Dictoyostelium discoideum

Modellorganismus Dictyostelium discoideum

Dictyostelium discoideum ist ein Schleimpilz. Trotzdem bildet dieses amöbenförmige Lebewesen ein Modell für die Erforschung und das bessere Verständnis grundlegender zellulärer Prozesse. Dictyostelium ist Modellorganismus für biochemische und zellbiologische Untersuchungen. Der Schleimpilz zeigt Ähnlichkeiten in komplexen Signalübertragungswegen bis hin zu Wanderungsbewegungen, die denen von weißen BlutZellen gleichen.

Die einzelnen unabhängigen Amöben des zellulären Schleimpilzes Dictyostelium discoideum finden bei Nahrungsknappheit zu einem großen, vielzelligen Organismus zusammen. Die Überlebensstrategie ist ausgefeilt: Ein Teil der Zellen überdauert die Notsituation als Sporen.

Im Experiment können die Prinzipien dieser Kommunikationsvorgängen über spezifische Botenstoffe untersucht werden. Die Aggregation der Einzelzellen zu einem großen „mehrzelligen Organismus" sind den Kommunikationsprozessen zwischen Zellen bzw. Geweben in der Entwicklung höherer Organismen sehr ähnlich.

Mit spezifischen Farbstoff können Promotoren bestimmter Gene nachgewiesen werden. Dies kann Zelldifferenzierungsvorgänge sichtbar machen, bevor die Zellen komplett ausdifferenziert sind.

Dictyostelium-Zellen lagern sich bei Nahrungsmangel zusammen.

Im Laufe eines Tages bilden sich aus einer Zusammenlagerung der Dictyostelium-Zellen ein differenziertes Gebilde aus Fruchtkörper und Stil sowie Dauersporen. Unter günstigen Umweltbedingungen keimen die Sporen wieder aus und vegetative Amöben bilden sich.

Nach ca. 4 Stunden „Hunger" beginnt die Ausschüttung von cAMP. cAMP ist auch für die menschliche Zelle ein „Hungersignal". Sie kennen cAMP auch als Second Messenger.

cAMP -> Lockstoff und Gleichschalter

cAMP dient in Dictyostelium nicht nur als chemotaktischer Lockstoff, der andere individuelle Amöben anlockt, sondern führt auch zur Synchronisation der Zellen.
Im Aggregat wird weiter cAMP von den Einzelzellen ausgeschüttet. Dies passiert in Intervallen – nicht permanent. Ausgehend vom Aggregat (10⁵ Zellen) kommt es zur Weiterdifferenzierung zum Pseudoplasmodium. Dieser Zustand wird auch „Slug“-Stadium genannt, da es sehr an eine Nacktschnecke (= engl. slug) erinnert. Hier kommt es zur Ausdifferenzierung in verschiedene Zelltypen, die Differenzierung hat aber bereits im Aggregat begonnen. Über eine hutförmige Struktur (mexican hat) kommt es zur Culmination und Ausbildung des Sporenkopfs/Stils.
Bei Luftfeuchtigkeit und besserem Nahrungsangebot kommt es zur Keimung der Sporen und damit zu einem Neubeginn des Lebenszyklus.

Färbung macht Differenzierung sichtbar

Zelltyp-spezifische Promotoren können eingesetzt werden, um verschiedene Zelltyp sichtbar zu machen. Im Mikroskop wären diese Zellen noch nicht als „verschieden" erkennbar.

Folgendes Experiment kann mit Dictyostelium-Präparaten durchgeführt werden:
Wird das ß-Galactosidasegen (lacZ) aus E. coli unter die Kontrolle eines bestimmten Promotors gesetzt und wird diese spezielle Genkonstruktion in Dictyostelium-Zellen eingebracht, so macht das Genprodukt bestimmte Zelltypen sichtbar.

Dictyostelium wird in bestimmten Wachstums- und Differenzierungsphasen abgetötet und für die Mikroskopie vorbereitet. Wurde in den spezifischen Zellen das Genprodukt ß-Galactosidase frei, so kann dieses Enzym zugegebene Laktose spalten.

Die chemische Substanz XGal ist der Laktose ähnlich und das Enzym ß-Galactosidase spaltet die Chemikalie. Dabei entsteht ein blauer Farbstoff.

Der Farbstoff wird also nur in den Zellen entstehen, die zuvor ß-Galactosidase produziert haben.

Unter dem Lichtmikroskop werden verschiedene Entwicklungsstadien sichtbar. Aus den Präparaten und den Zeichnungen kann bestimmt werden, für welchen Zelltyp der Promotor, der die ß-Galactosidase reguliert, spezifisch ist.