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Analyse von Signalmolekülen bei der Enstehung und Erhaltung des Hydra-Kopforganisators

Guder, Corina :
Analyse von Signalmolekülen bei der Enstehung und Erhaltung des Hydra-Kopforganisators.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2007)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Analyse von Signalmolekülen bei der Enstehung und Erhaltung des Hydra-Kopforganisators
Language: German
Abstract:

Der Hydra–Kopforganisator dient als Modell für die Musterbildung bei der Embryogenese der Eumetazoa (Gewebetiere), da er die Entstehung einer Körperachse induzieren kann. Man nimmt an, daß die oral–aborale Achse der radiärsymmetrischen Hydra (Cnidaria) vom Kopforganisator, in Analogie zur Induktion der Körperachsen bei den bilateralsymmetrischen Vertebraten (Wirbeltiere), durch die Sekretion von Morphogenen festlegt wird. Neue Ergebnisse zeigen, daß Teile der hochkonservierten, molekularen Signalkaskaden, welche bei den Bilateriern die Embryogenese steuern, schon in den Cnidariern vorhanden sind und hier ähnliche Funktionen ausüben. Dadurch stellt sich die Frage, was die molekulare Minimalausstattung der gemeinsamen Vorfahren der Bilaterier und Cnidarier (Ur–Eumetazoa) war und wie sich ausgehend von dieser Grundlage die Diversifizierung der Körperbaupläne vollzogen hat. Da die axiale Organisation von Gewebe hierbei eine entscheidende Rolle spielt, ist die Herkunft und die Evolution von Organisationszentren besonders interessant. Um diese Fragestellungen zu bearbeiten, wurden zwei EST–Bibliotheken hergestellt, welche besonders die Transkripte aus der Organisatorregion von Hydra sowie aus Organisator–regenerierendem Gewebe repräsentieren. Die Analyse dieser ESTs bestätigte und erweiterte die Vermutung, daß die wichtigsten embryonalen Signalkaskaden der Bilaterier, wie die Wnt–, TGFß–, FGF–, Notch–, Hedgehog–, Cytokin– und weitereWachstumsfaktor–vermittelten Signalwege im Apikalbereich der einfach strukturierten Hydra bereits vorhanden sind. Weiterhin wurden in den Bibliotheken die besonders wichtigen Antagonisten der Wnt– und BMP–(TGFß)–Signaltransduktionswege identifiziert, welche die anteroposteriore und die dorsoventrale Achse in Bilateriern spezifizieren. In dieser Arbeit wurde die molekulare Evolution der Proteindomänen des bereits klonierten Hydra Chordin-like (HyChdl) untersucht und die Funktion dieser Domänen bei der Antagonisierung des BMP–Signalwegs durch heterologe Expression in Zebrafisch–Embryonen untersucht. Weiterhin wurde die Spezifizierung der oral–aboralen Körperachse durch HyChdl und HyBMP5-8b mit dem Chordin/BMP–Antagonismus bei der dorsoventralen Achsenbildung der Bilateria verglichen. Der zweite untersuchte Inhibitor, ein Wnt–antagonistisches Dickkopf–Ortholog (HyDkk1/2/4–A), konnte erfolgreich als Antagonist des Wnt–Signalwegs im Xenopus–Embryo eingesetzt werden. In Expressionsstudien wurde gezeigt, daß das im adulten Polypen zum hywnt3a–Transkript komplementär exprimierte hydkk1/2/4–A–Transkript bei regenerativen Prozessen aufreguliert und mit hywnt3a koexprimiert wird. Dies wurde zusammen mit dem Verlust der Kopfregenerationsfähigkeit in hydkk1/2/4 –reduzierten Polypen in Zusammenhang mit einer essentiellen, Wnt–antagonistischen Rolle bei der oral–aboralen Achsenbildung gebracht. Anhand dieser molekularen Daten wurden diese beiden wichtigen, ancestralen Signalsysteme in Einklang mit bestehenden Theorien zur axialen Musterbildung durch Selbstorganisation in Hydra gebracht. Daraus ließ sich ableiten, daß die Wnt/Dkk– und BMP/Chordin–Systeme in Hydra als Komponenten eines einzigen Musterbildungssystems parallel entlang der oral–aboralen Körperachse agieren, welches primär vom Kopforganisator koordiniert wird. Der Vergleich mit dem bilateralsymmetrischen Achsensystem der Bilaterier legte nahe, daß die ursprünglich gekoppelten Wnt/Dkk– und BMP/Chordin–Systeme im Lauf der Evolution separate Achsen innerhalb der Bilateria festlegten. Aktive Wnt/ß-Catenin–Signaltransduktion und die Unterdrückung von BMP–Signalen sind Voraussetzung für die Spezifizierung der achsenkoordinierenden Organisatoren von Wirbeltierembryonen und, wie diese Arbeit impliziert, höchstwahrscheinlich auch für den Hydra–Kopforganisator, obwohl sich die etablierten Organisatoren in ihrer Molekülkomposition unterscheiden. Im Zusammenhang mit der Modulation von Signalkaskaden wurden neben den Antagonisten drei Thrombospondin Repeat Typ I–enthaltende Moleküle der Extrazellulärmatrix bei der Musterbildung von Hydra in vergleichenden Sequenz– und Expressionsanalysen untersucht. Die Domänenkomposition sowie die differentielle Expression von hytsr1, hytsr2 und hytsr-like entlang der oral–aboralen Achse unterstützen eine adhäsive, eventuell aber auch regulative Funktion der Proteine in differenzierten Strukturen und während Gewebe–Rearrangements sowohl im Kopf als auch im basalen Bereich. Weiterhin wurde an HyTSR1 und HyTSRlike beispielhaft die Evolution von Matrixmolekülen durch Exon–Shuffling und der damit verbundenen Zunahme an funktionellen Eigenschaften beschrieben.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The Hydra head organiser serves as a model for the embryogenesis of Eumetazoa because of its body axis—inducing capacity. It is assumed that the oral–aboral axis of the radial symmetrical Hydra (Cnidaria) is determined by the head organiser through the secretion of morphogens, in analogy to the induction of body axes of bilateral symmetrical vertebrates. New data show that parts of the highly conserved, molecular signalling cascades coordinating bilaterian embryogenesis are already present in cnidarians and exert similar functions. The question arose what the molecular equipment of the common ancestor of bilaterians and cnidarians (Ur–Eumetazoa) might have been and how the diversification of body plans could have occured. The crucial role of axial tissue organisation during this process renders the origin and evolution of organising centres particularly interesting. In order to approach these questions, two EST libraries especially representing transcripts from the Hydra organiser region as well as from organiser–regenerating tissue were produced. The EST analysis confirmed and broadened the preliminary assumption that the most important developmental signalling cascades of bilaterians, e.g. Wnt–, TGFß–, FGF–, Notch–, Hedgehog–, cytokine– and other growth factor–mediated signalling pathways, are existing in the apical region of the simple–structured Hydra. Furthermore, the orthologs of particularly important antagonists of Wnt and BMP signal transduction pathways, specifiying the dorsoventral and anteroposterior body axes of bilaterians, have been identified from the Hydra EST libraries. The molecular evolution of protein domains of the previously cloned, putative BMP antagonist Hydra Chordin-like (HyChdl) as well as the function of these domains in the antagonism of BMP signalling have been investigated by heterologous expression studies in zebrafish. In addition, the specification of the oral–aboral body axis by HyChdl and BMP action has been compared to Chordin/BMP antagonism during the dorsoventral axis formation of bilaterians. The second Wnt antagonist analysed, the Hydra Dickkopf ortholog HyDkk1/2/4–A, has been successfully deployed as an antagonist of the Xenopus Wnt signalling pathway. Expression studies showed that hydkk1/2/4–A, complementary expressed to the hywnt3a (Hydra Wnt3a ortholog) in steady–state polyps, becomes upregulated and co–expressed with hywnt3a during regenerative processes. Taken into account the loss of head regeneration capacity in hydkk1/2/4–A–reduced polyps, an essential, Wnt–antagonistic role for HyDkk1/2/4–A in oral–aboral axis formation has been implicated. On the basis of the molecular data, both these important and ancestral signalling systems were reconciled with established theories of axial patterning through self–organisation in Hydra. It was deduced that both the Wnt/Dkk and the BMP/Chordin system act as components of one single patterning system along the oral–aboral body axis in Hydra which is primarily coordinated by the head organiser. The comparison with the bilateral symmetrical, axial system of bilaterians suggests that the originally coupled Wnt/Dkk and BMP/Chordin systems gave way to set up separate axes in the course of bilaterian evolution. Active Wnt/ß-Catenin signal transduction as well as the repression of BMP signals are a prerequisite for the specification of the axis–coordinating organisers in vertebrate embryos and, as this work implies, most probably also for the Hydra head organiser, even though the molecular composition of the established organisers differs. In the context of signalling cascade modulation, three Thrombospondin repeat type I–containing molecules of the extracellular matrix have been investigated in addition to the above mentioned antagonists during pattern formation processes by comparative sequence and expression analyses. The domain composition as well as the differential expression of hytsr1, hytsr2 and hytsr-like along the oral–aboral axis supports an adhesive and possibly regulative function of the corresponding proteins in both head and basal regions in homeostasis and during tissue rearrangements. Additionally, the evolution of matrix molecules through exon shuffling and the linked increase in functional properties was exemplified on HyTSR1 and HyTSR-like.English
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: Biology
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:52
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000805
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-8059
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Holstein, Prof. Dr. Thomas W. and Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Advisors: Holstein, Prof. Dr. Thomas W.
Refereed: 9 February 2007
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/805
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