Molekularbiologische und histologische Analyse der Muskelentwicklung von Nematostella vectensis

Die im Brackwasser lebende Seeanemone Nematostella vectensis gehört zu den Anthozoen, die eine basale Gruppe innerhalb des Stammes der Cnidarier darstellen. Cnidarier sind Diploblasten. Ihr Körper ist aus nur zwei Keimblättern, dem innenliegenden Entoderm und dem außenliegenden Ektoderm aufgebaut. Das dritte Keimblatt der Bilaterier, das Mesoderm, fehlt den Cnidariern. Eines der Hauptderivate des Mesoderms in Bilateriern ist Muskelgewebe. Obwohl Nematostella kein Mesoderm besitzt, haben die Polypen eine stark entwickelte Muskulatur, die sich im wesentlichen innerhalb der Mesenterien entwickelt. Die Mesenterien sind entodermale Falten, die den Gastralraum der Tiere unterteilen. Sie haben verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Funktionen. Neben der Retraktormuskulatur besitzen die Mesenterien spezialisierte Zellen mit Aufgaben in der Verdauung, Gonaden und Nematocyten. In dieser Arbeit wurde die Entwicklung der Muskulatur licht- und elektronenmikroskopisch von frühembryonalen Stadien, Larvenstadien, Metamorphosestadien und adulten Tieren histologisch untersucht. Die Analysen zeigten, dass die Mesenterien paarweise in einer bestimmten räumlichen Abfolge nach innen auswachsen und dabei die unterschiedlichen Gewebetypen des Mesenteriums von proximal nach distal nacheinander differenzieren. Weiterhin hat Nematostella, obwohl sie kein Mesoderm hat, die für Triploblasten charakteristischen, mesodermalen und muskelspezifischen Gene (z.B. brachyury, snail, twist, gata). Um die Regulation der Muskeldifferenzierung bei einem Diploblasten durch „mesodermale“ Gene zu untersuchen, wurden Expressionsanalysen der muskelspezifischen Gene gata und Myosin Heavy Chain (MyHC) durchgeführt. Die Expression von gata beginnt vor der Expression von MyHC. In frühen Entwicklungsstadien von Nematostella werden beide Gene in den Anlagen der Mesenterien koexprimiert, während im Mesenterium der adulten Polypen gata und MyHC in komplementären Mustern exprimiert werden. Die Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass gata an der Musterbildung der Mesenterien beteiligt ist, in der späteren Entwicklung aber die Muskeldifferenzierung negativ reguliert, indem es die Entstehung von Muskeln in bestimmten Bereichen des Mesenteriums unterdrückt.

The brackish water sea anemone Nematostella vectensis belongs to the Anthozoa, which are considered as the basal group within the Cnidaria. Cnidaria are diploblasts, i.e., they possess two germ layers, the endo- and the ectoderm. They lack the third germ layer of Bilateria, the mesoderm. One of the major differentiation products of the mesoderm in Bilateria is muscle tissue. Although lacking mesoderm, Nematostella polyps also have strong musculature, which develops in the mesenteries. These are endodermal folds, which subdivide the gastric cavity. The mesenteries have multiple domains with different important functions. Besides the retractor muscles developing on one side in the middle part of a mesentery, specialized digestive cells, nematocytes and reproduction organs develop in different areas of the mesenteries. To follow the muscle differentiation during polyp growth after embryonic and larval development, I carried out a series of histological sections, light and electron microscopy at different stages. The results suggest that the mesenteries develop by distal growth from the lateral body walls with successive differentiation of the different types of tissue. Further, although lacking mesoderm, Nematostella vectensis has mesoderm-specific and muscle-specific genes (e.g. brachyury, snail, twist, gata and Myosin Heavy Chain (MyHC), Myosin Light Chain (MyLC)) characteristic for triploblasts. To reveal a possible regulation of muscle differentiation by “mesodermal” genes, I carried out a detailed expression analysis of gata and MyHC. Interestingly, gata factor expression precedes but then colocalizes with that of MyHC in the anlagen of the mesenteries. However, in adult polyps the two genes are expressed in virtually complementary patterns in the mesenteries. We propose that gata factor is involved in the patterning of the mesenteries but later regulates muscle differentiation negatively, thereby locally restricting muscle formation to specific areas of the mesentery.