Titelaufnahme

In der vorliegenden Arbeit sollten molekulare Signalzentren untersucht werden, die im Kaninchenembryo bei der Etablierung der Körperachsen und bei der Bildung des Mesoderms als dem ersten der drei Keimblätter während der Gastrulation beteiligt sind. Insbesondere sollte die Bedeutung des Hypoblasten, die ventrale Schicht der zweiblättrigen Keimscheibe, hinsichtlich seiner modulierenden Eigenschaften auf die Mesodermbildung im Epiblasten, der dorsalen Zellschicht, genauer untersucht werden. Das Kaninchen wurde aufgrund seiner in diesen Entwicklungsstadien für die experimentelle Analyse vorteilhaften Morphologie und einer etablierten Stadieneinteilung gewählt. Im ersten Teil der Untersuchungen wurde ein Kulturmodell für Keimscheiben des Kaninchens entwickelt, in dem der Hypoblast von Embryonen unterschiedlicher Entwicklungsstadien in toto reseziert und die Genexpression des Mesodermmarkers Brachyury nach Inkubation in vitro ermittelt werden kann: Während das Gen in kultivierten, hypoblastresezierten Embryonen in Stadien bis 24 Stunden vor Beginn der Primitivstreifenbildung von prinzipiell allen Epiblastzellen exprimiert wurde, trat diese experimentelle Brachyury-Expression in späteren Stadien nur innerhalb eines posterioren Areals der Keimscheibe auf, das zwar der physiologischen Expressionsdomäne entsprach, jedoch im Vergleich zur Kontrollgruppe wesentlich verbreitert war. Im Hypoblasten existiert somit ein Signalzentrum, das hemmend auf mesoderminduzierende Faktoren wirkt, wobei der Epiblast nur in einem engen stadienspezifischen Zeitfenster reagiert. Um die Natur der vom Hypoblasten ausgehenden Signale genauer zu untersuchen, wurden durch in situ Hybridisierungen an ganzen Keimscheiben unterschiedlicher Entwicklungsstadien mRNA-Expressionsmuster von Genen untersucht, die an diesen Musterungsprozessen beteiligt sind. Die Expression der Gap-Junction-Proteine Cx32 und Cx43 ist auf den Hypoblasten bzw. Epiblasten beschränkt und zeigt damit eine strenge konstitutive Trennung der interzellulären Kommunikation in der Keimscheibe auf; darüber hinaus bildet Cx32 schon in undifferenzierten Entwicklungsstadien im Hypoblasten eine anterior-posterior polarisierte Expressionsdomäne. Das Signalmolekül Wnt3 und der nachgeschaltete Transkriptionsfaktor Lef1 werden verstärkt in einem Areal exprimiert, in dem sich später der Primitivstreifen ausbildet; β-Catenin, das Wnt-Signale vom Zytoplasma in den Zellkern weiterleiten kann, wird erst zu Beginn der Primitivstreifenbildung verstärkt in Mesodermzellen exprimiert. Das Signalmolekül Cerberus-related1, ein Inhibitor Mesoderm induzierender Faktoren, zeigt zunächst eine dynamische Expression im anterioren Hypoblasten und findet sich später im anterioren Abschnitt des Primitivstreifens. Die Kulturexperimente und die Genexpressionsanalysen definieren damit neue Signalzentren, die an der Etablierung der Körperachsen beteiligt sind, und bilden die Grundlage für ein hypothetisches Modell, das geeignet ist, die initiale Entwicklung der Achsenpolarität im Säugerembryo zu beschreiben.

The aim of this work was to examine molecular signalling centres which help to establish the main body axis and to generate the mesoderm as the first of the three germ layers during gastrulation of the rabbit embryo. Of particular interest was to reveal the role of the hypoblast, the ventral layer of the two-layered embryonic disc, concerning its modulating properties on mesoderm generation in the dorsal epiblast layer. The study was performed on the rabbit embryo because of its advantageous morphology and an established classification of early developmental stages. In a first part, a culture model was established which allowed the hypoblast to be removed at different developmental stages prior to expression analysis of the mesoderm marker gene Brachyury: Following hypoblast resection 24 hours prior to primitive streak development, Brachyury was principally expressed by all epiblast cells of the cultivated embryos. Following the equivalent operation at older stages, Brachyury was expressed in a posterior area of the embryonic disc corresponding to the physiological expression domain, but this domain was considerably enlarged when compared with control embryos. These results support the idea, that in the hypoblast one or more signalling centres exist which antagonize mesoderm inducing factors and that the epiblast reacts to this inhibitory influence in a narrow stage-dependent time window. In a second part, embryonic discs of early gastrulation stages were examined by whole mount in situ hybridisation for mRNA-expression of several genes involved in early patterning processes to uncover the nature of signals emanating from the hypoblast: The expression of the gap junctional proteins Cx32 and Cx43 is restricted to the hypoblast and epiblast layer, respectively, showing a constitutive separation of intercellular communication in the embryonic disc. Moreover, Cx32 forms a polarised expression pattern along the anterior-posterior axis in the morphologically undifferentiated early stages. The signalling molecule Wnt3 and its downstream transcription factor Lef1 are more intensively expressed in a domain where the primitive streak forms at later stages. β-catenin, which transduces Wnt-signals from the cytoplasm to the nucleus, is expressed by mesoderm cells at the beginning of streak development. The signalling molecule Cerberus-related1, an inhibitor of mesoderm inducing factors, is expressed in a highly dynamic fashion in the anterior part of the hypoblast at early stages, later it is also expressed in the anterior part of the primitive streak. On the basis of the shape of the signalling centres thus established a hypothetical model is generated which may describe the initial development of axial polarity in the mammalian embryo.