RT Dissertation/Thesis
T1 Funktionelle Analyse der Gene Brachyury, Goosecoid und Myosin1d für die frühe Musterbildung und Etablierung der Körperachsen während der Embryogenese des Krallenfroschs Xenopus laevis
A1 Kurz,Sabrina
WP 2020/02/06
AB Während einer fundamentalen Phase der Wirbeltier Embryonalentwicklung, der Gastrulation, wird die Anlage des zukünftigen Körperbauplans determiniert. Dieser Prozess kontrolliert die Musterbildung der Antero-Posterioren (AP) und Dorso-Ventralen (DV)- Achse, sowie der sich im Inneren offenbarenden Links-Rechts (LR)-Achse. Die Etablierung der Körperachsen wird initial über den Spemann-Organisator (SO) gesteuert, wobei die Determinierung der LR-Achse als letztes stattfindet. Die Ausbildung der Lateralität während anschließender Neurulation findet dabei durch einen, bei Fischen, Amphibien und Säugern, hoch konservierten Mechanismus des Symmetriebruchs statt. Eine extrazelluläre, Monocilien-getriebene Flüssigkeitsströmung („Flow“) definiert dabei die spätere Lateralität des Embryos, durch links-asymmetrische Expression des Morphogens Nodal. Verantwortlich für den Flow ist ein ciliertes Epithel im postero-dorsalen Bereich des Embryos, das während der Gastrulation seine korrekte Positionierung erfährt und im Frosch als GRP („gastrocoel roof plate“) bezeichnet wird. Letztlich beschreibt dieses konservierte Gewebe den Links-Rechts-Organisator (LRO) und garantiert den ordnungsgemäßen Organsitus. Den Ursprung des LRO kann man auf einen epithelialen Zellverband an dorsaler Oberfläche der Gastrula zurückführen, der durch die Expression des kanonischen Wnt-Zielgens foxj1 charakterisiert wird. Der Spezifizierung dieses Superfiziellen Mesoderms (SM) folgend, wandern die zukünftigen Zellen des LRO während der Gastrulation gerichtet in den Embryo ein. Die Bewegungsmuster verlangen dabei einer Umstrukturierung des Aktin-Cytoskeletts. Diese Wanderungen werden durch den PCP- („planar cell polarity“) Signalweg gewährleistet. Dieser nicht-kanonische Wnt-Signalweg garantiert die polarisierte Ausrichtung und Migration von Zellen entlang der Körperachsen, die konvergente Extension (CE). Als ein Organisator-Gen charakterisiert die Expression von Goosecoid (Gsc) den SO und seine Eigenschaften. Entgegen der Annahme, dass ein Funktionsverlust von Gsc somit die Gastrulation inhibiert, wurde in der Knock-Out Maus bzw. dem Knock-Down in Xenopus jedoch keinerlei Beeinträchtigung festgestellt. Es waren Funktionsgewinne im Frosch, die die Rolle von Gsc während der Gastrulation analysierten und aufzeigten, dass das Homeobox-Gen eine Funktion bei der Regulation von Zellbewegungen ausüben kann. Überexpressionen führten zu einer gestörten CE dorsaler Gewebe, aufgrund fehlerhafter Lokalisierung von Kernproteinen des PCP-Signalwegs. Gsc-induzierte Missbildungen konnten durch Co-Injektionen assoziierter Komponenten kompensiert werden. Schlussfolgernd wurde somit eine neue Funktion als Inhibitor PCP-abhängiger CE während der Gastrulation nahegelegt. Es sind die morphogenetischen Bewegungen der CE, die für die AP-Elongation und LRO-Positionierung verantwortlich sind. Dabei agieren sowohl mechanische Zugkräfte als auch der Cilien-basierte Flow. Im Invertebraten Drosophila, in dem weder Nodal, noch Cilien exprimiert sind, wird die Organasymmetrie durch interne Chiralität über Motorproteine wie Myosin1d PCP-abhängig gewährleistet. Vergleichbar werden in Vertebraten wie Xenopus durch myo1d asymmetrische Interaktionen des Aktin-Cytoskeletts vermittelt, die die Lateralität des Organsystems garantieren. Die funktionelle Konservierung des nicht-kanonischen Wnt-Signalwegs konnte dabei durch Co-Injektionen mit PCP-Kernproteinen aufgezeigt werden, die eine gestörte Morphologie des LRO wiederherstellten. Die gewonnenen Daten zeigten deutlich die evolutionär manifestierte, speziesübergreifende Regulation der Achsenasymmetrie durch myo1d. Da die strikte räumlich-zeitliche Regulierung von Zellbewegungen zur Musterbildung fundamental ist, wird die CE durch einen weiteren Transkriptionsfaktor propagiert: Brachyury (Tbxt in Xenopus). Dessen Expression induziert und steuert die Differenzierung mesodermaler Zellpopulationen, wie die notochordalen Zellen der dorsalen Mittellinie, somit des LRO. Die Notwendigkeit für die Spezifizierung der Vorläuferzellen im SM konnte dabei ebenfalls aufgezeigt werden, wobei diese dort nicht-zellautonom vermittelt wird, um die Induktion von foxj1 zu garantieren. Auch erfolgt die Determinierung beider Gewebe durch die funktionelle Interaktion von Tbxt mit dem PCP-, sowie dem ß-catenin-abhängigen Wnt-Signalweg. Der Brachyury Verlust manipuliert dabei die Lateralität in Mutanten und Morphanten. Der speziesübergreifende Brachyury-FGF „feedback-loop“ für die Induktion von Nodal und Foxj1 könnte dabei bereits im SM agieren und zeigte, dass sowohl Funktion als auch der Prozess der LR-Entwicklung, wie zwischen Fgf8 und Brachyury nahegelegt, funktionell konserviert scheint. In Xenopus wurde die komplexe Signaltransduktion für die SM und foxj1 Induktion um die Funktion des Wnt-Rezeptors frizzled-8, des Liganden und Tbxt-Zielgens wnt11b, sowie dem ventral agierenden wnt8a in Wohle-Mount Embryonen und Explantat-Co-Kulturen erweitert. 
K1 Lateralität
K1 Krallenfrosch
K1 Musterbildung
K1 Embryonalentwicklung
K1 Myosin1d
PP Hohenheim
PB Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
UL http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2020/1701