Genregulatorische Netzwerke und Biomechanik der Keimblattbildung

Die Entstehung der drei Keimblätter (Entoderm, Ektoderm und Mesoderm) während der Gastrulation markiert bei den Bilateria einer der wichtigsten Vorentscheidungen in der Entwicklung eines tierischen Organismus. Insbesondere die Bildung des Mesoderms ist durch hochdynamische morphogenetische Prozesse charakterisiert, die häufig mit einer epithelial-mesenchymalen Transition (EMT) und Zell-Migration verbunden sind. EMT ist ein mehrstufiger Prozess, der durch die Herunterregulierung des epithelialen Zelladhäsionsmolekül Cadherin schliesslich zur Ablösung von Zellen aus dem Epithelium führt. Zentraler Regulator von EMT bei der Gastrulation ist in Vertebraten und Insekten der konservierte Transkriptionsfaktor Snail. Die Übersetzung von transkriptionellen Genregulatorischen Netzwerken (GRN) auf die morphogenetische zelluläre Ebene ist jedoch bislang nur fragmentarisch verstanden. Ziel dieser Studie ist es daher, in einem diploblastischen, evolutionär basalen Modellorganismus, der Seeanemone Nematostella vectensis, die molekularen und zellulären Prozesse der morphogenetischen Bewegungen während der Keimblattbildung im einfachen zweischichtigen System aufzuschlüsseln. Entgegen publizierten Berichten weisen unsere vorläufigen funktionellen Studien auf eine wichtige Rolle von snail während der Gastrulation in Nematostella hin. Zudem haben wir kürzlich zwei klassische Cadherine isoliert, die jeweils differentiell im Ektoderm und im entstehenden Entoderm exprimiert sind. Wir wollen in dieser Studie in zwei PhD-Arbeiten: 1) die Funktion von Snail in diesem Prozess analysieren und in einem genom-weiten Ansatz (ChIP-seq) alle von Snail regulierten Zielgene identifizieren und mit Bilateria vergleichen, 2) den morphogenetischen Prozess der Gastrulation bei einem Diploblasten auf der biomechanischen Ebene genau charakterisieren und die Rolle der differentiell exprimierten Cadherine in der Invagination des Entoderms und seiner Differenzierung aufdecken. Wir werden state-of-the-art Methoden auf genomisch molekularer Ebene (gene knockdown, RNA-seq, ChIP-seq) und zellbiologischer Ebene (4D microscopy, quantitative imaging) kombinieren, um die Übersetzung von transkriptioneller Kontrolle auf die biomechanisch-morphogenetische Ebene nachzuvollziehen. Durch den Vergleich mit Bilateria hoffen wir schliesslich, die evolutionären Ursprünge der Gastrulation und ihrer molekularen Regulation aufzudecken.

Die meisten Tiere sind aus drei "Keimblättern" zusammengesetzt, dem äußeren Ektoderm, dem inneren Entoderm und dem dazwischenliegenden Mesoderm. Nur die früh während der Evolution abzweigenden tierischen Linien wie die Nesseltiere (Quallen, Seeanemonen, Korallen, Süßwasserpolypen) sind aus zwei Keimblättern aufgebaut, allgemein als Ektoderm und Entoderm benannt. Keimblätter entstehen während der frühen Embryonalentwicklung durch einen Invaginations- oder Immigrationsprozess, der Gastrulation genannt wird. Da die Gastrulation über das weitere Leben und Entwicklung entscheidend ist, ist ein fundiertes Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen essentiell. Interessanterweise kommen in der zweischichtigen Seeanemone hierfür sehr ähnliche Gene zum Einsatz wie beim Menschen. Um zu klären, wie die Gastrulation bei der Seeanemone abläuft und genetisch reguliert wird, haben wir eine Reihe von Methoden entwickelt, um die Funktion der beteiligten Gene studieren zu können, sowie in Lebendbeobachtungen verfolgen zu können. Es konnte gezeigt werden, dass einerseits die Funktion von konservierten Proteinen (d.h. mit ähnlicher Sequenz bei Mensch und Seeanemone) auch bei Seeanemonen erstaunlich ähnlich ist, obwohl diese beiden Linien seit rund 600 Millionen Jahren getrennt sind. Andererseits konnten wir zeigen, dass es bereits in der Seeanemone eine Segregation des inneren Keimblatts gegeben hat, und hier mesodermale Funktionen (z.B. Gonaden, Nährstofflagerung, Muskeln) und entodermale Funktionen (Verdau, Insulinausschüttung) in unterschiedlichen Arealen aufgeteilt sind. Trotz der konservierten genetischen Kaskade, die zur Gastrulation beitragen konnten wir zeigen, dass mechanischer Stress durch Zellverformungen von Nachbarzellen in den angrenzenden Zellen zu Genaktivität führt, die wiederum den Prozess genetisch unterstützt. Diese Mechanotransduktion scheint allerdings ebenfalls ein konservierter Prozess zu sein, der sich sowohl bei Vertebraten als auch bei Cnidaria findet und damit vermutlich schon im gemeinsamen Vorfahren entwickelt war.