[2024 HK]
Beschriften Sie folgende Abbildung:
=> es handelt sich hier um Regenration von Einzelzell-Supensionen/ de-novo Musterbildung in Reaggregaten
0 Stunden: Zellaggregation (möglich durch Oberflächenmoleküle)
6 Stunden: Sorting Out
24 Stunden: Pattern Formation/Zellwanderung/Sortierung nach Ekto- und Endodermal
48 Stunden: Morphogenese/Zelldifferenzierung
96 Stunden: Kopf/Fuß
[2024 HK, 2024 NK, 2020 HK, 2019 HK]
1) Beschreiben Sie in einer Skizze den Wirkmechanismus und die Komponenten des Gierer-Meinhardt Modells.
=>2 ) Skizzieren sie die Hydra-Experimente die das Gierer-Meinhardt Modell belegen (2019)
1) Selbstorganisierte Musterbildung
-Modell dient zur vereinfachten Darstellung davon, wie sich ”chaotische” Einzellzellsupsensionen durch Musterbildung zu einen geordneten Hydra-Körper mit Kopf, Fuß und Rumpf bilden können. Es erklärt aber auch Regeneration und Transplantationsprozesse.
0) Prepatterning: durch biochemische Gradienten wird ein Vormuster der Morphogen-Konzentraionsgradienten erzeugt
1) Aktivator:
a) Autokatalyse: Selbstverstärkung/fördert eigene Produktion durch positive Rückkopplung
b) Heterokatalyse: fördert auch Produkion des Inhibitors
c) geringe Reichweite des Aktivators, langlebig
2) Inhibitor:
d) unterdrückt den Aktivator
e) diffundiert schneller als Aktivator + verhindert so Entstehung eines weiteren Aktivatorzentrums/ konkurrierendem Peak (=laterale Inhibition)
=> diese Faktoren sorgen dafür, dass es zu einer lokalen Anreicherung des Aktivators kommt, in dem sich ein Zentrum bilden (=Kopforganisator im Hypostom (HO)) kann. Der Inhibitor breitet sich so aus, dass er weitere Aktivatorzentren in der Peripherie verhindert. Kopfregionen entstehen also dort, wo der Aktivator dominiert.
=> Zu beachten: diese Gradienten sind nicht gegenläufig, sondern verhalten sich genau gleich. Zurückzuführen ist das vor allem auf die vom Aktivator ausgelöste Heterokatalyse des Inhibitors, d. h. der Inhibitor wird lokal im Hypostom produziert. Der Inhibitor verhindert über Diffusion, dass sich 2 Köpfe in einer Region bilden. Gegenläufige Gradienten sind z. B. Fuß- und Kopfaktivator.
2) Modell kann Vorhersage über Gewebeentwicklung treffen:
1) Regenerationsexperiment: durch unterschiedliche Schnittstellen hatte man einen indirekten Nachweis über die Gradientenverteilung von Kopfaktivator/Inhibitor. Aktivator-Morphogen fehlt (abgeschnitten), Inhibitor fehlt (Kurzlebigkeit) => neuer Kopf kann sich bilden, keine Inhibition mehr
2) Transplantationsexperimente:
a) Wirt ohne Kopf: kaum Inhibitor, d. h. das Transplant aus Kopfregion sehr gut eigenen Kopf bilden kann
b) Wirt mit Kopf: kann ggf. selbst zu viel Inhibitor produzieren, dass sich im Transplantat ein richtiger Kopf bildet, dauert länger
Warum bilden Hydren bei einem Aggregat mehrere Köpfe, aber nach Abschneiden nur eins?
Schlagen Sie ein Experiment vor, das zeigt, dass hier Wnt eine Rolle spielt.
Abschneiden: In adulten Hydren sind bereits Positionsinformationen vorhanden, die die Bildung mehrere Köpfe durch Inhibitorkonzentration und dem Organisierendem Zentrum (HO) verhindern. Das Gradientenfeld bleibt dementsprechend erhalten.
-Aggregaten: es liegt noch keine räumliche Information mit Organisierenden Zentren und Inhibitorgradienten vor. Oft entstehen so mehrere Organisatoren und nach Gierer-Meinhardt Modell auch mehrere Köpfe.
Experiment: Der Wnt-Signalweg steuert die Kopf-Organisationszentren in Hydren.
=> man führt eine Überexpression von Wnt durch indem man GSK-3ß (Teil der Destruction Box, der ß Catenin degradiert) hemmt, z. B. durch einen Wnt-Aktivator (z. B. Lithiumchlorid)
=> es werden sich mehrere Köpfe bilden, während die Kontrolle normal bleibt
[2020 HK, 2019 HK, 2024 NK]
Warum bezeichnet man Wnt als Morphogen?
Definition Morphogen: ein Signalmolekül, das maßgeblich an den Musterbildungsprozessen beteiligt ist. Ihre Konzentrationsgradienten haben Auswirkungen auf das Zellschicksal bzw. Zellidentität.
Wnt steuert als Morphogen in Hydren das Kopforganisationszentrum, indem es ß-Catenin vor der Degradierung bewahrt und dieses im Zellkern die Expression von Zielgenen regulieren kann. Grundsätzlich bestimmt es also Kopfbildung.
[2020 HK, 2007 HK, 2010HK]
a)
b) wie lässt sich die unterschiedliche Geschwindigkeit in der Kopfbildung der Transplantationsansätzen erklären?
c) welcher Gradient ist für den Unterschied zwischen Transplaten 1 und 2 entscheidend?
d) wie verläuft dieser Gradient im Tier? (Ankreuzen)
e) Wo hat dieser Gradient seine höchste Konzentration im Tier?
b) Unterschiedliche Geschwindigkeit:
Wirt ohne Kopf: keine Inhibitordiffusion da Aktivatorzentrum abgeschnitten (keine Heterokatalyse), der Aktivator des transplantierten Gewebes dominiert lokal und dementsprechend steht der nach Gierer + Meinhardt aufgestellten positiven Rückkopplung/Autokatalyse nichts im Wege => schnelle Regeneration
Wirt mit Kopf: keine/langsame Kopfbildung am Transplantat.
-Kopfaktivator des Wirtes ist sehr starkes Aktivatorzentrum => Heterokatalyse des Inhibitors, Diffusion im Gewebe
-Aktivator im Transplantionsgewebe zwar sehr stark, aber wird durch Inhibitordiffusion gehemmt, positive Rückkopplung (Autokatalyse) nicht möglich
c) Kopfinhibitor
d) 2./B)
e) Kopfregion
??? [2019 HK]
Welche Wirkung hat Azakenpaullon auf Hydra und welche Mechanismen liegen zugrunde?
[2024 NK]
a) Was untersucht man durch die folgenden drei Experimente an Hydra? Beschreiben Sie den Vorgang.
b) Was erwarten Sie, wenn bei Experiment 2 den kopf der Empfängerhydra entfernen? Begründen Sie!
mittiger Schnitt in adulter Hydra => Regnerationsexperiment zur Untersuchung von Axialen Musterbildungsprozessen = Kopfaktivator-/Inhibierung + Fußaktivator-/Inhibierung
Transplantation des Organisationszentrums aus Hypostom des Spenders in Rumpf des Wirtes => Untersuchung eines 2. Organisationszentrums in einer Hydra + des Wnt Signalwegs
Markierung von Zellen in einem Rumpfabschnitt
=> Beobachtung/Untersuchung der Gewebedynamik/Gewebefluss/Tissue turnover und der Homöostase aus Zellproduktion und -verlust
b) Organisationszentrum in Rumpf gesetzt, es bildet sich ggf. kein neuer Kopf an der stumpfen Seite
=> Kopfbildung an Transplantat weil es keinen bereits anwesenden Inhibitor gibt (Schnitt hat Aktivator und somit auch Hetereokatalyse verhindert)
=> Diffusion des Transplantat-Inhibitors in Peripherie verhindert 2. Aktivatorgradienten
[2008 HK, 2009HK]
1 a) Beschreiben Sie jeweils in Stichworten die verschiedenen Transplantationsansätze und das Ergebnis so, dass die Unter- schiede zwischen den drei Ansätzen deutlich werden. (6 P.)
1 b) Welcher Gradient im Tier bewirkt die unterschiedlichen Ergebnisse von Transplantaten A, B und C?
Welche Phasen können Sie bei der Regeneration von Hydra aus vereinzelten Zellen unterscheiden?
0 Stunden: Aggregation
24 Stunden: Pattern Formation
48 Stunden: Morphogenese
[2007 HK]
=> Erklärung: Aktin ist nur ein haushaltsgen und daher überall exprimiert, Wnt ist nur im Hypostom der Hydra und der Knospen exprimiert
[2013 HK]
Was passiert bei Überaktivierung des Wnt-Signalwegs in adulten Hydren und was ist die biologische Basis für diese Effekte?
Es kommt zur ektopen (anomal platzierten) Kopf-Bildung – z. B. seitlich am Körper oder sogar mehreren Köpfen.
Der axiale Gradientenmechanismus wird gestört, die Identität der oralen Region breitet sich aus.
-Wnt aktiviert Zielgene wie β-Catenin, die an der Kopf- und Organizerbildung beteiligt sind.
-In der normalen Hydra verhindert ein inhibitorischer Gradient von Wnt-Antagonisten (z. B. Dkk, Notum) die unkontrollierte Bildung von Köpfen.
-Überaktivierung stört dieses Gleichgewicht, sodass sich mehrere Organizer ausbilden.
[2017 HK]
Hydra-Gradienten skizzieren (Skript). Was ist der biologische Mechanismus? Wie wurde das im Kurs überaktiviert? Was waren die Folgen?
a) Zeichnung: Proportionalität!
=> keine gegenläufige Gradienten!! Zeitlich versetzt aufgrund der Heterokatalyse (= Aktivator fördert Produktion des Inhibitors), verhindert weitere Kopfbildung entlang der Achse, besonders aber direkt im HO
b) biologischer Mechanismus: Gierer-Meinhardt Modell
-Aktivator: positive Rückkopplung/Autokatalyse, heterokatalytische Förderung des Inhibitors, lokale Anreicherung/kurze Reichweite
-Inhibitor: Diffusion in Peripherie, unterdrückt Aktivator
=> Konzentration auf eine lokale Anreicherung = Kopf-Organisationszentrum (HO)
=> geht zurück aif Wnt
c) Überaktivierung: durch Wnt als Moprphogen dass das HO steuert
d) Folgen: es wurden noch mehr HO gebildet => zusätzliche Köpfe entlang der Achse
? [2023 HK]
Nennen sie die verschiedenen Organisatoren in Hydra, Xenopus und Medaka!
Hydra: Speman-Mangold Organisator => Kopfaktivator (HA), Kopfinhibitor (HI), Fußaktivator, Fußinhibitor
Xenopus: Speman-Mangold Organisator
Medaka
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