Differentielle Zellzykluskontrolle bei Spiraliern und ihre Bedeutung für die Determination der Blastomeren

Bei inäqual furchenden Spiraliern, wie Platynereis dumerilii, entstehen durch die ersten beiden Furchungen vier unterschiedlich große und auch bereits unterschiedlich determinierte Blastomeren. Im allgemeinen ist die größte der vier Blastomeren die Gründerzelle des D-Quadranten (Dorresteijn und Fischer 1988). Dieser Quadrant etabliert die dorsoventrale Körperachse im Keim, indem er das Schicksal benachbarter Blastomeren über Zell-Zell-Interaktionen positionsgerecht bestimmt (Damen und Dictus 1996). Der D-Quadrant erhält bei Platynereis einen überproportional großen Anteil (60%) des gesamten dotterfreien Zytoplasmas im Keim (Dorresteijn 1990). Sein Schicksal wird durch morphogenetische Faktoren innerhalb des dotterfreien Zytoplasmas bestimmt. Der Gehalt an dotterfreiem Zytoplasma bestimmt nicht nur das Schicksal der Blastomeren, sondern korreliert auch direkt mit den jeweils unterschiedlichen Zellzyklusgeschwindigkeiten der Blastomeren. Die plasmareichen Zellen des D-Quadranten, aber auch bereits die Vorläuferzelle CD, teilen sich im Vergleich mit den jeweils anderen Blastomeren im Keim besonders rasch (Dorresteijn 1990). In dieser Arbeit wurde unter verschiedenen Aspekten untersucht (a) inwieweit die Etablierung der dorsoventralen Körperachse von der raschen Proliferation der D-Zellinie abhängt, (b) inwieweit Zellzyklusregulatoren Bestandteil der oben genannten morphogenetischen Faktoren sein könnten und (c) wie die unterschiedlichen Zellzyklusgeschwindigkeiten auf molekularer Ebene reguliert werden.Zum einen wurden die frühen Furchungsstadien von Aplysia californica volumetrisch vermessen. Anders als bei den meisten inäqual furchenden Spiraliern wird bei Aplysia nicht der größte, sondern einer der kleineren embryonalen Quadranten als D-Quadrant determiniert. Ich konnte zeigen, daß die CD-Blastomere (27% des Eivolumens) dennoch, ähnlich wie bei Platynereis, bei der ersten Furchungsteilung überproportional viel dotterfreies Zytoplasma (40%) erhält und so als Vorläuferzelle des D-Quadranten determiniert wird. Bei der zweiten Furchung teilt sich die CD-Blastomere jedoch, anders als bei Platynereis, symmetrisch. Welche der beiden Tochterzellen von CD als definitiver D-Quadrant determiniert wird, erfordert also zusätzliche (induktive?) Mechanismen. Auch bei Aplysia sind die Zellzyklusgeschwindigkeiten der Blastomeren mit ihren jeweiligen Anteilen am dotterfreiem Zytoplasma korreliert. Das Postulat, daß die rasche Proliferation des D-Quadranten und seiner Vorläuferzelle CD für die Etablierung der dorsoventralen Körperachse und für die Determination der Blastomeren in Keimen inäqual furchender Spiralier erforderlich sind, konnte ich zusätzlich bestätigen, indem ich die Teilungsabfolge im Keim von Platynereis mit Hilfe des Cdc2-spezifischen Inhibitors Olomoucin experimentell abänderte. Durch pulse chase-Behandlung mit Olomoucin wurde erreicht, daß die Blastomeren die vierte Mitose, anders als im normalen Keim, synchron einleiteten. Die so behandelten Keime entwickelten sich zu Trochophorae, die keine oder nur eine stark reduzierte dorsoventrale Polarität erkennen ließen. Das dorsoventrale Muster entsteht in Keimen von Spiraliern durch die Organisatorwirkung der Blastomeren 3D und 4d und bei Platynereis eventuell auch 2d (Damen und Dictus 1996, Dorresteijn und Eich 1991). Der Teilungsvorsprung, den diese Blastomeren normalerweise gegenüber anderen Zellinien haben, war in den mit Olomoucin-behandelten Keimen stark vermindert. Dadurch haben diese Blastomeren ihre induktiven Kapazitäten möglicherweise nicht, oder nicht rechtzeitig erwerben können, um die benachbarten Zellen gemäß ihrer Position entlang der dorsoventralen Körperachse zu determinieren. Insofern ist die differentielle Zellzyklusregulation fest in das Determinationsgeschehen integriert. Das bedeutet auch, daß zellzyklusregulierende Faktoren Bestandteil der anfangs genannten

Differentielle Expression und molekulare Evolution von Mollusken-Hämocyanin

Molekularbiologische und biochemische Untersuchungen an den zwei Gastropoden-Arten Haliotis tuberculata und Haliotis asinina zeigten, dass diese jeweils zwei unterscheidbare Hämocyanin-Isoformen (HtH1/HaH1 und HtH2/HaH2) besitzen, die in unterschiedlichen Mengen in der Hämolymphe vorkommen. In situ-Hybridisierungsversuche an H. asinina ergaben, dass die beiden Hämocyanin-Isoformen sowohl entwicklungsspezifisch als auch gewebsspezifisch exprimiert werden. Die Transkription der Hämocyanin-Gene setzt bereits 9 Stunden nach der Befruchtung ein und ist von diesem Zeitpunkt an in allen Stadien der Larvalentwicklung nachweisbar. Während dieser Entwicklungsphase sind die Expressionsmuster der beiden Isoformen weitgehend überlappend, wohingegen in adulten Tieren in verschiedenen Geweben isoformspezifische Expressionsmuster auftreten. Diese Ergebnisse deuten auf funktionelle Unterschiede der beiden Hämocyanin-Isoformen hin, und somit darauf, dass Hämocyanin neben dem Transport von Sauerstoff noch weitere Funktionen ausüben könnte (Streit et al., 2005). Weiterhin wurden Untersuchungen zur Primär- und Sekundärstruktur der Hämocyanine aus H. tuberculata und zwei weiteren Arten (Megathura crenulata und Aplysia californica) durchgeführt. Von den Vetigastropoden M. crenulata und H. tuberculata konnten die für die beiden Hämocyanin-Isoformen kodierenden cDNA-Sequenzen vervollständigt werden. Von HtH1 und HtH2 wurden zudem die Gensequenzen komplettiert. Die Sequenzen des KLH1-Gens wurden bis auf 24 bp der 5’UTR und die für das Signalpeptid 1 kodierenden 33 bp ermittelt. Erstmals ist es gelungen, Promotorsequenzen von Mollusken-Hämocyanin-Genen zu sequenzieren. Für HtH2 wurden 181 bp und für KLH2 906 bp des Promotors analysiert. Beide Gensequenzen weisen das konservierte Sequenzmotiv der TATA-Box auf. Wie bei H. tuberculata treten auch bei M. crenulata die beiden Isoformen in unterschiedlichen Mengenverhältnissen in der Hämolymphe auf. In den bisher analysierten Sequenzen dieser beiden Gastropoden konnten keine regulatorischen Elemente identifiziert werden, welche die differentielle Expression bedingen könnten. Die Genstruktur des Hämocyanins von A. californica konnte ebenfalls aufgeklärt werden. Die kodierenden Bereiche des AcH-Gens werden durch insgesamt 45 interne Introns fragmentiert. Im Gen liegen neun Insertionspositionen vor, in denen paraloge Introns inserieren. Zudem sind neun Introns ortholog zu internen Introns anderer Mollusken-Hämocyanin-Gene. Im Fall der paralogen und orthologen Introns handelt es sich um sehr ursprüngliche Introns, die bereits vor der Radiation der Mollusken inserierten. Damit widerlegen diese Ergebnisse die bisherige Annahme („Intron late”-Hypothese), der zufolge die Insertion interner Introns erst nach der Trennung der Gastropoden und Cephalopoden eingesetzt haben soll. Im Zuge dieser Sequenzanalysen ergaben sich zudem Hinweise auf die Existenz einer weiteren AcH-Isoform, da 13 Fragmente ermittelt wurden, die in den kodierenden Bereichen Sequenzunterschiede von bis zu 20% zu AcH 1 aufweisen. Die detaillierten Studien der Haliotis-Hämocyanine deckten einen weitreichenden phylogenetischen Informationsgehalt der Hämocyanin-Sequenzen auf. In weiterführenden Analysen wurden Teilsequenzen der Hämocyanin-Gene von 12 verschiedenen Haliotis-Arten amplifiziert. Der daraus rekonstruierte Stammbaum liefert entsprechend spezifischer Indels eine deutliche Auftrennung der Haliotidae in eine nordpazifische und eine europäischaustralasische Abstammungslinie. Anhand dieser Analyse lassen sich der phylogeographische Ursprung der Haliotiden aufzeigen (Streit et al., 2006) und deren Wanderungsbewegungen nachvollziehen. Hämocyanin-Daten wurden des Weiteren für phylogenetische Analysen auf höherem taxonomischem Niveau eingesetzt. Innerhalb der Klasse der Polyplacophoren wurden interfamiliäre Verwandtschaftsverhältnisse rekonstruiert. Für diese Analyse wurden Teilsequenzen der Hämocyanin-Gene 17 unterschiedlicher Arten ermittelt. Die phylogenetische Untersuchung zeigt, dass sich die Polyplacophoren eindeutig in die beiden Ordnungen der Lepidopleurida und Chitonida auftrennen, da die Chitonida eine spezifische „Deletion” aufweisen. Anhand dieses Merkmals kann auch Callochiton bouveti, der diese „Deletion” besitzt und dessen phylogenetische Einordnung bisweilen umstritten war, eindeutig den Chitonida zugeordnet werden. Innerhalb der Chitonida bilden sowohl die Chitonina als auch die Acanthochitonina monophyletische Gruppen.