Die Mutante multi-headed 1 (mh-1) von Hydra magnipapillata (wt 105) bildet zusätzliche Kopfstrukturen entlang ihrer Körperachse aus (Abb. s. Pfeile). 
 
 

Anhand von Chimären aus verschiedenen Zellinien der beiden Hydren (mh-1 und wt 105) ließ sich zeigen, daß die Ausprägung des Mutanten Phänotyps von den ektodermalen Epithelzellen der Mutante abhängig ist. Die interstitiellen Zellen sind an diesem Prozeß nicht beteiligt. 
Die Knospenbildung verläuft räumlich und zeitlich normal. Junge mh-1 Knospen sind morphologisch nicht von einer Wildtyp-Knospe zu unterscheiden. Erst ab dem neunten Tag nach Ablösung vom Elterntier sind die Tiere potentiell dazu in der Lage sekundäre Köpfe auszubilden. Die Veränderung im musterbildenden System ist unserer Meinung nach mit einer Positionswertveränderung gekoppelt. Dieser steigt an. Geht man von der Annahme aus, daß die Musterbildung hierarchisch organisiert ist, so werden durch den Anstieg des Positionswertes im Gewebe sekundäre Systeme aktiviert, die die Bildung ektopischer Kopfstrukturen beeinflussen.
In bezug auf endogene kopfinhibitorisch wirkende Aktivitäten (eventuell Morphogene), die das primäre System darstellen, konnte eine Verminderung dieser Aktivität in zweiköpfigen mh-1 verglichen mit einköpfigen mh-1 festgestellt werden. Dieser Unterschied bezüglich der kopfinhibitorisch wirkenden Aktivität in zweiköpfigen mh-1 zeigt an, daß sich die Gewebeeigenschaften verändert haben. Die Knospenbildung bleibt dadurch unbeeinflußt.
Phosphorylierung spielt bei der Steuerung der Musterbildungskontrolle bei mh-1 eine Rolle. Eine einmalige Pulsbehandlung mit dem Protein Phosphatase Inhibitor Cantharidin führt zu einer vorzeitigen Ausprägung des mh-1 Phänotyp. Es gibt Hinweise darauf, daß auch Protein Tyrosin Kinasen mit dem musterbildenden System von mh-1 interferieren. Wir suchen jetzt nach den relevanten phosphorylierten / dephosphorylierten Proteinen. Außerdem interessieren wir uns für Gene bei mh-1, die an Phosphorylierungsprozessen in der Entwicklung anderer Organismen von Bedeutung sind. 

Beiträge
S. Zeretzke and S. Berking (1996) Analysis of a hydra mutant which produces extra heads along the body axis. Int. J. Dev. Biol. Suppl.1:271S

S. Zeretzke and S. Berking (2001) Pattern regulation of a Hydra strain which produces additional heads along the body axis. Int. J. Dev. Biol. 45: 431-439 (2001) (PDF_File)

S. Zeretzke and S. Berking (2002)  In the multiheaded strain (mh-1) of Hydra magnipapillata the ectodermal cells are responsible for the formation of additional heads and the endodermal epithelial cells for the reduced ability to regenerate a foot. Develop. Growth Differ. 44: 85-93 (abstract)
 

Bei Hydra sp. (Hydrozoa) und bei Cassiopea sp. (Scyphozoa) wird die Knospe am Gastralraum des Elterntiers gebildet. Das Gewebe der Knospe stammt nicht aus einem Meristem, sondern ist „umfunktioniertes" Gastralgewebe des Elterntiers. Ein entscheidender Unterschied ist, daß bei Hydrozoen die Knospenspitze zum Kopf des neuen Polypen wird, bei (vielen) Scyphozoen aber zum entgegengesetzten Ende, der Fußscheibe. Die zentrale Frage ist daher, ob die Systeme, die die Musterbildung in diesen Tieren steuern, prinzipielle Unterschiede aufweisen. 

Eine Zusammenfassung des Standes der experimentellen Untersuchungen und der Diskussion über Modellvorstellungen (s.u.) zur Kontrolle der Knospenbildung bei Hydra ist unter Berking, 1998 zu finden. Zur Knospenbildung bei Cassiopea sp. gibt es eine neue Arbeit. Wir bieten eine Modellvorstellung an, mit der man (nicht nur) die Knospenbildung bei Hydro- und Scyphozoen verstehen kann. 

Eigene Beiträge:

Berking, S. (1977). Bud formation in Hydra: Inhibition by an endogenous morphogen. Roux's Arch. Dev. Biol. 181: 215-225.
Berking, S. (1979). Analysis of head and foot formation in Hydra by means of an endogenous inhibitor. Roux's Arch. Dev. Biol. 186: 189-210.
Berking, S. (1980). Commitment of stem cells to nerve cells and migration of nerve cell precursors in preparatory bud development in Hydra. J. Embryol. exp. Morph. 60: 373-387.
Berking, S. (1986). Transmethylation and control of pattern formation in Hydrozoa. Differentiation 32: 10-16.
Berking, S. (1998). Hydrozoa metamorphosis and pattern formation. Current Topics in Developmental Biology 38: 81-131
Berking, S., and Gierer, A. (1977). Analysis of early stages of budding in Hydra by means of an endogenous inhibitor. Roux's Arch. Dev. Biol. 182: 117-129.
Berking, S., and Schüle, T. (1987). Ammonia induces metamorphosis of the oral half of buds into polyp heads in the scyphozoan Cassiopea. Roux's Arch. Dev. Biol. 196: 388-390.
Kehls, N.E., K. Herrmann and S. Berking (1999) The protein phosphatase inhibitor cantharidin induces head and foot formation in buds of Cassiopea andromeda (Rhizostomae, Scyphozoa) Int. J. Dev. Biol. 43:51-58

ABSTRACT The polyps of Cassiopea andromeda produce spindle shaped, freely swimming buds which do not develop a head (a mouth opening surrounded by tentacles) and a foot (a sticky plate at the opposite end) until settlement to a suited substrate. The buds, therewith, look very similar to the planula larvae produced in sexual reproduction. With respect to both, buds and planulae, several peptides and the phorbolester TPA have been found to induce the transformation into a polyp. Here it is shown that cantharidin, a serine/threonine protein phosphatase inhibitor, induces head and foot formation in buds very efficiently in a 30 minutes treatment, the shortest yet known efficient treatment. Some resultant polyps show malformations which indicate that a bud is ordinary polyp tissue in which preparatory steps of head and foot formation mutually block each other from proceeding. Various compounds related to the transfer of methyl groups have been shown to affect head and foot formation in larvae of the hydrozoon Hydractinia echinata. These compounds including methionine, homocysteine, trigonelline, nicotinic acid and cycloleucine are shown to also interfere with the initiation of the processes which finally lead to head and foot formation in buds of Cassiopea andromeda.

Ziele: 
o  Verständnis der Kontrolle der Metamorphose insbesondere bei H. echinata.
o  Aufklärung von Gemeinsamkeiten und Unterschieden in der Kontrolle der Metamorphose 
    bei marinen sessilen Organismen unterschiedlicher Taxa.
o  Einblick in die Kontrolle der Musterbildung bei Cnidariern.

Die weitaus meisten Untersuchungen werden an H. echinata durchgeführt. 

Im Labor sind Kolonien von H. echinata das ganze Jahr fertil. Aus den Eiern entwickeln sich innerhalb von 3 Tagen metamorphosekompetente Larven. Die Larven haben etwa 10 000 Zellen, sehen langgestreckt tropfenförmig aus, sind mit Cilien besetzt, haben keine Organe, können sich nicht ernähren, haben aber Nervenzellen, die ihnen helfen, einen geeigneten Ort für die Metamorphose zu finden. 

Die Metamorphose kann künstlich ausgelöst werden, z.B. durch Zugabe von CsCl, durch Überführen in Seewasser ohne Mg-Ionen oder durch Behandeln mit Dioctanoylglycerol. Die  Liste der Substanzen, die die Metamorphose induzieren enthält etwa 20 Substanzen: Mehr als zehn mal soviele wurden getestet. Die meisten der induzierenden Substanzen kommen im Tier nicht in hinreichender Konzentration vor (z.B. Li-, Cs-, Rb-Ionen, Amiloride und der Phorbolester TPA) sie helfen aber, den natürlichen Weg der Metamorphoseauslösung kennenzulernen. Interessant sind besonders Substanzen, die im Tier natürlich vorkommen wie Diacylglycerole, bestimmte Neuropeptide (LWamide) und Ammonium Ionen. Wir sind insbesondere der Rolle von Ammonium Ionen nachgegangen, die offenbar eine zentrale Rolle bei der Auslösung der Metamorphose durch Temperaturschock spielen.

Andere endogene Substanzen, wie der Neurotransmitter Serotonin, sind für die Induktion der Metamorphose notwendig. Wieder andere endogene Substanzen wirken antagonistisch, d.h. sie stabilisieren den Larvenzustand. Zu den letzteren gehören N-methylpicolinsäure (Homarin), N-methylnicotinsäure (Trigonellin) und N-trimethylglycin (Betain). Die Substanzen greifen in die Transmethylierung und in die Polyaminsynthese ein.

Cassiopea andromeda (Scyphozoa) produziert Schwimmknospen, die wie Planulalarven aussehen. Die Schwimmknospen kann man zur Umwandlung in einen Polypen veranlassen. Der Vorgang wird häufig ebenfalls Metamorphose genannt. Die meisten der Substanzen, die bei H.echinata die Umwandlung zum Polypen auslösen, sind bei C.andromeda wirkungslos, z.B. die LWamide, Dicapryloylglycerol (PKC-Stimulator) und CsCl. Zu den wirksamen Substanzen gehören der Phorolester TPA, eine Reihe von künstlichen Peptiden mit chrakteristischen Zusammensetzungen (AG. Prof. Hofmann, Bochum), die in Hydractinia nicht wirksam sind, Ammonium Ionen, und Cantharidin, ein Serin/Threonin Protein Phosphatase Inhibitor. Die Metamorphose läßt sich mit endogenen Substanzen hemmen. Mit positivem Resultat wurden Substanzen getestet, die auch bei Hydractinia wirksam sind: Homarin, Trigonellin und Methionin. Diese Substanzen stehen in (begründetem) Verdacht, bei Transmethylierungen als Methyldonoren zu fungieren.

Ciona intestinalis (Chordata, Tunicata). Die Metamorphose von der Larve zum erwachsenen Tier kann, wie die von Hydractinia echinata und Cassiopea andromeda mit geringen Konzentrationen von Ammonium Ionen ausgelöst werden. Dicapryloylglycerol (PKC-stimulator) löst bei Ciona und Hydractinia die Metamorphose aus, bei Cassiopea wirkt die Substanz nicht.

Eigene Beiträge 

Berking, S. (1984). Metamorphosis of Hydractinia echinata. Insights into pattern formation in hydroids. Roux's Arch. Dev. Biol. 193: 370-378.
Berking, S. (1986). Is homarine a morphogen in the marine hydroid Hydractinia? Roux's Arch. Dev. Biol. 195: 33-38.
Berking, S. (1986). Transmethylation and control of pattern formation in Hydrozoa. Differentiation 32: 10-16.
Berking, S. (1987). Homarine (N-methylpicolinic acid) and trigonelline (N-methylnicotinic acid) appear to be involved in pattern control in a marine hydroid. Development 99: 211-220.
Berking, S. (1988a). Ammonia, tetraetylammonium, barium and amiloride induce metamorphosis in the marine hydroid Hydractinia. Roux's Arch. Dev. Biol. 197: 1-9.
Berking, S. (1988b). Taurine found to stabilize the larval state is released upon induction of metamorphosis in the hydrozoan Hydractinia. Roux's Arch. Dev. Biol. 197: 321-327.
Berking, S. (1991). Control of metamorphosis and pattern formation in Hydractinia (Hydrozoa, Cnidaria). BioEssays 13: 323-329.
Berking, S. (1998). Hydrozoa metamorphosis and pattern formation. Current Topics in Developmental Biology 38: 81-131.
Berking, S., and Herrmann, K. (1990). Dicapryloylglycerol and ammonium ions induce metamorphosis of ascidian larvae. Roux's Arch. Dev. Biol. 198: 430-432.
Berking, S., and Schüle, T. (1987). Ammonia induces metamorphosis of the oral half of buds into polyp heads in the scyphozoan Cassiopea. Roux's Arch. Dev. Biol. 196: 388-390.
Berking, S., and Walther, M. (1994). Control of metamorphosis in the hydroid Hydractinia. In "Perspectives in comparative endocrinology" (K. G. Davey, R. E. Peter, and S. S. Tobe, Eds.). pp. 381-388. National Research Council of Canada, Ottawa.
Kehls, N.E., K. Herrmann and S. Berking (1999) The protein phosphatase inhibitor cantharidin induces head and foot formation in buds of Cassiopea andromeda (Rhizostomae, Scyphozoa) Int. J. Dev. Biol. 43:51-58
Walther, M., Ulrich, R., Kroiher, M., and Berking, S. (1996). Metamorphosis and pattern formation in Hydractinia echinata, a colonial hydroid. Intern. J. Dev. Biol. 40: 313-322. 

Cnidarialarven benötigen einen externen Stimulus, um sich durch Metamorphose in einen Polypen umzuwandeln. Die Larven verschiedener Hydrozoa, wobei hier der Stachelpolyp Hydractinia echinata am besten untersucht ist, setzen sich nach Zugabe verschiedener Ionen wie Cs+, Li+ und NH4+, sowie Seewasser mit reduziertem Mg2+-Gehalt fest und formen sich zu einem Polypen um. Auch mit den Proteinkinase-C-Aktivatoren (PKC) Tetradecanoyl-phorbol-13-acetat (TPA) und dem Diacylglycerol (DAG) diC8 läßt sich bei Hydrozoenlarven Metamorphose induzieren. Die einzige, auf diesem Gebiet genauer untersuche Scyphozoenart, Cassiopea ssp. geht nach Zugabe von TPA und diC8 in Metamorphose, die Zugabe der genannten Kationen zeigt jedoch keine Wirkung.
Im Rahme unserer Untersuchungen reagierten die Larven von Aurelia aurita, Chrysaora hysoscella und Cyanea lamarckii auf alle genannten Metamorphoseinduktoren. Chrysaora hysoscella und Cyanea lamarckii reagierten auf den, in Hydractinialarven gefundenen Metamorphoseinhibitor Trigonellin (N-Methylnicotinsäure) mit Abnahme der Metamorphoserate. Trigonellin ist bekannt als möglicher Methylgruppendonor bei Transmethylierungsprozessen. Die drei untersuchten Spezies gehören zu der Ordnung der Semaeostomeae, während Cassiopea ssp. der Ordnung der Rhizostomeae angehört.
Die erhaltenen Ergebnisse werfen die Frage auf, ob Cassiopea ssp. innerhalb der Scyphozoa eine Ausnahme darstellt, oder ob sich die Hydrozoa und Semaeostomeae bezüglich der Metamorphoseinduktion grundsätzlich von allen Rhizostomeae unterscheiden. Dies könnte auch zu der Diskussion über die Evolution der Cnidaria beitragen.
 
 

Die Polypen der Scyphozoen sind in der Lage, einen Großteil ihres Gewebes durch terminale Querteilung in eine oder mehrere Medusenanlagen, sogenannte Ephyren, umzuwandeln (Strobilation). Während dieser Transformation finden zwei Prozesse statt, die auch eine wichtige Rolle bei der Gestaltbildung höherer Metazoen spielen: Segmentierung und Metamorphose. Um diese Abläufe zwischen den Bilateria und Cnidaria zu vergleichen, haben wir Kontrolle und Kinetik dieser Prozesse anhand der Ohrenqualle Aurelia aurita untersucht.
Erste sichtbare Anzeichen der Segmentierung und Metamorphose starten am Polypenkopf und setzen sich in Richtung Fuß fort. Am Ende der Strobilation bleibt ein kleines Stückchen Polypengewebe übrig, welches sich wieder zu einem vollständigen Polypen regeneriert. Die Festlegung des Medusenstadiums verläuft in basaler Richtung entlang der Körperachse und läuft der sichtbaren Segmentierung etwa einen Tag voraus. Schneidet man solch eine Strobila im Gewebe unterhalb der Medusenanlagen, kann die Segmentierung an der Schnittstelle einsetzen und in entgegengesetzter Richtung verlaufen, was zu einem spiegelbildlichen Muster aufeinander zulaufender Medusenanlagen führt.
 
 

Strobilation in Aurelia aurita

Eigene Beiträge:

B Siefker, M Kroiher, S Berking (2000) Induction of metamorphosis from the larval to the polyp stage is similar in Hydrozoa and a subgroup of Scyphozoa (Cnidaria, Semaeostomeae). Helgoland Marine Research  54, pp 230-236

M Kroiher, B Siefker, S Berking (2000) Induction of segmentation in polyps of Aurelia aurita (Scyphozoa, Cnidaria) into medusae and formation of mirror-image medusa anlagen. Int. J. Dev. Biol.  44, pp 485-490

Herrmann K, Siefker B, Berking S (2003) Sterile poystyrene culture dishes induce transformation of polyps into medusae in Aurelia aurita (Scyphozoa, Cnidaria). Methods in Cell Science 25, 135-136

Berking S, Czech N, Gerharz M, Herrmann K, Hoffmann U, Raifer H, Sekul G, Siefker B, Sommerei A, Vedder F (2005)
A newly discovered oxidant defence system and its involvement in the development of Aurelia aurita (Scyphozoa, Cnidaria): reactive oxygen species and elemental iodine control medusa formation. Int J Dev Biol. 49(8):969-76. (pdf-file)

Eigene Beiträge:

Berking, S. (1979). Control of nerve cell formation from multipotent stem cells in Hydra. J. Cell Sci. 40: 193-205.
Berking, S. (1980). Commitment of stem cells to nerve cells and migration of nerve cell precursors in preparatory bud development in Hydra. J. Embryol. exp. Morph. 60: 373-387.
Gierer, A., Berking, S., Bode, H., David, C. N., Flick, K., Hansmann, G., Schaller, H., and Trenkner, E. (1972). Regeneration of Hydra from reaggregated cells. Nature, New Biol., 239: 98-101.
Hassel, M., and Berking, S. (1988). Nerve cell and nematocyte production in Hydra is deregulated by lithium ions. Roux's Arch. Dev. Biol. 197: 471-475.
Herrmann, K., and Berking, S. (1987). The length of S-phase and G2-phase of epithelial cells is regulated during growth and morphogenesis of Hydra attenuata. Development 99: 33-39.
S. Zeretzke and S. Berking, 1996, Int. J. Dev. Biol. Suppl.1:271S
 

Modelle zur Kontrolle der Musterbildung zu entwickeln, bedeutet für uns zunächst einmal, mit möglichst sparsamen Annahmen eine Fülle von experimentellen Ergebnissen zu ordnen. Wir wollen die Prinzipien der Kontrollprozesse verstehen. Uns ist bewußt, daß Modelle unvollständig und vorläufig sind. Aufgabe der Modelle ist, die experimentellen Arbeiten zu lenken und uns bei der Aufklärung der molekularen und biochemischen Basis der Kontrolle der Musterbildung behilflich zu sein. 

Nach unserer Auffassung ist die Musterbildung in Nesseltieren hierarchisch organisiert. Das primäre System kontrolliert den Positionswert des Gewebes, sekundäre Systeme werden bei bestimmten Positionswerten aktiv und bestimmen die lokale Differenzierung, z.B. die Bildung von Tentakeln oder die der Basalplatte. Im primären System gibt es nach unserer Auffassung zwei Typen von Dominanz. Dominanz vom Typ 1 ist identisch mit der von Gierer und Meinhardt (1972, Kybertnetik) vorgeschlagenen Idee der Autokatalyse und der damit gekoppelten Inhibition der Autokatalyse in der Umgebung der autokatalytisch aktiven Zellen. Am Ort der Autokatalyse steigt der Positionswert des Gewebes, es sei denn, die Dominanz vom Typ 2 kommt zum Tragen. Dominanz vom Typ 2 beruht auf der Annahme, daß an dem Ort, an dem eine Autokatalyse stattfindet, ein weiteres weitreichendes Signal generiert wird, das den Positionswert im Gewebe der Umgebung vermindern kann. 
 
 
 

Das hierarchische Modell wurde für das Polypenwachstum der Kolonie von Dynamena pumila mathematisch formuliert und in einer Computersimulationen gerechnet. Das monopodiale Wachstum von Dynamena - mittig die vorwachsende Spitze, lateral zwei Polypenknospen - ergibt sich, wenn im mittleren Teil der vorwachsenden Spitze der Postitionswert  zyklisch steigt und fällt. Die Abfolge in einem Zyklus: Mittig steigt der Positionswert, lateral entstehen jeweils zwei neue Aktivationszentren, die mit einer Dominaz von Typ 2 den Positionswert des mittleren Zentrums wieder vermindern. Danach verlieren die Zentren ihren gegenseitigen Einfluss und der Positionswert in den lateralen Zentren erreicht den Höchstwert, Polypenknospen werden gebildet.  In der Mitte  steigt der Postitionswert auch, aber die zwei neu entstehenden lateralen Zentren vermindern ihn  durch ihre Dominanz, ein neuer Zyklus beginnt. Histologische Befunde legen nahe, dass zwischen den Zentren Chitin abgeschieden wird und somit die Einflussung der Zentren aufeinander vermindert wird. Das sympodiale Wachstum von verwandten Arten (oder auch Pflanzen) ist mit dem gleichen Modell allein dadurch erklärbar, dass die Reichweite der gegenseitigen Beeinflussung der Zentren verändert ist. Vorstellbar ist die Änderung der Diffusionsgeschwindigkeit oder der Abbau von diffusiblen Substanzen(pdf-file)

Dynamena pumila

Eigene Beiträge

Berking, S. (1979b). Analysis of head and foot formation in Hydra by means of an endogenous inhibitor. Roux's Arch. Dev. Biol. 186: 189-210.
Berking, S. (1981) Zur Rolle von Modellen in der Entwicklungsbiologie. Springer-Verlag, Heidelberg 1981.
Berking, S. (1985) Modelle in der Entwicklungsbiologie. Naturwiss. Rundschau 38: 374-379
Berking, S. (1998). Hydrozoa metamorphosis and pattern formation. Current Topics in Developmental Biology 38: 81-131.
Berking, S. (1997) Pattern formation in Hydrozoa. Naturwissenschaften 84: 381-388
Berking, S., and Schindler, D. (1983). Specification of the head-body proportion in Hydra attenuata regenerating the head. Roux's Arch. Dev. Biol. 192: 333-336. 
Kehls, N.E., K. Herrmann and S. Berking (1999) The protein phosphatase inhibitor cantharidin induces head and foot formation in buds of Cassiopea andromeda (Rhizostomae, Scyphozoa) Int. J. Dev. Biol. 43:51-58
Berking, S., Hesse, M. and Herrmann, K. (2002) A shoot meristem-like organ in animals; monopodial and sympodial growth in Hydrozoa.  Int. J. Dev. Biol 46: 301-308
Berking, S. (2003)A model for budding in hydra: pattern formation in concentric rings. Theor Biol.  7;222(1):37-52.

Berking S (2006) Principles of branch formation and branch patterning in Hydrozoa. Int. J. Dev. Biol. (2006) 50: 123-134  (pdf-file)

Hydra pflanzt sich unter Laborbedingungen fast ausschließlich asexuell durch Knospung fort. Die Knospen werden dabei in einer bestimmten Region des Gastralraumes, der sogenannten Knospungszone gebildet. Zuerst wird das Hypostom der zukünftigen Knospe sichtbar. Die Knospe wächst dann weiter aus und bildet Fußgewebe und bleibt bis kurz vor der Ablösung vom Elterntier mit diesem über eine Art Verbindungsgewebe (Konstriktor) verbunden. Wir konnten zeigen, daß Signaltransduktionswege an dem musterbildenden Prozeß der Fußbildung an der Knospenbasis beteiligt sind. Insbesondere eine Beteiligung von Modulatoren von Protein Kinasen an diesem Prozeß konnte nachgewiesen werden. 

(F. Pérez and S. Berking, 1994, Roux´s Arch. Dev. Biol. 203: 284-289.) 
Abstract: The fresh water polyp Hydra can reproduce asexually by forming buds. These buds separate from the parent animal due to the developement of foot tissue in a belt-like region and the formation of a constriction basal to that region. A single pulse treatment with activators of protein kinase C , including 1,2-dioctanoyl-rac-glycerol and 1,2-o-tetradecanoylphorbol-13-acetate, and inhibitors of various protein kinases, including staurosporine, H-7 and genistein, interferred with foot and constriction formation. The buds did not separate. Therewith branched animals were formed some of which bore a lateral foot patch. Simultaneous treatments with an activator and a inhibitor led to a higher amount of branched animals than treatments with one of these agents alone. Based on the different specifities of the activators and the inhibitors used we propose that activation of a protein kinase C and/or inhibition of a probably non-C-type protein kinase interfere with the decrease of positional value at the bud´s base, a process necessary to initiate the pattern forming system leading to foot formation. 

Desweiteren gibt es Indizien für die Beteiligung einer Serin/Threonin Protein Phosphatase vom Typ 2A an der Knospenfußbildung. Durch eine Behandlung der Tiere mit Cantharidin (Inhibitor der PP2A) wird die Fußbildung an der Knospenbasis verhindert konnte. Es steht außer Frage, daß Protein Kinasen und Phosphatasen, denen eine wichtige Funktion als Bestandteil von Signalkaskaden während entwicklungsrelevanter Vorgänge in verschiedenen Organismen zugeschrieben wird, auch bei Hydra, einem phylogenetisch sehr alten Metazon, an musterbildenden Prozessen beteiligt ist. 

Neben Serin / Threonin- und Tyrosin- Kinasen und- Phosphatasen sind wir an Ionen, die ihrerseits direkt oder indirekt mit diesen Kinasen /Phosphatasen in Verbindung stehen, bezüglich deren Rolle für die Fußbildung an der Knospenbasis bei Hydra interessiert. Dabei stehen zwei Ionen, Calcium und Lithium, im Vordergrund. Wir konnten zeigen, daß eine Erniedrigung des Calciumspiegels im Kulturmedium auf die intrazelluläre Konzentration zu der Ausbildung von verzweigten Tieren führt (s. Abbildung). 

Dieser Effekt läßt sich weder durch einen Zusatz von Magnesium noch durch vergleichbare Ionen aus der Erdalkaligruppe (Strontium und Barium) aufheben. Auch eine Inkubation der Tiere mit Lithium, das nachweislich in den Phosphatidylinositol-Zyklus involviert ist, führt zur Störung im musterbildenden System bei Hydra. Mittels Lithium lassen sich nicht nur selektiv die I-Zellen in den Tieren eleminieren, sondern auch die Knospenablösung verhindern. Bei Hydra vulgaris wird nach einer Langzeitinkubation die Bildung von Punktfüße entlang der Köperachse induziert. Wir untersuchen nun die Zusammenhänge zwischen Phosphorylierung und den oben aufgeführten Ionen. Als Testsystem dient dazu die Fußbildung an der Knospenbasis. 

Eigene Beiträge

Hassel, M., and Berking, S. (1990). Lithium ions interfere with pattern control in Hydra vulgaris. Roux's Arch. Dev. Biol. 198: 382-388.
Pérez, F. (1996). Effects of cantharidin and a phorbol ester on bud formation in Hydra vulgaris. J. Dev. Biol. Suppl. I, 273.
Pérez, F., and Berking, S. (1994). Protein kinase modulators interfere with bud formation in Hydra vulgaris. Roux's Arch. Dev. Biol. 203: 284-289.

Stefanie Zeretzke, Fernando Pérez, Kirsten Velden and Stefan Berking (2002) Ca²⁺-ions and pattern control in Hydra. Int. J. Dev. Biol. 46:705-710 (pdf-file)

Eirene viridula bildet auf auswachsenden Stolonen neue Polypen in etwa 1,6 mm Abstand zum letzten gebildeten Polypen. Die endogene Substanz Homarin (N-Methypicolinsäure), zugesetzt zum Sewasser in einer Konzentration von 0,1µM, vergrößert den Abstand. Das Antibiotikum Sinefungin (0,1 µM), ein Kompetitor von S-Adenosylmethionin (SAM), verkürzt den Abstand. Da im Zuge von Transmethylierungsvorgängen die Methylgruppe von  Homarin zur Bildung von SAM benutzt werden kann, vermuten wir, daß bei der Abstandskontrolle von Polypen in Kolonien Transmethylierungen eine entscheidende Rolle spielen. 

Eigene Beiträge

Berking, S. (1986). Transmethylation and control of pattern formation in Hydrozoa. Differentiation 32: 10-16.
 

Thecocodium quadratum (Werner, Jahresberichte der. Biol. Anstalt Helgoland, 1965) ist ein coloniales Hydrozoon, das zwei verschiedene Polypen bildet: Gastrogonozoide und Dactylozoide. Die Dactylozoide haben keinen Mund aber Tentakeln, mit denen sie Beute fangen. Die Beute wird an die Gastrogonoziode übergeben und von diesen verschlungen. Gastogonozoide haben keine Tentakeln. Es ist offensichtlich, dass eine Kolonie nur überleben kann, wenn die beiden Polpen-Arten zusammen und in einer bestimmten räumlichenn Anordnung vorhanden sind. Unsere Experimente zeigen, dass das Wachstum der Kolonie durch mindestens 3 Prinzipien gesteuert wird: (1) eine kurzreichweitige Inhibition zwischen Polypen egal welcher Art (2) eine langreichweitige Inhibiton zwischen den Gastrogonozoiden und (3) eine langreichweitige gegenseitige Hilfe zwischen Gastrogonozoiden und Dactylozoiden (lateral help nach Meinhardt, H., Models of Biological Pattern Formation, 1982). 
 

Pfeifer, R., and Berking, S. (1995). Control of formation of the two types of polyps in Thecocodium quadratum (Hydrozoa, Cnidaria). Int. J. Dev. Biol. 39: 395-400.

Laomedea flexuosa

Kolonie von Laomedea flexuosa

Die Kolonie von thecaten Hydrozoen ist von einem festen, chitinhaltigen 'Schlauch' umgeben, dem Perisarc (s. Abb). Das Perisarc hat ein  spezies-spezifisches Muster mit Annuli, Biegungen und glatten Abschnitten. Dieses Muster wird ausschliesslich an der vorwachsenden Spitze gebildet, wo das weiche Material des Perisarc von den darunterliegenden Epithel-Zellen abgegeben wird. Direkt hinter der Spitze härtet das Material und das Muster ist festgelegt.
Wir haben wachsende Kolonien von Laomedea flexuosa mit Substanzen behandelt, die die Härtung des Perisarc behindern  (L-Cystein, Phenyl-thio-Harnstoff) oder die Härtung fördern (Dopamin, N-acetyl-Dopamin). Die ersteren bewirken eine Vergrösserung, die letzteren eine Verengung des Perisarc-Schlauches. Gleichzeitig veränderte sich die Länge des Perisarc so, dass das Volumen ungefähr gleich blieb. Unsere Modellvorstellung ist, dass während des Wachstums die Härtung räumlich und zeitlich geregelt ist. Wenn die Härtung näher an der Spitze stattfindet, verengt sich das Perisarc. Wenn die Härtung weiter entfernt stattfindet, wird der Durchmesser grösser, weil die Zellen von innen gegen das weiche Material drücken. Wenn die Härtung zeitlich und räumlich oszilliert, entstehen Annuli.

Kossevitch IA, Herrmann K, Berking S. (2001) Shaping of Colony Elements in Laomedea flexuosa Hinks (Hydrozoa, Thecaphora) Includes a Temporal and Spatial Control of Skeleton Hardening. Biol Bull. 201(3):417-23.