Universität zu Köln

Evolution and Development of the Sympathetic Nervous System

Häming, Daniela (2012) Evolution and Development of the Sympathetic Nervous System. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    In Gnathostomata, the sympathetic nervous system is a branch of the autonomic nervous system and it is responsible for the unconscious control of the inner organs. It mainly conveys stress responses, the so called “flight or fight” reaction. Sympathetic neurons are derivatives of the neural crest, a pluripotent embryological cell lineage that has migratory capabilities. Neural crest cells give rise to various tissues, for example sensory neurons, autonomic neurons, glia, melanocytes, cells of the adrenal medulla as well as the bone, cartilage, connective tissue and muscle cells of the head. Lampreys are jawless basal vertebrates, Agnatha, that resemble Cambrian era fossils. Lampreys do have neural crest cells and most of their derivatives, but lack a commissural sympathetic chain. Despite the absence of a definite sympathetic ganglion chain, different cell types of endocrine cells were reported to implement sympathetic functions in lampreys. To shed light on the evolution and development of the sympathetic nervous system, immunohistochemistry, DiI cell tracing and in-situ hybridization experiments were carried out. Staining with a pan-neuronal antibody as well as the DiI cell labeling in lampreys confirmed the presence of dorsal root and enteric ganglia. In-situ hybridizations with probes against the sympathetic nervous system marker genes Ascl1, dHand and Phox2b, visualized transcripts of these genes in various tissues that correspond to the known expression of these genes in gnathostomes, except for expression in sites where sympathetic ganglia would be expected. None of the three different techniques detected sympathetic ganglia cells or cells that could be regarded as sympathetic precursor cells. The absence of a commissural sympathetic chain in lampreys led to the hypothesis that redeployment of genes within the gene regulatory network for sympathetic neuron differentiation contributed to the appearance of the sympathetic nervous system. To test this hypothesis the cis-regulatory activity of three conserved non-coding elements was compared in lamprey and chicken using a reporter expression assay. A conserved non-coding element lying directly proximal to the chicken Phox2b promoter showed expression in the chicken. In contrast, this element was silent when the same three sequences were tested in lamprey. The only element which gave rise to expression in lamprey was a different one, which is spanning the first intron. Surprisingly the two different conserved non-coding elements drove expression in corresponding tissues in both species. None of the tested elements showed expression in sympathetic neurons or ganglia. The interspecies experiment showed that chicken genomic regions can successfully recruit transcription factors and drive expression in the lamprey. This study confirms that a commissural sympathetic chain and peripheral sympathetic neurons are absent in lampreys. It is a plausible scenario that changes in cis-regulatory linkages led to the evolutionary deployment of neural crest cells as precursors for sympathetic neurons. Hence, the evolution of the sympathetic nervous system is discussed based on the presented results and in the light of previous publications.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Das Sympathische Nervensystem der Gnathostomata ist ein Teil des autonomen Nervensystems und ist an der unwillentlichen Steuerung der inneren Organe und der Aufrechterhaltung der Homöosthase des Körpers beteiligt. Dabei stimuliert es durch seine ergotrope Wirkung die Streßreaktionen des Körpers. Die Neuronen des Sympathikus sind Derivate der Neuralleiste. Die Zellen der Neuralleiste sind pluripotent und dadurch gekennzeichten, dass sie im Laufe der Embryonalentwicklung durch den Organismus wandern und dabei die Anlage verschiedener Gewebe bilden, wie zum Beispiel sensorische Neurone, Neurone des autonomen Nervensystems, Glia, Melanozyten, Nebennierenmark und außerdem im Kopfbereich Knochen, Knorpel, Bindegewebe und Muskeln. Neunaugen sind Vertreter der Agnatha und somit basale, kieferlose Vertebraten, die kambrischen Fossilien ähneln. Neunaugen besitzen Neuralleistenzellen und auch die meisten Neuralleistenderivate, aber ihnen fehlt der sympathische Grenzstrang – Truncus sympathicus. Obwohl ein Truncus sympathicus nicht vorhanden ist, wurden verschiedene Zelltypen beschrieben, welche in Neunaugen sympathische Funktionen übernehmen. Um das Verständnis der Evolution und der Entwicklung des Sympathischen Nervensystems zu erhellen, wurden Antikörperfärbungen, Zellmarkierungen mittels DiI und in-situ-Hybridisierungen durchgeführt. Anfärbungen mittels eines pan-neuronalen Antikörpers und Zellmarkierungen mit DiI bestätigten die Existenz von Spinalganglien und enterischen Ganglien in Neunaugen. In-situ-Hybridisierungen in Neunaugenembryonen mit spezifischen Sonden für Markergene des Sympathischen Nervensystems, Ascl1, dHand und Phox2b, zeigten die Expression dieser Gene in verschiedenen Geweben in denen auch eine entsprechende Expression bei Gnathostomata bekannt ist. Jedoch wurde keine Expression in Bereichen, in denen sich bei Gnathostomata Strukturen des Sympathischen Nervensystems befinden, detektiert. Insgesamt wurde mit keiner der drei angewandten Methoden sympathische Ganglienzellen oder Zellen, die als Vorläuferzellen des Sympathikus angesehen werden könnten, gefunden. Das Fehlen eines Truncus sympathicus in Neunaugen führte zu der Hypothese, dass eine cis-regulatorische Umregulierung bereits vorhandener Gene zu der Entstehung des Sympatischen Nervensystems in Wirbeltieren beigetragen haben könnte. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden drei konservierte nicht-kodierende Elemente mithilfe von Reporter-Expressions-Experimentes in Haushuhn und Neunage verglichen. Ein konserviertes nicht-kodierendes Element, welches proximal im Phox2b-Promoter liegt, führte zu Expression im Haushuhn. Im Gegensatz dazu war dieses Element bei dem Test der drei Elemente in Neunaugen inaktiv. Allerdings war in Neunaugen von den drei getesteten Elementen eine andere Sequenz im ersten Intron aktiv. Überraschenderweise führten die zwei unterschiedlichen Elemente in beiden Arten zu Expression in vergleichbaren Geweben. Keins der drei getesteten Elemente zeigte Expression in sympathischen Neuronen oder Ganglien. Das Interspezies-Experiment hat gezeigt, dass Regionen aus dem Genom des Haushuhn in der Lage sind, in Neunaugen Transkriptionsfaktoren zu rekrutieren und Expression zu erzeugen. Diese Arbeit bestätigt, dass sowohl der Truncus sympathikus, als auch andere periphere sympathische Neuronen in Neunaugen fehlen. Es ist eine plausible Annahme, dass Änderungen der cis-regulatorischen Verschaltungen zu der evolutiven Rekrutierung von Neuralleistenzellen zu Vorläufern des Sympathischen Nervensystems führten. Im Folgenden wird anhand der neuen Erkenntnisse und der bereits vorhanden Literatur die Evolution des Sympathischen Nervensystems dikutiert.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Häming, Danielah_aleinad@gmx.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-49736
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Sympathetic nervous system, neural crest cells, lampreyEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Entwicklungsbiologie
    Language: English
    Date: 2012
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 07 December 2012
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 03 Jan 2013 15:34:43
    Referee
    NameAcademic Title
    Roth, SiegfriedProf. Dr.
    Damen, WimProf. Dr,
    Bronner, MarianneProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4973

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