Fluoreszierende In situ Hybridisierung und 5-Ethynyl-2'-Desoxyuridin-Markierung für stammähnliche Zellen in der Hydrozoenqualle Cladonema pacificum

Cnidaria gilt als basal verzweigter Metazoenstamm, der Tiere mit Nerven und Muskeln enthält, was sie in eine einzigartige Position für das Verständnis der Evolution der Tierentwicklung und -physiologie versetzt ^1,2. Nesseltiere werden in zwei Hauptgruppen eingeteilt: Anthozoen (z. B. Seeanemonen und Korallen) besitzen nur Planulalarven und sessilile Polypenstadien, während Medusozoa (Mitglieder von Hydrozoa, Staurozoa, Scyphozoa und Cubozoa) typischerweise die Form von frei schwimmenden Medusen oder Quallen sowie Planulalarven und Polypen annehmen. Nesseltiere weisen häufig eine hohe Regenerationsfähigkeit auf, und ihre zugrunde liegenden zellulären Mechanismen, insbesondere ihr Besitz von adulten Stammzellen und proliferativen Zellen, haben viel Aufmerksamkeit erregt ^3,4. Ursprünglich in Hydra identifiziert, befinden sich hydrozoische Stammzellen in den interstitiellen Räumen zwischen ektodermalen Epithelzellen und werden allgemein als interstitielle Zellen oder i-Zellen bezeichnet³.

Hydrozoen-i-Zellen haben gemeinsame Merkmale, darunter Multipotenz, die Expression weit konservierter Stammzellmarker (z. B. Nanos, Piwi, Vasa) und Migrationspotenzial 3,5,6,7,8. Als funktionelle Stammzellen sind i-Zellen umfassend an der Entwicklung, Physiologie und Umweltreaktion von Hydrozoentieren beteiligt, was von ihrer hohen Regenerationsfähigkeit und Plastizität zeugt³. Während Stammzellen, ähnlich wie i-Zellen, außerhalb von Hydrozoen selbst bei der etablierten Modellart Nematostella nicht identifiziert wurden, sind proliferative Zellen immer noch an der Erhaltung und Regeneration von somatischem Gewebe sowie der Keimbahn^{beteiligt 9}. Da Studien zur Entwicklung und Regeneration von Nesseltieren überwiegend an polypartigen Tieren wie Hydra, Hydractinia und Nematostella durchgeführt wurden, bleiben die zelluläre Dynamik und Funktionen von Stammzellen in Quallenarten weitgehend unberücksichtigt.

Die Hydrozoenqualle Clytia hemisphaerica , eine kosmopolitische Quallenart mit verschiedenen Lebensräumen auf der ganzen Welt, einschließlich des Mittelmeers und Nordamerikas, wurde als experimentelles Modelltier in mehreren Entwicklungs- und Evolutionsstudien verwendet¹⁰. Mit seiner geringen Größe, einfachen Handhabung und großen Eiern eignet sich Clytia sowohl für die Laborpflege als auch für die Einführung genetischer Werkzeuge wie der kürzlich etablierten Transgenese- und Knockout-Methoden¹¹, was die Möglichkeit einer detaillierten Analyse der zellulären und molekularen Mechanismen eröffnet, die der Quallenbiologie zugrunde liegen. Im Clytia medusa-Tentakel sind i-Zellen in der proximalen Region, der sogenannten Zwiebel, lokalisiert, und Vorläuferzellen wie Nematoblasten wandern zur distalen Spitze, während sie sich in verschiedene Zelltypen differenzieren, einschließlich Nematozyten¹².

Während der Regeneration des Clytia manubrium, dem oralen Organ der Quallen, wandern Nanos1⁺ i-Zellen, die in den Gonaden vorhanden sind, in die Region, in der das Manubrium als Reaktion auf Schäden verloren geht, und nehmen an der Regeneration des Manubriums teil⁷. Diese Ergebnisse unterstützen die Idee, dass sich i-Zellen in Clytia auch als funktionelle Stammzellen verhalten, die an der Morphogenese und Regeneration beteiligt sind. Da sich die Eigenschaften von i-Zellen jedoch bei repräsentativen Tieren vom Polyp-Typ wie Hydra und Hydractinia³ unterscheiden, ist es möglich, dass die Eigenschaften und Funktionen von Stammzellen zwischen Quallenarten diversifiziert sind. Darüber hinaus waren mit Ausnahme von Clytia experimentelle Techniken für andere Quallen begrenzt, und die detaillierte Dynamik proliferativer Zellen und Stammzellen ist unbekannt¹³.

Die Hydrozoenqualle Cladonema pacificum ist ein aufstrebender Modellorganismus, der in einer Laborumgebung ohne Wasserpumpe oder Filtersystem gehalten werden kann. Die Cladonema medusa hat verzweigte Tentakel, ein häufiges Merkmal in der Cladonematidae-Familie, und ein Photorezeptororgan namens Ocellus auf der ektodermalen Schicht in der Nähe der Zwiebel¹⁴. Der Tentakelverzweigungsprozess findet an einer neuen Verzweigungsstelle statt, die entlang der adaxialen Seite des Tentakels erscheint. Im Laufe der Zeit verlängern sich die Tentakel weiter und verzweigen sich, wobei die älteren Zweige in Richtung der Spitze¹⁵ herausgeschoben werden. Darüber hinaus können sich Cladonema-Tentakel innerhalb weniger Tage nach Amputation regenerieren. Neuere Studien haben die Rolle von proliferierenden Zellen und stammähnlichen Zellen bei der Tentakelverzweigung und Regeneration bei Cladonema^16,17 vorgeschlagen. Während jedoch die konventionelle In-situ-Hybridisierung (ISH) verwendet wurde, um die Genexpression in Cladonema sichtbar zu machen, ist es aufgrund ihrer geringen Auflösung derzeit schwierig, die Stammzelldynamik auf zellulärer Ebene im Detail zu beobachten.

Dieser Artikel beschreibt eine Methode zur Visualisierung stammartiger Zellen in Cladonema durch FISH und Co-Färbung mit EdU, einem Marker der Zellproliferation¹⁸. Wir visualisieren das Expressionsmuster von Nanos1, einem Stammzellmarker ^5,17, mittels FISH^, das die Identifizierung einer stammartigen Zellverteilung auf Einzelzellebene ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht die Co-Färbung der Nanos1-Expression mit EdU-Markierung, aktiv proliferierende stammartige Zellen zu unterscheiden. Diese Methode zur Überwachung sowohl stammähnlicher Zellen als auch proliferativer Zellen kann auf eine Vielzahl von Untersuchungsbereichen angewendet werden, einschließlich Tentakelverzweigung, Gewebehomöostase und Organregeneration bei Cladonema, und ein ähnlicher Ansatz kann auf andere Quallenarten angewendet werden.