Untersuchungen zum Organwachstum

Mit Nanobodies aus Kamelen

Forscher am Biozentrum der Universität Basel haben eine neue Untersuchungsmethode mit Nanobodies entwickelt. Mit dem sogenannten „Morphotrap“ konnte nun erstmals in der Fruchtfliege die Funktion des Morphogens Dpp, das für das Flügelwachstum eine wichtige Rolle spielt, bestimmt werden.

Das Signalmolekül Decapentaplegic (Dpp) spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Flügels in der Fruchtfliege. (Illustration: Universität Basel, Biozentrum)

Auch zukünftig lässt sich die Methode für viele weitere Untersuchungen zum Organwachstum einsetzen. Die Ergebnisse der Studie sind jetzt im Fachjournal „Nature“ publiziert.

Zwei grundlegende Prozesse, die die Organentwicklung steuern, sind das Größenwachstum und die Regulation der räumlichen Form. Die Forschungsgruppe von Prof. Markus Affolter am Biozentrum der Universität Basel hat nun die Methode „Morphotrap“ entwickelt, mit der sie die Entwicklung des Flügels in der Fruchtfliege untersuchten.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass das Signalmolekül Dpp, ein sogenanntes Morphogen, das Größenwachstum im Zentrum der Imaginalscheibe des Flügels, nicht aber das Wachstum der peripheren Bereiche beeinflusst. Es ist das erste Mal, dass zu einer solchen Untersuchung ein Anti-GFP-Nanobody erfolgreich eingesetzt wurde. Diese Methode ermöglicht auch zukünftig neue Untersuchungen zur Organentwicklung.

Neue Methode „Morphotrap“: Nanobodies visualisieren Größenwachstum
Nanobodies sind kleinste Antikörperfragmente, die von Kamelen gewonnen werden, und mit deren Hilfe sich Moleküle im lebendigen Organismus greifbar machen lassen. Bei der Methode „Morphotrap“ setzen die Wissenschaftler um Affolter Anti-GFP-Nanobodies ein. Diese Nanobodies ermöglichen es, die Funktionen von GFP-markierten Proteinen im lebenden Organismus schneller und gezielter zu untersuchen als mit herkömmlichen Methoden.

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„Diese Anti-GFP-Nanobodies halten das Morphogen Dpp an unterschiedlichen Stellen im Flügel zurück, so dass sich der Einfluss von Dpp auf das Wachstum erkennen und verändern lässt“, erklärt Stefan Harmansa, Erstautor der Studie.

Morphogen Dpp reguliert Grössenwachstum im Zentrum der Imaginalscheibe
Um den Einfluss des Morphogens Decapentaplegic (Dpp) genauer zu bestimmen, untersuchte Affolters Gruppe die Flügelscheibe der Fruchtfliege, genauer gesagt die Imaginalscheibe. Diese ist das Vorläufergewebe des erwachsenen Fliegenflügels und dient als Modell für Untersuchungen zur Organentwicklung.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Morphogen Dpp lediglich für das Wachstum im Zentrum der Imaginalscheibe eine Rolle spielt. Die peripheren Bereiche wachsen auch dann, wenn wir Dpp daran hindern, in diese Regionen vorzudringen“, so Harmansa. „Mithilfe des GFP-Nanobodies konnten wir nun erstmals aufzeigen, inwieweit das Morphogen Dpp die Flügelgröße mitbestimmt und haben so eine der beiden vorherrschenden Theorien auf diesem Gebiet widerlegt“, sagt Harmansa.

Dass sich GFP-Nanobodies so erfolgreich für Untersuchungen in komplexen Lebewesen einsetzen lassen, ist eine große Errungenschaft. Auch für zukünftige Forschungsprojekte möchte Affolter die Methode nun verwenden: „Wir werden in einem nächsten Schritt untersuchen, wann das Morphogen Dpp zeitlich wirkt. Die Korrelation zwischen dem räumlichen und zeitlichen Einfluss von Dpp wird uns neue Erkenntnisse über das Organwachstum und vielleicht auch über mögliche Gründe für Störungen in diesem Prozesse liefern“, so Affolter.

Morphogene
Morphogene sind Signalmoleküle, die für ein korrektes Größenwachstum und für das richtige Muster bei der Entwicklung von Organen und Körperteilen sorgen. Die Konzentration der Moleküle im Gewebe ist dabei nicht gleichmäßig, sondern bildet einen Gradienten, der im Zentrum, der Quelle des Morphogens, eine hohe, in der Peripherie eine niedrige Konzentration aufweist. Dabei nimmt die Konzentration von dem Punkt aus, an dem das Morphogen gebildet wird, zum umliegenden Gewebe hin ab. In Abhängigkeit zur Konzentration aktiviert das Morphogen verschiedene Gene im Gewebe, die die Entwicklung von Form und Größe steuern.

Originalbeitrag:
Stefan Harmansa, Fisun Hamaratoglu, Markus Affolter & Emmanuel Caussinus: Dpp spreading is required for medial but not for lateral wing disc growth. Nature (2015), DOI: 10.1038/nature15712.

Weitere Auskünfte:
Prof. Dr. Markus Affolter
Universität Basel, Biozentrum
E-Mail: markus.affolter@unibas.ch

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