Dynamische Kontrolle der zellulären Reprogrammierung von Physarum polycephalum als Modell der Differenzierung von Stammzellen.

Das Plasmodium von Physarum polycephalum ist eine makroskopische, mehrkernige Einzelzelle mit stammzellähnlichen Eigenschaften. Es enthält eine von Natur aus synchronisierte Population von Zellkernen, die einzigartige experimentelle Möglichkeiten für systemorientierte Analysen der Reprogrammierung auf Einzelzellebene bietet.

Während seines Entwicklungszyklus kann sich Physarum in sieben verschiedene Zelltypen differenzieren, von denen jeder eine spezifische Morphologie, Funktion und ein spezifisches Genexpressionsmuster aufweist. Die Differenzierung wird durch Umweltsignale gesteuert. Diese Zelltypen entstehen in zeitlicher Abfolge, anstatt sich parallel zu entwickeln, um einen Körper aufzubauen, wie es bei mehrzelligen Organismen (Tieren oder Pflanzen) der Fall ist.

Wir untersuchen, wie das Plasmodium sein unbegrenztes Replikationspotenzial verliert und sich irreversibel auf die Sporulation festlegt, indem es einen von mehreren alternativen Entwicklungswegen einschlägt. Die Differenzierung kann experimentell durch einen kurzen Impuls von Fernrotlicht ausgelöst werden. Durch systematisches genetisches Screening und die Charakterisierung der erhaltenen Mutanten, die die Differenzierung steuern, mit geeigneten Techniken zur quantitativen Analyse von Transkripten (mRNAs) und Proteinen rekonstruieren wir das regulatorische Netzwerk, das die zelluläre Reprogrammierung steuert, und analysieren dessen funktionelle Dynamik. Diese Untersuchungen werden auf Einzelzellniveau durchgeführt, da identisch behandelte Zellen aus einer klonalen Population alternative Wege der Differenzierung einschlagen. Konkret konzentrieren wir uns auf die Rekonstruktion der Waddington-artigen Quasipotentiallandschaft der zellulären Reprogrammierung und deren genetische Steuerung durch eine Kombination aus experimentellen und computergestützten Techniken.

Dynamic control of cellular reprogramming in Physarum polycephalum as a model for stem cell differentiation.

The Physarum polycephalum plasmodium is a macroscopic multinucleate single cell with stem cell-like properties. It contains a naturally synchronous population of nuclei which provides unique experimental options for systems-oriented analyses of reprogramming at the single cell level.
During its developmental cycle, Physarum can differentiate into seven distinct cell types, each with a specific morphology, function and gene expression pattern. Differentiation is under the control of environmental signals. These cell types occur in temporal order instead of developing in parallel to build a body as it is the case in multicellular organisms (animals or plants).
We investigate how the plasmodium loses its unlimited replicative potential and is irreversibly committed to sporulation by taking one of alternative developmental pathways. Differentiation can be experimentally triggered by a brief pulse of far-red light. By systematic genetic screening and by characterisation of the obtained differentiation control mutants with suitable techniques for quantitative analysis of transcripts (mRNAs) and proteins we reconstruct the regulatory network that controls cellular reprogramming and analyse its functional dynamics. These studies are preformed at the single cell level, as identically treated cells from a clonal population take alternative pathways to differentiate. Specifically, we focus on the reconstruction of the Waddington-type quasi-potential landscape of cellular reprogramming and its genetic control through a combination of experimental and computational techniques.