Klonale Analysen im embryonalen Gehirn von Drosophila mit besonderem Fokus auf die Entwicklung der Pilzkörper

Eine wichtige Voraussetzung für das Verständnis der Spezifizierungsmechanismen unterschiedlicher Zelltypen im embryonalen Gehirn ist die detaillierte Kenntnis des neuroektodermalen Ursprungs seiner neuralen Stammzellen (Neuroblasten, NB), sowie der Morphologie und zellulären Komposition der daraus hervorgehenden Zellstammbäume (ZSBe). In der vorliegenden Arbeit wurde die Entstehung und Topologie von 21 embryonalen ZSBen im anteriorsten Gehirnteil, dem Protocerebrum, charakterisiert, mit besonderem Fokus auf solche ZSBe, die den Pilzkörper konstituieren. Pilzkörper sind prominente, paarige Neuropilzentren, die eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung olfaktorischer Informationen, beim Lernen und bei der Gedächtnisbildung spielen. In dieser Arbeit konnte erstmalig die Embryonalentwicklung der Pilzkörper ab dem Zeitpunkt der Entstehung ihrer NBen im procephalen Neuroektoderm (pNE), bis hin zum funktionellen Gehirnzentrum in der frühen Larve auf Ebene individueller ZSBe bzw. einzelner Neurone beschrieben werden. Mittels der klonalen Di-Markierungstechnik konnte ich zeigen, dass die vier NBen der Pilzkörper (PKNBen) jeder Gehirnhemisphäre innerhalb des NE aus dem ventralen Bereich der mitotischen Domäne B (δB) hervorgehen. Ein in diesem Bereich liegendes proneurales Feld beherbergt etwa 10-12 Zellen, die alle das Potential haben sich zu PKNBen zu entwickeln. Des Weiteren zeigen diese Untersuchungen, dass die PKNBen (und weitere NBen der δB) aus benachbarten NE-Zellen hervorgehen. Dieser Befund impliziert, dass der Mechanismus der lateralen Inhibition in diesem Bereich des NE keine Rolle spielt. Weiterhin stellte sich heraus, dass jeder PKNB eine ihm eigene Position im sich entwickelnden Pilzkörperkortex besetzt und eine spezifische Kombination der Transkriptionsfaktoren Dachshund, Eyeless und Retinal homeobox exprimiert. Dadurch konnte jeder der vier PKNBen in den betreffenden frühembryonalen NB-Karten einem der ca. 105 NBen pro Gehirnhemisphäre zugeordnet werden. Die PKNBen bringen individuelle ZSBe hervor, die Pilzkörper-intrinsische γ-Neurone beinhalten, aber auch jeweils charakteristische Sets an Interneuronen, die nicht am Aufbau des Pilzkörpers beteiligt sind. Diese verschiedenen Neuronentypen entstehen in einer zeitlichen Abfolge, die für jeden PKNBen spezifisch ist. Ihre embryonalen ZSBe sind aber nicht nur durch individuelle Sets an frühgeborenen ni-Neuronen charakterisiert, sondern auch durch spezifische Unterschiede in der Anzahl ihrer γ-Neurone, welche jedoch, wie ich zeigen konnte, nicht durch Apoptose reguliert wird. Weiterhin konnte ich zeigen, dass γ-Neurone, in einer PKNB Klon-abhängigen Weise, spezifische Unterschiede in der räumlich-zeitlichen Innervation des Pedunkels, der Calyx und der Loben aufweisen. Im Weiteren wurde die Expression verschiedener molekularer Marker in diesen ZSBen charakterisiert, u.a. die Expression verschiedener Gal4-Fliegenstämme, und solcher Transkriptionsfaktoren, die eine wichtige Rolle bei der temporären Spezifizierung im VNS spielen. So werden hb, Kr, pdm1 auch in Nachkommenzellen der PKNBen exprimiert und haben möglicherweise eine Funktion bei ihrer temporären Spezifizierung. Diese Arbeit gibt auch erstmalig Einblick in die vollständige spätembryonale/frühlarvale Morphologie anderer protocerebraler Gehirnzellstammbäume aus δB und δ1. Die Beschreibungen dieser ZSBe beinhalten Angaben zu deren Zellzahl, Zelltypen, der Lage der ZSBe im Gehirn, axonalen/dendritischen Projektionsmustern sowie dem Entstehungsort des NBen.

A prerequisite for the understanding of cell type specification in the brain, is the knowledge of the neuroectodermal origin of brain neuroblasts and the morphology and cellular composition of their lineages. So far studies regarding the embryonic development of brain lineages and assignment to their neuroblasts have not been performed. In my thesis I characterized the formation and morphology of 21 protocerebral brain lineages. The main focus of this characterization was on the four neuroblasts (MBNBs) that give rise to the cell lineages that constitute the mushroom body (MBs). MBs are prominent, paired neuropile centers (one in each hemisphere) in the arthropod brain, involved in olfactory learning and memory. In the present thesis I describe the formation of the Drosophila MBNBs in the procephalic neuroectoderm and the development of their corresponding embryonic cell lineages (at the level of single MBNB clones and single neurons) until they constitute the functional MBs in the early larva. The origin of the MBNBs could be assigned to a proneural domain in the ventral half of the mitotic domain B (δB). This proneural domain consists of 10-12 neuroectodermal cells ,each cell having the potential to give rise to a MBNB. Moreover my studies showed that the MBNBs (and other NBs of δB) originate from neighboring neuroectodermal cells. This implies that lateral inhibition does not play a role in this region of the procephalic neuroectoderm. In addition it shows that each MBNB occupies a certain area in the MB cortex and each MBNB expresses a specific combination of the transcriptions factors Dachshund, Eyeless and Retinal homeobox. Thus each MBNB could be assigned to one of the approx. 105 neuroblasts per brain hemisphere. I further demonstrate that during embryonic development, each MBNB generates an individual cell lineage consisting of different amounts of neurons (no glia), including intrinsic (γ-neurons) and, in addition, various types of non-intrinsic neurons (ni-neurons) which do not contribute to the MB neuropil. It shows that these different neuron types are produced in a lineage-specific temporal order and that neuron numbers are not regulated by apoptosis. In addition I demonstrate that γ-neuron axonal outgrowth and spatiotemporal innervation of the MB lobes follows a lineage-specific mode. Aside from these clonal analyses the expression of various molecular markers in the MBNB lineages has been characterized. Amongst others the expression pattern of different Gal4 strains and the expression pattern of various transcription factors. For example it shows that transcription factors involved in temporal specification in the ventral nerve chord (Hunchback, Krüppel and POU-Domain-Protein 1) are also expressed in some of the progeny of the MBNBs, raising the possibility that they are involved in the specification of these cells. Aside from the MBNBs lineages my thesis gives, for the first time, insight into the complete late embryonic/early larval morphology of several other protocerebral lineages out of δB and mitotic domain 1. The analyses involve cell numbers, cell types, axonal/dendritic projection patterns, the topology of the clones within the brain and the neuroectodermal origin of their neuroblasts.