Universität zu Köln

Sachs, Lena Mareike (2014). BMP signaling in the dorsal-ventral patterning system of the milkweed bug Oncopeltus fasciatus. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

BMP signaling plays an essential role in dorsal-ventral (DV) axis patterning throughout the animal kingdom. However, in insects Toll signaling also has a remarkable influence on DV patterning and, in higher branching lineages, fulfills some functions, which depend on BMP signaling in more basally branching lineages. Thus, the DV patterning system of the highly derived fruit fly Drosophila melanogaster is extremely dependent on Toll, which determines also the pattern of dorsal cell fates by specifying the polarity of BMP signaling. However, the wasp Nasonia vitripennis, which belongs to the most basally branching holometabolous lineage, the hymenopterans, uses Toll signaling only as mesoderm inductor. In this study for the first time the DV patterning system of a hemimetabolous insect, the milkweed bug Oncopeltus fasciatus was analyzed. O. fasciatus is a short germ insect, i.e. its posterior segments successively arise from a posterior growth zone, after the onset of gastrulation. In contrast, the anterior segments are synchronously established during the blastoderm stage. A different emergence of anterior and posterior segments might also be reflected in the DV patterning system. To understand the DV patterning system of O. fasciatus candidate genes were knocked down via parental RNA interference (pRNAi) and the resulting phenotypes were investigated for morphological as well as molecular deviations from wild type embryos. Nuclear staining techniques, in situ hybridization (ISH) and antibody staining were performed for this purpose. BMP signaling was found to be able to completely repress mesodermal fates and to be required to restrict it to the ventral side. Furthermore the repression of the BMP inhibitor short gastrulation (sog) seemed also to be mediated by BMP signaling. The lack of DV polarity upon depletion of the extracellular BMP inhibitors Sog and Twisted gastrulation provided further evidence for the high impact of BMP signaling on the O. fasciatus DV patterning system. The absence of DV asymmetry upon depletion of Toll was indicated to be due to a loss of later but not initial expression of sog. These results led to the proposal of a highly self-regulating BMP-dependent DV patterning system for O. fasciatus, which is only polarized by Toll signaling. In addition, differences between the early blastoderm and the later germ band DV pattern in knockdown embryos suggested that the transition of the two dimensional blastoderm DV patterning system into the three dimensional growth zone DV patterning system requires the establishment of two opposing signaling center located close to the posterior pole at the onset of gastrulation.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language BMP Signaltransduktion in dem dorsoventralen Musterbildungssystem der Baumwollwanze Oncopeltus fasciatus German
Translated abstract:	Abstract Language Der BMP Signalweg spielt in der gesamten Tierwelt eine konservierte und wichtige Rolle während der Musterbildung entlang der dorsoventralen (DV) Achse. In Insekten übt allerdings auch der Toll Signalweg einen bemerkenswerten Einfluss auf die DV Musterbildung aus und scheint in abgeleiteteren Insekten einige Aufgaben, die ursprünglich dem BMP Signalweg unterlagen, übernommen zu haben. Um diese Annahme zu überprüfen wurde der relative Beitrag beider Signalwege zur DV Musterbilung in verschiedenen Insekten verglichen. Dabei hat sich herausgestellt, dass das DV Musterbildungsystem der sehr abgeleiteten Taufliege Drosophila melanogaster extrem abhängig vom Toll Signalweg ist, welcher sogar die räumliche Verteilung des BMP Signals weitgehend festlegt. Die Bedeutung des Toll Signalwegs für die DV Musterbildung scheint in basaler abzweigenden Insekten abzunehmen, während das Gegenteil auf den BMP Signalweg zutrifft. In der Wespe Nasonia vitripennis, welche zu den basalsten holometabolen Insekten, den Hymenopteren, zählt, wird der Toll Signalweg zur Mesoderm Induktion verwendet. In dieser Studie wurde zum ersten mal das DV Musterbildungssystem eines hemimetabolen Insektes, der Baumwollwanze Oncopeltus fasciatus, analysiert. O. fasciatus ist ein Kurzkeim Insekt, d.h. seine posterioren Segmente werden, nach Beginn der Gastrulation, sukzessive von einer posterior gelegenen Wachstumzone gebildet. Seine anterioren Segmente werden dagegen während des Blastoderm Stadiums etabliert. Unterschiede in der Enstehung anteriorer und posteriorer Segmente könnten sich möglicherweise auch in der DV Musterbildung wiederspiegeln. Um das DV Musterbildungssystem von O. fasciatus zu verstehen wurde die Aktivität von Kandidaten-Genen mit Hilfe von parentaler RNA Interfernz (pRNAi) herunterreguliert. Die daraus resultierenden Phänotypen wurden auf molekulare und morphologische Abweichungen vom Wildtyp hin untersucht. Zu diesem Zweck wurden Kernfärbungen, in situ Hybridisierungen (ISH) sowie Antikörperfärbungen unternommen. Es stellte sich heraus, dass der BMP Signalweg das ventralste Schicksal, das Mesoderm, limitiert und sogar vollständig unterdrücken kann. Desweitern reprimiert der BMP Signalweg auch short gastrulation (sog), einen Inhibitor von BMP Liganden. Der Verlust der DV Polarität als Folge des Fehlens der BMP Inhibitoren Twisted gastrulation (Tsg) und Sog war ein weiter Hinweis auf den enormen Einfluss des BMP Signalwegs auf die DV Musterbildung von O. fasciatus. Das Fehlen DV Asymmetrie in der Abwesenheit von Toll schien durch den Verlust späterer, nicht jedoch initialer sog Expression begründet zu sein. Diese Ergebnisse führen zur Annahme, dass die DV Musterbildung in O. fasciatus ein selbst regulierendes System darstellt, das von BMP und seinen extrazellulären Modulatoren dominiert und durch den Toll Signalweg lediglich polarisiert wird. Außerdem deuten Unterschiede in den RNAi Phänotypen von Blastoderm- und Keimstreifembryonen daraufhin, dass das DV Musterbildungsystem für den Übergang vom Blastoderm zur Wachstumszone die Etablierung zweier gegensätzlich wirkender Signalzentren am posterioren Pol benötigt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Sachs, Lena Mareike lena.ls.sachs@gmail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
Corporate Creators:	Universität zu Köln, Institut für Entwicklungsbiologie
Corporate Contributors:	Universität zu Köln, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Institut für Entwicklungsbiologie
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-57623
Date:	5 May 2014
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Institut für Entwicklungsbiologie
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language DV patterning, BMP signaling, Evo-Devo, Oncopeltus fasciatus English
Date of oral exam:	1 July 2014
Referee:	Name Academic Title Roth, Siegfried Prof. Dr. (rer. nat.)
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5762