Universität zu Köln

Buchta, Thomas Martin (2014). Analysis of the dorsal-ventral gene regulatory network of Nasonia vitripennis. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Analysis of the DV axis of Nasonia revealed that all investigated Toll pathway components and most zygotically expressed DV patterning genes known from Drosophila are also present in the Nasonia genome. Prior to gastrulation, gene expression is quite similar when compared to Drosophila. However, regulation of gene expression is more dynamic. The functional analysis revealed a conserved role for Toll signaling in embryonic DV axis polarization. However, in contrast to Drosophila, Toll’s function in providing pattern information is reduced to the formation of ventral fates in Nasonia. Additionally, it seems that Toll signaling does not result in a broad stable gradient of nuclear Dorsal. It induces a narrow domain of zygotic gene expression that dynamically expands independent of Toll signaling. Furthermore, the Drosophila Toll signaling target gene sog, which is essential for the formation of the dorsal BMP gradient is absent in Nasonia. Nevertheless, peak levels of BMP signaling along the dorsal midline are established and even obtained in the absence of Toll signaling in Nasonia. This suggests, that the Nasonia DV axis is established by bipolar signal induction from both the ventral and the dorsal side, which is in contrast to the unipolar Toll dependent axis determination observed in Drosophila. Moreover, the functional analysis of the GRN provides strong evidence for the assumption that BMP signaling plays the dominant role in providing DV polarity in the early embryo of Nasonia. To investigate the influence of the BMP and Toll pathway on early embryogenesis in an unbiased way, a transcriptome analysis was performed. The generated transcriptome data set provides an optimal tool to investigate genes that are putative downstream targets of Toll and BMP signaling. A preliminary screen based on a high throughput variant of ISH already discovered previously described Drosophila orthologs as well as unknown hymenoptera specific genes that hold a potentially important role in the DV GRN of Nasonia.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Analyse des dorsal-verntralen (DV) genregulatorischen Netzwerkes (GRN) von Nasonia vitripennis ergab, dass alle untersuchten Toll-Signalweg- Komponenten und die meisten zygotisch exprimierten DV-Mustergene von Drosophila auch im Genom von Nasonia vorhanden sind. Zu Beginn der Gastrulation ist die Expression ähnlich wie in Drosophila, allerdings ist diese dynamischer reguliert. Die funktionelle Analyse mittels parentaler RNA-Interferenz (pRNAi) ergab, dass die Funktion des Toll Signalwegs in der embryonalen DVAchsenpolarisation konserviert ist. Jedoch ist im Vergleich zu Drosophila die Funktion von Toll, in Bezug auf die von ihm bereitgestellte Musterinformation, auf die Ausbildung der ventralen Gewebe des Embryos beschränkt. Zusätzlich kann angenommen werden, dass der Toll Signalweg nicht in der Bildung eines breiten, stabilen Gradienten nukleären Dorsals resultiert, sondern eher einen schmalen Bereich der zygotische Genexpression induziert, die sich anschließend, unabhängig vom Toll-Signalweg, dynamisch erweitert. Des Weiteren ist short gastrulation (sog), ein Zielgen des Toll-Signalwegs, welches für die Formation des dorsalen BMP Gradienten in Drosophila essenziell ist, nicht vorhanden in Nasonia. Dennoch wird in Nasonia der Höchstwert des BMPSignals entlang der dorsalen Mittellinie gebildet und sogar in Abwesenheit von Toll aufrechterhalten. Daher ist naheliegend, dass in Nasonia die Festlegung der DV-Achse durch beidseitige Induktion, sowohl von ventraler als auch von dorsaler Seite, bestimmt wird; anders als die einseitige Toll-abhängigen Achsenfestlegung, in Drosophila. Zudem liefert die funktionelle Analyse überzeugende Beweise für die Vermutung, dass der BMP-Signalweg die Hauptrolle in der Bereitstellung der DV Polarität im frühen Embryo von Nasonia vitripennis spielt. Um den Einfluss des BMP- und Toll-Signalwegs auf die frühe Embryogenese unvoreingenommen zu untersuchen, wurde eine Transkriptomanalyse mit wildtypischen und RNAi behandelten Embryosdurchgeführt. Der erzeugte Transkriptomdatensatz eignet sich optimal zur Untersuchung mutmaßlicher, dem Toll bzw. BMP-Signalweg nachgeschalteter Gene. Erste, auf einer Hochdurchsatzvariante der In-situ Hybridisierung beruhende Untersuchungen, zeigen, dass sowohl Drosophila-orthologe, als auch bislang unbekannte, Hymenoptera-spezifische Gene eine wichtige Rolle im dorsal-ventralen GRN von Nasonia vitripennis spielen könnten. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Buchta, Thomas Martin thomas_buchta@yahoo.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-55984
Date:	26 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:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Dorsal-ventral axis, Toll, BMP, Nasonia vitripennis, Drosophila melanogaster, pattern formation English
Date of oral exam:	7 April 2014
Referee:	Name Academic Title Roth, Siegfried Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5598