Gen-regulatorische Netzwerke von mesodermalen Transkriptionsfaktoren in Cnidaria

Eine der fundamentalen Fragen der Biologie ist, wie Organismen mit komplexen Körperbauplänen während der Evolution entstehen konnten. Bis vor kurzem ist man davon ausgegangen, dass morphologische Komplexität mit genetischer Komplexität Hand in Hand geht. Kürzliche Genom- und Transkriptomanalysen von einer Reihe von "einfachen" bzw. basalen Organismen haben jedoch gezeigt, dass das Genrepertoire aller Tiere erstaunlich ähnlich ist. Wenn die Komplexität des Genrepertoires selbst also nicht mit der Entstehung neuer Strukturen assoziiert sein kann, dann sind vermutlich die regulatorischen Netzwerke, die diese Gene miteinander verknüpfen, entscheidend. Ein ganz wichtiger Schritt in der tierischen Evolution war die Entstehung des dritten Keimblattes, des Mesoderms. Fast alle Tiere sind aus drei Keimblättern aufgebaut (Ektoderm, Entoderm, Mesoderm), während einigen wenigen basalen Organismengruppen, inklusive der Cnidaria, das dritte Keimblatt fehlt und sie nur aus Ektoderm und Entoderm bestehen. Um diesen wichtigen evolutionären Übergang und die Entstehung des Mesoderms nachvollziehen zu können, schlagen wir vor, die genregulatorischen Netzwerke von vier gut selektierten Transkriptionsfaktoren, Brachyury, FoxA, Twist und Mef2, in der Seeanemone Nematostella vectensis zu analysieren. Diese Proteine haben eine wichtige Funktion in der Bildung und Differenzierung des Mesoderms in Bilateria. In Cnidaria sind sie in Gastrulation und Differenzierung des Entoderms involviert, aber offenkundig nicht in der Lage, in diesem Kontext Mesoderm zu generieren. Wie diese vier Gene mesodermale "Masterregulatoren" werden konnten, soll geklärt werden, indem wir alle regulierten Zielgene dieser Transkriptionsfaktoren genomweit aufdecken. Die Methode der Wahl wird hierfür die Chromatin-Immunopräzipitation sein, gefolgt von massivem Sequenzierungen der erhaltenen Genomfragmente (ChIP-Seq). Die erhaltenen Sequenzen können dann wieder mit der verfügbaren Genom aliniert werden, um die Bindestellen im Genom und damit die regulierten Gene zu lokalisieren. Dies wird sowohl im Wildtyp als auch nach Gene knockdown erfolgen. Um die biologische Relevanz der Bindungen im Genom zu verstehen, werden diese Versuche begleitet von Transkriptomanalysen (RNA-seq) in Wildtyp und perturbierten Embryonen definierter Entwicklungsstadien. Diese Daten werden schliesslich mit existierenden bzw. gegenwärtig generierten Daten aus Bilateria verglichen, um die Evolution von Gen- regulatorischen Netzwerken zu rekonstruieren, und wie diese evolvierenden Netzwerke dann zur Evolution neuer morphologischer Strukturen beitragen könnten.

Wie komplexe tierische Körperbaupläne entstanden sind, und wie dies mit Änderungen im Genom korreliert, stellt eine der fundamentalen Fragen der Evolutionsbiologie dar. Hierbei nehmen Nesseltiere (Cnidaria) eine besondere Rolle ein: sie sind einfach gebaut (häufig radiärsymmetrisch, nur aus zwei Zellschichten bestehend) und haben sich vor rund 600 Mio Jahren von fast allen anderen Tieren, den Bilateria abgetrennt. Durch molekulare Analysen und Genomvergleiche hat man aber die Entdeckung gemacht, dass die Seeanemone Nematostella vectensis ein verblüffend komplexes Genom hat, das dem des Menschen in vielerlei Hinsicht ähnlich ist und auch die meisten der Gene besitzt, die in Bilateria in der Bildung des Mesoderms eine wichtige Rolle spielen. Dies legte nahe, vermutlich Unterschiede der genetischen Interaktionen, kurz der gen-regulatorischen Netzwerken (GRN) darüber entscheiden, was der Organismus daraus bilden kann. Unser Ziel ist es daher, die Evolution der mesodermalen GRNs zu verstehen. Zu diesem Zweck haben wir in Genomweiten Analysen alle Zielgene von konservierten Entwicklungsregulatoren in der Seeanemone identifiziert, die bei Bilateria im mes-endodermalen Netzwerk eine Rolle spielen. Durch Vergleiche mit Seeigel, Maus, Frosch und Zebrafisch vkonnten wir alle Teile des Netzwerkes identifizieren, die bereits im gemeinsamen Vorfahren vorhanden waren, aber auch jene, die nur zwischen Vertebraten geteilt werden. Diese sind nun Kandidaten dafür, wie das Mesoderm entstanden sein kann. Zudem konnten wir zeigen, dass es in der Seeanemone Nematostella trotz der Zweischichtigkeit bereits zu einer Segregation von mesodermalen und entodermalen Funktionen gekommen ist. Entodermale Funktionen wie Verdauung und Insulinsekretion finden sich ausschließlich in Zellen des "Septalfilaments" der inneren Septen, während die mesodermalen Funktionen (Nährstofflagerung, Gonaden, Muskeln) im restlichen "Entoderm" angesiedelt sind. Zudem konnten wir zeigen, dass das Septalfilament ektodermalen Ursprungs ist. Zusammengenommen stellen diese Ergebnisse die Homologie der Keimblätter von Bilateria und Cnidaria in Frage. Die Entscheidung zur Differenzierung in Ektoderm und Entoderm fällt in der Seeanemone im frühen Embryonalstadium. In Aggregaten von dissoziierten embryonalen Zellen konnten wir zeigen, dass die Signale für die Entodermbildung und für die Bildung einer Körperachse von wenigen Organisator-zellen am Rande des Urmundes (Blastoporus) ausgeht. Diese Funktion wird durch zwei Wnt-Signalmolekülfamilie vermittelt, die alleine in der Lage sind, Zellen mit ektodermalem Schicksal in entodermale Zellen umzuwandeln. Diese Experimente belegen die Plastizität der embryonalen Zellen und die dafür wichtigen Faktoren.