Universität zu Köln

The role of the BMP and Toll pathways in patterning the dorsal-ventral axis of the jewel wasp Nasonia vitripennis

Özüak, Orhan (2014) The role of the BMP and Toll pathways in patterning the dorsal-ventral axis of the jewel wasp Nasonia vitripennis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Two conserved pathways (Toll and BMP) pattern the embryonic DV axis of Drosophila melanogaster. The Toll pathway dominates this process and is the source of all polarity and most of the patterning along the DV axis of the embryo. This is in contrast to other animals, where Toll signalling is not employed for DV patterning, and BMP signalling plays the major role. The early patterning role of Toll can therefore be considered as an evolutionary novelty, which appeared within the insect lineage. To further investigate the evolution of axial patterning in insects we analyzed the DV axis of the wasp Nasonia vitripennis, which is a member of the Hymenoptera, the most basally branching order of the Holometabola. A detailed analysis of the expression of DV marker genes that cover the entire embryonic axis revealed that the expression pattern just prior to the onset of gastrulation is almost identical in Nasonia and Drosophila. However, in Nasonia these patterns are initially very dynamic and evolve over time, which indicates that the upstream network for generating this pattern is highly diverged. In order to examine the functional basis of DV patterning in Nasonia we knocked down Toll and BMP signalling and showed that BMP is required for almost all DV patterning and that Toll has only a limited role. These results indicate that the ancestral role of Toll in insect embryos was only to induce mesoderm, while BMP played the dominant role. To further analyze and identify new target genes or possible new components of both pathways, we performed a transcriptome analysis of wild type, Toll knockdown, and BMP knockdown embryos. The outcome was a set of 262 genes that were significantly up or down regulated when compared among the different data sets. To analyze the expression pattern of those genes, we established a high throughput in situ technique. A first round of analysis revealed many interesting candidates that might play a role in DV patterning. However, further descriptive and functional analyses of all 262 identified genes are needed.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    In Drosophila melanogaster sind zwei konservierte Signalwege (Toll und BMP) für die Musterbildung der embryonalen DV-Achse verantwortlich. Der Toll Signalweg dominiert diesen Prozess und ist für die gesamte Polarität sowie den Großteil der Musterbildung entlang der DV-Achse des Embryos zuständig. Im Gegensatz dazu wird der Toll Signalweg außerhalb der Insekten nicht für die DV Musterbildung benutzt, sondern nur der BMP Signalweg. Daher kann die Rolle des Toll Signalwegs, die er während der frühen embryonalen Musterbildung einnimmt, als evolutionäre Neuheit bezeichnet werden, welche innerhalb der Abstammungslinie der Insekten entstanden ist. Zur weiteren Untersuchung der Evolution der axialen Musterbildung, haben wir die DV-Achse der Wespe Nasonia vitripennis untersucht. Diese gehört zu den Hymenopteren, welche die basalste Gruppe der Holometabolen Insekten darstellt. Eine detaillierte Analyse der Expression von DV Markergenen hat gezeigt, dass die Expressionsmuster kurz vor Beginn der Gastrulation sowohl in Nasonia als auch in Drosophila fast identisch sind. Jedoch ist die Entwicklung der Muster in Nasonia sehr dynamisch was darauf hindeutet, dass das musterbildende Netzwerk in Nasonia im Gegensatz zu Drosophila stark abgeleitet ist. Um die funktionelle Basis der DV Musterbildung in Nasonia zu untersuchen haben wir den Toll und BMP Signalweg mittels RNAi inhibiert. Das Ergebnis hat ergeben, dass BMP für die fast gesamte DV-Achse benötigt wird und Toll nur eine kleine limitierte Rolle besitzt. Somit deuten die Resultate darauf hin, dass Toll ursprünglich in Insektenembryos benutzt wurde, um Mesoderm zu induzieren und, dass BMP die Hauptrolle in der DV Musterbildung spielte. Um weitere Zielgene und mögliche neue Komponenten beider Signalwege zu identifizieren haben wir eine Transkriptomanalyse von Wildtyp-, Toll RNAi- und BMP RNAi-Embryonen durchgeführt. Das Ergebnis war eine Liste von 262 Genen, welche im Vergleich zwischen den verschiedenen Transkriptomdaten signifikant hoch oder runterreguliert waren. Um die Expressionsmuster dieser Gene zu analysieren, haben wir eine Hochdurchsatzvariante der In situ Technik entwickelt. Erste vorläufige Analysen haben viele interessante Kandidaten ergeben, welche eine mögliche Rolle in der DV Musterbildung erfüllen könnten. Jedoch sind weitere deskriptive und funktionelle Analysen aller 262 identifizierten Gene notwendig.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Özüak, Orhanorhan.oezueak@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-56027
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    BMP, Toll, Embryogenesis, Pattern formation, Nasonia, DrosophilaEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Entwicklungsbiologie
    Language: English
    Date: 17 February 2014
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 10 April 2014
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 27 Jun 2014 08:24:55
    Referee
    NameAcademic Title
    Roth, SiegfriedProf. Dr.
    Henrike, ScholzProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5602

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