Regulation und Funktion von hunchback in Neuroblasten-Zellstammbäumen von Drosophila melanogaster

In Drosophila melanogaster wird das Nervensystem von neuralen Vorläuferzellen, den Neuroblasten (NB) gebildet. Diese teilen sich im Stammzellmodus und bringen bei jeder Teilung eine Ganglienmutterzelle (GMZ) hervor. GMZ teilen sich einmal und generieren zwei Zellen, die ein neuronales und/oder gliales Schicksal annehmen. Die Reihenfolge in der ein NB GMZ generiert, ist vermutlich ein zellautonomer Prozess, der an die transiente und sequenzielle Expression der Transkriptionsfaktoren Hunchback (Hb), Krüppel (Kr), Pdm, Castor (Cas) und Grainy head (Grh) gekoppelt ist. Hb ist der erste Faktor dieser Genkaskade. Damit der NB zur nächsten zeitlichen Identität übergehen kann, die in der Regel von Kr bestimmt wird, muss die Hb-Expression im NB beendet werden. Das Abschalten wird transkriptionell reguliert und ist von einer vorhergehenden Mitose abhängig. Im Gegensatz zum NB wird in der GMZ, die bei dieser Teilung entsteht, die Hb-Expression beibehalten. In der vorliegenden Arbeit wurde der Mitose-abhängige Mechanismus aufgeklärt, durch den eine selektive Abschaltung von hb im NB erfolgt, nicht aber in der GMZ. Der Transkriptionsfaktor Seven-up (Svp) beendet die hb-Expression im NB. svp wird vor der entscheidenden Zellteilung im NB transkribiert, aber kaum translatiert. Nach erfolgter Zellteilung wird Svp verstärkt translatiert und sowohl im NB als auch in der neu entstandenen GMZ exprimiert. Im NB führt die Svp-Funktion zur Abschaltung von Hb. In der ebenfalls Svp-positiven GMZ verhindert jedoch Prospero (Pros), das während der Teilung in diese Zelle segregiert ist, die Aktivität von Svp. Um zu überprüfen, ob Svp und Pros die Transkription von Hb entweder direkt oder indirekt regulieren, wurde eine Enhancerfragment-Analyse durchgeführt. Durch diese Unter-suchungen sollten relevante regulatorische Bereiche des hb-Gens identifiziert werden. Zusätzlich zu den bereits bekannten Regionen im 5´-Bereich von hb, konnten 3´ des transkribierten Bereiches weitere nervensystemspezifische Enhancerelemente gefunden werden. Neben der Spezifizierung von früh geborenen Nachkommen von NB hat Hb im Nervensystem die Funktion, den multipotenten Zustand junger NB aufrecht zu erhalten. Um den Beitrag einzelner Domänen des Hb-Proteins an diesen Aufgaben zu bestimmen, wurden verschiedene hb-Varianten, in denen spezifische Domänen deletiert bzw. mutiert waren, im NB7-1 überexprimiert und auf die Induktion von „frühem“ Schicksal getestet. In einem zweiten Ansatz wurden mutante hb-Allele analysiert. Es stellte sich heraus, dass der D-Box eine entscheidende Rolle bei der Spezifizierung von „frühem“ Schicksal zukommt. Die terminalen Zinkfinger sind vermutlich in die Aufrechterhaltung der Kompetenz von NB involviert. Eine Deletion der A-Box erhöht möglicherweise die Aktivität des Hb-Proteins.

In Drosophila melanogaster the nervous system is generated by neural stem cells, the so-called neuroblasts (NBs). NBs divide in a stem cell mode and generate a ganglion mother cell (GMC) in each division. GMCs divide only once to give rise to two neurons and/or glial cells. The birth order of GMCs is assumedly a cell autonomous process that is achieved by the sequential and transient expression of the transcription factors Hunchback (Hb), Krüppel (Kr), Pdm, Castor (Cas) and Grainyhead (Grh). Hb is the first factor in this cascade. The switch-off of hb is transcriptionally regulated and dependent on a foregoing mitosis. In contrast to that, the GMC that arises in this mitosis maintains hb-expression. In this work, the mitosis-dependent mechanism that leads to selective downregulation of hb in the NB but not in the GMC has been uncovered. The transcription factor Seven-up (Svp) terminates hb-expression in the NB. svp transcription starts in the NB prior to the decisive mitosis but it is only weakly translated. After mitosis, translation of svp is increased in the NB as well as in the GMC. This leads to hb-downregulation in the NB. In the GMC, svp-dependent downregulation of hb is inhibited by Prospero (Pros) that has segregated into this cell during division. An enhancer fragment analysis was done in order to test wether Svp and Pros regulate hb directly or indirectly. Additionally to the already known sequences in the 5´ region of the gene, relevant sequences 3´ of the transcribed region were found. Beside the specification of early-born progeny of NBs, Hb has the function to maintain the multipotent status of young NBs. In order to define the contribution of certain domains for fulfilling these tasks, different hb variants, in which distinct domains have been deleted or mutated, were overexpressed in the NB7-1. In a second approach, mutant hb-alleles with stop codons in the corresponding domains were analysed. It could be shown that the D-Box has an important role in specifying “early” cell fates. The C-terminal zinc fingers are likely to be involved in maintaining the competence of NBs. A deletion of the A-Box might increase the activity of the Hb protein.