Projektbeschreibung
Timing ist alles: Das Paradigma der embryonalen Entwicklung
Die embryonale Entwicklung beginnt nach der Befruchtung und durchläuft bei vielen Arten die gleichen Phasen, jedoch je nach Organismus mit unterschiedlichem Tempo. Welche Ätiologie hinter diesen Unterschieden bei der Entwicklungsdauer zwischen verschiedenen Arten steckt, ist allerdings nach wie vor ungeklärt. Das EU-finanzierte Projekt ALLOCHRONY arbeitet auf der Grundlage der Hypothese, dass es zu solch unterschiedlichen Zeitprogrammen (Allochronie) in der Entwicklung kommt, weil wichtige biochemische Reaktionen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit erfolgen. Die Forschenden werden aus pluripotenten Stammzellen Organoide entwickeln, welche die Frühphase der Embryogenese nachahmen, und diese heranziehen, um solche Schlüsselreaktionen in Zellen der Maus und des Menschen zu untersuchen. Die Ergebnisse werden das bestehende Wissen über die embryonale Entwicklung erweitern und die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte identifizieren.
Ziel
While the mechanisms of embryonic development are well conserved, the progression speed differs among animal species. The molecular cause of ‘allochrony’, interspecies differences in developmental tempo, remains unclear due to lack of an appropriate experimental model. In vitro differentiation of pluripotent stem cells (PSCs) offers unique opportunities to compare the same cell type among diverse species in a similar condition.
We have previously recapitulated the oscillatory gene expression of the segmentation clock with PSCs, demonstrating ~2 hour and ~5 hour oscillation periods in murine and human induced presomitic mesoderm (PSM) cells, respectively. We have further found that the period difference stems from differential biochemical reaction speeds of HES7, a core segmentation clock gene, between the species: human PSM cells show slower degradation rates of HES7 and longer delays in its production processes than mouse cells.
Here we aim to investigate the deeper origin of developmental allochrony, the molecular mechanism by which human cells exhibit slower biochemical reactions. We will systematically and quantitatively measure the degradation rates and delays to reveal commonalities of the genes that show differential reaction speeds between murine and human cells (Aim 1). In parallel, we will test two working hypotheses that nuclear/cytoplasmic transport rates or metabolic rates might be lower in human cells, which should lead to slower biochemical reactions (Aim 2).
The other objective is to test the universality of the mechanism of allochrony. We will create gastruloids, organoids mimicking early embryogenesis, from PSCs of diverse mammalian species to investigate what cell types, in addition to PSM cells, and what species exhibit the differential biochemical reaction speeds (Aim 3).
This study will tackle a fundamental question in biology by using quantitative, cutting-edge technologies, ultimately enabling manipulation of developmental time.
Wissenschaftliches Gebiet
Schlüsselbegriffe
Programm/Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
ERC-COG - Consolidator GrantGastgebende Einrichtung
01069 Dresden
Deutschland