Molecular Studies on Head Development of the Amphipod Crustacean Parhyale hawaiensis

Abstract

Der adulte Kopf bilateralsymmetrischer Tiere ist eine anteriore, meist tagmatisierte morphologische Einheit. In segmentierten Spezies liegen der Entwicklung der anterioren Kopfsegmente andere genetische und molekulare Mechanismen zugrunde als der der posterioren Segmente, die auf gruppen- und stammspezifischen Segmentierungsnetzwerken beruht. Mehrere Faktoren, die als genetische Regulatoren der Kopfentwicklung identifiziert wurden, zeigen selbst in entfernt verwandten Arten ähnliche Aktivität und sind in ihrer Funktion konserviert. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass Elemente eines genetischen Netzwerks der Kopfentwicklung bereits im Urahn der Bilaterier existierten. Ansätze, ein anzestrales Kopfentwicklungsnetzwerk zu modellieren, wurden bislang jedoch dadurch erschwert, dass nur eine unzureichende Zahl verschiedener Spezies untersucht wurde, und dass selbst nah verwandte Arten ein großes Maß an Plastizität in Bezug auf Genexpression und -funktion zeigen können. Um potentiell konservierte Aspekte der Kopfentwicklung zu identifizieren, klonierte und analysierte ich daher Homologe bekannter Kopfregulatoren aus dem amphipoden Krebs Parhyale hawaiensis. Anteriore Determination wird als eine mögliche anzestrale Funktion von orthodenticle (otd) diskutiert. Im Gegensatz zur Situation in Insekten ist Parhyale otd1 (Ph otd1) jedoch nicht während der Ausbildung anterior-posteriorer Polarität aktiv. Wichtig ist hierbei, dass dieser Prozess in Parhyale im Zuge holoblastischer Furchungsteilungen stattfindet. Dies stellt einen starken Unterschied zu der für Insekten typischen superfiziellen Furchung dar, die zu einem synzytialen Blastodermstadium führt. Wahrscheinlich wird Ph otd1 allerdings für die Musterbildung der zukünftigen prä-antennalen und okularen Region benötigt, was sich in ähnlicher Weise auch für otd in Insekten beobachten lässt. In vielen Spezies sind optix/six3-Gene aktiv an der Kopf- und Gehirnentwicklung beteiligt, und zwar in einer Region, die anterior an die entsprechende otd-Expressionsdomäne angrenzt. Im Gegensatz dazu findet man während der regionalen Musterbildungsprozesse im Kopf Parhyale-six3-Expression (Ph six3) nur in wenigen Zellen, die sich an medianen Positionen innerhalb der Ph otd1-Domäne befinden. Allerdings existiert in Parhyale während der frühen Entwicklung keine anterior-mediane Kopfregion, wie man sie in Insekten während des Blastodermstadiums findet und die dort bereits früh optix/six3-Expression zeigt. In Parhyale entsteht diese Region erst, nachdem die Rumpfsegmentierung des Embryos bereits relativ weit fortgeschritten ist. Sie geht aus zwei unterschiedlichen Zellpopulationen hervor. Während der Regionalisierungsprozesse des Gehirns wird Ph six3 stark in medianen Teilen des Protozerebrums, den zukünftigen hemi-ellipsoiden Körpern (HE), exprimiert. Zu diesem späteren Zeitpunkt der Entwicklung werden Ph otd1 und Ph six3 in sich gegenseitig ausschließenden Domänen exprimiert. Dies spiegelt dann die Situation wider, die man auch in anderen Spezies vorfindet. Entsprechend verursacht gegen Ph six3 gerichtete, siRNA-vermittelte RNAi die Verkleinerung der HE und Missbildungen des Vorderdarms, nicht aber Deletionen der anterioren Kopfkutikula oder des Labrums, Effekte, die man bei Verlust von Tribolium-six3-Funktion während der frühen Embryonalentwicklung beobachtet. Posterior der otd-positiven Kopfregion sind unplugged/gbx-Gene unterschiedlicher Spezies in folgenden Prozessen involviert: frühe regionale Musterbildung (Platynereis dumerilii), Etablierung des isthmischen Organisators über Interaktion mit otd/otx (Vertebraten) und Entwicklung des deutozerebralen Neuromers (Insekten). Die Situation von Ph gbx ähnelt der in Insekten. Vertreter der knirps-Genfamilie (kni) sind bislang nur aus Arthropoden bekannt. Obwohl sie in Insekten generell an der Musterbildung und Segmentierung des Kopfes beteiligt sind, weichen die Details ihrer Funktionen in verschiedenen Spezies voneinander ab. Parhyale kni1 (Ph kni1) und kni2 (Ph kni2) werden nicht in vergleichbarer Art und Weise exprimiert. Jedoch legt deren Expression nahe, dass sie wie die kni-Gene von Insekten eine wichtige Rolle während der Entwicklung des stomatogastrischen Nervensystems spielen. Interessant ist, dass der Verlust von Ph kni1-Funktion während der Embryonalentwicklung Auswirkungen auf die Morphogenese und korrekte Anordnung segmentaler Extremitäten geschlüpfter Parhyale hat. In Drosophila ist kni an der Tracheenentwicklung beteiligt. Die Expression von Tribolium kni spricht in diesem Zusammenhang für eine funktionelle Konserviertheit von kni in Insekten. Interessanterweise deuten die Musterbildungsprozesse der Beine bei Krustazeen und die der Tracheenplakoden bei Insekten auf eine mögliche evolutionäre Verbindung dieser Strukturen hin. Auch mehrere zusätzliche Homöoboxgene der paired-Klasse mit vermutlich konservierten Funktionen in der Kopfentwicklung wurden in dieser Arbeit untersucht. Betrachtet man deren Expressionsmuster, so scheinen Ph al1, Ph awh, Ph hbn und Ph six4 ähnliche Funktionen wie die ensprechenden Homologen in Insekten zu haben. Die Darstellung von Expressionsmustern erwies sich in Parhyale hawaiensis als praktikabel. Beträchtliche Anstrengungen wurden unternommen, um in Parhyale Genfunktion mittels RNA-Interferenz zu untersuchen. Dies fand auch in Zusammenarbeit mit anderen Arbeitsgruppen statt. Allerdings erwiesen sich weder die Injektion von Doppelstrang-RNA in Embryonen oder adulten Weibchen, noch transgene Ansätze, die auf induzierter Expression von RNA-Haarnadelstrukturen basierten, noch der Gebrauch von siRNA als effektiv oder systematisch anwendbar. Daher können Studien in Parhyale zwar wertvolle Beiträge zu spezifischen Fragestellungen innerhalb der vergleichenden Entwicklungs- und Evolutionsbiologie leisten, die Entwicklung von Parhyale hawaiensis zu einem echten Modellsystem ist jedoch unplausibel.