Neuronal differentiation and epithelial integrity: the role of Drosophila Short stop

The nervous system is the most complex organ in animals and the ordered interconnection of neurons is an essential prerequisite for normal behaviour. Neuronal connectivity requires controlled neuronal growth and differentiation. Neuronal growth essentially depends on the actin and microtubule cytoskeleton, and it has become increasingly clear, that crosslinking of these cytoskeletal fractions is a crucial regulatory process. The Drosophila Spectraplakin family member Short stop (Shot) is such a crosslinker and is crucial for several aspects of neuronal growth. Shot comprises various domains: An actin binding domain, a plakin-like domain, a rod domain, calcium responsive EF-hand motifs, a microtubule binding Gas2 domain, a GSR motif and a C-terminal EB1aff domain. Amongst other phenotypes, shot mutant animals exhibit severely reduced dendrites and neuromuscular junctions, the subcellular compartmentalisation of the transmembrane protein Fasciclin2 is affected, but it is also crucially required in other tissues, for example for the integrity of tendon cells, specialised epidermal cells which anchor muscles to the body wall. Despite these striking phenotypes, Shot function is little understood, and especially we do not understand how it can carry out functions as diverse as those described above. To bridge this gap, I capitalised on the genetic possibilities of the model system Drosophila melanogaster and carried out a structure-function analysis in different neurodevelopmental contexts and in tendon cells. To this end, I used targeted gene expression of existing and newly generated Shot deletion constructs in Drosophila embryos and larvae, analyses of different shot mutant alleles, and transfection of Shot constructs into S2 cells or cultured fibroblasts. My analyses reveal that a part of the Shot C-terminus is not essential in the nervous system but in tendon cells where it stabilises microtubules. The precise molecular mechanism underlying this activity is not yet elucidated but, based on the findings presented here, I have developed three alternative testable hypothesis. Thus, either binding of the microtubule plus-end tracking molecule EB1 through an EB1aff domain, microtubulebundling through a GSR rich motif or a combination of both may explain a context-specific requirement of the Shot C-terminus for tendon cell integrity. Furthermore, I find that the calcium binding EF-hand motif in Shot is exclusively required for a subset of neuronal functions of Shot but not in the epidermal tendon cells. These findings pave the way for complementary studies studying the impact of [Ca2+] on Shot function. Besides these differential requirements of Shot domains I find, that most Shot domains are required in the nervous system and tendon cells alike. Thus the microtubule Gas2 domain shows no context specific requirements and is equally essential in all analysed cellular contexts. Furthermore, I could demonstrate a partial requirement of the large spectrin-repeat rod domain of Shot in neuronal and epidermal contexts. I demonstrate that this domain is partially required in processes involving growth and/or tissue stability but dispensable for cellular processes where no mechanical stress resistance is required. In addition, I demonstrate that the CH1 domain a part of the N-terminal actin binding domain of Shot is only partially required for all analysed contexts. Thus, I conclude that Shot domains are functioning different in various cellular environments. In addition my study lays the base for future projects, such as the elucidation of Shot function in growth cones. Given the high degree of conservation between Shot and its mammalian orthologues MACF1/ACF7 and BPAG1, I believe that the findings presented in this study will contribute to the general understanding of spectraplakins across species borders.

10 Å cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin and Limulus polyphemus hemocyanin

In the present study, the quaternary structures of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 and Limulus polyphemus hemocyanin, both proteins from the hemocyanin superfamily, were elucidated to a 10 Å resolution with the technique of cryo-EM 3D-reconstruction. Furthermore, molecular modelling and rigid-body fitting allowed a detailed insight into the cryo-EM structures at atomic level. The results are summarised as follows: Hexamerin 1. The cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 is the first quaternary structure of a protein from the group of the insect storage proteins. 2. The hexamerin LSP-2 is a hexamer of six bean-shaped subunits that occupy the corners of a trigonal antiprism, yielding a D3 (32) point-group symmetry. 3. Molecular modelling and rigid-body fitting of the hexamerin LSP-2 sequence showed a significant correlation between amino acid inserts in the primary structure and additional masses of the cryo-EM structure that are not present in the published quaternary structures of chelicerate and crustacean hemocyanins. 4. The cryo-EM structure of Drosophila melanogaster hexamerin LSP-2 confirms that the arthropod hexameric structure is applicable to insect storage proteins. Hemocyanin 1. The cryo-EM structure of the 8×6mer Limulus polyphemus hemocyanin is the highest resolved quaternary structure of an oligo-hexameric arthropod hemocyanin so far. 2. The hemocyanin is build of 48 bean-shaped subunits which are arranged in eight hexamers, yielding an 8×6mer with a D2 (222) point-group symmetry. The 'basic building blocks' are four 2×6mers that form two 4×6mers in an anti-parallel manner, latter aggregate 'face-to-face' to the 8×6mer. 3. The morphology of the 8×6mer was gauged and described very precisely on the basis of the cryo-EM structure. 4. Based on earlier topology studies of the eight different subunit types of Limulus polyphemus hemocyanin, eleven types of interhexamer interfaces have been identified that in the native 8×6mer sum up to 46 inter-hexamer bridges - 24 within the four 2×6mers, 10 to establish the two 4×6mers, and 12 to assemble the two 4×6mers into an 8×6mer. 5. Molecular modelling and rigid-body fitting of Limulus polyphemus and orthologous Erypelma californicum sequences allowed to assign very few amino acids to each of these interfaces. These amino acids now serve as candidates for the chemical bonds between the eight hexamers. 6. Most of the inter-hexamer contacts are conspicuously histidine-rich and evince constellations of amino acids that could constitute the basis for the allosteric interactions between the hexamers. 7. The cryo-EM structure of Limulus polyphemus hemocyanin opens the door to a fundamental understanding of the function of this highly cooperative protein.

DNA methylation, histone modification and the transcription factor dE2F1 in Drosophila

Drosophila melanogaster enthält eine geringe Menge an 5-methyl-Cytosin. Die von mir untersuchte männliche Keimbahn von Drosophila weist jedoch keine nachweisbaren Mengen an DNA-Methylierung auf. Eine künstliche Expression der murinen de novo Methyltransferasen, DNMT3A und DNMT3B1, in den Fliegenhoden, führte nicht zu der erwarteten Methylierungszunahme und hatte keinen Effekt auf die Fruchtbarkeit der Männchen. Auch die gewebespezifische Expression unter der Verwendung des UAS/GAL4-Systems zeigte keine phenotypischen Veränderungen. Hingegen fanden wir auf Protein-Ebene des Chromatins von D. melanogaster und D. hydei spezifische Modifikationsmuster der Histone H3 und H4 in der Keimbahn, wie auch in den somatischen Zellen des Hodenschlauches. Die Modifikationsmuster der beiden Zelltypen unterscheiden sich grundlegend und weichen zudem von dem für Eu- und Heterochromatin erwarteten ab, was auf eine größere Komplexität des „Histon-Codes“ als angenommen hindeutet. Folglich liegt die epigenetische Information in Drosophila wahrscheinlich anstatt auf DNA- auf Protein-Ebene, wodurch Genexpression über die Chromatinstruktur reguliert wird. Es wurde gezeigt, dass der Transkriptionsfaktor E2F, der eine Schlüsselfunktion im Zellzyklus hat, durch unterschiedliche Transkripte offenbar quantitativ reguliert wird. Unsere Nachforschungen ergaben, dass die drei E2F1 Genprodukte in Drosophila neben ihrer Zellspezifität auch in unterschiedlichen Expressionsniveaus auftreten, was die Annahme einer quantitativen Expression unterstützt. Die verschiedenen Funktionen der multiplen Gene in Säugern, könnten so funktionell kompensiert werden. Die durch die Expression dreier dE2F1-Transkripte vermutete Synthese verschiedener Proteine konnte nicht bewiesen werden.

Funktionelle Analyse der beiden Zinkfinger-Homöodomänentranskriptionsfaktoren Zfh-1 und Zfh-2 während der Entwicklung des Nervensystems von Drosophila melanogaster

Diese Arbeit charakterisiert die Funktion und das Expressionmuster der beiden Zinkfinger-Homöodomänentranskriptionsfaktoren zfh1 und zfh2 von Drosophila melanogaster. Das zfh2 Gen wurde hierbei vor allem molekular charakterisiert. Es wurden eine Vielzahl möglicher Spleißformen identifiziert, welche das regulatorische Potential von Zfh2 enorm erweitern. Für Überexpressionsexperimente wurde zudem erstmalig die cDNA des längsten zfh2-Transkriptes kloniert. Durch Analysen an zfh1 Mutanten konnte gezeigt werden, dass zfh1 sowohl notwendig ist für die embryonale Entwicklung von Motoneuronen, als auch das larvale Wachstum motoneuronaler Endplatten reguliert. Wegen weit reichender pleiotroper Effekte, die zfh1 Funktionsverlustmutanten haben, war es notwendig, neben dem Einsatz hypomorpher Allele auf die Analyse genetischer Mosaike auszuweichen. Die als MARCM-Technik (Lee und Luo, 1999) bezeichnete Methode zur Erzeugung genetischer Mosaike wurde modifiziert um in dieser Arbeit erstmals für die Analyse mutanter larvaler Motoneurone eingesetzt werden zu können. Weitergehend konnte gezeigt werden, dass Zfh1 notwendig ist für die larvale Expression des Neuropeptides FMRFamid. Anhand von Sequenzvergleichen und durch Verwendung eines fmrfamid-Promoterkonstruktes (Benveniste et al., 1998) konnten Hinweise dafür gesammelt werden, dass die Zfh1-abhängige Regulation sehr wahrscheinlich direkter Natur ist. Bei fmrfamid handelt es sich somit um das erste identifizierte neurale Zielgen von Zfh1, an dem sich zudem modellhaft der molekulare Wirkmechanismus von Zfh1 erforschen lässt.

Cis- und trans-Regulation bei Drosophila-T-Box-Genen

Die räumliche und zeitliche Organisation von Genexpression ist für die Entwicklung und das Funktionieren eines jeden Lebewesens von immenser Bedeutung. Dazu laufen eine Vielzahl von Regulationsprozessen auf unterschiedlichen Ebenen ab. In dieser Arbeit wurden im ersten Teil Untersuchungen zur Genregulation des Drosophila optomotor-blind Genes und zur Funktion des Omb Proteins durchgeführt. Eine Mutante, der ein großer Teil der upstream regulatory region (URR) fehlt wurde erzeugt, aus einer Vielzahl von Linien isoliert und molekular charakterisiert. Die biologischen Auswirkungen dieser Deletion werden in Shen et al. (2008) beschrieben. Plasmide zur Erzeugung transgener Fliegen, mit deren Hilfe eine bereits von Sivasankaran et al. (2000) durchgeführte Enhancer-reporter-Analyse vervollständigt werden sollte, wurden hergestellt. Die bereits bekannte Inversion In(1)ombH31 wurde molekular kartiert. Eine Reihe von Konstrukten mit Punktmutationen in der Omb T-Domäne wurden generiert, die unter anderem über deren Funktion hinsichtlich DNA-Protein Interaktion und einer potentiellen Metallionenbindefähigkeit (ATCUN) hin Aufschluss geben sollen. Des Weiteren wurde eine Reihe von P-Element-Deletionslinien auf den Verlust eines alternativen omb Transkriptionsstartpunktes hin untersucht, mit dem Ziel eine vollständige Protein-Nullmutante zur Verfügung zu haben. Der zweite Abschnitt dieser Arbeit befasste sich mit der Erzeugung von Dpp-GFP-Fusionskonstrukten, mit deren Hilfe weitere Erkenntnisse über den Dpp-Langstreckentransport erhofft werden. Es wurde außerdem damit begonnen bei einem weitern Drosophila T-Box Transkriptionsfaktor, Optomotor-blind related gene-1 (Org-1), eine Reihe von Varianten mit homopolymeren polyAlanin und polyGlutamin Expansionen unterschiedlicher Länge herzustellen. Durch Experimente mit diesen Konstrukten soll Aufschluss darüber gewonnen werden, ob Glutamin-Expansionen, wie in der Literatur vorgeschlagen, aktivierend und Alanin-Expansionen in Transkriptionsfaktoren vielleicht reprimierend auf Genaktivität wirken. Letztlich wurden in dieser Arbeit im Rahmen des DROSDEL Projektes (Ryder et al., 2004, 2007) Deletionen in der distalen Hälfte des Chromosomenarms 3R hergestellt. Der DROSDEL Deletionskit, der durch eine Kooperation europäischer Labore entstand stellt der Drosophila Forschung einen umfassenden Satz molekular basengenau definierter Defizienzen zur Verfügung.

Integrative Musterbildung kranialer Strukturen

Form und Gestalt kraniofazialer Strukturen sind primär beeinflusst durch die inhärente Integration der unterschiedlichsten Funktionssysteme und externer selektiver Einflüsse. Die Variabilität der Schädel-Morphe ist ein Indikator für solche Einflussfaktoren und damit ein idealer Gegenstand für vergleichende Analysen morphogenetischer Formbildung. Zur Ermittlung morphologisch-adaptiver Trends und Muster wurden sowohl Hypothesen zur morphologischen Differenziertheit als auch zu Korrelationen zwischen modularen Schädelkompartimenten (fazial, neurokranial, basikranial) untersucht. Zusätzlich wurden aus Schichtröntgenaufnahmen (CT) virtuelle Modelle rekonstruiert, welche die Interpretation der statistischen Befunde unterstützen sollten. Zur Berechnung der Gestaltunterschiede wurden mittels eines mechanischen Gelenkarm-Messgerätes (MicroScribe-G2) max. 85 ektokraniale Messpunkte (Landmarks) bzw. dreidimensionale Koordinaten an ca. 520 Schädeln von fünf rezenten Gattungen der Überfamilie Hominoidea (Hylobates, Pongo, Gorilla, Pan und Homo) akquiriert. Aus dem Datensatz wurden geometrische Störfaktoren (Größe, Translation, Rotation) mathematisch eliminiert und die verbleibenden Residuale bzw. ‚Gestalt-Variablen‘ diversen multivariat-statistischen Verfahren unterzogen (Faktoren, Cluster-, Regressions- und Korrelationsanalysen sowie statistische Tests). Die angewandten Methoden erhalten die geometrische Information der Untersuchungsobjekte über alle Analyseschritte hinweg und werden unter der Bezeichnung „Geometric Morphometrics (GMM)“ als aktueller Ansatz der Morphometrie zusammengefasst. Für die unterschiedlichen Fragestellungen wurden spezifische Datensätze generiert. Es konnten diverse morphologische Trends und adaptive Muster mit Hilfe der Synthese statistischer Methoden und computer-basierter Rekonstruktionen aus den generierten Datensätzen ermittelt werden. Außerdem war es möglich, präzise zu rekonstruieren, welche kranialen Strukturen innerhalb der Stichprobe miteinander wechselwirken, einzigartige Variabilitäten repräsentieren oder eher homogen gestaltet sind. Die vorliegenden Befunde lassen erkennen, dass Fazial- und Neurokranium am stärksten miteinander korrelieren, während das Basikranium geringe Abhängigkeiten in Bezug auf Gesichts- oder Hirnschädelveränderungen zeigte. Das Basikranium erweist sich zudem bei den nicht-menschlichen Hominoidea und über alle Analysen hinweg als konservative und evolutiv-persistente Struktur mit dem geringsten Veränderungs-Potential. Juvenile Individuen zeigen eine hohe Affinität zueinander und zu Formen mit einem kleinem Gesichts- und großem Hirnschädel. Während das Kranium des rezenten Menschen primär von Enkephalisation und fazialer Retraktion (Orthognathisierung) dominiert ist und somit eine einzigartige Gestalt aufweist, zeigt sich der Kauapparat als maßgeblich formbildendes Kompartiment bei den nicht-menschlichen Formen. Die Verbindung von GMM mit den interaktiven Möglichkeiten computergenerierter Modelle erwies sich als valides Werkzeug zur Erfassung der aufgeworfenen Fragestellungen. Die Interpretation der Befunde ist durch massive Interkorrelationen der untersuchten Strukturen und der statistisch-mathematischen Prozeduren als hoch komplex zu kennzeichnen. Die Studie präsentiert einen innovativen Ansatz der modernen Morphometrie, welcher für zukünftige Untersuchungen im Bereich der kraniofazialen Gestaltanalyse ausgebaut werden könnte. Dabei verspricht die Verknüpfung mit ‚klassischen’ und modernen Zugängen (z. B. Molekularbiologie) gesteigerte Erkenntnismöglichkeiten für künftige morphometrische Fragestellungen.

Hox genes and the regulation of programmed cell death in the embryonic central nervous system of Drosophila melanogaster

This study deals with the function and regulation of programmed cell death, or apoptosis, in the development of the embryonic central nervous system of Drosophila melanogaster. The first part provides a description of apoptosis-deficient embryos, which showed that preventing apoptosis does not cause gross morphological defects in the CNS, as it appears well organized despite the presence of too many cells. An analysis of the incidence and pattern of apoptosis over the course of development discloses a partly very orderly pattern suggesting tight spatio-temporal control, but also reveals random apoptotic cells, which suggests a certain amount of plasticity in the embryo. This analysis also allowed precise identification of some of the dying neural cells in the embryo, and establishment of single cell models for studying regulation of segment-specific apoptosis in the embryonic CNS. In the second part of the work, further investigations into mechanisms controlling segment-specific apoptosis revealed the involvement of two Hox genes, Antennapedia (Antp) and Ultrabithorax (Ubx), in this process. Hox genes control the formation of segment-specific structures in their domains of expression, but also regulate organ and tissue morphogenesis. The study presented here shows that Antp and Ubx play antagonistic roles in motoneuron survival in the embryo. Ubx expression in the CNS is strongly upregulated at a late point in development, when most cells have begun to differentiate. This upregulation shortly precedes Ubx-dependent, segment-specific apoptosis of two differentiated motoneurons. It could further be demonstrated that Antp is required for proper development of the NB7-3 lineage and for survival of the NB7-3 motoneuron in the anterior thoracic segments. In segments where Antp and Ubx expression overlaps, Ubx counteracts the anti-apoptotic function of Antp, resulting in cell death. Thus, these two Hox genes play opposing roles in the survival of differentiated neurons in the late developing nervous system. They thereby contribute to establishment of correct connections between outward-projecting neurons and their targets, which is crucial for the assembly of functional neural circuits, as these have to fulfill region-specific locomotion and sensory requirements along the antero-posterior body axis.

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.

Early steps in ventral nerve cord development in chelicerates and myriapods and formation of brain compartments in spiders

The central point of this work is the investigation of neurogenesis in chelicerates and myriapods. By comparing decisive mechanisms in neurogenesis in the four arthropod groups (Chelicerata, Crustacea, Insecta, Myriapoda) I was able to show which of these mechanisms are conserved and which developmental modules have diverged. Thereby two processes of embryonic development of the central nervous system were brought into focus. On the one hand I studied early neurogenesis in the ventral nerve cord of the spiders Cupiennius salei and Achaearanea tepidariorum and the millipede Glomeris marginata and on the other hand the development of the brain in Cupiennius salei.rnWhile the nervous system of insects and crustaceans is formed by the progeny of single neural stem cells (neuroblasts), in chelicerates and myriapods whole groups of cells adopt the neural cell fate and give rise to the ventral nerve cord after their invagination. The detailed comparison of the positions and the number of the neural precursor groups within the neuromeres in chelicerates and myriapods showed that the pattern is almost identical which suggests that the neural precursors groups in these arthropod groups are homologous. This pattern is also very similar to the neuroblast pattern in insects. This raises the question if the mechanisms that confer regional identity to the neural precursors is conserved in arthropods although the mode of neural precursor formation is different. The analysis of the functions and expression patterns of genes which are known to be involved in this mechanism in Drosophila melanogaster showed that neural patterning is highly conserved in arthropods. But I also discovered differences in early neurogenesis which reflect modifications and adaptations in the development of the nervous systems in the different arthropod groups.rnThe embryonic development of the brain in chelicerates which was investigated for the first time in this work shows similarities but also some modifications to insects. In vertebrates and arthropods the adult brain is composed of distinct centres with different functions. Investigating how these centres, which are organised in smaller compartments, develop during embryogenesis was part of this work. By tracing the morphogenetic movements and analysing marker gene expressions I could show the formation of the visual brain centres from the single-layered precheliceral neuroectoderm. The optic ganglia, the mushroom bodies and the arcuate body (central body) are formed by large invaginations in the peripheral precheliceral neuroectoderm. This epithelium itself contains neural precursor groups which are assigned to the respective centres and thereby build the three-dimensional optical centres. The single neural precursor groups are distinguishable during this process leading to the assumption that they carry positional information which might subdivide the individual brain centres into smaller functional compartments.rn

Comparative analysis of midline guidance and axon pathfinding in the chelicerates Achaearanea tepidariorum and Cupiennius salei

Die Neurogenese und axonale Wegfindung sind in den vergangenen Jahrzehnten Thema einer Vielzahl wissenschaftlicher Untersuchungen in den verschiedensten Organismen gewesen. Die zusammengetragenen Daten in Insekten und Crustaceen geben eine gute Übersicht darüber, wie das Nervensystem in Arthropoden aufgebaut wird. Die entwicklungsbiologischen Prozesse, die daran beteiligt sind, sind in den beiden genannten Gruppen sehr gut verstanden. In den Gruppen der Cheliceraten und Myriapoden jedoch wurden ähnliche Analysen bisher kaum durchgeführt. Das Hauptanliegen dieser Arbeit war es daher, Mechanismen in den Spinnen Achaearanea tepidariorum und Cupiennius salei, zwei Vertretern der Cheliceraten, zu untersuchen, die eine Rolle im Leitsystem der ventralen Mittellinie und bei der axonalen Wegfindung spielen. Eine Vorraussetzung hierfür sind Kenntnisse über die Architektur des Zentralnervensystems. In einem ersten Schritt beschrieb ich daher grundlegend die Morphologie des Nervensystems im Verlauf der gesamten Embryoalentwicklung. Ich konnte zeigen, dass in Spinnen ein für Arthropoden typisches Strickleiternervensystem gebildet wird. Dieses wird von segmental angelegten Neuronen geformt, wobei sowohl Gruppen von Zellen als auch einzelne Neurone daran beteiligt sind, die primären axonalen Trakte zu etablieren. Im Besonderen konnte ich eine Zelle identifizieren, die in Position, Projektionsmuster und der Expression des Markergens even-skipped vergleichbar zum PR2 Neuron in Drosophila ist, welches die posteriore Wurzel des Segmentalnervs anlegt.rnrnIn einem zweiten Ansatz untersuchte ich die ventrale Mittellinie in Spinnen im Bezug auf ihre mögliche Funktion in der axonalen Wegfindung. Es konnte gezeigt werden, dass es sich beim Epithel der Mittellinie, das die Lücke zwischen beiden Keimstreifhälften während des gesamten Prozesses der Inversion überspannt, um eine transiente Struktur handelt, die keine neuralen Zellen hervorbringt. Es ist daher vergleichbar mit der so genannten Floor plate in Vertebraten, die ebenfalls nur vorübergehend existiert. Die Untersuchung von single minded (sim) zeigte, dass es, anders als in Drosophila, wo sim ein wichtiges regulatorisches Gen für die korrekte Spezifizierung von Mittellinienzellen ist, nicht in den Zellen der Mittellinie, sondern in diesen benachbarten Zellen, exprimiert wird. Das ist vergleichbar mit Vertebraten. Zusätzlich konnte ich Expression von sim an den Basen der Gliedmassen und im Kopf nachweisen. Wie in Vertebraten könnte sim an der Musterbildung dieser Gewebe beteiligt sein. Dennoch spielt die Mittellinie in Spinnen eine wichtige Rolle als Organisator für auswachsende, kommissurale Axone. Diese Funktion teilt sie mit anderen Invertebraten und Vertebraten.rnrnDie Signaltransduktionskaskade, die an der axonalen Wegfindung an der Mittellinie beteiligt ist, ist in den verschiedensten Organismen hoch konserviert. In der vorliegenden Arbeit konnte ich sowohl in Achaearanea als auch in Cupiennius ein netrin Homolog identifizieren und eine konservierte Funktion des Wegfindungsmoleküls während der Bildung der Kommissuren aufzeigen. RNAi Experimente belegen, dass, wird die Funktion von netrin herunterreguliert, das Strickleiternervensystem nicht korrekt gebildet wird, ins Besondere die kommissuralen Faszikel. Des Weiteren konnte ich eine neue Funktion von netrin, die bisher in anderen Organsimen noch nicht beschrieben wurde, identifizieren. Neben seiner Rolle in der axonalen Wegfindung, scheint netrin auch an der epithelialen Morphogenese im zentralen Nervensystem beteiligt zu sein. In dieser Funktion scheint netrin in Gliazellen, die die epithelialen Vesikel der Invaginationsgruppen umhüllen, wichtig zu sein, um neurale Vorläuferzellen in einem undifferenzierten Zustand zu halten. Der Abbau von netrin Transkript durch RNA Interferenz führt zu einer verfrühten Segregation neuraler Vorläuferzellen aus dem epithelialen Verband der Invaginationsgruppen und zu einer Zunahme an Zellen, die den frühen Differenzierungsmarker islet exprimieren.

Regelmechanismen und Determinanten der Transkription in Polytänchromosomen von Chironomus und Drosophila

Die kumulative Habil.‐Schrift gründet sich auf 6 Originalpublikationen, die beschreiben: [Sass, H. (1982), Cell 28: 269‐278]. RNA polymerase B in polytene chromosomes: Immunofluorescent and autoradiographic analysis during stimulated and repressed RNA synthesis. Elektronenmikroskopie charakterisierte das C. tentans Balbianiring BR2‐Gen von Speicheldrüsenchromosomen als hoch aktives 5‐6 μm langes single‐copy Gen, das 33/μm RNAPolymerasen B (Pol II) transkribieren (Diss., Sass, H., 1978, Univ. Tübingen). Diese Immunfluoreszenzstudie ortet Pol II in allen Interbanden von Region IV‐3B10‐3B5 des nichtinduzierten BR2. Prominente Fluoreszenz im BR2‐Genort 3B9/10 zeigt, das BR2‐Gen ist präaktiv, wie erwartet. 3H‐Autoradiogramme beweisen, in allen fluoreszierenden BR2, BR1, BR3, Puffs, aufgelockerten Banden, Interbanden und Loci ohne Puffing, synthetisiert Pol II RNA. Die genomweite ständige Pol II‐Präsenz zeigt, dass, wie beim nichtinduzierten BR2‐Gen, bereits schon gebundene Pol II wohl auch andere Gene präaktiviert. So erfolgt die Regulation der Transkription mehr über die transkriptionelle Elongation. Auch durch α‐Amanitin, oder Actinomycin D, oder Hitzeschock in vivo kollabierte BR2, BR1, BR3 besitzen Pol II. [Sass, H. (1984), Chromosoma 90: 20‐25]. Gene identification in polytene chromosomes: some Balbiani ring 2 gene sequences are located in an interband‐like region of Chironomus tentans. Immunfluoreszenz und 3H‐Autoradiographie zeigen, dass Injektionen von DRB in Larven die Balbianiringe (BR) sowie andere Puffs und deren Pol II‐Konzentration dramatisch reduzieren. Trotzdem zeigen 3H‐Uridin markierte Speicheldrüsenchromosomen, dass RNA‐Synthese doch in nichtinduzierten BR2, BR1, BR3 erfolgt, aber nur auf reduziertem Level. Das widerspricht der von Egyházi E. (1975, PNAS 73:947‐950) propagierten „Inhibition of Balbiani ring RNA synthesis at the initiation level“ durch DRB. Vielmehr sieht es so aus, DRB wirkt bei der transkriptionellen Elongation inhibierend. Durch in situ‐Hybridisierung von Sequenzen klonierter BR2‐DNA wurde in Speicheldrüsenchromosom IV das BR2‐Gen in Region 3B9/10 direkt identifiziert. [Sass, H. and Pederson, T. (1984), J. Mol. Biol. 180: 911‐926]. Transcription‐dependent localization of U1 and U2 small nuclear ribonucleoproteins at major sites of gene activity in polytene chromosomes. Immunolokalisation von Sm‐, U1‐ und U2snRNP‐spezifischen Antigenen in Speicheldrüsenchromosomen von C. tentans hat zur Entdeckung der beim Spleißen von prä‐mRNA beteiligten U1/U2snRNPs in Balbianiringen BR2, BR1, BR3 sowie anderen Puffs und aufgelockerten Banden geführt. Die überraschenden BR‐Daten zeigen erstmals: (i) Der Spleiß‐Apparat ist in Genloci mit intensiver RNA‐Synthese schon vorhanden. (ii) Immunfluoreszenz reflektiert den Exon‐Intron‐Bau dieser BR‐Gene. (iii) Transkription und spleißosomales Ausschneiden von Introns sind koordiniert. [Sass, H. (1989), Nucleic Acids Research 17: 10508]. Hsp82‐neo transposition vectors to study insertional mutagenesis in Drosophila melanogaster and tissue culture cells; [Sass, H. (1990), Gene 89: 179‐186]. P‐transposable vectors expressing a constitutive and thermoinducible hsp82‐neo fusion gene for Drosophila germline transformation and tissue‐culture transfection. Beschrieben sind Design, Konstruktion und Expression der Genfusion hsp82‐neo als ein in vivo selektierbares Reporter‐/Markergen, die Transposons P{hsp82‐neo/Adh} sowie P{hsp82‐neo} und Transformations‐Vektoren pHS22, pHS24, pHS85, pHS103 und pHS104. Sie stellen das von der Fliege gebildete Enzym bakteriellen Ursprungs, Neomycin‐Phosphotransferase II, für die G418‐Selektion bereit, um die Position, Struktur, Expression und Funktion von Genen mittels hsp82‐neo‐Mutagenese zu erforschen. [Sass, H. and Meselson, M. (1991), Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88: 6795‐6799]. Dosage compensation of the Drosophila pseudoobscura Hsp82 gene and the D. melanogaster Adh gene at ectopic sites in D. melanogaster. Quantitative Unterschiede in der Dosiskompensation des X‐chromosomalen hsp82‐Gens von D. pseudoobscura und autosomalen Adh‐Gens von D. melanogaster wurden als Erhöhung der RNAMenge in D. melanogaster gemessen. Beide Transgene sind dosiskompensiert, sprang P{hsp82‐ neo/Adh} in euchromatische Regionen des D. melanogaster X‐Chromosoms. Beide Transgene sind nicht dosiskompensiert, insertierte P{hsp82‐neo/Adh} ins β‐Heterochromatin in Region 20 an der Basis des X. Keine der zehn autosomalen Insertionen ist dosiskompensiert. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass X‐chromosomale regulatorische Sequenzen, die für die Verstärkung der Genaktivität um Faktor 2 in Männchen verantwortlich sind, gehäuft im X vorkommen, jedoch im β‐ Heterochromatin und den Autosomen fehlen. Das Kompensationsverhalten der transponierten Gene wird durch das neue chromosomale Milieu des Insertionsortes bestimmt.

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.

Motorisches Lernen in Drosophila melanogaster

In der vorliegenden Arbeit wurden die durch Training induzierten motorischen Gedächtnisleistungen der Taufliege Drosophila melanogaster beim Überklettern von acht symmetrisch verteilten Lücken auf einem rotierenden Ring untersucht. Durch den auf sie einwirkenden optischen Fluss der vorbeiziehenden äußeren Umgebung wurden die Fliegen angeregt, diesem optomotorischen Reiz entgegenzuwirken und die Lücken laufend zu überqueren. Durch Training verbessert und langfristig gelernt wird die kompensatorische Lückenüberquerung X+ gegen die Rotation. In der aus diesem Training erhaltenen Lernkurve war eine überdurchschnittlich hohe Leistungsverbesserung nach einem einzigen Trainingslauf mit einem zeitlichen Bestand von ca. 40 Minuten abzulesen, um danach vom motorischen Gedächtnisspeicher trainierter Fliegen nicht mehr abgerufen werden zu können. Nach einer Ruhephase von einem bis mehreren Tagen wurden die Fliegen auf mögliche Langzeitlernleistungen untersucht und diese für verschiedene Intervalle nachgewiesen. Sowohl die Leistungsverbesserung während des Trainings, als auch der Lerneffekt nach 24h bleiben in mutanten rutabaga2080 sowie rut1 Fliegen aus. Betroffen ist das Gen der Adenylylzyklase I, ein Schlüsselprotein der cAMP-Signalkaskade, die u.a. im olfaktorischen und visuellen Lernen gebraucht wird. Damit ergab sich die Möglichkeit die motorischen Gedächtnisformen durch partielle Rettung zu kartieren. Die motorische Gedächtniskonsolidierung ist schlafabhängig. Wie sich herausstellte, benötigen WTB Fliegen nur eine Dunkelphase von 10h zwischen einem ersten Trainingslauf und einem Testlauf um signifikante Leistungssteigerungen zu erzielen. In weiterführenden Versuchen wurden die Fliegen nachts sowie tagsüber mit einer LED-Lampe oder in einer Dunkelkammer, mit einem Kreisschüttler oder einer Laborwippe depriviert, mit dem Ergebnis, dass nur jene Fliegen ihre Leistung signifikant gegenüber einem ersten Trainingslauf verbessern konnten, welche entweder ausschließlich der Dunkelheit ausgesetzt waren oder welchen die Möglichkeit gegeben wurde, ein Gedächtnis zunächst in einer natürlichen Schlafphase zu konsolidieren (21Uhr bis 7Uhr MEZ). In weiteren Experimenten wurden die experimentellen Bedingungen entweder während des Trainings oder des Tests auf eine Fliege und damit verbunden auf eine erst durch das Training mögliche motorische Gedächtniskonsolidierung einwirken zu können, untersucht. Dazu wurden die Experimentparameter Lückenweite, Rotationsrichtung des Lückenringes, Geschwindigkeit des Lückenringes sowie die Verteilung der acht Lücken auf dem Ring (symmetrisch, asymmetrisch) im Training oder beim Gedächtnisabruf im Testlauf verändert. Aus den Ergebnissen kann geschlussfolgert werden, dass die Lückenweite langzeitkonsolidiert wird, die Rotationsrichtung kurzzeitig abgespeichert wird und die Drehgeschwindigkeit motivierend auf die Fliegen wirkt. Die symmetrische Verteilung der Lücken auf dem Ring dient der Langzeitkonsolidierung und ist als Trainingseingang von hoher Wichtigkeit. Mit Hilfe verschiedener Paradigmen konnten die Leistungsverbesserungen der Fliegen bei Abruf eines Kurz- bzw. Langzeitgedächtnisses hochauflösend betrachtet werden (Transfer). Die Konzentration, mit der eine WTB Fliege eine motorische Aufgabe - die Überquerung von Lücken entgegengesetzt der Rotationsrichtung - durchführt, konnte mit Hilfe von Distraktoreizen bestimmt werden. Wie sich herausstellte, haben Distraktoren einen Einfluss auf die Erfolgsquote einer Überquerung, d.h. mit zunehmender Distraktionsstärke nahm die Wahrscheinlichkeit einer Lückenüberquerung ab. Die Ablenkungsreize wirkten sich weiterhin auf die Vermessung einer Lücke aus, in dem entweder "peering"-artigen Bewegungen im Training durchgeführt wurden oder je nach Reizstärke ausschließlich nur jene Lücken vermessen wurden, welche auch überquert werden sollten.

cis-Regulation des Drosophila-melanogaster-Gens optomotor-blind

Die zeitliche und räumliche Expression von Genen trägt zu einem entscheidenden Ausmaß zu der Entwicklung eines Organismus bei. Unter vielen Faktoren spielt dabei die transkriptionelle Regulation eine wichtige Rolle. Diese basiert auf Anwesenheit und Binden von regulatorischen Proteinen an cis-regulatorischen Sequenzen (CRMs) und deren Einfluss auf die Transkriptionsmaschinerie am Promotor. Veränderungen der CRMs können zu Veränderungen der Genexpression führen, und somit einen Beitrag zur morphologischen Evolution leisten. rnIn dieser Arbeit wurde die transkriptionelle Regulation des Drosophila melanogaster Gens optomotor-blind insbesondere in den pupalen Tergiten untersucht. In einem Enhancer-Reporter screen wurde eine regulatorische Region in Intron IV, die Reportergen-Expression in den pupalen Tergiten treibt, identifiziert. Große Teile dieser Region (ombTU10 und ombTU11) trieben Reportergen-Expression in einem omb-ähnlichen Muster. Eine weitere Region (ombTU12) trieb Expression in einem für Hh-Zielgene typischen Expressionsmuster. Für ombTU12 konnte eine Hh-Abhängigkeit nachgewiesen werden. Die für Hh-Zielgene typische Enhanceraktivität konnte in dem Subfragment ombTU12Amin lokalisiert werden, welches zwei konservierte Bindestellen des Effektors der Hh-Signaltransduktionskaskase, Cubitus interruptus (Ci), enthält. Eine deutliche Abhängigkeit der Expression dieses Fragments von den Ci-Bindestellen konnte bisher aber noch nicht nachgewiesen werden.rnDeletionen verschiedener Bereiche dieser Tergitenenhancer-Region aus dem endogenen Gen sollten Aufschluss über deren Notwendigkeit in der Regulation von omb geben. Die Deletion des Fragments ombTU10 (ΔombTU10-2) führte zu einer Variabilität in der Pigmentierung der Abdominalsegmente A5 und A6 der Weibchen. Eine Deletion von Teilen des hh-responsiven Fragments ombTU12 (ΔombTU12A) zeigte keinen abdominalen Phänotyp. Dies deutet auf eine redundante Wirkung der Fragmente untereinander, oder mit einem weiteren bisher nicht identifizierten Tergitenenhancer im omb-Locus hin.rnFragmente, die in den pupalen Tergiten Reportergen-Expression trieben, waren zum Teil auch in Imaginalscheiben von Larven aktiv. Desweiteren wurde gezeigt, dass Fragmente, die in Isolation Reportergen-Expression trieben, als Fusionskonstrukt mit benachbarten genomischen Sequenzen keine Expression zeigten und somit im genomischen Kontext inaktiv sein können. Demzufolge sind nicht nur Aktivator- sondern auch Repressorregionen für die korrekte Expression eines Gens von Bedeutung.rnDie Analyse von omb Enhancer-Trap Insertionen zeigte, dass von drei untersuchten Typen (PlacW, PGalW und PGawB) nur Insertionen vom letzteren in den pupalen Tergiten aktiv waren. Von vier PGawB Insertionen waren nur drei aktiv. Es ist denkbar, dass die Orientierung der inaktiven Insertion für die mangelnde Responsivität verantwortlich ist.rn