittelhirns und der Niere Meinrad BUSSLINGER28.06.1999 Das Pax2 Gen kodiert für einen Transkriptionsfaktor, der ein wichtige Rolle bei der Entstehung des Mittelhirns und der Niere spielt. Das Mittelhirn entwickelt sich ausgehend von einem Signalzentrum, das im frühen Embryo an der Grenze zwischen dem Mittelhirn und Hinterhirn (MHB) entsteht. Die Nierenentwicklung beruht auf eine Reihe aufeinanderfolgender und wechselseitiger Induktionen. zwischen epithelialen und mesenchymalen Zellen, die aus dem intermediären Mesoderm des Embryos abstammen. Das Pax2 Gen ist eines der frühesten Gene, welches in den Anlagen der MHB Region und der Niere transkribiert wird. Heute ist allerdings noch nichts über die Regulation des Pax2 Genes und somit über diejenigen Transkriptionsfaktoren bekannt, die das Pax2 Gen während der Entwicklung der MHB Region und der Niere steuern. Zudem sind die molelcularen Mechanismen (Zielgene), die die Funktion von Pax2 ausführen, noch zum größten Teil unerforscht. Im übrigen konnte die späte Funktion von Pax2 während der Mittelhirn- und Nierenentwicklung bis heute noch nicht studiert werden, da das Gewebe der entsprechenden Anlagen in Pax2-defizienten Embryonen früh verloren geht. Um diese wichtigen Fragen zu beantworten, werden wir mittels transgener Analysen diejenigen regulatorischen Sequenzen des Pax2 Genes identifizieren, die für Pax2 Expression in der MHB Region und in der Niere verantwortlich sind. Biochemische und evolutionäre Ansätze werden in der Folge verwendet werden, um Transkriptionsfaktoren zu identifizieren, die an die Pax2 Kontrollsequenzen binden und deren Aktivität steuem. Potentielle Zielgene, die in der MHB Region und/oder in der Niere durch Pax2 reguliert werden, sollen durch in situ Hybridisierung von Pax2-defizienten Embryonen identifiziert werden. Die späte Funktion von Pax2 wdhrend der Mittelhirn- und Nierenentwicklung wird mittels detaillierte Analyse und konditioneller Geninaktivierung eines hypomorphen (partiell aktiven) Pax2 Alleles untersucht werden. Dieses hypomorphe Pax2 Allele wurde kürzlich in unserem Labor hergestellt. Die in diesem Forschungsantrag beschriebenen Experimente werden nicht nur neue Erkenntnisse bezüglich der molelcularen Mechanismen des Pax2 Transkriptionsfaktors liefem, sondern sollen auch zur Autklärung der genetischen Kaskaden führen, die die Morphogenese des Mittelhirnes und der Niere steuern.

Das Genom der Säugetiere besteht aus ~35`000 Genen, deren Expression zeitlich und räumlich richtig gesteuert werden muss, damit jede einzelne Zelle an der normalen Entwicklung des Organismus teilnehmen kann. Es ist bekannt, dass alle wichtigen biologischen Prozesse durch Transkriptionsfaktoren gesteuert werden, die ganze Genexpressionsprogramme ein- und ausschalten. Die neun Transkriptionsfaktoren der Pax Proteinfamilie spielen während der Embryonalentwicklung eine wichtige Rolle bei der Gehirnentwicklung und Organogenese. Die nahe verwandten Pax2, Pax5 und Pax8 Proteine sind an der Entstehung des Mittel- und Kleinhirns sowie an der Entwicklung des Immunsystems (Pax5), Auges (Pax2), Ohrs (Pax2), Niere (Pax2) und Schilddrüse (Pax8) beteiligt. Aus medizinischer Sicht sind die Pax Gene besonders interessant, da Mutationen in den menschlichen Pax Genen für die Entstehung von Erbkrankheiten und die Ausbildung von Tumoren verantwortlich sind. Es ist deshalb wichtig, die normale und pathologische Funktion dieser Gene im Detail zu untersuchen. Mit dem FWF Projekt P13601 haben wir uns zum Ziel gesetzt, die Rolle des Pax2 Gens bei der Gehirn- und Nierenentwicklung mittels transgener Analysen in der Maus aufzuklären. Während der Embryogenese bildet sich an der Grenze zwischen dem Mittel- und Hinterhirn (MHB) ein Signalzentrum (Organizer), welches die Entwicklung des Mittel- und Kleinhirns steuert. Fgf8 ist dabei das wichtigste sekretierte Signal dieses Signalzentrums. Anderseits ist Pax2 das erste Gen, das in der MHB Region des Mausembryos exprimiert wird. Mittels transgener Analysen konnten wir zeigen, dass der frühe Transkriptionsfaktor Oct3/4 die Expression des Pax2 Gens in der MHB Region einschaltet. An Hand von Pax2-defizienten Embryonen konnten wir nachweisen, dass Pax2 die Expression des Fgf8 Gens in der MHB Region steuert. Somit haben wir zum ersten Male folgende Regulationskaskade aufgedeckt: Oct3/4 ---- Pax2 ---- Fgf8 ---- MHB Signalzentrum ---- Mittel- und Kleinhirnentwicklung Bei Säugetieren entwickelt sich die Niere in drei Stufen vom Pronephros über den Mesonephros zum Metanephros (adulte Niere). Die Gene Pax2 und Pax8 werden gemeinsam in der frühen Nierenentwicklung exprimiert. Interessanterweise entwickelt sich der Pro- und Mesonephros in Pax2-defiziente Mäuse noch normal, während Pax8-defiziente Mäuse sogar eine normale adulte Niere entwickeln. Durch Analyse von Pax2,Pax8 doppeltmutanter Embryonen konnten wir nachweisen, dass Pax2 und Pax8 redundante Funktionen in der Nierenentwicklung ausüben. In diesen Embryonen entsteht weder der Pronephros noch der Mesonephros. Somit konnten wir zum ersten Male zeigen, dass diese zwei Pax Proteine die wichtigsten Regulatoren der Nierenentwicklung sind.