Universität zu Köln

Su(H) mediated Notch signalling and the role of different her genes during zebrafish somitogenesis

Sieger, Dirk (2006) Su(H) mediated Notch signalling and the role of different her genes during zebrafish somitogenesis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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        Abstract

        Somitogenesis is the key developmental process, which divides the vertebrate body axis into segmentally repeated structures. These structures are called somites. Somites derive from the unsegmented presomitic mesoderm (PSM) that flanks the notochord to both sides. A prepatterning process, taking place in the PSM, is necessary to allow the exact spatial and temporal formation of the somites. The prepatterning is achieved by a clock and wavefront mechanism. The clock consists of the Delta-Notch (D-N) pathway, building up a genetic circuit with several cyclically expressed h/E(spl)/hey-related genes while the wave front is created by a FGF gradient, showing its highest expression in the posterior PSM. Disturbance of the clock or the mediator of the wavefront (her13.2) results in a disruption of cyclic gene expression and posterior somite border formation, while anterior somites are still formed. On the level of Delta-Notch signalling it is not clear if the escaped anterior somites are formed due to redundancy, since there are at least four notch and four delta homologues in zebrafish. Furthermore it is not known if Notch signalling is transmitted via the canonical way through Su(H) during somitogenesis or if an alternative way is used. Since there appears to be only one complete Su(H) homologue in zebrafish, the function of this gene was analyzed using morpholino oligonucleotides. The knockdown of Su(H) leads to a clear disruption of cyclic gene expression, comparable to effects in previously described D-N mutants. Beyond this, posterior somite defects were detected while anterior somites were still formed, implying that their formation is not due to redundancy between different delta or notch genes. Performing the Su(H) knockdown in the fss/tbx24 mutant it could be shown that D-N signalling is necessary for the creation and synchronization of cyclic gene expression. These results clearly suggest that the canonical way of Notch signalling is used during somitogenesis. To further specify the prepatterning process two newly identified her genes, her11 and her12, were analyzed during somitogenesis. It turned out that both genes are dynamically expressed in the PSM and are differentially regulated by D-N signalling. Functional studies suggest that her11 interacts with her1 and her7 and is involved in the fine tuning of cyclic gene expression while her12 seems to be involved in somite border formation and cyclic gene expression. It was recently shown that the D-N driven Her1 protein and the FGF activated Her13.2 protein form heterodimers in vitro. To proof a combinatorial function also in vivo, both genes were knocked down individually and in combination. The combined knockdown leads to distinct additional effects, namely the break down of cyclic gene expression right from the start and a disruption of anterior somite formation. This suggests clearly a combinatorial role for both genes in vivo during early somitogenesis.

        Item Type: Thesis (PhD thesis)
        Translated abstract:
        AbstractLanguage
        Während der Somitogenese wird der sich entwickelnde Vertebraten Embryo in sich wiederholende mesodermale Einheiten unterteilt. Diese Einheiten werden als Somiten bezeichnet und vom präsomitischen paraxialen Mesoderm (PSM) abgegliedert, welches das Neuralrohr zu beiden Seiten flankiert. Damit dieser Prozess räumlich und zeitlich koordiniert abläuft, findet im PSM ein �Prepatterning�-Prozess statt. Dieses �Prepatterning� wird durch einen sogenannten �clock and wavefront� Mechanismus erreicht. Die �clock� besteht aus dem Delta-Notch Signalweg, welcher einen genetischen Regelkreis mit den zyklisch exprimierten h/E(spl)/hey Genen bildet, während die �wavefront� einen FGF Proteingradienten im PSM beschreibt. Unterbrechungen der �clock� oder des Übermittlers der �wavefront� (her13.2) führen zu gestörter zyklischer Genexpression im PSM sowie zu posterioren Somitendefekten. Die ersten vier bis acht Somiten sind davon nicht betroffen. Da im Zebrafisch mindestens vier delta und vier notch Homologe existieren, war bisher nicht klar, ob diese anterioren Somiten auf Grund von Redundanz in diesem Signalweg weiterhin gebildet werden. Des Weiteren war unklar, ob der D-N Signalweg während der Somitogenese wirklich über Su(H) vermittelt wird oder ob eine alternative Signaltransduktion stattfindet. Da im Zebrafisch offensichtlich nur ein funktionelles Su(H) Gen existiert, wurde dieses Gen mittels Injektion von Morpholino Oligonukleotiden ausgeschaltet und seine Funktion analysiert. Der Su(H) �knockdown� führt zu einem Zusammenbruch der zyklischen Expression im PSM, direkt vergleichbar mit den Phänotypen von D-N mutanten Embryonen. Weiterhin wurden posteriore Somitendefekte entdeckt, während die anterioren Somiten gebildet wurden. Dies zeigt eindeutig, dass die intakten anterioren Somiten nicht durch Redundanz zwischen verschiedenen delta oder notch Genen zu erklären sind. Durch �knockdown� von Su(H) im fss/tbx24 mutanten Hintergrund konnte gezeigt werden, dass der D-N Signalweg für die Entstehung und Synchronisation der zyklischen Expression im PSM verantwortlich ist. Zusammenfassend zeigen diese Experimente, dass der D-N Signalweg während der Somitogenese eindeutig über Su(H) vermittelt wird. Um den Prozess des �Prepatterning� näher zu untersuchen, wurden zwei weitere, erst kürzlich identifizierte her gene, her11 und her12, analysiert. Es stellte sich heraus, dass beide Gene dynamisch, jedoch unterschiedlich im PSM exprimiert sind und differentiell durch den D-N Signalweg reguliert werden. Die funktionelle Analyse zeigte, dass her11 zusammen mit her1 und her7 an der Feinregulation der zyklischen Genexpression beteiligt ist, wohingegen her12 eine Funktion in der Somitengrenzbildung zu haben scheint und zusätzlich an der Regulation zyklischer Expression beteiligt ist. Erst vor kurzem konnte gezeigt werden, dass das über D-N regulierte Her1 Protein und das über FGF aktivierte Her13.2 Protein in vitro Heterodimere bilden. Um zu prüfen, ob beide Proteine in vivo wirklich eine kombinatorische Funktion haben, wurden beide Proteine einzeln und in Kombination ausgeschaltet. Der kombinatorische �knockdown� zeigte klare zusätzliche Effekte, wie eine sehr frühe Unterbrechung zyklischer Genexpression, sowie den Zusammenbruch der anterioren Somitogenese. Diese Experimente belegen eine kombinatorische Funktion für Her1 und Her13.2 in der frühen Somitogenese.German
        Creators:
        CreatorsEmail
        Sieger, Dirkdirk.sieger@uni-koeln.de
        URN: urn:nbn:de:hbz:38-17507
        Subjects: Life sciences
        Uncontrolled Keywords:
        KeywordsLanguage
        Somitogenese , ZebrafischGerman
        somitogenesis , zebrafish , notchEnglish
        Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
        Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Genetik
        Language: English
        Date: 2006
        Date Type: Completion
        Date of oral exam: 08 February 2006
        Full Text Status: Public
        Date Deposited: 31 May 2006 14:16:31
        Referee
        NameAcademic Title
        Tautz, DiethardProf.Dr.
        URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1750

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