Entschlüsselung des BMP Signaling im humanen Mesoderm

Die Embryonalentwicklung wird durch Signale gesteuert, die die Spezifikation und Morphogenese von Geweben koordinieren. Das posteriore laterale Plattenmesoderm (PLPM) ist ein Gewebetyp, der sowohl Gliedmaßen als auch Körperwandstrukturen hervorbringt. Mutationen, die seine Entwicklung beeinflussen, können beim Menschen zu schweren Behinderungen führen. Derzeit gibt es keine menschlichen Modelle, die die Morphogenese (z. B. die Bildung der Körperhöhle) und die Spezifizierung des PLPM in Subtypen (splanchnisch, somatisch) nachbilden. Diese Einschränkung behindert die Erforschung der molekularen Ursachen von genetischen Störungen. In der Frühentwicklung ist der BMP-Signalweg von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung des PLPM. Es ist jedoch immer noch unklar, wie die BMP-Signalübertragung auf die verschiedenen PLPM- Subtypen wirkt, da sie stark kontextabhängig ist und zeitlich gesteuert wird. Wir haben eine Plattform mit humanen pluripotenten Stammzellen zur Differenzierung von PLPM in 2D- und 3D-Formaten entwickelt. Mit Hilfe dieses Modells wollen wir die Rolle der BMP-Signalübertragung auf molekularer Ebene anhand folgender Hypothesen und Fragen untersuchen. A) Wie beeinflusst die BMP-Signalübertragung die frühesten Stadien der PLPM-Entwicklung? Unsere Hypothese ist, dass die BMP-Signalisierung in einem frühen Stadium (induction) die Aufteilung in splanchnisches/somatisches PLPM gegenüber intermediäres Mesoderm (ein anderer Subtyp des Mesoderms, aus dem Niere und Fortpflanzungssystem hervorgehen) bestimmt. Erst danach (patterning) werden splanchnische und somatische Subtypen spezifiziert. B) Welche Rolle spielt BMP bei der Regulierung der morphogenetischen Prozesse, die Lumenbildung im PLPM bestimmen? Wir stellen die Hypothese auf, dass BMP die extrazelluläre Matrix, die Zellpolarität und die kontraktile Maschinerie unterschiedlich reguliert, um PLPM-Hohlräume zu bilden. Unser Ziel ist es, mit Hilfe von SLAMseq BMP-Signalziele während der PLPM-Induktions- und patterning-Phasen zu identifizieren. Die spezifische Rolle ausgewählter Ziele wird in weitere Folge durch funktionelle Genetik und RNA-Sequenzierung validiert. Die Rolle von Transkriptionsfaktoren wird durch ChIP-seq und Datenintegration bestätigt, um zu zeigen, wie sie die Spezifikation der somatischen und splanchnischen PLPM beeinflussen. Zusätzlich zu diesem unvoreingenommenen Ansatz werden wir mit Hilfe von Immunfärbung die Rolle von möglichen Signalwegen untersuchen. Ergänzend dazu werden wir die BMP-regulierte Phosphorylierung der morphogenetischen Maschinerie während der PLPM- Hohlraumbildung mittels globaler Phospho-Proteomik untersuchen. BMP- abhängigenRegulatoren, die für die Bildung der PLPM-Lumen verantwortlich sind, werden schließlichgenetisch und pharmakologisch bestätigen. Mit diesem Projekt wollen wir das erste umfassende menschliche PLPM-Organoidmodell entwickeln, um die Rolle von BMP bei der Spezifikation des PLPM-Subtyps (Teil A) und der Morphogenese (Teil B) zu untersuchen. Dies wird den Weg zur Entwicklung menschlicher Modelle für die Untersuchung angeborener PLPM-Störungen ebnen.