Forscher entdecken, dass ein Flickenteppich aus Wnt-Signalliganden und -Rezeptoren die Flügel von Schmetterlingen strukturiert

Die Wnt-Signalübertragung ist eine bekannte Art der Zell-zu-Zell-Kommunikation in mehrzelligen biologischen Organismen. Dabei handelt es sich um die Sekretion kleiner Wnt-Glykoproteine ​​durch Signalzellen, die an Rezeptorproteine ​​in der Membran der Empfängerzellen binden. Dieses Signal verändert Proteine ​​im Inneren dieser Empfängerzellen, um das Wachstum, die Teilung oder die Differenzierung der Zellen zu bewirken.

Diese Art der Kommunikation ist sowohl für die normale als auch für veränderte Zellentwicklung, beispielsweise bei Krebs und Wundheilung, von grundlegender Bedeutung und steht seit über vier Jahrzehnten der Forschung im Rampenlicht. Einige der offenen Forschungsfragen drehen sich um die außerordentliche Komplexität der Anzahl der Mitglieder des Wnt-Signalwegs, die sowohl innerhalb, außerhalb als auch an der Oberfläche von Zellen funktionieren, und darum, wie unterschiedliche Ergebnisse des Signalwegs durch die Verwendung bestimmter Mitglieder erreicht werden.

Ein Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Professor Antónia Monteiro vom Department of Biological Sciences der Fakultät für Naturwissenschaften der National University of Singapore (NUS) hat einen Teil dieser Komplexität aufgedeckt, indem es Schmetterlingsflügel als Modellsystem verwendet hat. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte am 26. Juli 2023 mit Cover-Feature.

Schmetterlingsflügel fungieren als große zweidimensionale (2D) Leinwand aus Zellen, die während der Entwicklung miteinander „sprechen“, um exquisite und detaillierte Farbmuster zu bilden. Sie sind daher außergewöhnliche Systeme zur Erforschung der Rolle und Vielfalt der Wnt-Signalübertragung bei solchen Musterbildungsmechanismen. Dazu gehört die Untersuchung, wo verschiedene Elemente des Signalwegs vorhanden sind, welche Funktion sie in diesen Zellen haben und wie sie wahrscheinlich miteinander interagieren.

Mithilfe modernster In-situ-Lokalisierungstechnologien haben die Forscher die Expressionsmuster aller acht Wnt-Glykoproteine ​​und aller vier Membranrezeptorproteine ​​(Frizzleds) entschlüsselt, die im Genom von Bicyclus anynana-Schmetterlingen vorkommen.

Sie haben auch die räumliche und zeitliche Dynamik eines intrazellulären Proteins (Armadillo) während der Flügelentwicklung beschrieben und die Funktion dieses und einiger anderer Signalwegmitglieder mithilfe des Genom-Editierungstools CRISPR-Cas9 getestet. Sie zeigten, wie verschiedene Mitglieder des Signalwegs sich wahrscheinlich räumlich und zeitlich gegenseitig regulieren, um viele der Farbmuster in den Flügeln dieser Schmetterlingsart zu definieren.

Dynamische Rolle der Wnt-Signalisierung bei der Entwicklung der Schmetterlingsflügel

Dr. Tirtha Das Banerjee, wissenschaftliche Mitarbeiterin am NUS Department of Biological Sciences, nutzte Immunfärbungs- und Genlokalisierungstechnologien, um herauszufinden, dass die Mitglieder des Wnt-Signalwegs äußerst dynamisch sind. Während sich der Flügel entwickelte, wurden deutliche und dynamische Banden und kreisförmige Flecken mehrerer Proteine ​​aus dem Wnt-Weg beobachtet. Das Armadillo-Protein zum Beispiel, das ursprünglich in allen Zellen der frühen Flügel homogen vorhanden war, lokalisierte sich nach und nach in bestimmten Zellen, einschließlich der Augenfleckzentren und des Flügelrands, wo es eine Rolle bei der Farbdifferenzierung spielt.

Es wurde festgestellt, dass das Gen, das für ein anderes Wnt-Mitglied, WntA, kodiert, entlang eines dicken Bandenmusters exprimiert wird, das entlang der Mitte des sich entwickelnden Flügels verläuft. Als dieses Gen von Dr. Heidi Connahs, einer wissenschaftlichen Mitarbeiterin am NUS Department of Biological Sciences, ausgeschaltet wurde, führte dies zu Störungen sowohl in der Farbe als auch in der Breite dieses zentralen Bandmusters, was zeigt, dass es in diesen beiden Rollen funktioniert.

Dr. Suriya Murugesan, wissenschaftliche Mitarbeiterin am NUS Department of Biological Sciences, testete die Funktion von Frizzled4 und fand heraus, dass dieses Gen auch eine doppelte Rolle bei der Differenzierung der Augenfleckenzentren und bei der Ausrichtung von Schuppenzellen in der Augenfleckendomäne spielt. Diese als Frizzleds bekannte Genfamilie spielt eine ähnliche Rolle bei der Ausrichtung der Borsten bei Fliegen und der Haare bei Säugetieren.

Die Interaktion zwischen Wnt-Signalwegen definiert Muster auf Schmetterlingsflügeln

Eines der wichtigsten Ergebnisse der Studie war die Entdeckung der komplexen räumlichen und zeitlichen Regulierung der verschiedenen Wnt-Signalwege bei der Strukturierung der Flügel von Schmetterlingen. Zellen, die unterschiedliche Mitglieder des Wnt-Signalwegs exprimieren, regulieren sich wahrscheinlich gegenseitig und halten die Expression anderer Mitglieder des Signalwegs unterdrückt, um eine Signalspezifität zu erzeugen.

Protein frizzled2 beispielsweise wird in einem sehr komplizierten Muster exprimiert, wobei den Zellen die Expression dieses Rezeptors entlang der zentralen (wntA), Augenfleck- (frizzled4) und Flügelranddomäne (frizzled9) fehlt. Wenn diese Domänen kombiniert werden, decken sie das gesamte Zellfeld in den Flügeln des Schmetterlings ab.

Prof. Monteiro sagte: „Das bedeutet, dass die Wnt-Signalübertragung überall im Flügel stattfindet, aber verschiedene Mitglieder dieses Signalwegs steuern unterschiedliche Farben und Muster in verschiedenen Bereichen.“

„Wir fangen gerade erst an zu entschlüsseln, wie die Natur im Laufe der Millionen von Jahren der Evolution solch komplexe und dennoch elegante Mustersysteme programmiert hat und dabei die Wnt-Signalisierung als Grundlage unserer Studien nutzt“, fügte Dr. Banerjee hinzu.

Dr. Banerjee sagte: „Viele Aspekte der Wnt-Signalübertragung im Schmetterlingssystem müssen weiter erforscht werden, und die Arbeit in diesem Bereich wird wahrscheinlich unser Verständnis darüber verbessern, wie sich dieser grundlegende Signalweg, der von jedem vielzelligen Lebewesen auf unserem Planeten genutzt wird, diversifiziert und weiterentwickelt hat.“ in das komplexe Zell-Zell-Kommunikationssystem, das wir heute sehen. Diese Studien werden tiefgreifende Auswirkungen nicht nur auf unser Verständnis von Farbmustern in Insektensystemen haben, sondern auch bei anderen Tieren, bei denen diese Signalübertragung erhalten bleibt.“