Prinzipien der Entwicklung und Formgebung in der Biologie


Kollegiaten

Dr. Anna Marciniak-Czochra

Dr. Fernanda Rossetti

Dr. Mihaela Zigman

 

Assoziiertes Mitglied

Dr. Almut Köhler

 

Mitarbeiter 

Christina Deichmann

Alexander Körner

Moritz Mercker

 

Kontaktadresse

Dr. Mihaela Zigman

Institut für Zoologie

Im Neuenheimer Feld 230

69120 Heidelberg

mihaela.zigman@cos.uni-heidelberg.de

 

Der tierische Organismus besteht aus einer Vielzahl von Zellen, die ursprünglich aus einer einzigen Zelle durch fortlaufende Zellteilungen hervorgegangen sind. Allerdings reicht diese Zellvermehrung allein nicht aus, um einen tierischen Organismus in seinem bekannten charakteristischen Erscheinungsbild entstehen zu lassen. Vielmehr müssen alle Zellen richtig miteinander verbunden, räumlich und zeitlich spezialisiert und organisiert werden, um funktionelle Gewebestrukturen bilden zu können. Das Verständnis der Prinzipien dieser Prozesse ist eine der großen Fragestellungen der Biologie.

Faltungsprozesse spielen hierbei eine zentrale Rolle. Durch diese werden zunächst homogene Zellverbände weiter untergliedert, so dass die verschiedenen Körperschichten mit ihren Hohlräumen und Organen entstehen. Im Vordergrund der Faltungsprozesse stehen dabei Veränderungen der mechanischen Eigenschaften von Zellen. Diese Veränderung der mechanischen Eigenschaften, welche zur Faltung führen, wird sichtbar durch eine Änderung in der Polarität der Zelle, d.h. der Organisation der Substrukturen innerhalb einer Zelle. Kontrolliert werden diese Prozesse durch ein hoch komplexes System steuernder Gene.

In diesem Projekt soll die Rolle der zellulären Polarität als Schnittpunkt all dieser Parameter während des entscheidenden Moments der Initiation des Faltungsprozesses in homogenen Zellschichten untersucht werden. Hierzu werden zwei Modellorganismen der Entwicklungsbiologie untersucht: der Süßwasserpolyp Hydra und der Krallenfrosch Xenopus. Ein Vergleich dieser evolutionär weit entfernten Modellorganismen erlaubt es, konservierte molekulare Mechanismen der Formbildung zu identifizieren. Durch Verwendung von neuen biophysikalischen Ansätzen zur gezielten Generierung von Morphogengradienten können diese Prozesse unter - in vivo - ähnlichen Bedingungen im Organismus untersucht werden. Die Einbeziehung neuer mathematischer Modellierungsansätze zur Simulation dieser Phänomene ermöglicht es, die funktionalen Mechanismen, welche den Prozessen der Formbildung zugrunde liegen, zu erfassen und zu analysieren.

Durch die enge Verzahnung der verschiedenen Disziplinen von moderner Zellbiologie, klassischer Entwicklungsbiologie und neuesten Methoden der Biochemie und Biophysik sowie der mathematischen Modellierung und Simulation wird es möglich sein, einen entscheidenden Beitrag zum funktionalen Verständnis der grundlegenden initiierenden Schritte der Entwicklung und Formgebung zu leisten.

Die biomedizinische Bedeutung der untersuchten Prozesse wird durch deren Beteiligung an der Entstehung von Tumoren, z.B. dem Colonkarzinom (dem zweithäufigsten Tumor in Deutschland) deutlich. Durch Mutationen von Genen, die in der Embryogenese an Änderungen der Zellpolarität beteiligt sind, kann es zur Aktivierung dieser Gene im erwachsenen Organismus kommen. Sind diese Gene aktiviert, durchlaufen die Zellschichten ähnliche Faltungs- und Wanderungsprozesse wie in der Embryogenese. Es kommt zur Entstehung von Tumoren und Metastasen.

verantwortlich: Redaktion
Letzte Änderung: 17.05.2011