Universität zu Köln

The function of the TGF-beta and Toll signalling pathways in Tribolium dorsoventral patterning

Nunes da Fonseca, Rodrigo (2008) The function of the TGF-beta and Toll signalling pathways in Tribolium dorsoventral patterning. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Dorsoventral (DV) patterning in Drosophila melanogaster is one of the most well-known gene regulatory networks (GRN) in biology. To investigate if this GRN is conserved during insect evolution, functional analysis of TGF-beta and Toll pathways in the short-germ beetle Tribolium castaneum was performed. In the first part, the function of several BMP/Dpp extracellular modulators, including the products of Tolloid (Tld) and Twisted-gastrulation/Crossveinless (Tsg-Cv), was investigated in Tribolium via parental RNAi (pRNAi). While Tc-tld pRNAi knock-down decreases embryonic BMP activity, Tc-tsg(cv) knock-down completely abolishes it. These observations are strikingly different from those in Drosophila, where tsg is only required for a subset of Dpp activity. These results suggest that Tsg/Cv-like proteins are essential for BMP signalling in Tribolium. Since duplicated copies of tsg(cv)- and tld-related genes are present in the Drosophila melanogaster genome, duplication followed by sub-functionalization of these modulators might have changed the BMP/Dpp gradient during evolution of the dipteran Drosophila lineage. In the second part, a functional analysis of the Toll pathway was performed. This analysis addressed the question of why the Tribolium Dorsal nuclear gradient is not stable, but rapidly shrinks and disappears, in contrast to the stable Drosophila gradient. Negative feedback accounts for this dynamic behavior: Tc-Dorsal and one of its target genes (Tc-Twist) activate transcription of the I-KappaB homolog Tc-cactus, which in turn terminates Dorsal function. Despite its transient role, Tc-Dorsal is strictly required to initiate DV polarity, as in Drosophila. However, unlike Drosophila, embryos lacking Tc-Dorsal display a periodic pattern of DV cell fates along the AP axis, indicating that a self-organizing ectodermal patterning system operates independently of mesoderm or maternal DV polarity cues. The presence of self-organizing patterning systems in short-germ insects like Tribolium is in agreement with a regulative type of embryogenesis proposed by classical fragmentation studies on hemimetabolous insects. These results also elucidate how extraembryonic tissues are organized in short-germ embryos, and how patterning information is transmitted from the early embryo to the growth zone. Altogether, the functional analysis of the TGF-betA and Toll pathways in Tribolium dorsoventral patterning suggests that extensive changes in this GRN have occurred during insect evolution.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Die dorsoventrale (DV) Musterbildung in Drosophila melanogaster (D.m.) gehört zu den am besten verstandenen Gen-regulatorischen Netzwerken (GRN) in der Biologie. Um zu untersuchen, ob dieses GRN während der Insektenevolution konserviert ist, wurden funktionale Analysen der TGF-beta und Toll-Signaltransduktionwege im Kurzkeiminsekt Tribolium castaneum durchgeführt. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden verschiedene extrazelluläre BMP/Dpp-Modulatoren, wie z.B. Tolloid (Tld) und twisted-gastrulation/Crossveinless (Tsg-Cv), mittels parentaler RNAi (pRNAi) in Tribolium analysiert. Während Tc-tld pRNAi zu einer reduzierten BMP-Aktivität im Embryo führt, verhindert Tc-tsg(cv) pRNAi diese vollständig. Diese Beobachtungen zeigen deutliche Veränderungen zu den Mechanismen in Drosophila, wo Dm-tsg nur teilweise für die Dpp-Aktivität benötigt wird. Die Ergebnisse deuten auf eine essentiellere Funktion Tsg/Cv-ähnlicher Proteine im BMP-Signalweg in Tribolium hin. Im Drosophilagenom befinden sich duplizierte Kopien von tsg(cv)- und tld-verwandten Genen. Die Duplikation gefolgt von einer Sub-Funktionalisierung dieser Mediatoren könnte im Laufe der Evolution zu Veränderungen des BMP/Dpp-Gradienten geführt haben. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die funktionale Analyse des Toll-Signaltransduktionsweges durchgeführt. Dabei sollte die Frage beantwortet werden, weshalb der Dorsal-Gradient in Tribolium nicht stabil ist und schnell verschwindet, wohingegen Dorsal in Drosophila einen stabilen Gradienten bildet. In Tribolium ist ein negativer Rückkopplungsmechanismus für das dynamische Verhalten des Dorsal-Gradienten verantwortlich: Tc-Dorsal aktiviert zusammen mit einem seiner Zielgene (Tc-twist) die Transkription des I-KappaB Homolog Tc-cactus. Tc-cactus wiederum ist für die Termination der Dorsal Funktion verantwortlich. Anders als in Drosophila führt der Verlust von Tc-Dorsal zu einer periodischen DV-Musterbildung entlang der AP-Achse. Dies deutet auf ein selbstorganisierendes ektodermales Musterbildungssystem hin, welches unabhängig vom Mesoderm und maternalen DV-Polaritätsinformationen agiert. Die Präsenz selbstorganisierender Musterbildungssysteme in Kurzkeiminsekten wie Tribolium castaneum stimmt mit dem regulativen Entwicklungstypus hemimetaboler Insekten überein, welcher in klassischen Fragmentierungs Studien vorgeschlagen wurde.Die gewonnen Ergebnisse erklären außerdem die Organisation extraembryonalen Gewebes in Kurzkeiminsekten und machen deutlich wie Musterbildungsinformation vom frühen Embryo auf die Wachstumszone übertragen wird. Zusammenfassend führte die funktionale Analyse der TGF-beta und Toll- Signaltransduktionswege in Tribolium zu der Annahme, dass während der Insektenevolution intensive Veränderungen im DV-GRN stattgefunden haben.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Nunes da Fonseca, Rodrigofonsecar@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-24203
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Decapentaplegic, growth zone, Gene Regulatory Network, insect development, RNAiEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Entwicklungsbiologie
    Language: English
    Date: 2008
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 29 June 2008
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 05 Aug 2008 09:13:06
    Referee
    NameAcademic Title
    Roth, SiegfriedProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2420

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