Universität zu Köln

Functional analysis of a homolog of the pair-rule gene hairy in the short-germ beetle Tribolium castaneum

Aranda, Manuel (2006) Functional analysis of a homolog of the pair-rule gene hairy in the short-germ beetle Tribolium castaneum. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Drosophila melanogaster is by far the best-understood model for �long germ� developing insects. The most remarkable feature of its development is the specification of all segments during the syncitial blastoderm stage by a mechanism that relies on free diffusion of maternally provided and zygotic transcription factors between the uncellularized nuclei of the early blastoderm. In contrast to this, most insects undergo a short germ development, where only few anterior segments are specified at this stage. Although the ontogeny of several insects from different orders has been analysed so far, it still remains unclear if the principles discovered in Drosophila also apply for the generation of the post-blastoderm derived segments of short germ insects, and how this system might have evolved. The functional analysis of the Tribolium castaneum hairy homolog by pRNAi provided in this thesis and the analysis of the knock down embryos by in situ hybridization using different molecular markers, strongly indicates that Tc�h functions as a pair-rule gene during the segmentation of blastoderm derived segments and suggests a conservation of this function between Tribolium and Drosophila. In contrast to this no such role could be observed for segments specified during the elongation process of the Tribolium germ-band. Interestingly, this function appears to be masked by an additional function of Tc�h in the further development of the embryonic head, which causes the loss of all segments anterior to the third thoracic segment and may indicate the presence of an anterior organizer which governs the proper maturation of this region during development. Analysis of the regulation of Tc�h, in comparison to its Drosophila homolog, shows that the regulatory cascade governing its expression differs substantially between these species. Whereas the Tribolium gap gene orthologs Tc�Kr and likely also Tc�hb do not seem to participate in the regulation of the Tribolium hairy pair-rule pattern in a similar way as in Drosophila, a strong regulatory influence of Tc�gt could be observed in these experiments, reminiscent of the situation in Drosophila. Analysis of the regulatory target gene Tc�ftz indicates that the regulatory interaction between these genes might be conserved, although the function of this interaction differs substantially between Drosophila and Tribolium. Despite the differences found in the regulation of the hairy gene in Tribolium and Drosophila, a trans-species experiment using a lacZ reporter construct under the control of a Tribolium hairy enhancer, specifically regulating the expression of three central stripes #3-#5 in Tribolium, does indeed show expression of the corresponding stripes in transgenic Drosophila lines. Furthermore, crosses of these lines with Drosophila gap and pair-rule gene mutants strongly suggest a participation of these genes in the regulation of the observed pattern. Intriguingly, complementary experiments performed in Tribolium, using similar constructs harbouring stripe specific elements for the stripes #3-#4 from Drosophila, also exhibit stripe like expression at comparable positions in the Tribolium germ-band. However, pRNAi experiments performed with the Tribolium gap genes Tc�hb and Tc�Kr suggest a different regulation for the generation of these stripes. The results obtained in this study reveal part of the regulation and function of the Tribolium castaneum hairy homolog and allow interesting speculations on the molecular events that may allow the transition from short- to long-germ development and the evolution of pair-rule patterning in higher insects

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Drosophila melanogaster ist der bestuntersuchte Modellorganismus der Langkeim- Insekten. Eines der außergewöhnlichsten Merkmale seiner Entwicklung ist die Spezifikation aller Segmente während des syncitialen Blastodermstadiums mithilfe eines Mechanismus, der auf freie Diffusion von maternalen und zygotischen Transkriptionsfaktoren zwischen den unzellularisierten Zellkernen des jungen Blastoderms basiert. Obwohl die Entwicklung verschiedener Insekten aus verschiedenen Ordnungen bereits untersucht wurde, ist es immer noch unklar, ob die Mechanismen, die man in Drosophila entdeckt hat, auch auf die Entwicklung der nichtsyncitial angelegten Segmente von Kurzkeim- Insekten zutreffen und wie dieses System evolutiv entstand. Die funktionelle Analyse des Tribolium castaneum hairy Homologs mithilfe der parentalen RNAi und die Analyse verschiedener molekularer Marker mittels in situ Hybridisierung in knockdown Embryos weisen darauf hin, dass die Segmentierungsfunktion von Tc�h als Paarregel-Gen während des Blastodermstadiums konserviert ist, wohingegen keine solche Funktionen für die Segmentierung während des weiteren Wachstums des Tribolium- Keimstreifens beobachtet werden konnte. Interessanterweise scheint diese Paar-Regel Funktion jedoch durch die Beteiligung von Tc�h an einem anderen Entwicklungsschritt, nämlich der Entwicklung des embryonalen Kopfes, überlagert zu werden, welche in knockdown Embyonen zum Verlust der anterioren Segmente bis zum 3. thorakalen Segment führt. Dies weist auf die mögliche Präsenz eines anterioren Organisers hin, der für die weitere Entwicklung dieser Region notwendig ist. Analysen der Regulation von Tc�h zeigen im Vergleich zu seinem Drosophila Homolog, dass sich die regulatorische Kaskade, durch die sie beide gesteuert werden, erheblich unterscheidet. Während die Tribolium gap- Gen orthologe Tc�kr und möglicherweise auch Tc�hb nicht an der Regulation des Tribolium hairy Paarregelmusters beteiligt zu sein scheinen, wie sie es in Drophila tun, konnte ein starker regulatorischer Einfluss von Tc�gt in diesen Experimenten beobachtet werden, was Ähnlichkeiten zu Drosophila aufweist. Analysen des regulierten Zielgens Tc�ftz weisen darauf hin, dass die regulatorische Interaktion zwischen diesen Genen konserviert sein könnte, obwohl die Nutzung dieser Interaktion bei Drosophila und Tribolium unterschiedlich ist. Trotz der Unterschiede, die für die Regulation des hairy Gens zwischen Drosophila und Tribolium entdeckt wurden, zeigen Experimente mit transgenen Fliegen, die ein lacZ Reportergen- Konstrukt tragen, welches unter der Kontrolle eines Tribolium Enhancers steht, der die Expression der Steifen 3 bis 5 reguliert, tatsächlich die Expression von 3 Streifen an ähnlicher Position. Des weiteren zeigen Kreuzungen dieser transgenen Linien mit Drosophila gap- und Paarregelgen- Mutanten eine Beteiligung dieser Gene an der Regulation der beobachteten Muster. Interessanterweise zeigen Experimente mit ähnlichen Konstrukten, die die Streifen- spezifischen Elemente für die Streifen #3-#4 aus Drosophila enthalten, eine Streifen- ähnliche Expression an vergleichbarer Position im Tribolium Keimstreifen. Jedoch lassen pRNAi- Experimente mit den Tribolium gap- Genen Tc�kr und Tc�hb vermuten, dass die Regulation dieser Streifen unterschiedlich ist. Die Ergebnisse dieser Studie enthüllen einen Teil der Funktion und Regulation des Tribolium castaneum hairy Homologs und erlauben einige interessante Spekulationen über die molekularen Ereignisse, die eine Transition von der Kurz- zur Langkeim- Entwicklung und der Evolution der Paarregelmuster in höheren Insekten ermöglicht haben könnten.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Aranda, Manuelmanuel.aranda@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-20122
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Segmentierung , Insekten , Evolution , hairy , regulationGerman
    segmentation , insects , evolution , hairy , regulationEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Genetik
    Language: English
    Date: 2006
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 11 December 2006
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 02 May 2007 15:04:34
    Referee
    NameAcademic Title
    Tautz, DiethardProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2012

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