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Die Rolle des mit Mikrotubuli assoziierten Proteins Hmmr bei der Vorderhirnentwicklung und im Wnt-Signalweg
(2025) Wielath, Fee Mercedes; Feistel, Kerstin
Musterbildung und Morphogenese sind grundlegende Prozesse für die Gestaltung der embryonalen Morphologie während der Entwicklung. Morphogene, extrazelluläre Botenstoffe mit konzentrationsabhängiger Wirkung, induzieren Zellschicksale im räumlichen und zeitlichen Kontext und steuern so die Musterbildung in embryonalen Geweben. Daran anschließend sind Zellformveränderungen und Zellmigration essenziell, um morphogenetische Bewegungen wie Krümmung, Faltung und Streckung des Gewebes und somit die Formgebung des Embryos zu ermöglichen. Häufig regulieren dieselben Botenstoffe sowohl die Musterbildung als auch die Morphogenese. Wie embryonale Zellen dabei unter dem Einfluss dieser Signalwege vom genregulierten Erwerb spezifischer Zellschicksale zu morphogenetischen Bewegungen übergehen, die durch die Dynamik des Zytoskeletts gesteuert werden, ist weitgehend unverstanden. Die Wnt-Signalwege spielen hierbei eine zentrale Rolle, da sie sowohl Zellschicksal, Proliferation und Differenzierung als auch Zellpolarität und morphogenetische Prozesse regulieren. Interessanterweise gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass das Mikrotubuli (MT)-Zytoskelett sowohl bei der Wnt-vermittelten Musterbildung als auch bei Wnt-vermittelten morphogenetischen Bewegungen eine Schlüsselrolle einnimmt. Dies legt nahe, dass die Modulation des MT-Zytoskeletts entscheidend für das Umschalten zwischen beiden Prozessen sein könnte. Eine Wechselwirkung zwischen dem Zytoskelett und der Wnt-Signaltransduktion könnte demnach Zellantworten präzise abstimmen und die sich entwickelnde Morphologie des Embryos steuern. In dieser Studie wurde die funktionelle Interaktion zwischen dem MT-Zytoskelett und dem Wnt-Signalweg im Afrikanischen Krallenfrosch Xenopus laevis analysiert. Im Fokus stand dabei das Mikrotubuli-assoziierte Protein (MAP) Hmmr, das von zentraler Bedeutung für die Regulation des MT-Zytoskeletts beim mesenchymal-epithelialen Übergang (MET) ist. MET ist ein morphogenetischer Prozess, der natürlicherweise in einer Vielzahl embryonaler Gewebe stattfindet, aber auch bei pathologischen Veränderungen im adulten Organismus wie bei der Krebsmetastasierung eine Rolle spielt. MET wird durch das reziproke Zusammenspiel des kanonischen Wnt / Ctnnb1- und des nicht kanonischen Wnt / PCP-Signalwegs gesteuert. Eine Interaktion zwischen Hmmr und dem nicht-kanonischen Wnt / PCP-Signalweg bei der MET-vermittelten Vorderhirnentwicklung in Xenopus hatte nahegelegt, dass das MT-Zytoskelett und Hmmr auch bei der Regulation des kanonischen Wnt-Signalwegs im MET eine entscheidende Rolle spielen. Um die Rolle von Hmmr in Wnt-vermittelten MET-basierten Prozessen wie der Vorderhirnentwicklung zu verstehen, wurde zunächst das Zusammenspiel von hmmr und zic2, einem transkriptionellen Regulator von Wnt und essenziellem Faktor für die Entstehung des dorsalen Vorderhirns, analysiert. zic2 und hmmr trugen dabei zusammen in einem gemeinsamen Regulationsmechanismus zum Neuralrohrschluss bei. Zudem zeigte sich, dass hmmr die eigene Transkription in einer Rückkopplungsschleife kontrolliert und im Funktionsverlust verschiedene hmmr-Isoformen kompensatorisch exprimiert werden. Die MT-Bindung von Hmmr war bereits in frühen Entwicklungsphasen essenziell für koordinierte Zellbewegungen im Rahmen des MET – insbesondere während der Epibolie und der Neurulation – und war dabei auf ein intaktes Fibronektin-Netzwerk angewiesen. Darüber hinaus wurde eine funktionelle in vivo-Interaktion zwischen Hmmr und Ctnnb1, dem transkriptionellen Ko-Aktivator des kanonischen Wnt-Signalwegs, nachgewiesen. Diese beeinflusste sowohl Zellschicksale als auch Zellmorphologie. Hmmr modulierte den kanonischen Wnt-Signalweg durch Interaktion mit dem Mediator Dvl2, einem zentralen Faktor beider Wnt-Signalzweige. Diese Modulation erfolgte über das MT-Zytoskelett als strukturelle Integrationsplattform zur Steuerung der Morphogenese und erforderte die Bindung von Hmmr an MT. Insgesamt unterstützen die Ergebnisse die Hypothese, dass Hmmr eine entscheidende Rolle als Mediator zwischen dem kanonischen Wnt-Signalweg und dem MT-Zytoskelett spielt. Die MT-abhängige funktionelle Interaktion von Hmmr mit Dvl2 legt nahe, dass diese beiden Faktoren gemeinsam das Umschalten von transkriptioneller zu morphogenetischer Aktivität im Wnt-abhängigen MET während der Embryonalentwicklung koordinieren. Die hier gewonnenen Erkenntnisse tragen nicht nur zum grundlegenden Verständnis der Embryonalentwicklung bei, sondern liefern auch neue Einsichten in Pathomechanismen der Krebsmetastasierung.
Entstehung und Morphogenese des Vorderhirns - Die Rolle des mit Mikrotubuli assoziierten Proteins Hmmr in Xenopus laevis
(2020) Nickel, Angela; Feistel, Kerstin
The anlage of the central nervous system is formed during early embryonic development. The neuroectoderm establishes the neural plate which folds up to form the neural tube, a process that requires extensive cell rearrangements. During further embryogenesis the anterior part of the neural tube develops into the brain while the posterior part forms the spinal cord. Disturbances during neural tube closure (NTC) lead to severe developmental aberrations. Occurrence of specific neural tube defects indicates a distinct regulation of NTC along the anterior-posterior axis. For example, the severe malformation craniorachischisis is characterized by a failure to close the neural tube from hindbrain levels onwards, while the forebrain region develops normally. This distinct regulation presents itself in the wildtype in a delay between cranial and caudal NTC. While the mechanisms leading to posterior NTC are quite well understood, the morphological processes at the future forebrain level are largely unknown. The aim of this dissertation was to identify cell and tissue morphogenetic processes which are required for the formation and development of the anterior neural tube. As the underlying changes in cell shape as well as cell migration depend on the regulation of the cytoskeleton, the role of the microtubule-associated protein Hmmr was analyzed in the model organism Xenopus laevis. HMMR is a breast cancer susceptibility gene with described roles mainly in the tumor context, regulating cell motility and maintenance of mitotic spindle integrity. In Xenopus, gain as well as loss of function of hmmr delayed NTC and led to defects during further forebrain development. Loss of hmmr impaired separation of telencephalic hemispheres, resembling the human malformation “middle interhemispheric variant of holoprosencephaly”. Failure of ventricle separation could be traced back to disturbed roof plate formation. This was due to impaired NTC resulting from a lack of neural cell convergence. Tissue convergence at the forebrain level is mediated by radial intercalation (RI). During the required regulation of cell polarization and elongation via the microtubule cytoskeleton, hmmr cooperated with the core component of the planar cell polarity (PCP) pathway vangl2, which had been solely characterized as a factor for posterior NTC so far. In addition, experiments with hmmr deletion constructs missing functional domains at the amino- and/or carboxyl-terminus, revealed that elongation and intercalation are distinct processes which are regulated differentially via specific domains of Hmmr. RI required direct binding of Hmmr to microtubules, suggesting that Hmmr influences intercalation movements by regulating dynamic instability of microtubules. RI is essential for mesenchymal to epithelial transition (MET), a physiological morpho- genetic process, which is also involved in establishing tumor metastases in a pathological context. MET is regulated by concerted interaction of canonical Wnt / beta-Catenin and non- canonical Wnt / PCP signaling. Further tissue-specific loss of function experiments uncovered a general role for hmmr in Wnt-modulated RI / MET processes during gastrulation as well as during pronephros and tailbud development in Xenopus. The results suggest that Hmmr regulates microtubule dynamics. Since canonical as well as non-canonical Wnt signaling have been associated with microtubules, hmmr could act as a molecular switch to regulate the activity and interplay of two signaling pathways. This thesis thus identified a new physiological role for the microtubule-binding protein Hmmr, which up to now had been mainly studied in the cancer context. It was shown that Hmmr-mediated RI is a major driving force for anterior NTC. In addition, Hmmr was identified as an essential regulator of microtubule-dependent Wnt signaling in MET processes.