Investigations on formation and specification of neural precursor cells in the central nervous system of the Drosophila melanogaster embryo

Investigations on formation and specification of neural precursor cells in the central nervous system of the Drosophila melanogaster embryoSpecification of a unique cell fate during development of a multicellular organism often is a function of its position. The Drosophila central nervous system (CNS) provides an ideal system to dissect signalling events during development that lead to cell specific patterns. Different cell types in the CNS are formed from a relatively few precursor cells, the neuroblasts (NBs), which delaminate from the neurogenic region of the ectoderm. The delamination occurs in five waves, S1-S5, finally leading to a subepidermal layer consisting of about 30 NBs, each with a unique identity, arranged in a stereotyped spatial pattern in each hemisegment. This information depends on several factors such as the concentrations of various morphogens, cell-cell interactions and long range signals present at the position and time of its birth. The early NBs, delaminating during S1 and S2, form an orthogonal array of four rows (2/3,4,5,6/7) and three columns (medial, intermediate, and lateral) . However, the three column and four row-arrangement pattern is only transitory during early stages of neurogenesis which is obscured by late emerging (S3-S5) neuroblasts (Doe and Goodman, 1985; Goodman and Doe, 1993). Therefore the aim of my study has been to identify novel genes which play a role in the formation or specification of late delaminating NBs.In this study the gene anterior open or yan was picked up in a genetic screen to identity novel and yet unidentified genes in the process of late neuroblast formation and specification. I have shown that the gene yan is responsible for maintaining the cells of the neuroectoderm in an undifferentiated state by interfering with the Notch signalling mechanism. Secondly, I have studied the function and interactions of segment polarity genes within a certain neuroectodermal region, namely the engrailed (en) expressing domain, with regard to the fate specification of a set of late neuroblasts, namely NB 6-4 and NB 7-3. I have dissected the regulatory interaction of the segment polarity genes wingless (wg), hedgehog (hh) and engrailed (en) as they maintain each other’s expression to show that En is a prerequisite for neurogenesis and show that the interplay of the segmentation genes naked (nkd) and gooseberry (gsb), both of which are targets of wingless (wg) activity, leads to differential commitment of NB 7-3 and NB 6-4 cell fate. I have shown that in the absence of either nkd or gsb one NB fate is replaced by the other. However, the temporal sequence of delamination is maintained, suggesting that formation and specification of these two NBs are under independent control.

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.

Zelluläre Kontrolle adulter Neurogenese - Expression und Funktion des VEGF-Rezeptor-1 (Flt-1) im adulten Säugerhirn

Neurale Stammzellen sind im adulten Säugerhirn in der Subventrikulären Zone (SVZ) der Lateralventrikel und dem Hippokampus lokalisiert. In der SVZ entstandene neurale Zellen migrieren entlang eines von Astrozyten umgebenen Pfades, dem Rostralmigratorischen Strom (RMS), zum Olfaktorischen Bulbus (OB), wo sie zu olfaktorischen Interneuronen differenzieren. Vaskuläre Wachstumsfaktoren, wie VEGF-A beeinflussen die adulte Neurogenese. Die vorliegende Arbeit beschreibt erstmalig detailliert die spezifische Expression des VEGF-Rezeptor-1 (VEGFR-1) in den Regionen olfaktorischer und hippokampaler Neurogenese des adulten ZNS. Die Ergebnisse zeigen, dass VEGFR-1 im adulten Hirn hauptsächlich in GFAP-positiven Zellen in der SVZ, dem RMS, dem OB, dem Corpus callosum und dem Hippokampus exprimiert ist. In vivo-Analysen transgener Mäuse (Flt-1TK-/-), denen die Signaltransduktionsdomäne des VEGFR-1 fehlt, demonstrieren hier erstmals eine Rolle des VEGFR-1 in adulter Neurogenese. Flt-1TK-/- weisen eine erhöhte Proliferation neuronaler Vorläuferzellen der SVZ auf. Im RMS ist jedoch 6 Tage nach BrdU-Administration die Anzahl markierter Zellen im Vergleich zum Wildtyp (wt) um 47,97% reduziert, ohne dass es zu einer Akkumulation in der SVZ kommt. Zusammen mit der in Kulturversuchen stark erhöhten Migrationsgeschwindigkeit von Neuroblasten der Flt-1TK-/- und einer verminderten Abwanderung von Zellen aus dem RMS ins Corpus callosum der Flt-1Tk-/-, weist dies auf eine gesteigerte Migration zum OB hin. Tatsächlich war der OB der Flt-1TK-/-, vor allem die Plexiform- und Periglomerulärzellschicht (PGL), signifikant vergrößert. Im OB der transgenen Tiere migrieren zudem signifikant mehr BrdU-markierte Zellen in die PGL. Dort differenzieren signifikant mehr Neurone als im wt. Subtypisierungen zeigen, zudem eine erhöhte Differenzierung in dopaminerge Interneurone in der PGL der Flt-1TK-/-. Im Gehirn Flt-1TK-/- war die Konzentration von VEGF-A erhöht. Intrazerebroventrikuläre Infusion von VEGF-A in wt-Tiere erbrachte den eindeutigen Nachweis, dass die Erhöhung der VEGF-A-Konzentration im Gehirn der Flt-1TK-/- ursächlich für die in diesen Tieren beobachtete Reduktion der BrdU-positiven Zellen im RMS ist. Dies ist gleichzeitig der erste Nachweis einer Wirkung von VEGF-A auf Neuroblasten im RMS in vivo unter physiologischen Bedingungen. Die erhöhte VEGF-A-Konzentration könnte auch den anderen hier dargelegten Effekten zugrunde liegen. VEGFR-1 ist somit ein regulatorischer Faktor für die adulte olfaktorische Neurogenese und spielt eine potentielle Rolle in der Differenzierung dopaminerger Interneurone.

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

Genetische Mechanismen der dorsoventralen Musterbildung im embryonalen Gehirn von Drosophila

In Vertebraten und Insekten ist während der frühen Entwicklung des zentralen Nervensystems (ZNS), welches sich aus dem Gehirn und dem ventralen Nervensystem (VNS) zusammensetzt, die Unterteilung des Neuroektoderms (NE) in diskrete Genexpressions-Domänen entscheidend für die korrekte Spezifizierung neuraler Stammzellen. In Drosophila wird die Identität dieser Stammzellen (Neuroblasten, NB) festgelegt durch die positionellen Informationen, welche von den Produkten früher Musterbildungsgene bereitgestellt werden und das Neuroektoderm in anteroposteriorer (AP) und dorsoventraler (DV) Achse unterteilen. Die molekulargenetischen Mechanismen, welche der DV-Regionalisierung zugrunde liegen, wurden ausführlich im embryonalen VNS untersucht, sind für das Gehirn jedoch weitestgehend unverstanden. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurden neue Erkenntnisse bezüglich der genetischen Mechanismen gewonnen, welche die frühembryonale Anlage des Gehirns in DV-Achse unterteilen. So konnte gezeigt werden, dass das cephale Lückengen empty spiracles (ems), das Segmentpolaritätsgen engrailed (en), sowie der „Epidermal growth factor receptor“ (EGFR) und das Gen Nk6 homeobox (Nkx6) für Faktoren codieren, die als zentrale Regulatoren die DV Musterbildung in der Gehirnanlage kontrollieren. Diese Faktoren interagieren zusammen mit den ebenso evolutionär konservierten Homöobox-Genen ventral nervous system defective (vnd), intermediate neuroblasts defective (ind) und muscle segment homeobox (msh) in einem komplexen, regulatorischen DV-Netzwerk. Die im Trito (TC)- und Deutocerebrum (DC) entschlüsselten genetischen Interaktionen basieren überwiegend auf wechselseitiger Repression. Dementsprechend sorgen 1) Vnd und Ems durch gegenseitige Repression für eine frühe DV-Unterteilung des NE, und 2) wechselseitige Repression zwischen Nkx6 und Msh, als auch zwischen Ind und Msh für die Aufrechterhaltung der Grenze zwischen intermediärem und dorsalem NE. 3) Sowohl Ind als auch Msh sind in der Lage, die Expression von vnd zu inhibieren. Ferner konnte gezeigt werden, dass Vnd durch Repression von Msh als positiver Regulator von Nkx6 fungiert. Überdies beeinflusst Vnd die Expression von ind in segment-spezifischer Art und Weise: Vnd reprimiert ind-Expression im TC, sorgt jedoch für eine positive Regulation von ind im DC durch Repression von Msh. Auch der EGFR-Signalweg ist an der frühen DV-Regionalisierung des Gehirns beteiligt, indem er durch positive Regulation der msh-Repressoren Vnd, Ind und Nkx6 dazu beiträgt, dass die Expression von msh auf dorsales NE beschränkt bleibt. Ferner stellte sich heraus, dass das AP-Musterbildungsgen ems die Expression der DV-Gene kontrolliert und umgekehrt: Ems ist für die Aktivierung von Nkx6, ind und msh in TC und DC erforderlich ist, während Nkx6 und Ind zu einem späteren Zeitpunkt benötigt werden, um ems im intermediären DC gemeinsam zu reprimieren. Überdies konnte gezeigt werden, dass das Segmentpolaritätsgen en Aspekte der Expression von vnd, ind und msh in segment-spezifischer Art und Weise reguliert. En reprimiert ind und msh, hält jedoch vnd-Expression im DC aufrecht; im TC wird En benötigt, um die Expression von Msh herunter zu regulieren und somit die Aktivierung von ind dort zu ermöglichen.rnrnZusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass AP Musterbildungsfaktoren in umfangreichen Maß die Expression der DV Gene im Gehirn (und VNS) kontrollieren. Ferner deuten diese Daten darauf hin, dass sich das „Konzept der ventralen Dominanz“, welches für die DV-Musterbildung im VNS postuliert wurde, nicht auf das genregulatorische Netzwerk im Gehirn übertragen lässt, da Interaktionen zwischen den beteiligten Faktoren hauptsächlich auf wechselseitiger (und nicht einseitiger) Repression basieren. Zudem scheint das Konzept der ventralen Dominanz auch für das VNS nicht uneingeschränkt zu gelten, da in dieser Arbeit u.a. gezeigt werden konnte, dass dorsal exprimiertes Msh in der Lage ist, intermediäres ind zu reprimieren. Interessanterweise ist gegenseitige Repression von Homöodomänen-Proteinen im sich entwickelnden Neuralrohr von Vertebraten weit verbreitet und darüberhinaus essenziell für den Aufbau diskreter DV-Vorläuferdomänen, und weist insofern eine große Ähnlichkeit zu den in dieser Arbeit beschriebenen DV-Musterbildungsvorgängen im frühembryonalen Fliegengehirn auf.rn

Einfluss moderater intraischämischer Hypothermie auf die Proliferation und Differenzierung neuronaler Stammzellen 28 Tage nach inkompletter Vorderhirnischämie und Reperfusion der adulten Ratte

Hypothermie schützt Neurone vor hypoxischen, ischämischen und traumatischen Schädigungen. Bisher ist jedoch unklar, ob Hypothermie auch endogene Reparaturmechanismen beeinflusst. Die vorliegende Arbeit untersucht daher den Einfluss intraischämischer Hypothermie auf das neuroregenerative Potential des Gehirns nach zerebraler Ischämie.rn50 männliche Sprague-Dawley Ratten wurden hierzu anästhesiert, intubiert und in folgende Versuchsgruppen randomisiert: Normotherme Ischämie (Normo/BACO), intraischämische Hypothermie (Hypo/BACO) sowie korrespondierende scheinoperierte Kontrollgruppen (Normo/Sham und Hypo/Sham). In den Gruppen Normo/Sham und Normo/BACO wurde die perikranielle Temperatur konstant bei 37 °C gehalten während sie in den Gruppen Hypo/Sham und Hypo/BACO für 85 min auf 33 °C gesenkt wurde. Durch bilaterale Okklusion der Aa. carotides communes in Kombination mit hämorrhagischer Hypotension wurde in BACO-Tieren eine 14-minütige inkomplette globale zerebrale Ischämie induziert. Tiere der Kontroll-Gruppen (Sham) blieben ohne Induktion einer Ischämie in Narkose. 15 weitere Tiere durchliefen nicht den operativen Versuchsteil und bildeten die Nativ-Gruppe, die als Referenz für die natürliche Neurogenese diente. Zur in-vivo-Markierung der Stammzellen wurde vom ersten bis siebten postoperativen Tag Bromodeoxyurindine (BrdU) injiziert. Nach 28 Tagen wurden die Gehirne entnommen. Die Analyse des histopathologischen Schadens erfolgte anhand HE-gefärbter Hirnschnitte, die Quantifikation der absoluten Anzahl neu gebildeter Zellen im Gyrus dentatus erfolgte mittels BrdU-Färbung. Anhand einer BrdU/NeuN-Immunfluoreszenz-Doppelfärbung konnte der Anteil neu generierter Neurone bestimmt werden.rnNach zerebraler Ischämie zeigten Tiere mit Normothermie eine Schädigung der CA 1-Region von über 50 % während hypotherme Ischämietiere einen Schaden von weniger als 10 % aufwiesen. Tiere ohne Ischämie (Hypo/Sham, Normo/Sham, Nativ) zeigten keinen histopathologischen Schaden. Die Anzahl neu gebildeter Neurone im Gyrus dentatus lag für normotherme Ischämietiere (Normo/BACO) bei 18819 und für Tiere mit intraischämischer Hypothermie (Hypo/BACO) bei 15175 neuen Neuronen. In den Kontroll-Gruppen wiesen Tiere der Gruppe Normo/Sham 5501, Tiere der Gruppe Hypo/Sham 4600 und Tiere der Nativ-Gruppe 5974 neu generierte Neurone auf.rnDiese Daten bestätigen frühere Studien, die eine Reduktion des neuronalen Schadens durch intraischämische Hypothermie zeigten. Infolge des ischämischen Stimulus kam es im Vergleich zu beiden Kontroll- und der Nativ-Gruppe zu einem signifikanten Anstieg der Anzahl neuer Neurone in beiden Ischämiegruppen unabhängig von der Temperatur. Somit scheint das Ausmaß der histopathologischen Schädigung keinen Einfluss auf die Anzahl neu gebildeter Neurone zu haben. Darüber hinaus beeinflusste die therapeutische Hypothermie auch nicht die natürliche Neurogeneserate. Die erhobenen Daten lassen vermuten, dass Hypothermie keinen Effekt auf die Anzahl und Differenzierung neuronaler Stammzellen aufweist, unabhängig davon, ob eine zerebrale Schädigung vorliegt.

Segmentale Musterbildung in der terminalen Abdominalregion des zentralen Nervensystems von Drosophila melanogaster

In dieser Arbeit wurden Mechanismen der Musterbildung in der terminalen Abdominalregion des Zentralnervensystems von Drosophila melanogaster untersucht. Dazu wurden zunächst die Anzahl der angelegten Neuromere und das Muster der dort lokalisierten neuralen Stammzellen (Neuroblasten) analysiert. Dabei zeigte sich, dass sowohl die Größe der Neuromere, als auch die Anzahl an Neuroblasten von anterior nach posterior sukzessiv abnimmt, wobei keine geschlechtsspezifischen Unterschiede in der Anzahl der vorhandenen Neuroblasten festgestellt werden konnten. Durch die Kombination einer Vielzahl von molekularen Markern war es anschließend möglich, die Identität aller Neuroblasten in diesem Bereich aufzuklären und in einer Karte zusammenzutragen. Sie weisen alle eine serielle Homologie zu Neuroblasten in weiter anterior gelegenen Segmenten auf. Des Weiteren wurde die embryonale Identität der geschlechtsspezifischen Neuroblasten untersucht und deren postembryonalen mänchenspezifischen Zellstammbäume charakterisiert. Diese detaillierten Beschreibungen bildeten die Grundlage für die funktionelle Analyse von geschlechts- und segmentspezifischen Faktoren, die zur Musterbildung in dieser Region des Zentralnervensystems beitragen. So konnte gezeigt werden, dass die weibliche Isoform von doublesex den programmierten Zelltod der geschlechtsspezifischen Neuroblasten induziert, während die männliche Isoform diesen verhindert. Das Hox-Gen Abdominal-B zeigt relativ milde Effekte auf das Überleben dieser Neuroblasten, was darauf hindeutet, dass weitere Faktoren benötigt werden, um diesen Prozess in segmentspezifischer Weise zu kontrollieren. Die Funktion von Hox-Genen wurde ferner im Hinblick auf die abgeleitete Morphologie der terminalen Neuromere untersucht. Es konnte herausgefunden werden, dass die regulatorische Isoform von Abdominal-B auf mehreren Ebenen wirkt: Sie beeinflusst die Zusammensetzung bestimmter Zellstammbäume durch Modifikation von Zelldeterminationsprozessen und durch die Kontrolle des programmierten Zelltods. Außerdem unterdrückt sie die Bildung einer spezifischen Subpopulation von Neuroblasten. Allerdings benötigt Abdominal-B.r die Co-Expression des ParaHox-Gens caudal, um sein gesamtes Potenzial bezüglich der Suppression dieser Neuroblasten zu entfalten. Die vorliegende Arbeit hat somit erste Einblicke in die geschlechtsspezifische und segmentspezifische Spezifizierung der terminalen Abdominalregion des Zentralnervensystems von Drosophila auf Ebene des Neuroektoderms, der daraus hervorgehenden Neuroblasten und deren Tochterzellen gewährt. Die vollständige und detailgetreue Beschreibung des Neuroblasten-Musters und der postembryonalen männchenspezifischen Zellstammbäume hat zudem attraktive Modellsysteme für zukünftige Untersuchungen etabliert, an denen sich weitere Mechanismen der Musterbildung im Zentralnervensystem analysieren lassen.