Das WIN-Kolleg

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quantitativ definierte Morphogengradienten in vitro zu erzeugen und deren Einfluss
auf biologische Formen ex vivo quantitativ zu beschreiben. Andererseits messen wir
Morphogengradienten und mechanische Kräfte in vivo. Unterstützt von mathemati-
scher Modellierung und Simulationen untersuchen wir, ob sich daraus der relative
Einfluss von Morphogenen und mechanischer intraepithelialer Spannung für die
dimensionale Gewebemorphogenese ableiten lässt.
Gradientenbildung in festkörpergestützten Membranen
Die Entwicklung von komplexen Gewebestrukturen aus einheitlichen Zellansamm-
lungen (z.B. während der embryonalen Entwicklung) erfordert das Vorliegen von
räumlichen Mustern von sogenannten Morphogen- (z.B. BMP oderWnt) Konzen-
trationsgradienten. Aus diesem Grund sollte es möglich sein, Entwicklungsprozesse
in Modellsystemen mit einstellbaren Protein-Gradienten zu regulieren.
In vorangegangenen Experimenten [1,2] haben wir ein vereinfachtes Modell-
system untersucht, das aus einer sogenannten festkörpergestützten Lipidmembran
bestand, funktionalisiert mit dem homogen verteilten Adhäsionsmolekül Xenopus
cadherin-11 (Xcad-11). Die Herausforderung war nun, eine festkörpergestützte
Lipidmembran mit zwei verschiedenen Proteinen zu funktionalisieren, welche nicht
mehr homogen verteilt vorliegen, sondern gegensätzlich gerichtete Konzentrations-
gradienten aufweisen.
Das Verfahren zur Bildung von zwei entgegengesetzt orientierten Protein-
Konzentrationsgradienten auf gemusterten Lipidmembranen ist in Abbildung 1 dar-
gestellt. Es wurde zunächst eine Lipidmembran, bestehend aus dem Matrix-Lipid
DMPC, dem Protein Alexa Fluor 633 Streptavidin (gebunden an das Ankerlipid Bio-
tin-DOPE) und dem Ankerlipid DOGS-NTA elektrisch manipuliert (Abb. 1B).
Aufgrund ihrer unterschiedlichen Mobilität im elektrischen Feld sind die resultie-
renden Gradienten von Streptavidin und DOGS-NTA in entgegengesetzten Rich-
tungen orientiert. Die anschließende Kopplung von His-GFP an das DOGS-NTA
ergibt zwei entgegengesetzt orientierte Protein-Konzentrationsgradienten (Abb. IC).
Es wurde weiter gezeigt, dass die eindimensionalen Konzentrationsgradienten
durch unterschiedliche Lipid-Zusammensetzungen kontrolliert werden können.
Deshalb ist die festkörpergestützte Lipidmembran mit zwei gegensätzlich orientier-
ten Protein-Konzentrationsgradienten ein flexibles Werkzeug, um viele biologische
Entwicklungsschritte (z.B. Neuralleistenentwicklung innerhalb von animalen Kap-
pen aus Xenopus Embrionen) durch die aufeinanderfolgende oder gleichzeitige Akti-
vierung oder Hemmung durch (z. B. Wnt-, BMP) Morphogen-Konzentrationsgra-
dienten zu regulieren.
Musterbildung und Gewebemorphogenese in Epithelialzellen
Mit dem Ziel, die selbstorganisierende Musterbildung und Gewebemorphogenese
aus zweidimensionalen (2D) Epithelschichten in drei Dimensionen (3D) besser zu
verstehen, haben wir in den vorherigen Jahren ein Protokoll und zelluläres System
etabliert, 3D-Körperachsen aus 2D-Hydrazellaggregaten zu entwickeln: Dissoziierte