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Die Distanz zur Quelle bei der Musterbildung im Embryo

In embryonalen Entwicklungsstadien von Fliege, Zebrafisch oder Mensch sind es wenige Moleküle, die gerichtete Zellwanderungen steuern, Zellteilungen anregen oder festlegen, welche Zelle welches Gewebe bilden wird. Einer dieser sogenannten Master-Regulatoren steht im Fokus der Forschungsgruppe um Dr. Giorgos Pyrowolakis von der Universität Freiburg. Wie entstehen verschieden gemusterte Gradienten des als BMP bezeichneten Moleküls im Ei, im Embryo oder in der Larve der Fruchtfliege Drosophila melanogaster? Und wie regulieren sie sich selbst, damit sich zum Beispiel der Flügel der Fliege korrekt bilden kann? Die Evolution erfindet das Rad jedenfalls nicht immer neu, und das hat auch Implikationen für den Menschen.

Jede Zelle in einem Organismus hat genau die gleiche genetische Ausstattung – wie kann es sein, dass trotzdem so viele unterschiedliche Gewebe wie Leber, Haut, Gehirn oder Lunge entstehen? Das ist für Dr. Giorgos Pyrowolakis vom Institut I für Biologie an der Universität Freiburg eine der spannendsten Fragen in der Biologie, wenn nicht sogar überhaupt die spannendste. Der Forscher, eigentlich aus der Biochemie kommend, hat sich schon in seiner Postdoc-Zeit einer Gruppe von Proteinen zugewandt, von der bekannt ist, dass sie an der Kontrolle von so gut wie allen Entwicklungsvorgängen in allen Modellorganismen maßgeblich beteiligt ist: der BMP-Superfamilie. BMP steht für Bone Morphogenetic Protein und ist bekannt dafür, dass es die Regeneration von Knochen fördern kann. Aber es hat auch andere Funktionen. In Fliege, Zebrafisch, Wurm, Maus oder im Menschen gibt es BMPs, die strukturell und funktionell eng verwandt sind. „Es ist sogar in der Zellkulturschale möglich, BMP aus der Taufliege Drosophila melanogaster, das hier Decapentaplegic oder kurz Dpp genannt wird, auf humane Knochenfragmente zu träufeln und damit neues Knochengewebe wachsen zu lassen“, sagt Pyrowolakis.

Regulation auf allen Ebenen

Die Forschungsgruppe von Dr. Giorgos Pyrowolakis (dritter von Rechts) von der Abteilung für Entwicklungsbiologie der Universität Freiburg. © Dr. Giorgos Pyrowolakis

Im Labor des Griechen Pyrowolakis in der Abteilung für Entwicklungsbiologie ist die kleine Fliege das Modellsystem der Wahl, um die stark in der Evolution konservierten molekularen Signalnetzwerke um die Familie der BMPs zu studieren. Rund 1.000 verschiedene Fliegenlinien, bei denen unterschiedliche Gene gezielt manipuliert worden sind, befinden sich im Kellerraum des Instituts für Biologie I, in einem 5-Quadratmeter-Raum. Ein enormes Arsenal an genetischen Methoden steht Forschern inzwischen für die Arbeit mit Drosophila zur Verfügung. „Die Arbeit mit der Maus ist im Vergleich viel problematischer“, sagt Pyrowolakis. Eine der bekannten und inzwischen gut untersuchten Rollen von BMPs bei der Fliegenentwicklung ist die frühe Entscheidung, auf welcher Seite der Zellkugel des frühen Embryo später oben und wo unten sein wird, wo also Bauch und wo Rücken entstehen werden. Eine etwas komplexere Musterbildung findet hingegen in der sogenannten Flügelscheibe in der Fliegenlarve statt. In dieser Anlage für den späteren Fliegenflügel nämlich werden zum Beispiel die Zellgruppen definiert, die später die fünf Flügelvenen bilden werden.

BMP (oder das Fliegenanalogon Dpp) ist ein sogenanntes Morphogen. Das bedeutet, dass es die Gestalt verschiedener Gewebe beeinflusst. Entsprechend haben Mutanten, denen Bestandteile des Dpp-Signalnetzwerks fehlen, zum Beispiel verkümmerte Flügel. Auf molekularer Ebene funktioniert BMP zum einen wie ein Signalmolekül: Es dockt von außen an einen Rezeptor in der Membran einer Zelle an und löst so eine molekulare Kaskade im Inneren der Zelle aus, bei der schließlich bestimmte Proteine in den Zellkern wandern und dort die Ableserate von Genen regulieren. Die Produkte dieser Gene wiederum vermitteln die Reaktionen der Zelle. Je nachdem, um welche Gene es sich handelt, teilt sich eine Zelle, wandert aus dem festen Gewebeverbund aus oder ändert ihre Identität, wird etwa zu einem Neuron- oder zu einem Darmzellvorläufer. „Die große Frage ist, warum mal diese, mal jene Gene in einer Zielzelle beeinflusst werden“, sagt Pyrowolakis.

Gen-Schalter und Gradientenmuster

Vor ein paar Jahren haben Pyrowolakis und sein Team schon für die erste Überraschung gesorgt, als sie zeigten, dass BMP Gene nicht nur aktivieren, sondern auch hemmen kann. Sie identifizierten auf der Ebene der DNA zwei verschiedene Typen von Strukturen, die wie Schalter funktionieren: Ist vor einem Gen eine hemmende Basensequenz, so wird die Aktivität dieses Gens von BMP gehemmt werden. Bei einer aktivierenden Sequenz passiert das Gegenteil. Eine erst einmal intuitiv nachvollziehbare Entdeckung; denn dieses Prinzip kennen Forscher auch von anderen Signalsystemen. Aber im Fall des Morphogens BMP ist diese Entdeckung entscheidend. Denn die Gene, die von BMP aktiviert oder gehemmt werden, können laut Pyrowolakis grob in zwei Gruppen eingeteilt werden: Die Effektoren, die das Verhalten einer Zelle beeinflussen, sie also etwa zur Teilung anregen oder aus ihr einen neuronalen Vorläufer machen. Und die Regulatoren, die auf das BMP-Signalnetzwerk rückwirken können, in Form von Feedbackschleifen. Um erklären zu können, wie zum Beispiel eine Zelle in der Flügelscheibe einer Drosophila-Larve weiß, in welcher der fünf Flügelvenen sie einmal sitzen wird, sind eben solche Regulatoren unabdingbar.

Die in Drosophila aktivierten BMP-gesteuerten Genschalter im Fluoreszenzmikroskop. Links: im sich entwickelnden Ei. Mitte: im Embryo. Rechts: in der Flügelanlage. Rot markiert sind die Zellen, in denen der hemmende Genschalter aktiviert ist, grün diejenigen, in denen der aktivierende Schalter aktiv ist. © Dr. Giorgos Pyrowolakis

Denn Morphogene – und das ist ihre zweite wichtige Eigenschaft, die sie von einfachen Signalmolekülen unterscheidet – können sich durchs Gewebe frei bewegen und bilden räumlich und zeitlich variierende Konzentrationsgradienten. In der Flügelanlage bedeutet das: Ein schmaler Streifen von Zellen am Ansatz des späteren Flügels schüttet BMP aus, das daraufhin nach allen Seiten durch das Gewebe diffundiert. Zellen, die näher an der BMP-Quelle sind, bekommen eine höhere Konzentration des Stoffs ab als Zellen, die in der Peripherie leben. Die Empfängerzellen können die Konzentration an BMP messen, denn die Gene, die von BMP an- oder abgeschaltet werden, sind unterschiedlich sensibel für das Signal. Aus dieser Tatsache resultiert schließlich, dass Zellen unterschiedliche genetische Programme verwirklichen, je nachdem, wie weit sie von der Quelle entfernt sind. Und somit auch unterschiedliche Schicksale haben werden, während die Larvalentwicklung voranschreitet. „Dieses Prinzip der gradientengesteuerten Regulation der Entwicklung von Geweben ist universell“, sagt Pyrowolakis. „Sowohl bezogen auf die unterschiedlichen Stadien der embryonalen Entwicklung, als auch auf die Organismengruppen quer durch die Evolution.“

Pentagone – Eine Flügelvene fehlt

Ein Gradient muss allerdings reguliert werden. Zum einen darf er nicht zu stark schwanken. Zum anderen muss er mit dem Wachstum des Embryos mitexpandieren, relativ zur Größe des wachsenden Gewebes. Und schließlich sind auch zeitliche Veränderungen des Gradienten oder sein räumliches Aussehen bisweilen entscheidend. Je nach entstehendem Gewebetyp muss ein Gradient zum Beispiel von der Quelle aus gesehen asymptotisch abnehmen. Oder mit einer scharfen Kante aufhören, wie das etwa bei der Entwicklung der Körpersegmente bei einem Insekt der Fall ist. Woher weiß also der Gradient, wie er beschaffen ist?

Um diese Frage zu beantworten, haben Pyrowolakis und sein Team in den letzten Jahren die von ihnen gefundenen Schalter für die Aktivierung oder Hemmung der von BMP regulierten Gene als Werkzeuge eingesetzt. Denn mit dem Wissen um die Basensequenz dieser Schalter ist es umgekehrt möglich, im Genom der Fliege und anderer Organismen mit Hilfe von Bioinformatik-Tools nach Genen zu suchen, vor denen solche Sequenzen sitzen. Diese Gene sind wahrscheinlich von BMP reguliert. Und tatsächlich gelang es den Freiburger Forschern auf diese Weise, ein Gen zu finden, dessen Produkt ein Regulator des BMP-Signalnetzwerks ist. Weil es für die korrekte Bildung der fünf Flügelvenen unabdingbar ist, haben die Forscher es "pentagone" genannt. (Bei einem Defekt fehlt die fünfte Flügelvene – „pent is gone“.)

Die Produktion des Pentagone-Proteins wird von BMP gehemmt. Je mehr BMP eine Zelle in der Nähe der Quelle abbekommt, desto weniger Pentagone produziert sie demzufolge, und je schwächer umgekehrt das BMP-Signal in der Peripherie der Quelle ist, desto mehr Pentagone entsteht. Pentagone selbst kann wiederum in einer Feedbackschleife die Stärke des BMP-Signals erhöhen, indem es BMP-hemmende Proteine hemmt. „Pentagone ist damit ein sogenannter Expander, denn es erhöht das BMP-Signal in Zellen, die weit weg von der Quelle sitzen und in denen dieses Signal schwach ist, und zieht damit den von der Quelle räumlich ausstrahlenden Gradienten auseinander“, sagt Pyrowolakis. Bei einer Pentagone-Mutante bleibt der Gradient zu schmal, und die fünfte, in der Peripherie des Flügels angelegte Flügelvene bildet sich nicht aus, weil dort das BMP-Signal zu schwach ist.

Fehlt das Gen pentagone (linkes Bild unten), dann bleibt der BMP-Gradient in der Flügelanlage der Drosophila-Larve schmal (mittleres Bild unten) und dem Flügel des erwachsenen Tiers fehlt die unterste Flügelvene (Bild rechts unten). © Dr. Giorgos Pyrowolakis

Theoretisch muss es noch viele solche Regulatoren geben. Die Freiburger Forscher sind momentan auf der Suche nach ihnen. Und dabei ist auch die evolutionäre Perspektive relevant, denn Vergleiche zwischen den Genomen von Fliege, Maus, Fisch und Co. enthüllen verwandte Basenabfolgen, die in der Evolution konserviert worden sind. Konservierte Sequenzen wiederum müssen eine Funktion haben und deuten auf wichtige Gene hin. „Erkenntnisse in anderen Organismen sind außerdem für die klinische Perspektive wichtig, denn Defekte in den Genen des BMP-Signalnetzwerks können beim Menschen zu Fehlentwicklungen und zu Krankheiten wie etwa Krebs führen“, sagt Pyrowolakis. „Je besser man die Prozesse in frühen Entwicklungsstadien und bei verschiedenen Organismengruppen versteht, desto besser versteht man sie auch beim Menschen.“

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