Invertebraten 3

Musterbildung

Prozesse welche die geordnete Anordnung von Geweben zu einer funkt., Spezies-spezifischen Einheit steuern

Zellkommunikation ist essentiel (→ vermittelt von Signalketten (z.B Notch, Wnt, Hedgehog)

Arten der Signalübertragung

Zusammenspiel ist wichtig

Facettenaugen von Drosophila melanogaster

• bestehen aus 700-800 regelm. angeordnete Einzelaugen (=Ommatidien)

• sehr regelmäßiges hexagonales kristallähnliches Muster; semi-kristallin

• jedes Ommatidium umfasst 20 Zellen und 8 Rezeptorzellen (im Querschnitt nur 6-7 sichtbar)

Imaginalscheibe von Drosophila

• Imaginalscheibe= strukturierte Zellgruppe in Insektenlarven, aus der sich im Laufe der Metamorphose die adulten Körperteile entwickeln

• einschichtige Epithelien

• Mehrheit der Tumoren entstehen in den Eoithelien des Menschen

Augenimaginalscheibe von Drosophila

• Zelle/MF: Morphologische Furche; wandert von posterior nach anterior

• hinter MF (posterior): Differenzierung; anterior: undifferenziert

Entwicklung der Ommatidien (Allgemein)

• Bildung der Ommatidien beginnt mit Bildung der morphologischen Furche (posterior→anterior)

• Färbung mit Antikörper, der die Photorezeptorzellen nach Determination erkennt

• Gradient der Differenzierung von posterior nach anterior

• alle Stadien der Ommatidienentwicklung i einer Scheibe

• alle 2 Std wird eine neue Reihe von Ommatidien angelegt

Entwicklung des Ommatidiums

• Vorläufer der Rezeptorzellen werden erst spezifiziert (beginnt mit R8), dann kommen andere (R2, R5,..) dazu

Bildung der Gruppe der Rezeptorzellen

• 2 Möglichkeiten (siehe Bild)

• markieren der R8 Zelle: bei Klon: Markierung würde an alle nachkommen vererbt werden; be Rekruitierung: Markierung nicht in allen Nachkommen (→Mosaik)

• Markierung von Zellklonen durch klonale Analyse: Verlust des w-Gens (WT rote Augenfarbe, Verlust weiß)

• Zellen des Klusters haben keine Klonale Beziehung; müssen also durch Zell-Zell-Kommuniktion rekruitiert werden → an Klongrenzen gibt es gemischte Ommatidien

Determination von R8

• atonal (ato) ist an der Determination des neuralen Schicksals beteiligt

• beim Ausfall (Mutation) von ato bilden sich keine R8 Zellen aus → keine Rekrutierung → keine Ommatidien

• bei Ausfall von aonal ist auch MF gestört (Bewegung, Ausprägung)

Atonal (Ato)

• Transkriptionsfaktor der Achaete-Scute (ASC) Familie

• hat bHLH Domäne (evolutiv konserviert)

• bildet Heterodimer mit Daughterless (Da; auch bHLH Faktor)

• w-Mutanten sind auch ato-Mutanten; Erzeugt genetisches Mosaikgewebe

• R1-R7 können sich auch bei ato-Mutante korrekt differenzieren → d.h. Aktivität von ato nicht für Bildung dieser Zellen nötig

  Atonal wird für R8 gebraucht → ohne atonal kein R8 → ohne R8 kein Ommatidium (R8 ist Voraussetzung für Ommatidium)

• durch Notch wird ato in lateralen Zellen inhibiert

Wie wird R8 spezifiziert

• atonal wird in einer Gruppe von Zellen exprimiert (vor MF); aus dieser gruppe wird 1 Zelle ausgewählt, die R8 wird

• die Auswahl erfolgt durch laterales Inhibitionssignal, welches über den Notch-Signalweg läuft

• ohne Notch: alle zellen der intermediären Gruppe können sich zu R8 entwickeln

• Notch wichtig für Selektion der R8 in der Äquivalenzgruppe

Notch

• Notch ist ein Rezeptorprotein auf der Zelloberfläche

• aktiviert eine Zelle Notch, bekommt sie das Signal “werde nicht wie dein Nachbar”

• temperatursensitives Allel (ts) von Notch: Mutation bei der Notch nur bestimmten Temperaturen funktioniert: permissive und restriktive Temperaturen → dadurch weiß man dass Notch an der spezifikation von R8 beteiligt ist

• DSL: Liganden in Drosophila; Delta Dl und Serate Ser

Äquivalenzgruppe

• Zellen die theorethisch alle gleich werden können/gleich entwickeln

• aber: nur eine von ihnen wird es tatsächlich, die anderen nehmen ein anderes Schicksal ein

Rekruitierung anderer Photorezeptorzellen

• R8 sendet Signal an Nachbarzellen (aktiviert EGF-Rezeptorweg)

• Spitz (spi) von R8 ausgeschüttet und Zellen werden zu R1-R6

• Bride of Sevenless (boss) wird nicht ausgeschüttet sondern blaibt auf R8 und interagiert direkt mit boss der Nachbarzelle und wird zu R7

• Zeitpunkt der Rekrutierung trägt zur Determination des Schicksals der Photorezeptorzellen bei

EGF-R-Signalweg

• auch: Reeptor-Tyrosin-Kinase (RTK)-Signalweg

• die Differenzierungen R1-R7 sind EGFR abhängig; R8 ist unabhängig

• Spitz wird von R8 ausgeschüttet und bindet an EGF Rezeptor der Nachbarzelle

• Rezeptor wird autophosphoryliert (aktiviert) und löst Signalkaskade aus → schaltet bestimmte Gene ein

Sevenless

Wie kommt es zur Anordnung der Ommatidien in ein hexagonales Muster

• Platzierung der R8 Zelle/Cluster entscheidend

• die Intermediären Kluster der nächsten Reihe bilden sich an den Stellen der niedrigsten Inhibitorkonzentration

• Scabrous (Sca) ist einer von mehreren sekretierten inhibitorischen Faktoren; bei Ausfall → kein konkretes Muster

Welche Rolle spielt der Bereich der morphologische Furche?

• die Zellen sind in der späten G2-Phase, d.h. sie teilen sich und sind undifferenziert

• ey (eyeless) vermittelt die Augenidentität; Zellen sind dann kompetent sich auf weitere Signale kontextspezifisch zu interpretieren (differenzieren)

• Ey nur im undifferenzierten Bereich exprimiert

Eyeless-Gen

• dessen Expression mit Hilfe des Gal4-Systems in der Flügelanlage führt zur Entwicklung von Augenstrukturen anstatt eines Flügels

• Selektorgen: ein Gen, das die Entwicklung eines Organs initiieren kann (→Ey reguliert die Expression von über 2000 Genen)

• homolog zu Pax6 in Säugetieren → konserviert

• Mutationen in ey/Pax6 führen zu Augendefekten (dominanter Phänotyp; bei Homozygot lethal)

Zusammenfassung Augenentwicklung

• Determinaton der R8 Zelle hinter MF

• R8 rekrutiert via RTK-Signalling die restl. Vorläuferzellen in einder definierten Reihenfolge

• Eyeless/Pax6 ist ein Selektorgen, das Zellen vor der MF auf das Augenschicksal vorbereitet

Allgemeines zur Vulva-Entwicklung in C.elegans

• besteht aus 22 Zellen

• Entwickelung beginnt im L3-Stadium

• 5 Stufen der Entwicklung:

  • Definition einer 6 ektodermalen Vorläuferzellen umfassende Äquivalenzgruppe in L1-L2

  • Musterbildung in den Vorläuferzellen (L3)

  • Bildung der adulten Zellen

  • Invasion der Ankerzelle (Bildung der Öffnung)

  • Morphogenese der Vulva

Vorläuferzellen (VulvaEntwicklung)

• 6 Vorläuferzellen: P3-P8 → eine Äquivalenzgruppe

  • P5 und P7 bilden das sekundäre Schicksal (laterale Zellen)

  • P6 das Primäre (Verbindung mit Uterus)

  • der Rest das tertiäre Schicksal (Epidermis/Hypodermis)

Entwicklung der Vulva bei Laserablation

• bei Ablation von P6 übernehmen andere Zellen das primäre Schicksal

• 3 Vorläuferzellen der Äquivalenzgruppe reichen aus für die Bildung der Vulva

• bei Zerstörung der Gonadenanlage entsteht statt einer Vulva nur die Epidermis → d.h. Gonade induzieren Signale, die Zellschicksale determinieren

Welche Zellen in der Gonadenanlage sorgen für die Determination der untersch. Zellschicksale?

• AC= Anchor Cell (ankerzelle); Deletion der Ankerzelle verhindert die Determnation der Schicksale 1 und 2 → nur Epidermis, keine Vulva → AC sendet determinierendes Signal

welche Gene sind der Signalkettentransduktion beteiligt? (Vulva)

• Let23 codiert EGF-Rezeptor in C. elegans; ist Mitglied der RTK Familie

• Ankerzellen senden lokales Lin3 Signal

Wie kommt es zur Entscheidung zwischen Schicksal 1 und 2? (Vulva)

• P6 bekommt das stärkste Signal → Quantifizierung der Aktivität des Signalweges in den empfangenen Zellen durch Zielgenexpression (Egl17)

• Nachweis durch CFP Reportergen: P6 empfängt das meiste Signal

• Verlsut der Aktivität des Notch-Signals führt zu Verlust des sek. Schicksals → d-h- prinzipiell reicht die schwächere Aktivierung auch aus um in P5 und P7 das prim. Schicksal zu aktivieren

• P6 muss Notch-Signal aussenden

• Weiteres Zielgen des EGFR Signalwegs ist Lag2 (Notch signalprotein, in P6 am stärksten exprimiert)