Kopf- & Fußbildung der Hydra

Transkript

1 Kopf- & Fußbildung der Hydra

2 Übersicht I. Die Biologie der Hydra II. Modellierung der Hydra III. Experiment vs. Theorie

3 Übersicht I. Die Biologie der Hydra II. Modellierung der Hydra III. Experiment vs. Theorie

4 Übersicht I. Die Biologie der Hydra II. Modellierung der Hydra III. Experiment vs. Theorie

5 0. Die Hydra in der Mythologie Neunköpfiges Seeungeheuer Herakles sollte diese in einer seiner 12 Aufgaben töten Hilfe durch Neffen Lolaos

6 I. Die Biologie der Hydra Arten & Lebensraum Körperbau Regenerationsfähigkeit

7 I.1 Arten und Lebensraum Süßwasserpolypen (Hydra) sind eine Gattung aus dem Stamm der Nessel-/Hohltiere mit 10 Arten Hydra vulgaris bzw. Hydra sp. (Gemeiner oder Brauner Süßwasserpolyp) Hydra viridissima (Grüne Hydra)

8 I.1 Arten und Lebensraum Einfach gebaute vielzellige Organismen ohne echte Organe die bis zu 3 cm groß werden Stehenden und fließenden Gewässern bis zu 300 m Tiefe mikroskopisch kleinen Einzellern Kleinkrebse, Mückenlarven,Würmchen

9 I.2 Körperbau 2 Gewebeschichten: Ektoderm (Epidermis) & Entoderm (Gastrodermis) mit Muskel- & Nervenzellen dazwischen gallertartige, zellfreie Stützschicht (Mesogloea) Fußscheibe (Basalplatte) Kopf mit Mund- & gleichzeitiger Ausscheidungsöffnung darum gruppierten 4-20 Tentakel draweb.html

10 I.3 Regenerationsfähigkeit Stationäres Embryostadium Zellen der Hydra werden ständig erneuert Bildung primär im Bauchbereich durch sog. Interstitielle Zellen (= pluripotente Stammzellen) wandern distal Differenzieren sich in entsprechende Zellen

11 I.4 Regenerationsfähigkeit aus fortwährender zellulärer Grunderneuerung des Organismus folgt: theoretisch unendlich alt Neubildung von amputierten Extremitäten mechan. Zerstückelung führt zur Bildung von weiteren Hydren aus Bruchstücken Aufgrund beispielsloser Regenerationsfähigkeit DER Modellorganismus für Entwicklungsbiologie!

12 Zentrale Fragen Woher wissen die im Bauchbereich gebildeten Zellen was aus Ihnen werden soll? Wie kann es sein das sich aus Bruchstücken neue Hydren ausbilden? (Trembley, 1744) IOL3530/DB_Ch13/DBNRegen.html Meinhardt, H., Wie Schnecken sich in Schale werfen. 1997, Berlin: Springer Verlag. Es muss Mechanismus zur Erkennung / Erhaltung der Polarität (Kopf-Fuß-Richtung) geben!

13 Zentrale Fragen Wie kann es sein das aus einem anfangs homogenen Zellhaufen ein differenzierter Organismus entsteht? Entnommen aus Vorlesung von Prof. Tavan Morphogenetisches Feld Aktivator - Inhibitor Modell

14 Übersicht I. Die Biologie der Hydra II. Modellierung der Hydra III. Experiment vs. Theorie

15 II. Modellierung der Hydra 1. Das Spielzeugmodell 2. Die Hypothese von Turing 3. Struktur- & Musterbildung 4. Aktivator-Inhibitor Modell 5. Mathematische Formulierung durch Gierer & Meinhardt 6. Gradienten in der Hydra 7. Die Quelldichte s

16 II.1 Das Spielzeugmodell Zur theoretischen Beschreibung wird Hydra auf das Wesentlichste reduziert Alan Turing (1952)

17 II.2 Die Hypothese von Turing Hypothese von Turing: Morphogenetisches Feld steuert Zelldifferenzierung Entnommen aus Vorlesung von Prof. Tavan

18 II.3 Struktur- & Musterbildung strukturierte Gebilde aus homogenen Anfangsverteilungen Struktur-erzeugende Prozesse: kleine Störungen mit positiver Rückkopplung (= Selbstverstärkung) weiteres Anwachsen der Störung (z.b. Sanddüne) Selbstverstärkung allein Zustand geht wieder in einen strukturlosen Zustand über (z.b Waldbrand)

19 II.3 Struktur- & Musterbildung Strukturbildung impliziert: an einem Ort geschieht etwas, was in einer weiteren Umgebung nicht geschieht Inhibition muss positiver Rückkopplung entgegenwirken Inhibition muss sich schneller ausbreiten als die selbstverstärkende Reaktion Grundprinzip der Strukturbildung: Primäre Musterbildung durch lokale Selbstverstärkung und langreichweitige Inhibition!

20 II.4 Aktivator-Inhibitor Modell Beteiligung von zwei Substanzen notwendig Stoff a (=Aktivator) steuert die Bildung einer Struktur & Stoff b (= Inhibitor) hemmt diese a ist Autokatalyt (positive Rückkopplung) Bildung von a führt automatisch zu Bildung von b a: langsame Ausbreitung & Zerfall kurzreichweitige Wirkung b: schnelle Ausbreitung & Zerfall langreichweitige Wirkung Zu beginn: instabiles Gleichgeweicht von a und b

21 II.5 Das Gierer-Meinhardt Modell beschreibt nichtlineares System mit Rückkopplung, sog Reaktions- Diffusionsgleichungen D i s: Diffusionskonstanten, r i s: Zerfallsraten a 2 : beschreibt autokatalytische Bildung, 2 Aktivatormoleküle müssen Komplex bilden, um Synthese weiterer Moleküle anzuregen Meinhardt, H. Biologie in unserer Zeit, 31.Jahrgang 2001, Nr1, b b a a a 2 x b D b r sa t b x a D a r b b a s t a!! + " =!!!! + # " # $ % & & ' ( + =!!

22 II.5 Das Gierer-Meinhardt Modell 1/b: Hemmung der Produktion von a durch Inhibitor b b a : kleine a-unabhängige Grundproduktion, um Autokatalyse in Gang zu setzten S ist Quelldichte, beschreibt lokale Produktionsrate durch Zellen minimale Schwankung löst lokale Störung aus Meinhardt, H. Biologie in unserer Zeit, 31.Jahrgang 2001, Nr1, b b a a a 2 x b D b r sa t b x a D a r b b a s t a!! + " =!!!! + # " # $ % & & ' ( + =!!

23 II.5 Das Gierer-Meinhardt Modell für D i und r i : D b» D a r b r a (langreichweitige Inhibition) (schnelle Reaktion von b auf Veränderungen von a, sonst entstehen Oszillationen) Für erste Idee für Lösungsverhalten, betrachte Diffusion im Potenzialtopf: Entnommen aus Vorlesung von Prof. Tavan

24 II.5 Das Gierer-Meinhardt Modell Form der Reaktions-Diffusionsgl. bedingt: Anfangs homogene Verteilung von a kann durch lokale Fluktuationen der a-konzentration in eine polare zerfallen (spontaner Symmetriebruch) Sackmann Skript Kap.III, S135 Symmetriebruch

25 II.5 Das Gierer-Meinhardt Modell Globale Störung: a führt global zu b Rückführung in GG-Zustand Lokale Störung: a führt lokal zu b, jedoch schnelle Ausbreitung in Umgebung wo er a hemmt keine Rückführung in GG-Zustand am Ort der Störung a, jedoch in Umgebung a Entnommen aus Vorlesung von Prof. Tavan

26 II.6 Gradienten in der Hydra gemäß Modell: Kopf- & Fußbildung unter Kontrolle von separaten Aktivator- Inhibitor-Systemen (Bode & Bode 1984) Systeme gekoppelt über Quelldichte s, sog. Positionswert (Müller 1996) Kopfaktivator a K wird in Regionen mit hohem s gebildet und erhöht diese weiter Fußaktivator a F wird in Regionen mit niedrigem s gebildet und erniedrigt diese weiter Meinhardt, H. (1993) dev. Biol. 157,

27 II.6 Gradienten in der Hydra Meinhardt, H. (1993) dev. Biol. 157, violett = a K ; schwarz = a F ; grün = s

28 II.7 Die Quelldichte s S ist ein Maß für die Dichte der differenzierten Zellen, bzw. bedingt die Produktion von Aktivatoren Wegen pos.feedback von a auf s, hat die Quelldichte auch das Profil eines Gradienten Änderungen von s benötigt mehr Zeit als Änderungen der a-konz.(positionswert) (Wolpert,1969) Der Quelldichte-Gradient legt somit die Polarität der Hydra fest

29 Übersicht I. Die Biologie der Hydra II. Modellierung der Hydra III. Experiment vs. Theorie

30 III.Experiment vs. Theorie 1. Regeneration 2. Transplantationsexperimente

31 III.1 Regeneration IOL3530/DB_Ch13/DBNRegen.html violett = a K ; schwarz = a F ; grün = s

32 III.1 Regeneration Meinhardt, H., Wie Schnecken sich in Schale werfen. 1997, Berlin: Springer Verlag. violett = a K ; schwarz = a F ; grün = s

33 III.5 Transplantationsversuche rot = a K blau = b K Entnommen aus Vorlesung von Prof. Tavan Entnommen aus Vorlesung von Prof. Tavan Nach 0 h ist Kopf-Inhibitor b K noch nicht zerfallen!

34 III.5 Transplantationsversuche Nach 6 h ist b K zerfallen! violett = a K ; schwarz = a F ; grün = s Gewebe nur noch charak. durch s Zeigt bei Implantation Abstandsabhängigkeit, wegen b K in Akzeptorhydra Entnommen aus Vorlesung von Prof. Tavan rot = a K blau = b K

35 IV. Zusammenfassung Hydra ist ein witziges Tierchen beispielloses Regenerationsvermögen Der Modellorganismus in der Entwicklungsbiologie gut zugänglich für Experimente Verhalten mathematische Modelle fassbar