Zeitliches Muster der Signaltransduktion reguliert

Während der frühen Entwicklung von vielzelligen Tieren müssen Entscheidungen über das Schicksal der Zellen getroffen werden, die letztendlich definieren, welche Art von Zellen im Organismus später vorhanden sind. Den biologischen Prozess, der diese Entwicklung von Organismen bestimmt, steuern sogenannte Morphogene, also Siganle, die das Muster der Gewebeentwicklung regulieren. Es gibt verstärkt Hinweise darauf, dass das zeitliche Muster der Morphogensignalwege eine bedeutende Rolle in diesem Prozess spielt. Dennoch gibt es bislang erst wenige Methoden und Werkzeuge, um diese zeitliche Kontrolle der Morphogene im Ebryo zu beweisen und die bisherigen Annahmen der Forscher zu bestätigen. Forscher von drei verschiedenen Institutionen, darunter dem Institute of Science and Technology Austria (IST Austria), konnten nun zeigen, dass die Dauer eines Signals die Art der sich im Embryo entwickelnden Zellen und somit das Zellschicksal beeinflussen. Ihre Ergebnisse präsentieren sie in der Fachzeitschrift Cell Reports in der Ausgabe vom 7. Juli 2016 (DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.celrep.2016.06.036).

Muster der Signalweiterleitung kontrollieren

Neueste Fortschritte bei optogenetischen Methoden erlauben die Manipulation der Signalweiterleitung über photoaktive Rezeptoren in Zellen derart, dass bestimmte Signaltransduktionswege ähnlich wie durch einen Lichtschalter an- oder ausgeschalten werden können. Die Forscher am IST Austria entwickelten einen Rezeptor, der durch Licht aktivierbar ist, um den potentiellen Einfluss eines zeitlichen Musters in der Weiterleitung von Morphogenen während der Zebrafischgastrulation – dem Stadium der frühen Embryonalentwicklung bei dem die drei Keimblätter Ektoderm, Mesoderm und Endoderm entstehen – gegebenenfalls nachzuweisen.

Diesen Rezeptor benutzten die Forscher, um die Dauer eines spezifischen Morphogensignalweges, des Nodal-Signalweges, in vivo durch Licht zu beeinflussen. Die Experimente zeigten schließlich, dass eine verlängerte Nodal-Signalübertragung die Expression von Genen, die das Zellschicksal in der Mesoderm- und Endodermentwicklung im Embryo beeinflusst und darüberhinaus die Dauer der Nodal-Signalweiterleitung darüber entscheidet, ob eine Zelle zu Mesoderm- oder Endodermgewebe wird. Somit konnten die Autoren mit Hilfe von optogenetischer Regulation der Signaltransduktion während der Embryonalentwicklung einen direkten Nachweis der bisherigen Annahmen erbringen, dass ein zeitliches Muster der Morphogensignalwege maßgeblich zur Entscheidung über das Zellschicksal in der Embryogenese beiträgt. Diese schwer zu beweisende Annahme stand in der Entwicklungsbiologie schon seit längerer Zeit im Raum. Professor Carl-Philipp Heisenberg fasst den Einfluss seiner Studie wie folgt zusammen: „Die Manipulation des zeitlichen Musters der Morphogensignalwege im physiologischen Kontext des sich entwickelnden Embryos war keine leichte Aufgabe, doch durch die Entwicklung eines photoaktiven Nodal-Rezeptors in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Harald Janovjak hatten wir ein einzigartiges Werkzeug zur Hand, das uns in die Lage versetzte, diese Herausforderung zu bewältigen.“

Beteiligte Forschungsgruppen am IST Austria

Diese Studie ist das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit von zwei Forschungsteams des IST Austria, nämlich dem Entwicklungsbiologielabor unter der Leitung von Carl-Philipp Heisenberg und dem Labor für Synthetische Physiologie von Harald Janovjak sowie dem Exzellenzzentrum für Epigenetik in Indien und dem Friedrich-Miescher-Labor der Max-Planck-Gesellschaft in Deutschland.

Zellbiologe Carl-Philipp Heisenberg und sein Team untersuchen die molekularen und zellulären Mechanismen, durch die Wirbeltierembryos Gestalt annehmen. Um Einsicht in entscheidende Prozesse der vertebralen Morphogenese zu erlangen, konzentriert sich die Heisenberg-Forschungsgruppe auf die Zellbewegung während der Gastrulation.

Die Forschungsgruppe von Professor Harald Janovjak arbeitet an der Schnittstelle von synthetischer Biologie und Physiologie von Säugetieren – einem neuen Forschungsfeld, das sich synthetische Physiologie nennt. Die Gruppe konnte bereits mehrere neue Methoden entwickeln, die eine Kontrolle von Signalweiterleitung und Verhalten von Nervenzellen, Krebszellen und Schlüsselzellen des Metabolismus erlauben.