Funktionelle Analyse der IgCAMs in der Nervensystementwicklung von Caenorhabditis elegans

Das Nervensystem ist eines der komplexesten Organe und nimmt durch seine Funktionen, die beim Menschen als kognitive Leistungen zusammengefasst werden, eine besondere Stellung ein. Drei grundlegende Prozesse sind bei der Bildung des Nervensystems während der Entwicklung von entscheidender Bedeutung: Bildung von unterschiedlichen Neuronenklassen durch Zelldifferenzierung, Vernetzung der Nervenzellen durch zielgerichtetes axonales Auswachsen und Verschaltung durch Synapsenbildung. Die Mechanismen zur korrekten Vernetzung, die eine unabdingbare Voraussetzung zur Etablierung der synaptischen Verschaltungen sind, sind nur ansatzweise bekannt. Bekannte Rezeptoren (UNC-5, UNC-40/DCC, und SAX-3/Robo), die für die axonale Wegfindung wichtig sind, gehören zu den Immunglobulin-Zelladhäsionsmolekülen (IgCAMs). Durch die Analyse des vollständig sequenzierten Genoms von C.elegans konnten die Mitglieder dieser Familie identifiziert werden. C. elegans besitzt 17 IgCAMs, die entweder aus Ig-Domänen oder aus Ig-Domänen und Fibronektin III Domänen bestehen. Durch den kurzen Generationszyklus und die Möglichkeit Deletionsmutanten herzustellen, eignet sich C. elegans sehr gut zur in vivo Analyse der kompletten Genfamilie. Für vier IgCAMs (LAD-1, UNC-5, UNC-40, und SAX-3) lagen zu Beginn dieser Arbeit schon funktionelle Untersuchungen vor. Für eine erste Abschätzung der Funktion der weiteren 13 IgCAMs wurde die Expression analysiert. Diese IgCAMs zeigen im Verlauf der Entwicklung eine dynamische Expression, die meist nicht auf ein einzelnes Gewebe beschränkt ist. Nur drei IgCAMs (RIG-3, RIG-6b/d, und LAD-2) sind ausschließlich neuronal exprimiert, alle weiteren zeigen neuronale und nicht neuronale Expression. Die neuronale Expression der Mehrzahl der IgCAMs beginnt bereits zum Zeitpunkt des axonalen Auswachsens, so dass eine Rolle bei der axonalen Wegfindung möglich ist. Zur funktionellen Charakterisierung der IgCAMs wurde eine C. elegans Deletionsbank mit ca. 2 mio. mutagenisierten Genomen hergestellt und für zehn von 13 IgCAMs Deletionsmutanten isoliert. Die Deletionen führen überwiegend zu einem vorzeitigen Stopcodon, was einen Funktionsverlust zur Folge hat. In der Deletion von SYG-2 bleibt das ursprüngliche Leseraster erhalten, allerdings fehlt die Fibronektin III Domäne. Die Analyse der Mutanten erfolgte hauptsächlich mit neuronalen Markern. Sieben der zehn Deletionsmutanten zeigen leichte bis mittelschwere Defekte im Nervensystem, die aber alle nicht zu einer Beeinträchtigung der Bewegung, der Nahrungsaufnahme und allgemein der Lebensfähigkeit von C. elegans führen. Die Defekte im Nervensystem betreffen Interneuronaxone, die zwischen den beiden Axonbündeln des Ventralstranges Überkreuzungen aufweisen. Außerdem wachsen in einigen Mutanten Kommissuren der DA/DB Motorneurone auf der falschen Seite Richtung Dorsalstrang. Das kann entweder auf ein Fehlen von IgCAM vermittelten Signalen für das axonale Auswachsen zurückgeführt werden, oder aus einer verminderten Adhäsion resultieren. Die neuronalen Defekte der Deletionsmutanten zeigen, dass IgCAMs zwar bei der Etablierung des Nervensystems beteiligt sind, aber im Einzelnen nur eine lokal begrenzte Funktion aufweisen. Vor allem in vitro Studien haben gezeigt, dass IgCAMs in funktionalen Komplexen zusammenwirken, so dass man davon ausgehen kann, dass Doppel- und Mehrfachmutanten stärkere Defekte zeigen. Durch die exemplarische Analyse von Doppelmutanten der in Motorneuronen exprimierten IgCAMs, konnte auf keine Interaktion dieser IgCAMs geschlossen werden. Allerdings wurden durch solche Untersuchungen Hinweise auf eine Interaktion von rig-1 und rig-3, die beide in Interneuronen exprimiert sind, gefunden. Die Expression der IgCAMs weist auf viele weitere mögliche Funktionen innerhalb des Nervensystems z.B. bei der Synapsenbildung, genauso wie in anderen Geweben wie z.B. in Muskel und in Hypodermis, hin. Die isolierten Deletionsmutanten bilden die Basis, diese möglichen Interaktionen in Zukunft mittels Doppel- und Mehrfachmutanten zu analysieren