Die Mechanismen des Auftretens einer Vielzahl von Zelltypen und morphologischen Formen im Prozess der Entwicklung höherer Organismen waren schon immer von Interesse für Biologen verschiedener Fachrichtungen. In frühen Experimenten des letzten Jahrtausends zur Gewebetransplantation von einem Embryo zum anderen in multizellulären Organismen wurde gezeigt, dass interzelluläre Interaktionen eine führende Rolle bei der Regulation der Entwicklung von Tieren spielen. Es wurde vermutet, dass die Wege der Zellentwicklung durch sekretierte Signalmoleküle reguliert werden, und die Interaktion von embryonalen Lesezeichen durch Bestimmung und Differenzierung führt zu einem formgebenden Effekt. In den letzten zwei Jahrzehnten haben Genetiker und Biochemiker bedeutende Fortschritte bei der Erforschung der Informationsverbreitung in der Ontogenese gemacht (Gilbert, 1995; Korochkin, 1999; Jonhston und Gallant, 2002).
Die Rolle von Signalisierungssystemen bei der Entwicklung von Organismen und deren Eigenschaften
Es ist allgemein bekannt, dass bei der Entwicklung von Embryonen verschiedener Vertreter von Wirbeltieren und Wirbellosen die interzellulären Wechselwirkungen durch eine Reihe von Signalwegen koordiniert werden. Die meisten der interzellulären Signale werden durch eine kleine Anzahl von unterschiedlich untersuchten großen Signalkaskaden übertragen, die mit der Aktivität bestimmter Signalmoleküle (Liganden, Rezeptoren usw.) verbunden und bezeichnet sind (Mumm, Kopan, 2000; Tarchevsky, 2002; Serov, 2003; Pires-daSilva, 2003). Dazu gehören Hh (Igel) Signalwege (Ingham und McMahon, 2001); Wnt (flügellos) (Cadigan und Nusse, 1997); Notch (Mumm und Kopan, 2000); Wachstumsfaktoren: TGF-? (Massague, Chen, 2000), EGFR (Freeman, 2002), RTK (Shemarova, 2003), JAK/STAT (Luo und Dearolf, 2001); Kernhormonrezeptoren (Glass und Rosenfeld, 2002). Prototypen verschiedener Mehrkomponenten-Signalsysteme mit einem hohen Grad an molekularer Signalhomologie finden sich in Prokaryoten und unteren Eukaryoten. Beim Übergang zu multizellulären Eukaryonten durchlaufen Signalproteine strukturelle Veränderungen und bilden Proteinkomplexe; die Effizienz der Signaltransduktion steigt (Shemarova, 2003; Shpakov et al., 2003).
Trotz unterschiedlicher Endergebnisse der Bestimmung und Differenzierung in der Ontogenese von Wirbellosen und Wirbeltieren wird der Konservatismus bei der Entwicklung derselben Signalkaskade in verschiedenen lebenden Organismen beobachtet. In Genomen verschiedener Arten von Genen, die die Entwicklung steuern, sind sie evolutionär konservativ und haben ähnliche Funktionen. So wurde beispielsweise das Hh-Signalisierungssystem, in dem die Proteine der Igel-Familie geheime Liganden sind, bei Menschen, Mäusen, Hühnern, Fröschen, Fischen, Seeigeln, Blutegeln und Insekten nachgewiesen (Ingham und McMahon, 2001). Der Wnt-Weg ist auch bei Tieren verbreitet. Wnt-Proteine bilden eine der größten Familien von Signalmolekülen beim Menschen, bei Mäusen, Fröschen, Caenorhabditis elegans und Drosophilen (Cadigan und Nusse, 1997; Baonza und Freeman, 2002).
Neben dem strengen Konservatismus verfügen Gen-Signalisierungssysteme über ein hohes Maß an Flexibilität bei der Reaktion auf interzelluläre Signale. Jeder von ihnen ist während der Entwicklung von Individuen immer wieder in verschiedenen Geweben enthalten und reguliert die räumliche und zeitliche Trennung der Expression von Genen, die unterschiedliche Zellschicksale bestimmen. So gelten Proteine der Hh-Familie als Teilnehmer an der zellulären Bestimmung und Differenzierung, der Zellteilung und als Vermittler vieler grundlegender Prozesse des embryonalen Wachstums und der Entwicklung. Bei Wirbeltieren sind nur wenige morphologische Körperteile vom Hh-Signal nicht betroffen (Ingham und McMahon, 2001). Bei H-Protein-Fliegen werden die hh-Proteine in den Zellen des hinteren Bereichs jeder Bildplatte exprimiert. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der embryonalen Entwicklung von Flügel, Auge, Gliedmaßen, Gonaden, Bauch, Darm und Tracheen (Mohler, Vani, 1992; Zhang, Kalderon, 2000; Glazer, Shilo, 2001). Gleichzeitig beteiligen sich Mitglieder der Wnt-Proteinfamilie an verschiedenen Entwicklungsprozessen. In der Drosophila sind sie notwendig für die Organisation des zentralen Nervensystems, die Bestimmung der Region der Flügel- und Augenprimordialbereiche, die Begrenzung der Größe der Augenpartie in der Bandscheibe, die Einleitung der Grenze zwischen dem Auge und benachbarten Kopfstrukturen, die Spezialisierung von Augenzellen und Kopfhaut (Ng et al., 1996).
Fortsetzung folgt..