Embryonale Musterbildung durch BMP

Werbung
Oelgeschläger, Michael | Embryonale Musterbildung durch BMP-Signalgradienten
Tätigkeitsbericht 2004
Entwicklungs- und Evolutionsbiologie/Genetik
Embryonale Musterbildung durch BMP-Signalgradienten
Oelgeschläger, Michael
Max-Planck-Institut für Immunbiologie, Freiburg
Abteilung - Entwicklungsbiologie
Korrespondierender Autor: Oelgeschläger, Michael
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
Die "Bone morphogenetic proteins" (BMPs) gehören zur TGF-ß-Familie sezernierter
Wachstumsfaktoren und steuern fundamentale Prozesse in der frühen Embryonalentwicklung von
Wirbeltieren wie auch wirbellosen Tierarten. Durch lokalisierte Expression von BMP-Antagonisten wird
im frühen Embryo ein BMP-Aktivitätsgradient etabliert, der von elementarer Bedeutung für die
Determinierung der dorsoventralen (Rücken-Bauch) Körperachse ist. Die Wissenschaftler um Michael
Oelgeschläger haben eine Reihe von Regulatorgenen identifiziert, die im südafrikanischen Krallenfrosch
Xenopus laevis durch den BMP-Aktivitätsgradienten in ihrer Expression gesteuert werden. Eines dieser
Gene ist an der Regulation von gerichteten Zellbewegungen, aber nicht an der Determinierung von
Zellschicksalen beteiligt. Die Identifizierung dieses Gens gibt möglicherweise erste Hinweise auf die
molekularen Mechanismen, durch die Zellbewegungen und Differenzierung in der frühen
Embryonalentwicklung koordiniert werden.
Abstract
The Bone morphogenetic proteins (BMP) belong to the TGF-ß family of secreted growth factors and
regulate fundamental events in early development of vertebrate as well as invertebrate embryos. In
particular, the formation of a functional BMP signalling gradient, established by the localised secretion
of BMP antagonists, is essential for the determination of cell fate along the future dorsoventral or backto-belly body axis. Michale Oelgeschläger and his team have identified a number of new genes that are
regulated by the BMP signalling gradient in Xenopus laevis. One of these genes is involved in the
regulation of cellular movements rather than cell fate determination and might help to unravel the
relationship of cellular movements and cell fate determination during early embryonic development.
Die "Bone morphogenetic proteins" (BMPs) gehören zur TGF-ß-Familie sezernierter Signalmoleküle.
Sie sind an der Regulation einer Vielzahl zellulärer Prozesse beteiligt, wie Zelldifferenzierung,
Zelladhäsion, Zellwanderung und programmierter Zelltod. In der Embryonalentwicklung von
Wirbeltieren und auch wirbellosen Tierarten kontrollieren BMPs fundamentale Prozesse in der frühen
embryonalen Musterbildung und Organogenese. Insbesondere für die Determinierung der dorsoventralen
(Rücken-Bauch) Körperachse sind diese Proteine von zentraler Bedeutung. Genetische Studien in der
Fruchtfliege Drosophila und beim Zebrafisch, sowie eine Vielzahl funktioneller und biochemischer
Studien im südafrikanischen Krallenfrosch Xenopus laevis, haben gezeigt, dass BMPs für die Ausbildung
ventraler, mesodermaler (Blut, Nieren) und ektodermaler (Haut) Strukturen notwendig sind und
gleichzeitig die Ausbildung dorsaler, mesodermaler (Chorda, Muskelgewebe) und ektodermaler
© 2004 Max-Planck-Gesellschaft
www.mpg.de
2931
Tätigkeitsbericht 2004
Oelgeschläger, Michael | Embryonale Musterbildung durch BMP-Signalgradienten
(zentrales Nervensystem) Strukturen hemmen. Xenopus laevis wird seit über 50 Jahren für die
Charakterisierung von Musterbildungsprozessen und die funktionelle Analyse von Proteinen genutzt.
Die Bedeutung von Xenopus für die moderne Embryologie manifestiert sich unter anderem in der
Vielzahl an Genen, die in Xenopus identifiziert und charakterisiert wurden, einschließlich des
sezernierten BMP-Antagonisten Chordin. Chordin bindet direkt an BMPs und hemmt deren Interaktion
mit BMP-Rezeptoren. Chordin wird spezifisch in der dorsalen Urmundlippe, besser bekannt als
Spemann-Organisator, exprimiert. Die lokale Sezernierung von BMP-Inhibitoren vom SpemannOrganisator etabliert im Embryo einen BMP-Aktivitätsgradienten, der die Determinierung embryonaler
Territorien entlang der zukünftigen dorsoventralen Köperachse im Ektoderm wie auch im Mesoderm
ermöglicht (Abb. 1).
Abb. 1 : Der BMP-Signalgradient und frühe embryonale Musterbildung. A) Der BMP- Signalübertragungsweg:
Die Bindung von BMPs an BMP-Rezeptorkomplexe führt zur Aktivierung von SMAD-Proteinen, die als
intrazelluläre Mediatoren wirken und mit zusätzlichen, spezifischen Ko-Faktoren (x) BMP-Zielgene regulieren. B)
Im frühen Xenopus-Embryo ist BMP-Aktivität in den zukünftigen drei Keimblättern gleichmäßig vorhanden. C)
Durch die Expression von sezernierten BMP-Antagonisten (beispielsweise Chordin) im Spemann-Organisator wird
ein BMP-Aktivitätsgradient entlang der zukünftigen dorsoventralen Körperachse etabliert. Dieser ist durch
Farbschattierungen schematisch dargestellt. D) Der BMP-Aktivitätsgradient führt zur Determinierung von
dorsalem Ektoderm (Neuroektoderm) und Mesoderm (zum Beispiel Muskelgewebe) bei niedriger BMP-Aktivität
und ventralem Ektoderm (Epidermis) und Mesoderm (zum Beispiel Nieren) bei hoher BMP-Aktivität.
Bild : Max-Planck-Institut für Immunbiologie/Oelgeschläger
Die Bindung von Chordin an BMP wird durch Zink-Metalloproteinasen der Xolloid-Familie und
"Twisted gastrulation" (TSG) reguliert. Das sezernierte TSG-Protein bindet an Chordin und BMP und
bildet einen stabilen, inhibitorischen BMP-Tsg-Chordin- Komplex. Metalloproteinasen der XolloidFamilie spalten Chordin und setzen dadurch aktives BMP frei (Abb. 2). Ähnliche Proteine mit
vergleichbaren Funktionen wurden in verschiedenen Vertebraten, aber auch für Drosophila
melanogaster beschrieben. Die Konservierung eines derart komplexen Systems interagierender Proteine
2294
www.mpg.de
© 2004 Max-Planck-Gesellschaft
Oelgeschläger, Michael | Embryonale Musterbildung durch BMP-Signalgradienten
Tätigkeitsbericht 2004
in verschiedenen Tierstämmen unterstreicht dessen besondere Bedeutung für die Regulation embryonaler
Musterbildungsprozesse.
Abb. 2 : Regulation von BMPs im extrazellulären Raum.
BMP und Twisted gastrulation (Tsg) werden im frühen Embryo ko-exprimiert und bilden einen BMP-Tsg-Komplex.
Tsg kann zusätzlich an Chordin binden und ermöglicht dadurch die Ausbildung eines stabilen BMP-Tsg-ChordinKomplexes. Chordin selbst bindet an BMP mit Hilfe von vier Cystein-reichen Domänen (CR1-CR4). Vor allem CR1
und CR3 haben eine hohe Affinität für verschiedene BMPs. Dieser trimolekulare Komplex kann durch die Aktivität
der Zink-Metalloproteinase Xolloid (oder verwandte Proteine) aufgelöst werden. Xolloid spaltet Chordin und setzt
dadurch proteolytische Fragmente von Chordin frei, die in Gegenwart von Tsg nicht mehr effizient an BMP binden
können. Da Tsg die Bindung von BMPs an deren Rezeporen ebenfalls nicht behindert, kann durch die Aktivität von
Xolloid der BMP-Ligand effizient reaktiviert werden.
Bild : Max-Planck-Institut für Immunbiologie/Oelgeschläger
Im vergangenen Jahr haben die Wissenschaftler am MPI für Immunbiologie eine Reihe von Genen
identifiziert, deren Expression durch das BMP-Tsg-Chordin-System reguliert wird. Dafür hat die
Arbeitsgruppe von Michael Oelgeschläger ein mutiertes Tsg-Protein eingesetzt, das die Bildung des
BMP-Tsg-Chordin-Komplexes hemmt. Überexpression dieser Tsg-Mutante im Xenopus-Embryo
verhindert die Regulation von BMP-Aktivität durch Chordin und hemmt die Ausbildung des Zentralen
Nervensystems und dorsaler, mesodermaler Strukturen. Ein Xenopus laevis-Weibchen legt nach
Stimulation mit humanem Gonadotropin mehrere tausend Eier, die sich innerhalb von 1 bis 2 Tagen zu
schwimmenden Kaulquappen entwickeln. Die Eier sind relativ groß (1-1.5 mm im Durchmesser) und
erlauben eine Vielzahl experimenteller Manipulationen, die in anderen Wirbeltierembryonen kaum
durchführbar sind. Xenopus-Embryonen sind daher besonders für differenzielle Screens geeignet. Die
Tsg-Mutante wurde durch mRNA-Mikroinjektion in Xenopus- Embryonen überexprimiert, RNA aus
Gastrula-Embryonen isoliert und mithilfe von Microarrays und Library-Filter mit der RNA aus
Kontrollembryonen verglichen. Für eine Reihe von Genen konnten die Forscher einen signifikanten
Effekt der Tsg-Mutante auf deren Expression im frühen Xenopus-Embryo nachweisen und die
transkriptionelle Regulation und Aktivität dieser Gene in der Embryonalentwicklung von Xenopus wurde
weitergehend untersucht.
© 2004 Max-Planck-Gesellschaft
www.mpg.de
2953
Tätigkeitsbericht 2004
Oelgeschläger, Michael | Embryonale Musterbildung durch BMP-Signalgradienten
Eines der ersten Gene, das in diesen Screens identifiziert wurde, gehört zur Tetraspanin-Familie, die in
Wirbeltieren über 20 verschiedene Proteine umfasst. Diese sind durch vier Transmembran-Domänen und
eine große, extrazelluläre Schleifen-Domäne, die Tetraspanin-spezifische Aminosäurenmotive
beinhaltet, charakterisiert (Abb. 3). Die große, extrazelluläre Domäne ist notwendig für die Interaktion
von Tetraspanins mit einer Vielzahl an Membranproteinen, vor allem Proteinen der Integrin-Familie, die
zelluläre Interaktionen mit der extrazellulären Matrix vermitteln. Für verschiedene Tetraspanins wurde
eine wichtige Funktion in der Steuerung von Zellbeweglichkeit und Zelladhäsion nachgewiesen und das
Expressionsmuster von Xenopus-Tetraspanin (xTspan) weist ebenfalls auf eine Funktion in der
Regulation von gerichteten Zellbewegungen hin. Xenopus-Tspan ist spezifisch in Bereichen des
Gastrulaembryos exprimiert, wo Zellen in das Blastocoel einwandern und im Neurula-Stadium in der
sich schließenden Neuralplatte. In späteren Larvalstadien ist xTspan-mRNA in der Zement- und SchlüpfDrüse im Kopfbereich und im posterioren Neuralrohr nachweisbar. Dieses dynamische
Expressionmuster korreliert vor allem in den frühen Entwicklungsstadien mit embryonalen Territorien,
die ausgeprägte, gerichtete Zellbewegungen durchführen.
Abb. 3 : Xenopus-Tetraspanin: A) Proteine der Tetraspanin-Familie sind durch vier Transmembran-Domänen
und eine große Schleifen-Domäne gekennzeichnet. Die große extrazelluläre Schleifen-Domäne beinhaltet
Tetraspanin-spezifische Aminosäuresequenzen (insbesondere eine CCG- und PXXCC-Sequenz), durch die
Interaktionen mit einer Vielzahl an Proteinen vermittelt werden; unter anderem mit Integrinen und Rezeptoren
verschiedener Wachstumsfaktoren. Durch diese Interaktionen werden unter anderem die Adhäsions- und
Bewegungseigenschaften der Zelle gesteuert. B) Während der Gastrulation markiert xTspan-mRNA den Bereich
um den sich schließenden Urmund, wo mesodermale und entodermale Zellen einwandern, um die inneren Organe
zu bilden. C) Im Neurulastadium ist xTspan-mRNA in der Neuralplatte nachweisbar, die zu diesem Zeitpunkt
beginnt, sich zum Neuralrohr einzurollen. D) In späteren Larvalstadien ist xTspan in der Zement- und SchlüpfDrüse im Kopfbereich und im posterioren Neuralrohr exprimiert.
Bild : Max-Planck-Institut für Immunbiologie/Oelgeschläger
Durch ektopische Expression von xTspan und spezifischer Hemmung der Translation von endogenem
xTspan mithilfe von Morpholino-Oligomeren, konnten die Wissenschaftler in Freiburg nachweisen, dass
xTspan gerichtete Zellbewegungen im frühen Xenopus-Embryo steuert. Dabei scheint xTspan jedoch
die Determinierung die verschiedenen Zelltypen entlang der dorsoventralen Achse nicht zu beeinflussen.
Die molekularen Mechanismen, durch die xTspan seine Funktion im frühen Embryo ausübt, werden
zurzeit analysiert. Die Regulation der xTspan-Expression durch das BMP-Tsg-Chordin-System und seine
Funktion in der Morphogenese des frühen Xenopus-Embryos impliziert eine weitere Funktion des BMPSignalgradienten. Neben seiner essentiellen Funktion für die Determinierung embryonaler Territorien
4296
www.mpg.de
© 2004 Max-Planck-Gesellschaft
Oelgeschläger, Michael | Embryonale Musterbildung durch BMP-Signalgradienten
Tätigkeitsbericht 2004
entlang der dorsoventralen Körperachse weisen immer mehr Studien auf eine wichtige Funktion des
BMP-Signalgradienten in der Steuerung von Zellbewegungen hin. Xenopus-Tspan scheint zu der Gruppe
von BMP-regulierten Genen zu gehören, die diese Funktion des BMP-Signalgradienten vermitteln. Die
Charakterisierung von Genen, die spezifisch die verschiedenen Funktionen des BMPAktivitätsgradienten in der frühen Embryonalentwicklung vermitteln, wird zu einem tieferen Verständnis
von der Koordination von Zellbewegungen und Zelldifferenzierung in der frühen Embryonalentwicklung
beitragen.
© 2004 Max-Planck-Gesellschaft
www.mpg.de
2975
Herunterladen