Entschlüsselung von Zelldifferenzierungsprozessen während der Gastrulation und frühen Organogenese

• Antragsteller: Dr. Markus Mittnenzweig
• Fachliche Zuordnung: Entwicklungsbiologie ; Bioinformatik und Theoretische Biologie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449433705

Einer der grundlegendsten und bemerkenswertesten Prozesse in der Biologie ist die Transformation einer einzelnen befruchteten Eizelle in einen vollständigen mehrzelligen Embryo innerhalb eines kurzen Zeitraums. Im Mausembryo wird innerhalb von nur 48 Stunden der grundlegende Körperplan definiert. Eine einzelne Schicht pluripotenter Zellen verwandelt sich in eine dreischichtige Struktur, die Keimbahnen, aus der direkt anschließend die Hauptkörperachsen und ersten Organe hervorgehen (frühe Organogenese). Die diesem Zelldifferenzierungsprozess zugrundeliegenden Mechanismen sind zu einem Großteil ungeklärt, da die Genexpressionsprofile der Zellen sich während der Gastrulation schnell verändern und zudem räumlich stark variieren. Außerdem gehen Zelldifferenzierungsentscheidungen aus dem Zusammenspiel verschiedener extra- und intrazellulärer Signale hervor wie z.B. kleinen Signalmolekülen, Transkriptionsfaktoren, Rezeptoren und epigenetischen Modifikationen. Fortschritte in der Einzelzellgenomik ermöglichen es mittlerweile, die Transkriptome von Millionen einzelner Zellen mit beispielloser molekularer Auflösung zu bestimmen. In einem ersten Schritt werde ich diese Technologien mit neuen experimentellen Techniken und Algorithmen und Modellen kombinieren, die es ermöglichen werden, räumlich-zeitliche Genexpressionskarten des gastrulierenden Embryos zu erstellen, d.h. jedem einzelnen Zelltranskriptionsprofil wird eine Zeitkoordinate und Position innerhalb des Embryos hinzugefügt und Zellen benachbarter Zeitpunkte werden über Trajektorien miteinander verbunden. Diese räumlich-zeitlichen Genexpressionskarten dienen anschließend als Grundlage um die extrinsischen und intrinsischen Signale, die zellulären Differenzierungsprozessen zugrunde liegen, systematisch voneinander zu trennen. Zu diesem Zweck werde ich zusätzlich ein in vitro Mausembryoid-Modell verwenden, das einen gastrulationsähnlichen Differenzierungsprozess durchläuft. Der Schwerpunkt wird auf der Entwicklung eines umfassenden Modells für die Geneexpression des Primitivstreifens und einem besseren Verständnis der frühen Mesoderm-Strukturierung liegen. Genetische Störungsexperimente werden verwendet, um die Wirkung spezifischer Gene in vivo und in vitro zu validieren. Die Wirkung extrazellulärer Signalmoleküle wird untersucht werden, indem die Embryoidmodelle zu bestimmten Zeitpunkten während ihrer Entwicklung unterschiedlichen Konzentrationslevels ausgesetzt werden. Die Bestimmung von DNA-Methylierungs-Levels in Kombination mit genetischen Störungen der DNA-Methylierungsmaschinerie wird dazu beitragen, mögliche epigenetische Beeinflusser von Zelldifferenzierungsprozessen zu identifizieren. Mein längerfristiges Ziel besteht darin, quantitative Modelle von embryonischen Entwicklungsprozessen zu entwickeln, die massive experimentelle Einzelzelldaten in einen mechanistischen und interpretierbaren Rahmen integrieren.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Israel
• Gastgeber: Professor Dr. Amos Tanay