Universität zu Köln

Chen, Yen-Ta (2015). The role of Toll signaling in dorsoventral axis formation in the milkweed bug Oncopeltus fasciatus. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The establishment of dorsoventral (DV) axis in the Drosophila embryo relies on the Toll/Dorsal signaling pathway. The transcription factor Dorsal acts downstream of Toll forming a nuclear gradient that determines different cell fates along the DV axis. The formation of the DV axis has been studied in two other holometabolous insects, the bee- tle Tribolium and the wasp Nasonia. However, the role of Toll signaling has not been addressed in the more basally branching hemimetabolous insects. Here, the functions of Toll signaling components have been studied in a representative of the hemimetabola, the milkweed bug Oncopeltus fasciatus. All components of the Toll signaling pathway were identified from the Oncopeltus transcriptome, including the Spätzle ligands, Toll receptors, Myd88 adaptors, Pelle and Tube-like protein kinases, and the Dorsal transcrip- tion factors. Knockdown of these components by parental RNAi (pRNAi) leads to a loss of expression of the ventral marker genes twist, short gastrulation (sog) and the lateral marker gene sim, indicating a dorsalization of the embryos. Anterior-shifted expression of several marker genes in Toll-1 and dorsal-1 RNAi embryos indicates that Toll signal- ing also modulates the AP patterning system. Surprisingly, even some genes required upstream of Toll to activate the Toll ligand Spätzle are conserved between Drosopihla and Oncopeltus. Thus, in Oncopeltus transcripts of the serine protease Nudel and the sulfotransferase Pipe are expressed in the follicle cells surrounding the oocyte like in flies and knockdown of their function results in dorsalized embryos. This indicates that the mechanisms responsible for transmitting the DV polarity of the egg chamber to the em- bryo are evolutionarily conserved within insects predating the split between bugs and the holometabola 350 million years ago. Previous work has shown that in addition to Toll signaling BMP signaling also plays a crucial role for patterning the entire DV axis in Oncopeltus. To investigate the relationship between Toll and BMP signaling, double knockdown experiments were performed. Simultaneous loss-of-function of dpp and Toll-1, which encode the BMP ligand and Toll receptor, leads to an expansion of twist and sog expression around entire embryonic circumference like in the dpp single knockdown, indi- cating that BMP is epistatic to Toll. Thus, BMP signaling seems to be more important than Toll signaling for establishing the cell fates along the DV axis in Oncopeltus. As a DV function of Toll signaling has not been observed outside of insects, the diminished function of Toll signaling in Oncopeltus (compared to holometabolous insects) is likely to represent an ancestral aspect of DV axis formation in insects.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language The role of Toll signaling in dorsoventral axis formation in the milkweed bug Oncopeltus fasciatus English
Translated abstract:	Abstract Language Die Etablierung der dorsoventralen (DV) Achse des Drosophila Embryos hängt von dem Toll/Dorsal Signalweg ab. Der Transkriptionsfaktor Dorsal wirkt stromabwärts von Toll und bildet einen Kerngradienten, der die verschiedenen Zelltypen entlang der DV Achse festlegt. Die Rolle von Toll in der DV Achsenbildung wurde bereits in zwei anderen holometabolen Insekten, dem Käfer Tribolium und der Wespe Nasonia, studiert. Es liegen aber bisher noch keine entsprechenden Studien für hemimetabole Insekten vor. In dieser Arbeit wurde die Funktion der Komponenten des Toll-Signalwegs und einiger stromabwärts wirkender Faktoren in einem Vertreter der hemimetabolen Insekten, der Baumwollwanze Oncopeltus fasciatus, untersucht. Die Komponenten des Toll-Signalwegs, einschließlich der Spätzle-Liganden, der Toll Rezeptoren, des Adaptorproteins Myd88, der Serin/Threoninproteinkinasen Pelle und Tube-like kinase und der Dorsal Transkriptions- faktoren wurden im Transkriptom von Oncopeltus identifiziert und ihre Funktion wurde mit Hilfe der parentalen RNAi-Technik ausgeschaltet. In den pRNAi-Embryonen werden die ventral exprimierten Gene twist und short gastrulation (sog) sowie das lateral exprim- ierte Gen single minded nicht aktiviert, was darauf hindeutet, dass eine Dorsalisierung vorliegt. Für einige Gene wurde außerdem eine anteriore Verschiebung der Expressions- domänen beobachtet, die eine zusätzliche Funktion von Toll bei der anteriorposterioren Musterbildung nahelegen. Überraschender Weise sind zentrale Komponent, die stromab- wärts von Toll wirken und für die Aktivierung des Toll Liganden Spätzle benötigt werden, zwischen Drosophila und Oncopeltus konserviert. In Oncopeltus werden die Serinprotease Nudel und die Sulfotransferase Pipe wie in Drosophila im Follikelepithel, das die Oozyte einhüllt, exprimiert und ihr Funktionsverlust führt zu dorsalisierten Embryonen. Somit scheinen die Mechanismen, die für die Weitergabe der DV Polarität der Eikammer an den Embryo verantwortlich sind, evolutionär sehr alt zu sein. Sie waren bereits vor der Aufzweigung von Wanzen und holometabolen Insekten vor 350 Millionen Jahren vorhanden. In einer früheren Studie wurde gezeigt, dass der BMP-Signalweg in Oncopeltus zur Bildung der gesamten DV Achse beiträgt. Um den relativen Beitrag der BMP- und Toll-Signalwege bei der DV Musterbildung zu untersuchen, wurden beide Signalwege gle- ichzeitig ausgeschaltet. Gleichzeitiger Verlust des BMP-Liganden dpp und von Toll1 führt zu einer Expansion der Expression von sog und twist entlang des gesamten Eiumfangs. Dieser Phänotyp ist identisch zu dem BMP-Verlustphänotyp. Der BMP-Signalweg ist also epistatisch zu dem Toll-Signalweg. Diese Beobachtung, zusammen mit weiteren Befun- den, deuten daraufhin, dass der BMP-Signalweg in Oncopeltus von größerer Bedeutung für die DV Musterbildung ist als der Toll-Signalweg. Da außerhalb der Insekten bisher keine Tiergruppe gefunden wurde, bei der Toll eine Funktion für die Achsenbildung erfüllt, repräsentiert der reduziert Einfluss von Toll auf die DV Musterbildung in Oncopeltus ver- glichen mit holometabolen Insekten vermutlich eine evolutionär ursprüngliche Situation. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Chen, Yen-Ta ychen3@smail.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-59577
Date:	23 January 2015
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 Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Toll signaling English Toll UNSPECIFIED DV patterning English dorsoventral English dorsal-ventral English Dorsal English Toll English axis formation English milkweed bug UNSPECIFIED Oncopeltus UNSPECIFIED Oncopeltus fasciatus UNSPECIFIED
Date of oral exam:	23 January 2015
Referee:	Name Academic Title Roth, Siegfried Prof. Dr. Plickert, Günter Prof. Dr.
Funders:	IGSDHD, SFB680
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5957