Teamarbeit für Gewebewachstum

Kopplung von morphogenen und metabolischen Signalwegen ermöglicht richtige Gewebeentwicklung

Entwicklung eines Drosophila-Flügels, angefärbt hinsichtlich des Plasmamembranpotenzials, spezialisierter Lipide und der Aktivität des Hedgehog-Signalweges. © Spannl et al. / MPI-CBG

Während der Entwicklung von Lebewesen liefert eine Reihe von lebenserhaltenden chemischen Reaktionen, die als Stoffwechselreaktionen bezeichnet werden, den Treibstoff und die molekularen Bausteine, die das Gewebewachstum ermöglichen. Allerdings reichen die Stoffwechselreaktionen nicht aus, um ein Gewebe mit einer bestimmten Größe, Form und einem bestimmten Muster zu bilden. Es sind auch spezielle Signalwege zwischen Zellen notwendig, bei denen Moleküle, sogenannte Morphogene, aus einem Teil des Gewebes freigesetzt werden, um die Genexpression im gesamten Gewebe zu kontrollieren. In der Tumorbiologie gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass Morphogene den Zellstoffwechsel von Tumoren beeinflussen. Wie die Morphogen-Signale und die Stoffwechselreaktionen zusammenhängen, ist jedoch noch nicht gut erforscht.

Die Dye / Eaton Forschungsgruppe unter der Leitung von Natalie Dye und die von André Nadler, beide am MPI-CBG, untersuchten nun diesen Zusammenhang. Sie erforschten den Hedgehog-Signalweg, der von Fliegen bis hin zum Menschen konserviert ist und in vielen tierischen Geweben das Wachstum und die Musterbildung reguliert. Die Erstautorin Stephanie Spannl, eine ehemalige Doktorandin des Labors, erklärt die Ergebnisse: „Wir fanden heraus, dass sowohl bei Fliegen als auch bei Wirbeltieren der Hedgehog-Signalweg vermehrt aktiv ist, wenn der Prozess der Glykolyse gehemmt wird. Als Glykolyse bezeichnet man eine Reihe von Reaktionen, bei denen Glukose in kleinere Metabolite zerlegt wird, um Energie und Vorläufer für viele Proteine und Nukleotide zu produzieren. Bei der Fruchtfliege entdeckten wir, dass die Glykolyse erforderlich ist, um das Membranpotential der Zelle aufrechtzuerhalten. Das Membranpotential wiederum wird für die Aufnahme von spezifische Lipiden benötigt, die die Aktivität des Hedgehog-Signalwegs regulieren. Eine Störung der Glykolyse hat somit zur Folge, dass der Hedgehog-Signalweg vermehrt angeschalten wird.“

Natalie Dye, die Studienverantwortliche, fasst zusammen: „Unsere Arbeit betrachtet grundlegende Mechanismen in neuem Licht, die zwei Schlüsselaspekte der Wachstumsregulation verbinden: Morphogene und Metabolismus. Die Fehlregulation einer oder beider dieser Signalwege werden mit Krankheiten, insbesondere mit Krebs, in Verbindung gebracht. Wenn man wissen möchte, wie das Wachstum bei Krebs dereguliert werden kann, ist es hilfreich, das Wachstum während der Entwicklung eines Organismus zu untersuchen. Unsere Arbeit liefert einen molekularen Mechanismus, der zeigt, wie der Hedgehog-Signalweg und der Stoffwechsel miteinander verknüpft sind.“

Originalpublikation

Stephanie Spannl, Tomasz Buhl, Ioannis Nellas, Salma A Zeidan, K Venkatesan Iyer, Helena Khaliullina, Carsten Schultz, André Nadler, Natalie A Dye, Suzanne Eaton: Glycolysis regulates Hedgehog signalling via the plasma membrane potential. The EMBO Journal. 6. Oktober. doi: 10.15252/embj.2019101767