Variations of developmental events, skn-1 and pie-1 expression, and gene regulatory networks in nematodes with different modes of reproduction

Ndifon, Abraham Nsah (2013). Variations of developmental events, skn-1 and pie-1 expression, and gene regulatory networks in nematodes with different modes of reproduction. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

In this thesis, I studied aspects of early soma/germline separation, gene expression patterns, gene networks and oocyte-to-embryo transition in several nematodes with different modes of reproduction. Proper localisation of gene products is essential for accurate embryonic development. In the hermaphroditic C. elegans, the fertilizing sperm is the initial trigger for the generation of a molecular asymmetry which is reflected by the segregation of germline-specific P granules and differential expression of maternally inherited gene products. In C. elegans, P granules are initially dispersed in the cytoplasm and only later accumulate around the nucleus prior to the birth of the primordial germ cell. In other related nemtodes, we found that P granules occupy an early perinuclear position irrespective of phylogeny and the mode of reproduction. We hypothesize that early perinuclear localisation of P granules may play a role in the regulation of early zygotic transcripts. In C. elegans, the PIE-1 protein functions in the germline to maintain its pluripotency whereas the SKN-1 protein specifies EMS fate. The MEX-1 protein prevents the accumulation of PIE-1 and SKN-1 in the AB lineage. A great disparity in gene networks was found to exist in nematodes. Notably, no obvious PIE-1 and SKN 1 homolog were found in several basal clades. A significant number of vital C. elegans genes are absent in many nematode taxa, and restricted to the genus Caenorhabditis. This indicates that there is significant plasticity in the gene networks active in the early embryo and that there are many potential avenues leading to a healthy juvenile, independent of the reproductive strategy. Striking differences in spatial and temporal expression of the skn-1 and pie-1 genes regardless of the mode of reproduction have been revealed in this work. We found exclusive localisation in somatic cells of skn-1 and pie-1 mRNAs in Acrobeloides nanus and other Acrobeloides species, in contrast to predominant germline expression in Panagrolaimus species. The localisation of pie-1 and mex-1 mRNAs is similar in both Panagrolaimus sp. (PS1159) and C. elegans. However, in the former, skn-1 mRNA expression differs remarkably from the latter. A straightforward explanation for the exclusive germline expression of the skn-1 mRNA in Panagrolaimus sp. (PS1159) is the presence of a translational block in germ cells, and in the Acrobeloides species, a translational block in the somatic cells. Mitogen-activated protein (MAP) kinase activation is essential in regulating oocyte to embryo transition in many organisms. Major sperm protein (MSP) genes trigger MAP kinase activation in the hermaphroditic C. elegans. While activated MAP kinase is present in all analysed nematodes regardless of the reproductive mode, MSP expression differs. In contrast to hermaphroditic or bisexual species, we do not find MSP expression at the protein level in parthenogenetic nematodes. However, genomic sequence analysis indicates that functional MSP genes are present in several parthenogenetic species. Thus, we suggest that MSP expression has been shifted to non-sperm cells at levels too low for detection via Western blotting and immunofluorescence. Thus, a low expression level could be sufficient for acting like a hormone to trigger MAP kinase activation and embryogenesis in parthenogenetic species. In summary, our findings reveal unexpected high differences in early embryonic gene activity amongst nematodes that apparently does not translate into morphological differences, since the hatched larvae of different species look very similar. Nevertheless, differences in embryonic gene expression and cellular behavior might be important to allow the variability needed for adaptation to an ever changing environment, which is reflected by the enormous number of nematode species occupying essentially all ecological niches.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Abstract

Language

In dieser Arbeit, habe ich Aspekte von früher Soma/Keimbahn Trennung, von Gen Expressionsmustern, von Gen-Netzwerken und des Oozyten-zu-Embryo Übergangs in Nematoden mit verschiedenem Reproduktionsmodus untersucht. Die spezifische Lokalisierung von Genprodukten ist wesentlich für die korrekte Embryonalentwicklung. Im hermaphroditischen C. elegans ist das Spermium die Initialzündung zur Erzeugung einer molekularen Asymmetrie, die durch die asymmetrische Verteilung von Keimbahn spezifischen P-Granula und die differenzielle Expression von maternalen Genprodukten widergespiegelt wird. Während die P Granula in C. elegans anfänglich frei im Cytoplasma verteilt sind und sich erst später, bevor die Urkeimzelle entsteht, um den Nukleus sammeln, fanden wir, dass sie sich in mehreren anderen Nematoden früh perinukleär positionieren. Dieses Muster scheint nicht mit der phylogenetischen Stellung oder dem Reproduktionsmodus zu korrelieren. Wir nehmen an, dass die frühe perinukleäre Positionierung der P Granula eine Rolle für die Regulation früher zygotischer Transkripte spielt. In C. elegans hat das PIE-1 Protein innerhalb der Keimbahn die Aufgabe Pluripotenz zu erhalten, während das SKN-1 Protein das Schicksal der Endomesoderm Vorläuferzelle EMS spezifiziert. Das MEX-1 Protein verhindert die Akkumulation von PIE-1 und SKN-1 in der AB Zelllinie. Wir haben eine große Divergenz in den genregulatorischen Netzwerken innerhalb der Nematoden festgestellt. Bemerkenswerterweise konnten keine offensichtlichen PIE-1 und SKN-1 Homologe in mehreren Kladen gefunden werden. Eine signifikante Anzahl essentieller C. elegans Gene scheint auf die Gattung Caenorhabditis begrenzt und somit in vielen Gruppen nicht vorhanden zu sein. Dies deutet darauf hin, dass es eine erhebliche Plastizität in den genregulatorischen Netzwerken innerhalb früher Embryonen verschiedener Arten und damit, unabhängig von der Reproduktionsstrategie, viele potentielle Wege zur Bildung einer gesunden Larve gibt. Ein Vergleich von Acrobeloides nanus und anderen Acrobeloides Arten mit Panagrolaimus Arten zeigte eine spezifische Lokalisation der skn-1 und pie-1 mRNAs in somatischen Zellen in ersteren, und im Gegensatz dazu eine Expression hauptsächlich in der Keimbahn in letzteren. Die Lokalisation von pie-1 und mex-1 mRNAs ist in Panagrolaimus sp. (PS1159) und C. elegans vergleichbar. Allerdings unterscheidet sich die skn-1 mRNA Expression drastisch zwischen beiden Nematoden. Eine mögliche Erklärung für die spezifische Keimbahnexpression der skn-1 mRNA in Panagrolaimus sp. (PS1159) ist ein Translationsblock innerhalb der Keimzellen. Bei den Acrobeloides Arten könnte dagegen ein solcher Translationsblock innerhalb der somatischen Zellen vorhanden sein. Eine Aktivierung durch das Mitogen-aktivierte Protein (MAP) Kinase ist unabdingbar für die Regulation des Oozyten-zu-Embryo-Übergangs in vielen Organismen. Major Sperm Protein (MSP)-Gene initiieren hierbei die MAP Kinase Aktivierung im hermaphroditischen C. elegans. Während die aktivierte MAP Kinase in allen analysierten Nematoden unabhängig vom Reproduktionsmodus exprimiert wird, unterscheidet sich die MSP Expression dramatisch. Im Gegensatz zu hermaphroditischen oder bisexuellen Arten, finden wir keine MSP Proteine in parthenogenetischen Nematoden. Genomsequenzanalysen zeigen jedoch, dass funktionelle MSP Gene in mehreren parthenogenetischen Arten vorhanden sind. Wir schlagen deshalb vor, dass die MSP Expression in Nicht-Spermazellen transferiert wurde und unterhalb der Nachweisgrenze von Western Blots und Immunofluoreszenz liegt. Eine geringe MSP Expression mit der Wirkung als Hormon könnte ausreichen, um die MAP Kinase Aktivierung und somit die Embryogenese in parthenogenetischen Spezies zu ermöglichen. Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse unerwartet große Unterschiede in der frühen embryonalen Genaktivität innerhalb der Nematoden, die scheinbar nicht in morphologische Unterschiede übersetzt werden, da die ausschlüpfenden Larven verschiedener Arten sehr ähnlich sind. Die gefundenen Unterschiede in embryonaler Genexpression und zellulärem Verhalten könnten wichtig sein, um eine Variabilität zu erlauben, die für die Adaption an sich fortwährend ändernde Umwelteinflüsse wichtig ist. Diese Anpassungsfähigkeit wird durch die enorme Anzahl an Nematoden Arten, die sämtliche ökologische Nischen besetzen, widergespiegelt.

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