Universität zu Köln

Kraus, Christopher (2015). Phylum-wide transcriptome analysis of oogenesis and early embryogenesis in selected nematode species. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Oogenesis is a prerequisite for embryogenesis in Metazoa. During both biological processes important decisions must be made to form the embryo and hence ensure the next generation: (1) Maternal gene products (mRNAs, proteins and nutrients) must be supplied to the embryo. (2) Polarity must be established and axes must be specified. While incorporation of maternal gene products occurs during oogenesis, the time point of polarity establishment and axis specification varies among species, as it is accomplished either prior, during, or after fertilisation. But not only the time point when these events take place varies among species but also the underlying mechanisms by which they are triggered. For the nematode model Caenorhabditis elegans the underlying pathways and gene regulatory networks (GRNs) are well understood. It is known that there the sperm entry point initiates a primary polarity in the 1-celled egg and with it the establishment of the anteroposterior axis. However, studies of other nematodes demonstrated that polarity establishment can be independent of sperm entry (Goldstein et al., 1998; Lahl et al., 2006) and that cleavage patterns, symmetry formation and cell specification also differ from C. elegans. In contrast to the studied Chromadorea (more derived nematodes including C. elegans), embryos of some marine Enoplea (more basal representatives) even show no discernible early polarity and blastomeres can adopt variable cell fates (Voronov and Panchin 1998). The underlying pathways controlling the obviously variant embryonic processes in non-Caenorhabditis nematodes are essentially unknown. In this thesis I addressed this issue by performing a detailed unbiased comparative transcriptome analysis based on microarrays and RNA sequencing of selected developmental stages in a variety of nematodes from different phylogenetic branches with C. elegans as a reference system and a nematomorph as an outgroup representative. In addition, I made use of available genomic data to determine the presence or absence of genes for which no expression had been detected. In particular, I focussed on components of selected pathways or GRNs which are known to play essential roles during C. elegans development and/or other invertebrate or vertebrate model systems. Oogenesis must be regulated differently in non-Caenorhabditis nematodes, as crucial controlling components of Wnt and sex determination signaling are absent in these species. In this respect, I identified female-specific expression of potential polarity associated genes during gonad development and oogenesis in the Enoplean nematode Romanomermis culicivorax. I could show that known downstream components of the polarity complexes PAR-3/-6/PKC-3 and PAR-1/-2 are absent in non-Caenorhabditis species. Even PAR-2 as part of the polarity complex does not exist in these nematodes. Instead, transcriptomes of nematodes (including C. elegans), show expression of other polarity-associated complexes such as the Lgl (Lethal giant larvae) complex. This result could pose an alternative route for nematodes and nematomorphs to initiate polarity during early embryogenesis. I could show that crucial pathways of axis specification, such as Wnt and BMP are very different in C. elegans compared to other nematodes. In the former, Wnt signaling, for instance, is mediated by four paralogous beta-catenins, while other Chromadorea have fewer and Enoplea only one beta-catenin. The transcriptomes of R. culicivorax and the nematomorph show that regulators of BMP (e.g. Chordin), are specifically expressed during early embryogenesis only in Enoplea and the close outgroup of nematomorphs. In conclusion, my results demonstrate that the molecular machinery controlling oogenesis and embryogenesis in nematodes is unexpectedly variable and C. elegans cannot be taken as a general model for nematode development. Under this perspective, Enoplean nematodes show more similarities with outgroups than with C. elegans. It appears that certain pathway components were lost or gained during evolution and others adopted new functions. Based on my findings I can conjecture, which pathway components may be ancestral and which were newly acquired in the course of nematode evolution.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Der biologische Prozess der Oogenese ist eine Vorraussetzung für die Embryogenese in Metazoa. In beiden Prozessen müssen wichtige entwicklungsbiologische Entscheidungen für die nächste Generation getroffen werden: (1) Maternale Vorprodukte (z.B. mRNAs und Proteine) und Nährstoffe müssen dem Embryo zugeführt werden. (2) Polarität muss etabliert und Achsen müssen festgelegt werden. Maternale Vorprodukte und Nährstoffe werden während der Oogenese eingelagert. Der Zeitpunkt der Polaritätsetablierung und Achsenfestlegung variiert zwischen einzelnen Spezies und kann vor, während, oder nach der Befruchtung erfolgen. Aber nicht nur der Zeitpunkt der Aktivierung dieser biologischen Prozesse, sondern auch die molekularen Mechanismen, welche sie steuern sind unterschiedlich. Für den Modellorganismus Caenorhabditis elegans sind die Signalwege und genregulatorischen Netzwerke (GRN) gut untersucht. Es ist bekannt, dass der Eintrittspunkt des Spermiums die Polarität im einzelligen C. elegans Embryo festlegt, und somit die anterior-posterior Achse determiniert. Andere Studien haben hingegen gezeigt, dass die Polarität in Nematoden auch unabhängig vom Eintrittspunkt des Spermiums festgelegt werden kann (Goldstein et al., 1998; Lahl et al., 2006) und dass Teilungsmuster, Symmetriebildung und Zellspezifikation unterschiedlich zu C. elegans sein müssen. Im Gegensatz zu den untersuchten Chromadorea (eher abgeleitete Nematoden, die auch C. elegans beinhalten) existieren auch einige marine Enoplea (eher basale Vertreter der Nematoden) deren Embryos keine klar ersichtliche Polarität zeigen und Blastomere können unterschiedliche Zellschicksale annehmen (Voronov und Panchin 1998). Die unterliegenden Signalwege, die diese offensichtlich unterschiedlichen embryologischen Prozesse kontrollieren, sind in Nematoden außerhalb des Genus Caenorhabditis weitestgehend unbekannt. In dieser Doktorarbeit befasse ich mich mit diesem Problem, indem ich einen Transkriptom-Vergleich mit Hilfe von Microarrays und RNA Sequenzierungen (RNAseq) für ausgewählte Entwicklungsstadien von Nematoden unterschiedlicher phylogenetischer Gruppen durchgeführt habe. Hierzu nutzte ich das Modell C. elegans als Referenzsystem und einen Nematomorphen als repräsentativen Außengruppenvertreter. Zusätzlich habe ich Genominformation genutzt, um das Vorhandensein und die Abwesenheit von Genen, für die ich keine Expression nachweisen konnte, festzustellen. Hierbei habe ich mich auf Komponenten von ausgewählten Signalwegen und GRNs fokussiert, von denen bekannt ist, dass sie essentiell für die Entwicklung von C. elegans und Invertebraten- und Vertebratenmodelle sind. Die Oogenese in C. elegans muss anders reguliert werden als in Nematoden anderer Gattungen, da essentielle regulative Komponenten des Wnt und des "Sex-Determinations" Signalweges in diesen Spezies nicht existieren. In diesem Zusammenhang habe ich spezifische Expression von Genen, die mit Gonadenentwicklung und Oogenese assoziiert werden können, in dem Enoplea Romanomermis culicivorax detektiert. Zusätzlich konnte ich zeigen, dass bekannte Komponenten der Polaritätskomplexe PAR-3/-6/PKC-3 und PAR-1/-2 in Spezies außerhalb des Genus Caenorhabditis nicht existieren. Selbst PAR-2, als Bestandteil eines dieser Komplexes, existiert nicht in diesen Nematoden. Hingegen zeigen Analysen der Nematodentranskriptome (einschließlich C. elegans) , dass andere polaritätsassoziierte Komplexe, wie z.B. Lgl (Lethal giant larvae), exprimiert werden. Diese Ergebnisse zeigen einen alternativen Weg, um Polarität während der Frühentwicklung in Nematoden festzulegen. Ich konnte auch zeigen, dass wichtige Signalwege der Achsenfestlegung, wie z.B. Wnt und BMP, sehr unterschiedlich zu C. elegans sein müssen. Zum Beispiel existieren für den Wnt Signalweg in C. elegans vier beta-Catenin Paraloge, während andere Chromadorea weniger und Enoplea nur ein beta-Catenin besitzen. Die Transkriptome von R. culicivorax und dem Nematomorphen zeigen, dass Regulatoren des BMP Signalweges (z.B. Chordin) spezifisch in Enoplea und Nematomorphen während der Frühentwicklung exprimiert werden. Zusammenfassend zeigen meine Ergebnisse, dass die molekulare Maschinerie, die Oogenese und Embryogenese in Nematoden reguliert, unerwartet variabel ist und somit kann C. elegans nicht als repräsentatives Modell für Nematoden-Entwicklung betrachtet werden. Es scheint so, als ob Komponenten bestimmer Signalwege während der Evolution verloren gegangen sind oder neue Funktionen angenommen haben müssen. Basierend auf meinen Ergebnissen kann ich vermuten, welche Signalweg-Komponenten anzestral sind und welche während der Nematodenevolution neu erworben wurden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Kraus, Christopher c.kraus@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-67464
Date:	11 May 2015
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Zoologisches Institut
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Transcriptomics, Nematodes, Next Generation Sequencing, Evo-Devo English
Date of oral exam:	23 June 2015
Referee:	Name Academic Title Schierenberg, Einhard Prof. Dr. Roth, Siegfried Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6746