Project B05

Project leader: Anna Marciniak-Czochra

Mathematical modeling of spatio-temporal dynamics of Wnt signaling and its function in development and regeneration

The focus of this project is mathematical modeling of spatio-temporal dynamics of Wnt signaling leading to patterns of Wnt expression, and of their impact on symmetry breaking, tissue organization and maintenance. Mechanisms of pattern formation will be studied on the example of Hydra development and regeneration. The impact of Wnt signaling on stem cell activation and differentiation will be modelled in adult neurogenesis in mice. Mechanistic mathematical models will be built and validated iteratively, based on data provided by collaborating projects.

Mathematische Modelle zur zeitlichen und räumlichen Dynamik des Wnt-Signalwegs und deren Funktion in der Entwicklung und Regeneration

Der Fokus dieses Projektes liegt auf der Erstellung von mathematischen Modellen der zeitlichen und räumlichen Aktivitätsdynamik des Wnt-Signalwegs, die zu Mustern in der Wnt-Expression führen und einen Einfluss auf Symmetriebruch, Gewebeorganisation und Gewebeerhaltung haben. Die Mechanismen der Musterbildung werden am Beispiel der Entwicklung und Regeneration von  Hydra untersucht. Der Einfluss des Wnt-Signalwegs auf die Aktivierung von Stammzellen und der Differenzierung wird anhand der adulten Neurogenese in Mäusen modelliert. Die mechanistischen mathematischen Modelle werden in einem iterativen Prozess mit den Kooperationsprojekten in dem SFB erstellt und modifiziert.

Project-related publications

  • Ziegler, B., I. Yiallouros, B. Trageser, S. Kumar, M. Mercker, S. Kling, M. Fath, U. Warnken, M. Schnölzer, T.W. Holstein, M. Hartl, A. Marciniak-Czochra, J. Stetefeld, W. Stöcker, and S. Özbek. 2021. The Wnt-specific astacin proteinase controls head formation in Hydra. BMC Biol., 19(1):120. PMID: 34107975
  • Köthe, A., A. Marciniak-Czochra, and I. Takagi8. 2020. Hysteresis-driven mechanism of pattern formation in a basic reaction-diffusion-ODE model. Disc. Cont. Dyn. Systems. A. 40: 3595.
  • Kowall, C., A. Marciniak-Czochra, and A. Mikelic. 2020. Long-time shadow limit for a reaction–diffusion-ODE system. Applied Mathematics Letters. 106790.
  • Kalamakis, G., D. Brüne, S. Ravichandran, J. Bolz, W. Fan, F. Ziebell, T. Stiehl, F. Catala-Martinez, J. Kupke, S. Zhao, E. Llorens-Bobadilla, K. Bauer, S. Limpert, B. Berger, U.Christen, P. Schmezer, J.P. Malm, B. Berninger, A. Del Sol, A. Marciniak-Czochra, and A.Martin-Villalba. 2019. Control of quiescence modulates the maintenance and regenerative capacity of neural stem cells in the aging brain. Cell. 176: 1407-1419. e14. PMID: 30827680
  • Brinkmann, F., M. Mercker, T. Richter and A. Marciniak-Czochra. 2018 Post-Turing tissue pattern formation: Advent of Mechanochemistry. PLoS Comp. Biol. 14: e1006259. PMID:29969460
  • Marciniak-Czochra, A., S. Härting, G. Karch and K. Suzuki. 2018. Dynamical spike solutions in a nonlocal model of pattern formation. Nonlinearity. 31: 1757.
  • Ziebell, F., S. Dehler, A. Martin-Villalba, and A. Marciniak-Czochra. 2018. Revealing age related changes of adult hippocampal neurogenesis using mathematical models. Development. 45: dev153544. PMID: 29229768
  • Härting, S., A. Marciniak-Czochra, and I. Takagi. 2017. Stable patterns with jump discontinuity in systems with Turing instability and hysteresis. Disc. Cont. Dyn. Systems A. 37: 757-800.
  • Mercker, M., A. Köthe and A. Marciniak-Czochra. 2015. Mechanochemical symmetry breaking in Hydra aggregates. Biophysical J. 108: 23962407. PMID:25954896.
  • Mercker, M., D. Hartman and A. Marciniak-Czochra. 2013. A mechanochemical model for embryonic pattern formation: Coupling tissue mechanics and morphogen expression. PLoS One. 8:e82617. PMID: 24376555