Funktionelle Analyse der Gliazellwanderung im Drosophila-Embryo

Gliazellen kommen in allen höheren Organismen vor und sind sowohl für die korrekte Entwicklung, als auch für die Funktionalität des adulten Nervensystems unerlässlich. Eine der mannigfachen Funktionen dieses Zelltyps ist die Umhüllung von Axonen im zentralen und peripheren Nervensystem (ZNS und PNS). Um eine vollständige Umhüllung zu gewährleisten, wandern Gliazellen während der Neurogenese zum Teil über enorme Distanzen von ihrem Entstehungsort aus. Dies trifft insbesondere auf die Gliazellen zu, durch deren Membranausläufer die distalen Axonbereiche der peripheren Nerven isoliert werden.rnIn dieser Arbeit wurde die Migration von Gliazellen anhand des Modelorganismus Drosophila untersucht. Ein besonderes Interesse galt dabei der Wanderung einer distinkten Population von Gliazellen, den sogenannten embryonalen Peripheren Gliazellen (ePG). Die ePGs werden überwiegend im sich entwickelnden ventralen Bauchmark geboren und wandern anschließend entlang der peripheren Nerventrakte nach dorsal aus, um diese bis zum Ende der Embryogenese zu umhüllen und dadurch die gliale Blut-Nerv-Schranke zu etablieren. Das Hauptziel dieser Arbeit bestand darin, neue Faktoren bzw. Mechanismen aufzudecken, durch welche die Migration der ePGs reguliert wird. Dazu wurde zunächst der wildtypische Verlauf ihrer Wanderung detailliert analysiert. Es stellte sich heraus, dass in jedem abdominalen Hemisegment eine invariante Anzahl von 12 ePGs von distinkten neuralen Vorläuferzellen generiert wird, die individuelle Identitäten besitzen und mittels molekularer Marker auf Einzelzellebene identifiziert werden können. Basierend auf der charakteristischen Lage der Zellen erfolgte die Etablierung einer neuen, konsistenten Nomenklatur für sämtliche ePGs. Darüber hinaus offenbarten in vivo Migrationsanalysen, dass die Wanderung individueller ePGs stereotyp verläuft und demzufolge weitestgehend prädeterminiert ist. Die genaue Kenntnis der wildtypischen ePG Migration auf Einzelzellebene diente anschließend als Grundlage für detaillierte Mutantenanalysen. Anhand derer konnte für den ebenfalls als molekularen Marker verwendeten Transkriptionsfaktor Castor eine Funktion als zellspezifische Determinante für die korrekte Spezifizierung der ePG6 und ePG8 nachgewiesen werden, dessen Verlust in einem signifikanten Migrationsdefekt dieser beiden ePGs resultiert. Des Weiteren konnte mit Netrin (NetB) der erste diffusible und richtungsweisende Faktor für die Migration von ePGs enthüllt werden, der in Interaktion mit dem Rezeptor Uncoordinated5 speziell die Wanderung der ePG6 und ePG8 leitet. Die von den übrigen Gliazellen unabhängige Navigation der ePG6 und ePG8 belegt, dass zumindest die Migration von Gruppen der ePGs durch unterschiedliche Mechanismen kontrolliert wird, was durch die Resultate der durchgeführten Ablationsexperimente bestätigt wird. rnFerner konnte gezeigt werden, dass während der frühen Gliogenese eine zuvor unbekannte, von Neuroblasten bereitgestellte Netrinquelle an der initialen Wegfindung der Longitudinalen Gliazellen (eine Population Neuropil-assoziierter Gliazellen im ZNS) beteiligt ist. In diesem Kontext erfolgt die Signaldetektion bereits in deren Vorläuferzelle, dem Longitudinalen Glioblasten, zellautonom über den Rezeptor Frazzled. rnFür künftige Mutantenscreens zur Identifizierung weiterer an der Migration der ePGs beteiligter Faktoren stellt die in dieser Arbeit präsentierte detaillierte Beschreibung eine wichtige Grundlage dar. Speziell in Kombination mit den vorgestellten molekularen Markern liefert sie die Voraussetzung dafür, individuelle ePGs auch im mutanten Hintergrund zu erfassen, wodurch selbst subtile Phänotypen überhaupt erst detektiert und auf Einzelzellebene analysiert werden können. Aufgrund der aufgezeigten voneinander unabhängigen Wegfindung, erscheinen Mutantenanalysen ohne derartige Möglichkeiten wenig erfolgversprechend, da Mutationen vermutlich mehrheitlich die Migration einzelner oder weniger ePGs beeinträchtigen. Letzten Endes wird somit die Aussicht verbessert, weitere neuartige Migrationsfaktoren im Modellorganismus Drosophila zu entschlüsseln, die gegebenenfalls bis hin zu höheren Organismen konserviert sind und folglich zum Verständnis der Gliazellwanderung in Vertebraten beitragen.

Glial cells exist in all higher organisms and are crucial for proper development and function of the mature nervous system. One of the diverse functions of this cell type is the ensheathment of axons in the central and peripheral nervous system (CNS and PNS). Therefore glial cells occasionally migrate over long distances in particular to ensure a complete wrapping of the peripheral nerve tracts. rnIn this study the migration of glial cells was analyzed using Drosophila as model organism. The focus lied on the migration of a distinct population of glial cells, the so-called embryonic Peripheral Glia (ePG). ePG predominantly arise in the developing ventral nerve cord (VNC). During embryogenesis they migrate along the peripheral nerves dorsally to finally enwrap them, thus forming the glial blood-brain-barrier. The main aim of the present study was to identify novel factors/mechanisms that guide the migration of ePG. Therefore, the course of their migration first was characterized in detail in the wild-type background. It was determined that a constant number of 12 ePG is generated in every abdominal hemisegment from distinct progenitor cells and that ePG can be identified individually due to a unique combinatorial marker gene expression. Based on the characteristic localization of individual ePG at the end of embryogenesis, a novel consistent nomenclature was established. Furthermore, in vivo four-dimensional recordings revealed a stereotypic and hence predetermined migration process of individual ePG. rnThe detailed knowledge of the wild type migration process of ePG provided the basis for a mutant analysis at single cell resolution. The transcription factor Castor was identified as a cell specific determinant required for the specification of ePG6 and ePG8. Loss of Castor resulted in a stalling of these two ePG within the VNC. Moreover, diffusible Netrin (NetB) was identified as the first guidance factor giving directionality to the migration of ePG6 and ePG8 by interacting with the Netrin receptor Uncoordinated5. The independent migration of these two ePG suggests different guidance mechanisms for separate groups of ePG.rnBeside its role as a guidance factor for distinct ePG, Netrin provided by neuroblasts further promoted early medial migration of Longitudinal Glia (a neuropil-associated population of glial cells located within the VNC). In this context the Netrin signal is interpreted already by the progenitor of the Longitudinal Glia, the Longitudinal Glioblast, and it does so cell-autonomously via the receptor Frazzled.rnIn terms of future mutant analyses with the objective of identifying further migration factors, this study offers an important basis by providing a detailed description of the wild-type migration process. In particular combined with the presented molecular markers to identify individual ePG, it allows the detection even of subtle phenotypes in mutant background. Thereby the possibility rises to eventually identify novel migration factors for Drosophila glial cells that might also be conserved in higher organisms and therefore account for a better understanding of the glial migration in vertebrates as well.