Gerberding, Matthias: Cell lineage und engrailed Expression in der Mittellinie der höheren Krebse Orchestia cavimana und Porcellio scaber

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Kapitel 1. Einleitung

Die Frage nach der Embryonalentwicklung einer Art läßt sich beantworten, ohne daß Fragen nach ihrer Stammesgeschichte und nach der Embryonalentwicklung anderer Arten gleichzeitig untersucht werden müßten. Die Frage nach der Stammesgeschichte einer Art läßt sich nicht durch das Studium der Art allein beantworten, sondern erfordert in jedem Fall einen Vergleich mit anderen Arten, um Gemeinsamkeiten zu finden, die Annahmen näherer Verwandtschaft begründen. In mehreren Fällen lassen sich bei einem Vergleich der Embryonalentwicklung zwischen Gruppen, die bei einem Vergleich anderer Merkmale keine eindeutigen Übereinstimmungen aufweisen, Gemeinsamkeiten aufzeigen, die als apomorph gelten dürfen und die Annahme einer näheren Vewandtschaft begründen (Haplorhini: Luckett 1976; Malacostraca: Scholtz 1992a; Astacidae: Scholtz 1993; Spiralia: Dohle 1996a).

Während es intuitiv plausibel erscheint und durch von Baer 1828 als Regel formuliert wurde, daß die frühe Embryonalentwicklung eine geringere Variation zeigt als die späte und folglich der Grad der Übereinstimmung zwischen frühen Stadien höher sein sollte als zwischen späten, zeigt eine vergleichende Betrachtung von Daten verschiedener Tiergruppen, daß in allen Stadien sowohl deutliche Übereinstimmungen als auch erhebliche Variation auftreten. Vertreter nah verwandter Linien, die in mehreren Stadien starke Ähnlichkeit aufweisen, zeigen in einzelnen Stadien deutliche Unterschiede (Nematoda Ordnung Rhabditida: Skiba und Schierenberg 1992; Wiegner und Schierenberg 1998; Echinoida Gattung Heliocidaris: Kissinger und Raff 1998; Ascidia Gattung Molgula: Swalla und Jeffery 1996; Anura Familie Hylidae: del Pino und Escobar 1981; Insecta Ordnung Hymenoptera: Grbic et al. 1998). Auf der anderen Seite zeigen Vertreter entfernt verwandter Linien, die in vielen Stadien geringe Ähnlichkeit aufweisen, in einzelnen Stadien große Übereinstimmungen (Nematoda: Voronov et al. 1998; Spiralia: Dohle 1996a; Chordata: Satoh und Jeffery 1995; Goldschmid 1996). Dies läßt die zwei Schlüsse zu, daß embryonale Prozesse unabhängig von vorausgehenden und nachfolgenden abgeändert wurden und daß in allen Stadien einzelne Prozesse konserviert wurden.

In den einzelnen Embryonalstadien laufen gleichzeitig mehrere Prozesse ab und jeder Prozeß läßt sich durch mehrere Merkmale kennzeichnen. Vergleichende Betrachtungen beziehen sich auf die Homologie einzelner Merkmale oder ganzer Prozesse. Aussagen über Homologie sind um so eher möglich, je mehr ganze Prozesse betrachtet werden ( Dohle 1976b, 1989). Cell lineages, Zelldifferenzierung und Veränderungen der Genexpression, die als Expressionsmuster beschrieben werden, sind drei solche Prozesse, an denen die fortschreitende Genese eines Organismus untersucht werden kann. Der Begriff ”lineage“ bezeichnet im Englischen eine Abstammung oder ein Geschlecht und beschreibt im Zusammenhang mit Zellen sowohl einen Klon von Tochterzellen,


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der von einer identifizierten Mutterzelle abstammt, als auch den Prozeß der Bildung der Klons durch eine Folge von Zellteilungen. Der Begriff Zelldifferenzierung bezeichnet die Ausprägung morphologischer und physiologischer Spezialisierungen von Zellen. Der Begriff Expressionsmuster bezeichnet sowohl die Anordnung von Zellen, die ein Gen exprimieren, innerhalb eines Stadiums als auch die räumliche Veränderung der Expression eines Genes über verschiedene Stadien hinweg. Cell lineages, Zelldifferenzierung und Expressionmuster können als getrennte Phänomene analysiert werden. In den Fällen, wo distinkte embryonale cell lineages auftreten, lassen sich die drei Phänomene gleichzeitig verfolgen. So kann gezeigt werden, welche Teile einer lineage zu welchem Zelltyp differenzieren, wie das Expressionsmuster verschiedener Gene in einer lineage ist und wie das Expressionsmuster eines Gens in verschiedenen lineages ist. Cell lineage, Zelldifferenzierung und Expressionsmuster greifen ineinander, die Zugehörigkeit einer Zelle zu einer cell lineage legt jedoch ihre Differenzierung und ihre Genexpression nicht eindeutig fest. Die cell lineages homologer Zellen können in einem Körperabschnitt bei verschiedenen Arten oder bei einer Art in verschiedenen Körperabschnitten unterschiedliche Zelldifferenzierung und Genexpression zeigen ( Udolph et al. 1993; Prokop und Technau 1994; Scholtz et al. 1993, 1994; Dohle und Scholtz 1997). Darüber hinaus läßt sich innerhalb einer Art innerhalb eines Körperabschnittes eine Variation der cell lineages zwischen Individuen zeigen ( Schnabel 1997).

Die Basis für einen Vergleich von cell lineage, Zelldifferenzierung und Genexpressionsmustern ist nicht groß. Die Untersuchung von cell lineages setzt die Existenz festgelegter Zellteilungsmuster und die Möglichkeit, Zellen identifizieren zu können, voraus ( Scholtz 1997a). Dies ist im Tierreich gefunden worden bei Vertretern der Nematoden, der Spiralia inklusive der Arthropoden und der Ascidien ( Sulston et al. 1983; Anderson 1973; Bossing et al. 1996; Schmidt et al. 1997; Satoh 1993). Expressionsmuster innerhalb der cell lineages sind bei einzelnen Vertretern für einzelne Gene bekannt ( Biggelaar et al. 1997; Broadus et al. 1995; Condron et al. 1994; Yasuo und Satoh 1998). Vergleichende Untersuchungen der Genexpression identifizierter Zellen liegen für Nematoden, Insekten und Höhere Krebse vor ( Sommer et al. 1994; Patel 1994a; Scholtz et al. 1993, 1994; Scholtz und Dohle 1996). Höhere Krebse, die Malacostraca, sind eine Gruppe der Arthropoden, die die Möglichkeit eines Vergleiches von cell lineage, Zelldifferenzierung und Genexpressionsmustern bietet. Alle diesbezüglich untersuchten Malacostraca zeigen bei der Bildung des Keimstreifens im postnauplialen Bereich die Anordnung von Ektodermzellen zu einem Gitter und ein stereotypes Zellteilungsmuster. Das Gitter besteht aus einer unpaaren mittleren Längsreihe von Zellen und symmetrisch zu beiden Seiten angeordneten paarigen Längsreihen von Zellen. Die cell lineages identifizierter seitlicher Zellen können über mehrere Teilungen hinweg verfolgt werden und unterscheiden sich bei den Gruppen der Malacostraca ( Dohle 1970, 1976a). Über die


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Zelldifferenzierung innerhalb dieser cell lineages ist bekannt, daß Stammzellen auftreten,

die mit wiederholten inäqualen Teilungen kleinere Tochterzellen nach dorsal abgeben und als Neuroblasten angesehen werden ( Dohle 1976a; Scholtz 1990, 1992a). Die Genexpression innerhalb dieser cell lineages ist für das Segmentpolaritätsgen engrailed verfolgt worden bis zum Stadium der Segmentierung und zeigt ein Muster in segmentalen Streifen von Zellen ( Patel et al. 1989b; Scholtz et al. 1993, 1994; Patel 1994a, b).

Die vorliegende Arbeit knüpft an die vorliegenden Kenntnisse an und unternimmt den Versuch, sie für Malakostraken in mehreren Richtungen zu erweitern. Gegenstand der Arbeit ist, die Zellen der unpaaren mittleren Längsreihe zu untersuchen bis in das Stadium der Axonogenese. Ausgangspunkt ist die Frage, was die cell lineage, Zelldifferenzierung und engrailed Expression der Zellen der mittleren Reihe ist in den Stadien, für die hinsichtlich der seitlichen Zellen bereits Daten vorliegen. Darüber hinaus geht es um eine erste Klärung von cell lineages, Zelldifferenzierung und engrailed Expression in den Stadien der Neurogenese bis hin zur Axonogenese und Gliogenese, für die für Malakostraken weder für mittlere noch für seitliche Zellen Daten vorliegen. Dabei geht es im einzelnen darum, welchen Verlauf die cell lineages nehmen, welche Zellen zu Neuronen und Glia differenzieren, welche Morphologie ihre Axone ausbilden und wo und wann innerhalb dieser cell lineages engrailed exprimiert wird.

Eine Beantwortung der genannten Fragen erweitert die Kenntnis der Embryonalentwicklung der Höheren Krebse. Zusätzlich kann sie der Erforschung der Stammesgeschichte dienen, da man bei Insekten man ebenfalls eine unpaare mittlere Längsreihe von Zellen findet. Bei Drosophila melanogaster und Schistocerca americana sind viele Fragen zu ihren cell lineages, ihrer Zelldifferenzierung und ihrer engrailed Expression bereits beantwortet ( Goodman 1982; Condron und Zinn 1994; Condron et al. 1994; Bossing und Technau 1994; Landgraf et al. 1997; Siegler und Pankhaniya 1997). Dies ermöglicht einen Vergleich zwischen Krebsen und Insekten auf der Ebene identifizierter Zellen.

Untersuchungsobjekte sind der Amphipode Orchestia cavimana und der Isopode Porcellio scaber. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Frage nach der cell lineage und wurde verfolgt mit in vivo Markierungen an Embryonen von Orchestia, die hervorragende Voraussetzungen für in vivo Markierungen von Zellen bieten. Porcellio bietet diese Voraussetzung nicht, erlaubt aber Experimente zum Nachweis von Proliferation, deren Ergebnisse jene der in vivo Markierungen ergänzen können. Die Expressionsmuster von engrailed wurden an Orchestia und Porcellio untersucht.


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Tue Apr 25 19:05:46 2000