Analyse von Signalmolekülen bei der Enstehung und Erhaltung des Hydra-Kopforganisators
Der Hydra–Kopforganisator dient als Modell für die Musterbildung bei der Embryogenese der Eumetazoa (Gewebetiere), da er die Entstehung einer Körperachse induzieren kann. Man nimmt an, daß die oral–aborale Achse der radiärsymmetrischen Hydra (Cnidaria) vom Kopforganisator, in Analogie zur Induktion...
| Summary: | Der Hydra–Kopforganisator dient als Modell für die Musterbildung bei der Embryogenese der Eumetazoa (Gewebetiere), da er die Entstehung einer Körperachse induzieren kann. Man nimmt an, daß die oral–aborale Achse der radiärsymmetrischen Hydra (Cnidaria) vom Kopforganisator, in Analogie zur Induktion der Körperachsen bei den bilateralsymmetrischen Vertebraten (Wirbeltiere), durch die Sekretion von Morphogenen festlegt wird. Neue Ergebnisse zeigen, daß Teile der hochkonservierten, molekularen Signalkaskaden, welche bei den Bilateriern die Embryogenese steuern, schon in den Cnidariern vorhanden sind und hier ähnliche Funktionen ausüben. Dadurch stellt sich die Frage, was die molekulare Minimalausstattung der gemeinsamen Vorfahren der Bilaterier und Cnidarier (Ur–Eumetazoa) war und wie sich ausgehend von dieser Grundlage die Diversifizierung der Körperbaupläne vollzogen hat. Da die axiale Organisation von Gewebe hierbei eine entscheidende Rolle spielt, ist die Herkunft und die Evolution von Organisationszentren besonders interessant. Um diese Fragestellungen zu bearbeiten, wurden zwei EST–Bibliotheken hergestellt, welche besonders die Transkripte aus der Organisatorregion von Hydra sowie aus Organisator–regenerierendem Gewebe repräsentieren. Die Analyse dieser ESTs bestätigte und erweiterte die Vermutung, daß die wichtigsten embryonalen Signalkaskaden der Bilaterier, wie die Wnt–, TGFß–, FGF–, Notch–, Hedgehog–, Cytokin– und weitereWachstumsfaktor–vermittelten Signalwege im Apikalbereich der einfach strukturierten Hydra bereits vorhanden sind. Weiterhin wurden in den Bibliotheken die besonders wichtigen Antagonisten der Wnt– und BMP–(TGFß)–Signaltransduktionswege identifiziert, welche die anteroposteriore und die dorsoventrale Achse in Bilateriern spezifizieren. In dieser Arbeit wurde die molekulare Evolution der Proteindomänen des bereits klonierten Hydra Chordin-like (HyChdl) untersucht und die Funktion dieser Domänen bei der Antagonisierung des BMP–Signalwegs durch heterologe Expression in Zebrafisch–Embryonen untersucht. Weiterhin wurde die Spezifizierung der oral–aboralen Körperachse durch HyChdl und HyBMP5-8b mit dem Chordin/BMP–Antagonismus bei der dorsoventralen Achsenbildung der Bilateria verglichen. Der zweite untersuchte Inhibitor, ein Wnt–antagonistisches Dickkopf–Ortholog (HyDkk1/2/4–A), konnte erfolgreich als Antagonist des Wnt–Signalwegs im Xenopus–Embryo eingesetzt werden. In Expressionsstudien wurde gezeigt, daß das im adulten Polypen zum hywnt3a–Transkript komplementär exprimierte hydkk1/2/4–A–Transkript bei regenerativen Prozessen aufreguliert und mit hywnt3a koexprimiert wird. Dies wurde zusammen mit dem Verlust der Kopfregenerationsfähigkeit in hydkk1/2/4 –reduzierten Polypen in Zusammenhang mit einer essentiellen, Wnt–antagonistischen Rolle bei der oral–aboralen Achsenbildung gebracht. Anhand dieser molekularen Daten wurden diese beiden wichtigen, ancestralen Signalsysteme in Einklang mit bestehenden Theorien zur axialen Musterbildung durch Selbstorganisation in Hydra gebracht. Daraus ließ sich ableiten, daß die Wnt/Dkk– und BMP/Chordin–Systeme in Hydra als Komponenten eines einzigen Musterbildungssystems parallel entlang der oral–aboralen Körperachse agieren, welches primär vom Kopforganisator koordiniert wird. Der Vergleich mit dem bilateralsymmetrischen Achsensystem der Bilaterier legte nahe, daß die ursprünglich gekoppelten Wnt/Dkk– und BMP/Chordin–Systeme im Lauf der Evolution separate Achsen innerhalb der Bilateria festlegten. Aktive Wnt/ß-Catenin–Signaltransduktion und die Unterdrückung von BMP–Signalen sind Voraussetzung für die Spezifizierung der achsenkoordinierenden Organisatoren von Wirbeltierembryonen und, wie diese Arbeit impliziert, höchstwahrscheinlich auch für den Hydra–Kopforganisator, obwohl sich die etablierten Organisatoren in ihrer Molekülkomposition unterscheiden. Im Zusammenhang mit der Modulation von Signalkaskaden wurden neben den Antagonisten drei Thrombospondin Repeat Typ I–enthaltende Moleküle der Extrazellulärmatrix bei der Musterbildung von Hydra in vergleichenden Sequenz– und Expressionsanalysen untersucht. Die Domänenkomposition sowie die differentielle Expression von hytsr1, hytsr2 und hytsr-like entlang der oral–aboralen Achse unterstützen eine adhäsive, eventuell aber auch regulative Funktion der Proteine in differenzierten Strukturen und während Gewebe–Rearrangements sowohl im Kopf als auch im basalen Bereich. Weiterhin wurde an HyTSR1 und HyTSRlike beispielhaft die Evolution von Matrixmolekülen durch Exon–Shuffling und der damit verbundenen Zunahme an funktionellen Eigenschaften beschrieben. |
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