Universität zu Köln

Marques-Souza, Henrique (2007). Evolution of the gene regulatory network controlling trunk segmentation in insects. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The study of pattern formation in insects is the main source of our current understanding of the genetic processes underlying the development of an organism. Ontogeny has been thoroughly studied in the model organism Drosophila melanogaster, where a set of transcription factors and signaling molecules pattern the fly embryo through a segmentation gene cascade. Over the past 20 years, this model has been compared to different organisms throughout the Metazoa. Here I describe the functional analysis of genes and gene regulatory network controlling segmentation in the short germ beetle Tribolium castaneum. The hunchback gene is one of the major early determinants in the Drosophila segmentation cascade, where it serves an instructive role in patterning the entire body plan. In several insects, the role of hb in patterning body compartments (cardinal regions) is conserved. However, in hemimetabolous insects developing as short germs hb role has been reported to differ from the canonical gap function described in holometabolous insects. In the first chapter I describe the role of hb in Tribolium, a holometabolous insect developing as short germ. This analysis revealed that Tc'hb has an indirect effect in segmentation, mediated by other gap genes like giant, and a most likely a direct effect in the segment identity specification, by setting the anterior border of thoracic and abdominal Hox genes. This finding suggests an ancestral role of hb as a cardinal gene within insects and allows the reinterpretation of the canonical gap phenotype described in the fly. The expression analysis of ESTs in Tribolium identified a putative non-coding RNA showing a gap-like expression pattern during segmentation. In the second chapter I describe the functional analysis of this gene, named mille-pattes. This analysis defined Tc'mlpt as a novel segmentation gene in Tribolium, which controlls trunk segmentation in a cross-regulatory network among gap genes and regulates the expression domains of Hox genes. Strikingly, mlpt does not code for a transcription factor, but instead, encodes several small peptides, which are conserved among mlpt homologues in various insects. As a model, the gene regulatory network controlling segmentation in Drosophila has been thoroughly tested in many other organisms, revealing a surprising plasticity of the developmental mechanism controlling segmentation among insects. In order to identify the regulatory interactions among the gap genes that are controlling segmentation in Tribolium, I further characterized the gap gene cross-regulatory network in Tribolium and their interaction with pair rule genes. This analysis provided a powerful data set on the regulatory interactions among gap genes and their interactions with pair rule genes in Tribolium. Finally, the concomitant characterization of segmentation genes presented in this thesis allowed the reinterpretation of the role of hunchback among insects, specially the canonical gap phenotype described for Tribolium and Drosophila. Furthermore, by studying the interactions between gap and Hox genes in Tribolium it was possible to propose a model for the regulation and function of Tc'Antp and for the regulation of the Hox genes along the AP axis in Tribolium.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Evolution der regulatorischen Gen-Netzwerke zur Segmentierung des Insecten Rumpfes German
Translated abstract:	Abstract Language Die Studien zur Musterbildung in Insekten ist die Hauptquelle unseres heutigen Verständnisses der zugrunde liegenden genetischen Prozesse während der Entwicklung eines Organismus. Die Ontogenie des Modellorganismus Drosophila melanogaster, bei der der gesamten Embryo über eine hierarchische Kaskade von Transkriptionsfaktoren und Signalmoleküle "gestaltet" wird, wurde extensiv untersucht. Über die letzten 20 Jahre hinweg wurde dieses Modell mit der Entwicklung von verschiedenen Metazoen Organismen verglichen. Hier beschreibe ich die funktionelle Analyse von Genen und regulatorischen Netzwerken welche die Segmentierung der Kurzkeim Embryos von Tribolium castaneum steuern. Das Gen hunchback ist eines der frühen Hauptdeterminanten in der Segmentierungskaskade von Drosophila, wo es eine vornehmlich leitende Rolle während der Musterbildung des gesamten Anlageplans vollführt. Die Funktion von hunchback während der "Musterbildung" scheint zudem in verschiedenen Insekten konserviert zu sein. In kurzkeimenden hemimetabolen Insekten, wurde jedoch herausgefunden, dass sich die Rolle von hunchback von der kanonischen Funktion eines Gapgens, wie es in holometabolen Insekten beschrieben wurde, unterscheidet. Im ersten Kapitel beschreibe ich die Funktion des hunchback Gens im kurzkeimenden Holometabolen Insekt, Tribolium castaneum. Die Analyse hat gezeigt dass hunchback einen indirekten Effekt auf die Segmentierung zeigt, der möglicherweise über andere Gapgene wie giant vermittelt wird und wahrscheinlich einen direkten Einfluss auf die Spezifikation der Segmentidentität besitzt, in dem es die anteriore Grenze für thorakale und abdominale Hox Gene spezifiziert. Diese Ergebnisse legen eine anzestrale Funktion für hunchback als Kardinal Gen innerhalb der Insekten nahe und erlaubt eine Neuinterpretation des kanonischen Gapgen Phänotypen wie er in Drosophila beschrieben wurde. Die Expressionsanalyse von ESTs in Tribolium führte zu der Identifikation einer vermeintlich nicht kodierenden RNA mit einer Gapgen typischen Expression während der Entwicklung. Im zweiten Kapitel dieser Arbeit beschreibe ich die funktionelle Analyse dieses Gens, milles-pattes. Die Ergebnisse dieser Analyse erlauben die Klassifikation von Tc'mlpt als neues Segmentierungsgen in Tribolium, das als Teil eines regulatorischen Netzwerks von Gapgenen an der Segmentierung der "Rumpfsegmente" beteiligt ist und zudem die Expressionsdomänen von Hox Genen spezifiziert. Auffallend ist hierbei das Tc'mlpt nicht für einen Transkriptionsfaktor kodiert, sondern stattdessen für mehrere kurze Peptide kodiert die in mlpt Homologen aus verschiedenen Insektenspezies konserviert sind. Das Modell des regulatorischen Netzwerkes dass die Segmentierung von Drosophila melanogaster leitet wurde in verschiedenen Organismen ausgiebig getestet und enthüllte eine erstaunliche Plastizität der entwicklungsbiologischen Mechanismen welche die Segmentierung in Insekten kontrollieren. Um die regulatorischen Interaktionen der Gapgene, die die Segmentierung von Tribolium steuern, zu identifizieren, habe ich weiterhin das regulatorische Netzwerk der Gapgene in Tribolium analysiert, sowie deren Interaktion mit den Paarregelgenen. Diese Analysebietet einen umfangreichen Datensatz zu den regulatorischen Interaktionen zwischen Gapgenen sowie deren Wechselwirkung mit den Paarregelgenen in Tribolium. Die begleitende Charakterisierung der Segmentierungsgene die in dieser Arbeit vorgestellt wurden, erlaubt eine Neuinterpretation der Funktion des hunchback Gens in Insekten, und im besonderen des kanonischen Gapgen Phänotyps wie er für Tribolium und Drosophila zuvor beschrieben wurde. Desweiteren erlaubte die Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Gap- und Hox-Genen in Tribolium ein Modell für die Regulation und Funktion des Hox Gens Tc'Antp, sowie der Regulation von Hox Genen entlang der AP-Achse im Allgemeinen, abzuleiten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Marques-Souza, Henrique henrique.souza@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-21673
Date:	2007
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institute for Genetics
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Segmentierung , Insekten , Gapgene , Hoxgene , Netzwerke German Segmentation , Insect , Gap gene , Hox gene , Gene network English
Date of oral exam:	24 June 2007
Referee:	Name Academic Title Tautz, Diethard Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2167