Nematostella BMP Signaltransduktion

Während des letztes Jahrzehnts wurde zunehmend klar, dass die molekulare Basis für Achsenbildung innerhalb der Bilateria weitgehend konserviert ist. Zum Beispiel wird die dors-ventrale Achse in Vertebraten und der Fruchtfliege Drosophila durch das Zusammenspiel von Signalmolekülen der Bone Morphogenetic Proteins (BMPs) auf der nicht-neuralen Seite und deren Antagonisten (z.B. Chordin) auf der neuralen Seite etabliert. Um Einblick in den evolutionären Ursprung der Dorso-ventralen Achse zu bekommen, untersuchen wir die Rolle des BMP Signalwegs in einem Repräsentanten der prä-bilateralsymmetrischen tierischen Linie, der Seeanemone Nematostella vectensis (Cnidaria). Nematostella hat eine sichtbare Körperachse (oral-aboral), aber wir konnten kürzlich zeigen, dass Gene, die für BMP2/4 und den Antagonisten Chordin und Gremlin kodieren, nicht nur in Cnidaria existieren, sondern auch asymmetrisch im Hinblick auf die oral-aborale Achse exprimiert sind, was ein Hinweis für eine zumindest molekular definierte zweite Körperachse in Cnidaria ist. Allerdings sind BMP2/4 und chordin in Nematostella nicht auf gegenüberliegenden Seiten wie in den meisten Bilateria, sondern auf der gleichen Seite exprimiert. Die grundlegende Frage ist daher, ob hier das gleiche molekulare Sstem unabhängig in Cnidaria und Vertebraten benutzt wurde, um Asymmetrien in Körperachsen zu definieren, allerdings in sehr unterschiedlicher Weise, oder ob die dorso-ventrale Achse der Bilateria und die directive Achse der Cnidaria einen gemeinsamen evolutionären Ursprung haben. Um dieser Frage auf den Grund zu gehen, haben wir kürzlich funktionelle Ansätze basierend auf Gene knockdowns und transgenics etabliert. In einer kürzlichen Publikation konnten wir zeigen, dass BMP signaling für den Symmetrie-Bruch während der Gastrulation notwendig ist. Viele Fragen bleiben jedoch offen. Es ist immer noch unklar, wie die Gradienten der BMP expression interpretiert werden, d.h. wie sich diese Aktivität in einen Gradienten von nukleärem phosphoryliertem Smad1, dem Effektor- Molekül des BMP Signalwegs übersetzt. Wir wollen diese Frage durch kombinierte Doppel-Antikörperfärbungen kombiniert mit in situ Hybridisierungen klären, bzw. durch die Genererierung einer spezifischen transgenen Reporterlinie, die nur nukleäres pSmad1 anzeigt. Ausserdem haben wir vor, die Rolle von zwei anderen asymmetrisch exprimierten Genen, dem BMP-ähnlichen GDF5 und dem BMP-Antagonisten Gremlin zu klären, die auf der gegenüberliegenden Seite von BMP4 und Chordin exprimiert sind. Dies wollen wir durch gezielte Morpholino-vermittelte Gene knockdowns, ektopische Überexpression in transgenen Tieren und molekularer Analyse von vielen Markergenen versuchen zu klären. Wir erwarten, dass unsere Resultate einen signifikanten Beitrag zu unserem Verständnis der Evolution der dorso-ventralen Körperachse leisten wird und klären wird, welche Rolle die orthologen Moleküle in einem Tier spielen, das nur eine offensichtliche Körperachse besitzt.

Die meisten Tiere besitzen neben einer primären Körperachse von Kopf zu Schwanz, auch eine sekundäre Achse vom Bauch zum Rücken, die durch einen Gradienten des konservierten BMP Signalweges festgelegt wird. Interessanterweise benutzen die auf den ersten Blick radialsymmetrisch erscheinenden Seeanemonen dieselben Signalmoleküle um ihre zweite, innere Körperachse festzulegen wie bilateralsymmetrische Tiere. Dies ist in Anbetracht der Tatsache, dass 600 Millionen Jahre unabhängiger Evolution zwischen den Gruppen Cnidaria (Seeanemonen, Korallen, Quallen und Hydra) und Bilateria (Tiere mit 2 Körperachsen: eine vom Kopf zum Schwanz und eine vom Bauch zum Rücken, wie Fliegen, Würmer oder Menschen) liegen sehr überraschend. Indem wir die Auswirkungen des Abschaltens essentieller Gene des BMP Signalnetzwerks in der Seeanemone Nematostella vectensis untersuchten, konnten wir die Topologie dieses Netzwerkes aufdecken. Wir konnten zeigen, dass die zweite Körperachse der Seeanemone durch das Zusammenspiel zweier Signalzentren, welche jeweils ein eigenes Set an BMP Liganden und Antagonisten produzieren, aufrechterhalten wird. Durch diese Zentren wird ein stabiler BMP Signalgradient etabliert und aufrechterhalten. So sorgen die zwei Signalzentren dafür, dass sich die beiden Enden der sekundären Körperachse unterscheiden. Das BMP-Netzwerk in Nematostella weist einerseits auffallende Ähnlichkeiten, andererseits aber auch signifikante Unterschiede zu der Art und Weise wie das Signalsystem die Bauch-Rücken-Achse in Vertebraten strukturiert, auf. Erstaunlicherweise hängt die Stabilität des Netzwerkes stark von Änderungen in der Produktions-, Diffusions- und Abbaurate der gemeinsamen Komponenten des BMP-Signalnetzwerkes von Nematostella und Vertebraten ab, wie mithilfe eines mathematischen Modells gezeigt werden konnte. Die Parameter der Nematostella-spezifischen Komponenten können hingegen stark variiert werden und deshalb vermutlich im Laufe der Evolution ersetzt werden. Diese Hypothese scheint die Unterschiede in den BMP Netzwerken zwischen den Tiergruppen zu erklären und lässt vermuten, dass die molekulare Basis der BMP-abhängigen Achsenentstehung einen gemeinsamen Ursprung vor 600 Mio. Jahren hat. Unsere Studie zeigte weiters, dass der BMP-abhängige Signalweg die Aktivität von Hox Genen in der Seeanemone reguliert. Hox Gene sind wichtige Regulationsgene, welche in Bilateria die Position der unterschiedlichen Strukturen entlang der Kopf-Schwanz-Achse festgelegen. Ihre Funktion in Nematostella muss erst weiterführend untersucht werden.