Identification and characterization of downstream elements of Hydra FGFR signaling

Die Fortpflanzung des Süßwasserpolypen Hydra geschieht hauptsächlich durch Knospung in der unteren Körperhälfte. Der FGF Rezeptor (FGFR) Kringelchen eine Rezeptortyrosinkinase (RTK) spielt eine wichtige Rolle während der Knospung und kontrolliert die Ablösung der Knospe. Unklar ist, ob die FGFR Sig-­ nalweiterleitung in Hydra ähnlich wie bei Vertebraten und Insekten abläuft. Akti-­ vierte FGFRs der Bilateria rekrutieren Docking Proteine, was zu einer Weiterlei-­ tung des Signals an nachgeschaltete Signalkaskaden und negative Regulatoren führt. Vertebraten nutzen hierbei FRS2 zur Weiterleitung des Signals an RAS/MAPK oder PI3K Signalkaskaden, während das nicht-­verwandte Protein Downstream-­of-­FGFR (Dof/Stumps/Heartboken) diese Aufgabe in Drosophila übernimmt. Bei Drosophila koppelt Dof FGFR an den MAPK Signalweg und akti-­ viert somit transkriptionell den negativen Regulator Sprouty. Sprouty Proteine in-­ teragieren mit dem RTK-­nachgeschalteten MAPK Signalweg und sind dadurch in der Lage, das Signal abzuschwächen. Um mehr über die potentiellen Signalelemente anzestraler FGFRs zu erfahren habe ich Datenbanken von genomischen und EST-­Sequenzen untersucht. Hier-­ bei konnte ich Sprouty, FRS2 und Dof Proteine codierende Sequenzen in früh abgeleiteten Tierstämmen, inklusive Hydra, identifizieren. Dof war nur in den Eumetazoa vorhanden, während FRS2 ebenfalls in Metazoa und deren Schwes-­ tertaxa, den Choanoflagellaten, auffindbar war. In Deuterostomia und Ecdysozoa sind eine N-­terminale Myristoylierungsstelle, eine PTB Domäne sowie multiple C-­ terminale GRB2 und SHP2 Bindestellen typisch, gleiches gilt für FRS2 in Cho-­ anoflagellaten und Schwämmen (Porifera). Abweichende Domänenstrukturen für FRS2 Proteine werden für Placozoa, Cnidaria und Spiralia (Annelida, Mollusca) vorhergesagt, deren FRS2 Proteine alle eine N-­terminales PH Domäne, eine PTB Domäne und wenige potentielle Grb2 und Shp2 Bindestellen beinhalten. Durch phylogenetische Analysen konnte eine neue Proteinfamilie (PH-­FRS2) identifiziert werden. Expressionsanalysen von Dof und FRS2 in Hydra zeigten ein hohes Dof-­Transkriptionslevel in der oberen Körperregion und der Tentakelzone. Im Gegensatz dazu wurde FRS2 mRNA nur extrem schwach an der Tentakelba-­ sis nachgewissen. Das Vorhandensein beider vermuteter Dockingproteine bei Metazoa lässt darauf schließen, dass diese zu einem früh entstandener Werk-­ zeugkasten (toolkit) für die Weiterleitung von FGFR Signalen gehören. Die funk-­ tionelle Bedeutung muss zukünftig gezeigt werden. Ich konnte vier Spry Gene in Hydra identifizieren, die alle phylogenetisch basal eingeordnet werden können. Sie codieren für die typischen Sprouty-­Proteinei-­ genschaften, nämlich eine c-­Cbl, TKB (Tyrosine kinase binding) Domäne, eine Raf1-­Bindestelle und eine Sprouty-­Domäne. Die Transkription von Spry2 konnte an den Knospenbasen angrenzend zu der Transkription von Hydra Kringelchen in mittleren bis späten Knospenstadien detektiert werden. Das Fehlen von Sprouty-­codierenden Genen in den Genomen von Parazoa (Trichoplax), Schwämmen (Oscarella, Amphimedon) oder Choanoflagellaten (Salpingoeca) weist darauf hin, dass Sproutys erstmals in Cnidaria auftauchten. Gewebedynamiken sowie die räumlich-­zeitlichen Expressionsmuster von FGFRa, dof and spry2 zeigen, (a) dass spry2 und FGFRa in den selben Zellen an der Knospenbasis koexprimiert werden und (b) dass FGFRa (schwach) und dof (stark) koexprimiert werden. Zusammengefasst legen die gezeigten Daten eine Existenz von zwei FGFR Signalwegen nahe. Wie zuvor gezeigt, ist der erste Signalweg an der Knospung beteiligt und aktiviert möglicherweise den FGFRa abhängigen feedbackloop über spry2. Ein zweiter FGFR Signalweg könnte dabei an der Knospe und am Kopf adulter Tiere aktiviert werden – in einem Bereich, in dem die mRNA des docking Proteins Dof stark exprimiert wird und die beiden FGFRs eine schwache Expression aufweisen. Hierbei könnte der FGFR die Mig-­ ration von Zellen kontrollieren oder modulieren und/oder an der Differenzierung von Zellen für eine funktionierende Kopfstruktur notwendig sein. Eine weitere Un-­ tersuchung dieser potentiellen Funktion und deren molekularen Netzwerk in wel-­ chem Hydra FGFR aktiv ist, ist daher interessant für weiterführende Studien.