Genetik der Vulva-Entwicklung

Eine rein beschreibende Darstellung, wie sich die Vulva entwickelt, findet man auf meiner Seite Entwicklung der Vulva von C. elegans. Damit man weiß, was man unter 1⁰, 2⁰ und 3⁰-Schicksal versteht, wiederhole ich das hier kurz (Oder man lese sie vorher).

1⁰-Schicksal = Bildung der zentralen Röhre der Vulva, normalerweise von P6.p
2⁰-Schicksal = Bildung einer Halbröhre um die zentrale Röhre herum, normalerweise P5.p und P7.p
3⁰-Schicksal = keine Beteiligung an der Bildung der Vulva, sondern an der Hypodermis,

In der Abb.1 sind die anatomischen Verhältnisse, die in Bezug auf die Entwicklung der Vulva von Bedeutung sind, wiedergegeben. P3p bis P8p sind die Vulva-Precursor-Zellen (VPC). Diese 6 Zellen stammen alle von der Zelle ABp ab. Sie sind untereinander äquivalent, d.h. jede von ihnen kann alle drei Schicksale 1⁰, 2⁰, 3⁰ annehmen. Sie sind dadurch charakterisiert, dass sie alle das Gen lin-39 exprimieren und dadurch in die Lage versetzt werden, eine Vulva zu bilden. Es werden aber nur drei von ihnen die Vulva bilden, die anderen drei werden zu Hypodermiszellen. So bildet sich unter normalen Bedingungen aus den P3.p bis P8.p-Zellen das Muster 3⁰-3⁰-2⁰-1⁰-2⁰-3⁰ (also P5.p bis P7.p sind die eigentlichen Vorläufer der Vulva). Werden drei der VPCs zerstört, so bilden die restlichen drei dieses Muster: 2⁰-1⁰-2⁰. D.h. dass auch dann noch eine komplette Vulva gebildet werden kann, weil das Schicksal 3⁰ ja nicht zur Vulva gehört.

Abb.1
Anatomie von C. elegans. Lage der VPCs (Vulva precursor cells).

Unter den VPCs liegt die Hypodermis, die aus einem Syncytium besteht. Von ihr gehen hemmende Signale aus (codiert vom Gen lin-15), die die VPCs daran hindern von sich aus eine Vulva zu bilden. Ist in den Hypodermiszellen das Gen lin-15 mutiert, so bilden die VPCs von sich aus eine Vulva (s.Abb.2 unten rechts). Es wird also von diesem Gen ein Signalstoff gebildet, der sezerniert wird und wodurch die VPCs an der Bildung einer Vulva gehindert werden.
Die Ankerzelle verbindet die Vulva mit der Gonade. Mit oder ohne Ankerzelle entsteht in lin-15-Mutanten das Muster 2⁰-1⁰-2⁰-1⁰-2⁰-1⁰ (s. Abb.2 unten links). Benachbarte Zellen mit jeweils 1⁰ kommen nicht vor. Daraus geht nun seinerseits hervor, dass die Zelle mit 1⁰ ebenfalls eine laterale Hemmung an die Nachbarn sendet, so dass sie nicht das 1⁰-Schicksal ausbilden können, wenn sie schon auf dem Wege dazu sind, es zu werden. Dieses Signal wird durch das Gen lin-12 codiert (s.a. weiter unten). Sind die VPCs in diesem Gen mutiert, so werden alle vulva precursor Zellen zu 1⁰. In Nullmutanten von lin-12 induziert die Ankerzelle in 3 Zellen das Schicksal 1⁰. lin-12 codiert für einen Rezeptor, der auf ein Signal von 1⁰ reagiert und die Zellen zu 2⁰ werden läßt (s.u.).
Die Ankerzelle hebt das hemmende Signal, das von lin-15 ausgeht, auf, wenn sie die Bildung der Vulva induziert. Die Ankerzelle bestimmt, welche der 6 Zellen das primäre Schicksal 1⁰ annimmt. Sie induziert dieses Schicksal in der nächstgelegenen vulva precursor Zelle durch Sekretion eines Signalstoffes. Dafür ist das Gen lin-3 zuständig. Wird die Ankerzelle verschoben, so wird die nächstliegende vulva precursor Zelle zum 1⁰, deren Nachbarn zu 2⁰. Auch eine gewisse Entfernung ist möglich, was zeigt, dass das Signal diffusibel ist.

Abb.2 Einige Mutantentypen
Oben: Wildtyp mit oder ohne Ankerzelle. Links ist also der Normalfall dargestellt, rechts der Typ, der entsteht, wenn man die Ankerzelle zerstört.
Mitte: Dieser Typ entsteht, wenn lin-3 oder ein Gen, das für die Induktion, die von der Ankerzelle ausgeht, mutiert ist.
Unten: Diesem Typ fehlen den VPCs die Möglichkeiten, die Entwicklung einer Vulva zu hemmen, was ebenfalls auf der Mutation verschiedener Gene beruhen kann.
(Veränderte Abb. nach Gerhard und Kirschner)

lin-3 Nullmutanten haben keine Vulva, weil in ihnen die Ankerzelle den Signalstoff nicht bilden kann (s. Abb.2 Mitte links). Stellt man transgene Mutanten her, die das Gen wieder besitzen, so haben sie wieder eine Vulva. Transgene Tiere mit mehreren lin-3-Genen haben viele Vulven (Abb.2 unten links), was die Hypothese weiter bestätigt, weil so wohl mehr Signalstoff sezerniert wird. Entfernt man letzteren die Ankerzelle, so fehlt ihnen eine Vulva, was verständlich ist, weil ja die Ankerzelle den Signalstoff sezerniert. Also codiert lin-3 wohl das Induktions-Signal zur Bildung einer Vulva.
Das lin-3-Protein ist ein Transmembranprotein, das extrazelluläre EGF-Einheiten aufweist, es wird in zwei Formen hergestellt (durch unterschiedliches splicing), die eine Form ist um 15 Aminosäuren länger auf der extrazellulären Seite als die andere, wodurch EGF auf der extrazellulären Seite abgespalten werden kann. Das bedeutet, dass die erste Form nur durch direkten Zell-Kontakt: wirken kann, die andere dagegen über eine größere Entfernung dadurch, dass EGF-Einheiten abgespalten werden und zu weiter entfernt gelegenen Zellen diffundieren. lin-3 wirkt so als sog. Morphogen, d.h. über einen Konzentrationsgradienten werden verschiedene Schicksale induziert. Nahe der Zelle das 1⁰-Schicksal und weiter entfernt das 2⁰-Schicksal.
Um das zu beweisen, wurde ein Reportergen hergestellt, in dem lacZ in das erste Exon von lin-3 kloniert wurde. Wie zu erwarten war, fand eine Expression nur in der Ankerzelle statt.

let-23 und let-60 codieren Rezeptor- und Signal-Proteine zur Vulvainduktion

let-23 Nullmutanten sind ohne Vulva, auch dann wenn sie eine intakte Ankerzelle besitzen (Abb.2 Mitte links). Es stellte sich dann heraus, dass das Gen let-23 einen Transmembranrezeptor codiert, der über Tyrosinkinase-Aktivität Gene anschaltet (über den Rezeptor-Tyrosinkinase-Ras-Weg). Dieser Rezeptor wird durch lin-3 Produkte aktiviert.

Abb. 3 Wechselwirkungen zwischen den Zellen, die an der Bildung der Vulva beteiligt sind.
Von der syncytialen Hypodermis geht ein hemmendes Signal aus (hyp7).
Lin-3 stellt das induktive Signal dar, das von der Ankerzelle gesendet wird.
Let-23 bildet einen Rezeptor, der auf das lin-3-Signal reagiert und die Signalkette zur Bildung des 1⁰-Schicksals in Gang setzt.
Von der 1⁰-Zelle wird ein laterales Signal (LS) gesendet, das die Nachbarzellen hemmt, ebenfalls zu 1⁰-Zellen zu werden. Dieses Signal nehmen sie über den lin-12-Rezeptor auf.
Die Abb. stammt von Gerhard und Kirschner.

Dieser Rezeptor setzt nun eine Signalkette in Gang. In dieser Signalkette spielt das Produkt von let-60 eine wichtige Rolle, das wie ein Schalter wirkt. Ist es mutiert, so ist das Tier ohne Vulva, auch dann wenn lin-3 und let-23 intakt sind. Hat ein Tier mehrere let-60-Gene so entsteht ein Multivulvatyp. Zusammen genommen induziert wohl let-23 bei der Vulvainduktion let-60. Das letzte Glied in dieser Kette ist das LIN-31-Protein. Wenn dieses Protein, das sich im Kern befindet, phosphoryliert wird, so verliert es ein hemmendes Protein und setzt die Transcription der Gene, die zur Bildung der Vulva erforderlich sind in Gang.
Die Ausbildung des 1⁰ oder 2⁰-Schicksal wird in zwei Schritten erreicht, die so angelegt sind, dass ein sicheres Erreichen des Endzustandes gewährleistet ist. Daher ist eine solche Verschaltung von Vorgängen nicht nur in diesem Beispiel so, sondern ist von allgemeiner Bedeutung. Das erste Signal das von lin-3 ausgeht, führt dazu, dass die Empfänger in einen Zustand 1⁰-2⁰ gelangen, der darin besteht, dass die Zelle versucht, das 1⁰-Schicksal anzunehmen und seine Nachbarzellen gleichzeitig daran hindert dasselbe zu tun. Die Zellen beginnen damit ein neues Signal auszusenden, das auf den Rezeptor gerichtet ist, der durch das Gen lin-12 gebildet wird. Wird dieser Rezeptor aktiviert, so wird die Zelle gehemmt das 1⁰-Schicksal anzunehmen und zwar dadurch dass sie erstens mehr von diesem Rezeptor bildet und dadurch für die Hemmung noch empfindlicher wird und zweitens weniger von dem hemmenden Signal bildet. Durch diesen Mechanismus wird gewährleistet, dass die Zelle, die am schnellsten auf dem 1⁰-Schicksalsweg ist, die anderen hemmt, auch diesen Weg einzuschlagen.

Quellen:
Gerhard, J. und Kirschner, M. Cells, Embryos and Evolution, Blackwell Science, 1997
Gilbert, S. F. Developmental Biology, Sinauer, Sunderland, 2000, S. 157

Kontakt:: Kontakt: Mario.Hupfeld@uni-konstanz.de
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