Descending Control of Limb Movements in Drosophila melanogaster

Because the interactions between feedforward influences are inextricably linked during many motor outputs (including but not limited to walking), the contribution of descending inputs to the generation of movements is difficult to study. Here we take advantage of the relatively small number of descending neurons (DNs) in the Drosophila melanogaster model system. We first characterize the number and distribution of the DN populations, then present a novel load free preparation, which enables the study of descending control on limb movements in a context where sensory feedback can be is reduced while leaving the nervous system, musculature, and cuticle of the animal relatively intact. Lastly we use in-vivo whole cell patch clamp electrophysiology to characterize the role of individual DNs in response to specific sensory stimuli and in relationship to movement. We find that there are approximately 1100 DNs in Drosophila that are distributed across six clusters. Input from these DNs is not necessary for coordinated motor activity, which can be generated by the thoracic ganglion, but is necessary for the specific combinations of joint movements typically observed in walking. Lastly, we identify a particular cluster of DNs that are tuned to sensory stimuli and innervate the leg neuromeres. We propose that a multi-layered interaction between these DNs, other DNs, and motor circuits in the thoracic ganglia enable the diverse but well-coordinated range of motor outputs an animal might exhibit.

Analysis of expression quantitative trait loci in D. melanogaster

Expression Quantitative Trait Loci (eQTL) analysis allows for the identification of genetic variation associated with variation in gene expression. It is often unclear however, which of the associated variants are causal, and by what mechanism. Integrating functional genomic data with eQTL data can provide insight into the impact of natural variation in the population, and the nature of the transcriptional machinery itself. In this thesis, I integrate functional genomic data with eQTL data derived from both 5’ CAGE and 3’ TagXseq expression assays, in developing embryos. I first use both datasets to analyse the transcription landscape in embryonic D., melanogaster, and then carry out an analysis of sequence motifs associated with transcription factor binding sites, promoters, and 3’ polyadenylation sites. Finally, I integrate functional genomic data, including these novel sequence motifs, to shed light on the mechanisms of gene expression variation in D.,melanogaster. I am able to demonstrate that some variants effecting gene regulation in Drosophila are found within haplotypes which buffer their effects.

Epigenetic reprogramming of imprinted genes in embryonic stem cells, fertilized and cloned embryos

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Characterization in Drosophila melanogaster of dPDZ-GEF, a Rap GTPase activator

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Role of Ptf1a in the development of endocrine and exocrine pancreas of Xenopus laevis embryos

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

The white gene and locomotor recovery from anoxia in Drosophila melanogaster

Locomotor recovery from anoxia is complicated and little is known about the molecular and cellular mechanisms regulating anoxic recovery in Drosophila. For this thesis I established a protocol for large-scale analysis of locomotor activity in adult flies with exposure to a transient anoxia. Using this protocol I observed that wild-type Canton-S flies recovered faster and more consistently from anoxia than the white-eyed mutant w1118, which carries a null allele of w1118 in an isogenic genetic background. Both Canton-S and w1118 are commonly used controls in the Drosophila community. Genetic analysis including serial backcrossing, RNAi knockdown, w+ duplication to Y chromosome as well as gene mutation revealed a strong association between the white gene and the timing of locomotor recovery. I also found that the locomotor recovery phenotype is independent of white-associated eye pigmentation, that heterozygous w+ allele was haplo-insufficient to induce fast and consistent locomotor recovery from anoxia in female flies, and that mini-white is insufficient to promote fast and consistent locomotor recovery. Moreover, locomotor recovery was delayed in flies with RNAi knockdown of white in subsets of serotonin neurons in the central nervous system. I further demonstrated that mutations of phosphodiesterase genes (PDE) displayed wild-type-like fast and consistent locomotor recovery, and that locomotor recovery was light-sensitive in the night in w1118. The delayed locomotor recovery and the light sensitivity were eliminated in PDE mutants that were dual-specific or cyclic guanosine monophosphate (cGMP)-specific. Up-regulation of cGMP using multiple approaches including PDE mutation, sildenafil feeding or specific expression of an atypical soluble guanylyl cyclase (Gyc88E) was sufficient to suppress w-RNAi induced delay of locomotor recovery. Taken together, these data strongly support the hypothesis that White transports cGMP and promotes fast and consistent locomotor recovery from anoxia.

Genregulation in der Drosophila Spermatogenese am Beispiel der Mst(3)CGP-Genfamilie

In dieser Dissertation wird die Rolle des zentralen Kontrollelementes TCE auf unterschiedlichen Ebenen der Genexpression untersucht. Das TCE verhindert die Translation prämeiotisch gebildeter mRNAs in der Spermatogenese von Drosophila bis zu einem späten postmeiotischen Stadium. Gleichzeitig provoziert es Transkriptionsaktivität. Das TCE wurde zunächst in einer kleinen Genfamilie identifiziert und am Beispiel des Gens Mst87F detaillierter untersucht. In EMSA-Experimenten wurde die Komplexbildung mit regulatorischen Proteinen aus Proteinextrakten des Hodengewebes am TCE der Mst87F mRNA nachgewiesen. Massenspektrometrische Analysen ergaben u.a. die Kandidatenproteine Exuperantia (Exu), dFmr1 und CG3213. Die Komplexbildung an einem zweiten Mitglied der Genfamilie - Mst98Ca -, welches sich in der Genstruktur und dem Proteinaufbau von Mst87F unterscheidet, belegt die Allgemeingültigkeit dieser Interaktion. Beim Einsatz von veränderten TCE-Sequenzen ergibt sich ein abweichendes Erscheinungsbild der Komplexe, was mit dem Verlust der Funktion korreliert. Auch die Komplexbildung mit den rekombinanten Proteinen von exuperantia und dfmr1 erfolgt an beiden RNAs in gleicher Weise. In Kombination wird ein stärkerer Shift erzeugt. In einer Exu-defizienten Mutante beobachtet man drastische Veränderungen in der Lokalisation von einem Mst87F-GFP- bzw. CG3213-GFP-Fusionsprotein. Analysen mittels der qPCR zeigen eine drastische Verringerung der Mst87F mRNA Menge. Beides lässt vermuten, dass das Fehlen von Exu bereits in frühen Stadien zu molekularen Defekten führt. Um die Translationskontrolle zu umgehen, wurden Transgene mit einer IRES (aus dem Gen reaper) an verschiedenen Positionen des 5'UTRs erzeugt. Die erwartete Translationsinitiation durch die IRES blieb aus. Northern- und qPCR-Analysen zeigen eine starke Reduktion des mRNA-Niveaus. Somit kann aufgrund der drastischen Deregulation auf Transkriptionsebene der Effekt auf die Translationskontrolle nicht mehr analysiert werden. Überraschenderweise wurden durch die Verwendung einer anderen IRES (aus der Genkassette CG31311) die Expressionscharakteristika des Ursprungsgens auf Mst87F übertragen. Das Fusionsprotein lässt sich plötzlich in den Ommatidien der Komplexaugen nachweisen. Da aus früheren Arbeiten bereits eine Rolle des TCE auf Transkriptionsebene nachgewiesen ist, wurde die Komplexbildung auf Mst87F-DNA-Fragmente mit TCE ausgedehnt. Analysen unter Verwendung der rekombinanten Proteine Exu und dFmr1 verliefen negativ. Daraufhin sollten massenspektrometrische Experimente neue Kandidaten für regulatorische Proteine auf DNA-Ebene identifizieren. Von vier weiteren Kandidaten zeigen zwei unter RNAi-Einfluß komplette Sterilität und starke Defekte in der Spermienentwicklung.

Role and modulation of maternal transcripts during the first cleavage divisions in bovine embryos

Ce travail porte sur l’identification, la fonction et la régulation des molécules maternelles d’ARNm qui dirigent la compétence développementale juste après la fécondation chez les bovins. Tout d’abord, en utilisant le modèle du temps écoulé jusqu’au premier clivage zygotique et à travers l’évaluation du transcriptome des embryons à 2-cellules, il fut possible de déterminer la signature moléculaire des niveaux extrêmes de compétence au développement et sélectionner des molécules candidates pour des études postérieures. Les résultats ont montré que les embryons de capacité développementale variable diffèrent dans certaines fonctions comme la réparation de l’ADN, le traitement de l’ARN, la synthèse de protéines et l’expression génique définies par des ARNm synthétisés par l’ovocyte. Pour obtenir une confirmation fonctionnelle, une paire de transcrits maternels (l’un détecté dans notre sondage précédent et l’autre étant une molécule reliée) ont été inhibés par « knock-down » dans des ovocytes. Les effets du knock-down de ces facteurs de transcription sont apparus avant la formation des blastocystes dû à une diminution de la capacité au clivage et celle à progresser après le stage de 8-cellules. L’analyse moléculaire des embryons knock-down survivants suggère qu’un de ces facteurs de transcription est un contrôleur crucial de l’activation du génome embryonnaire, qui représente une fenêtre développementale dans l’embryogenèse précoce. Dans la dernièr étude, nous avons testé si les facteurs de transcription d’intérêt sont modulés au niveau traductionnel. Des ARNm rapporteurs couplés à la GFP (Protéine fluorescente) contenant soit la version courte ou la version longue de la séquence 3’-UTR des deux molécules furent injectées dans des zygotes pour évaluer leur dynamique traductionnelle. Les résultats ont montré que les éléments cis-régulateurs localisés dans les 3’-UTRs contrôlent leur synchronisation traductionnelle et suggèrent une association entre la compétence développementale et la capacité de synthèse de ces protéines. Ceci conduit à l’idée que ces facteurs de transcription cruciaux sont aussi contrôlés au niveau traductionnel chez les embryons précoces. Les connaissances acquises ont joué un rôle essentiel pour définir le contrôle potentiel des molécules maternelles sur les embryons au début de leur développement. Cette étude nous montre aussi une utilisation potentielle de cette information ainsi que les nouveaux défis présents dans le secteur des technologies reproductives.

Functions of the SLC36 transporter Pathetic in growth control of Drosophila sensory neurons

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08

The Role of G Protein In Alcohol Related Behaviours Using Drosophila melanogaster As A Model

Ethanol, classified as a drug, affects the central nervous system, and its consumption has been linked to the development of several behaviours including tolerance and dependence. Alcohol tolerance is defined as the need for higher doses of alcohol to induce the same changes observed in the initial exposure or where repetitive exposures of the same alcohol dose induce a lower response. Ethanol has been shown to interact with numerous targets and ultimately influence both short and long term adaptation at the cellular and molecular level in brain [1]. These adaptation processes are likely to involve signalling molecules: our work has focussed on G proteins gene expression. Using both wild type and several mutant fruit fly (Drosophila melanogaster) as a model for behaviour and molecular studies, we observed significant increases in sedation time (ST50) in response to alcohol (P<0.001) Fig.A. We also observed a consistent and significant decrease of Gq protein mRNA expression in Drosophila dUNC and DopR2 mutants chronically exposed to alcohol (*P<0.05). Fig B. Method: Six male flies were observed in drosophila polystyrene 25 x 95mm transparent vial in between cotton plugs. To the top plug, 500uL of 100% ethanol was added. Time till 50% of the flies were sedated was recorded on each day following the schedule. Fig. C (n=4-6). Using RT-PCR, we also quantified G protein mRNA expression levels one hour post initial 30 minutes of ethanol expression on day 1 and day 3 relative to expression in naïve flies.(n=2) [A] Increase in sedation time indicative of tolerance in different mutant lines and wild type flies. Six male flies were used in each experiment and (n= 4-6. ***P<0.001 unpaired t tests). [B] RT-PCR results showing significant reduction in Gq mRNA in flies chronically exposed to alcohol. (n=2. *P<0.05) [C] Alcohol exposure schedule. (1) Kaun K.R., R. Azanchi, Z. Maung, J. Hirsh, U. Heberlein. (2011). A Drosophila model for alcohol reward. Nature Neuroscience. 14 (5), 612–619.

Development and application of sensitive genome-wide platforms to study the genetic and epigenetic (DNA methylation) makeup of gametes and early bovine embryos

Pour ce projet, nous avons développé une plateforme pour l’analyse pangénomique de la méthylation de l’ADN chez le bovin qui est compatible avec des échantillons de petites tailles. Cet outil est utilisé pour étudier les caractéristiques génétiques et épigénétiques (méthylation de l’ADN) des gamètes soumis aux procédures de procréation médicalement assisitée et des embryons précoces. Dans un premier temps, une plateforme d’analyse de biopuces spécifiques pour l’étude de la méthylation de l’ADN chez l’espèce bovine a été développée. Cette plateforme a ensuite été optimisée pour produire des analyses pangénomiques de méthylation de l’ADN fiables et reproductibles à partir d’échantillons de très petites tailles telle que les embryons précoces (≥ 10 ng d’ADN a été utilisé, ce qui correspond à 10 blastocystes en expansion). En outre, cet outil a permis d’évaluer de façon simultanée la méthylation de l’ADN et le transcriptome dans le même échantillon, fournissant ainsi une image complète des profils génétiques et épigénétiques (méthylation de l’ADN). Comme preuve de concept, les profils comparatifs de méthylation de l’ADN spermatique et de blastocystes bovins ont été analysés au niveau de l’ensemble du génome. Dans un deuxième temps, grâce à cette plateforme, les profils globaux de méthylation de l’ADN de taureaux jumeaux monozygotes (MZ) ont été analysés. Malgré qu’ils sont génétiquement identiques, les taureaux jumeaux MZ ont des descendants avec des performances différentes. Par conséquent, l’hypothèse que le profil de méthylation de l’ADN spermatique de taureaux jumeaux MZ est différent a été émise. Dans notre étude, des différences significatives entre les jumeaux MZ au niveau des caractéristiques de la semence ainsi que de la méthylation de l’ADN ont été trouvées, chacune pouvant contribuer à l’obtention de performances divergentes incongrues des filles engendrées par ces jumeaux MZ. Dans la troisième partie de ce projet, la même plateforme a été utilisée pour découvrir les impacts d’une supplémentation à forte concentration en donneur de méthyle universel sur les embryons précoces bovins. La supplémentation avec de grandes quantités d’acide folique (AF) a été largement utilisée et recommandée chez les femmes enceintes pour sa capacité bien établie à prévenir les malformations du tube neural chez les enfants. Cependant, plus récemment, plusieurs études ont rapporté des effets indésirables de l’AF utilisé à des concentrations élevées, non seulement sur le développement de l’embryon, mais aussi chez les adultes. Au niveau cellulaire, l’AF entre dans le métabolisme monocarboné, la seule voie de production de S-adénosyl méthionine (SAM), un donneur universel de groupements méthyles pour une grande variété de biomolécules, y compris l’ADN. Par conséquent, pour résoudre cette controverse, une forte dose de SAM a été utilisée pour traiter des embryons produits in vitro chez le bovin. Ceci a non seulement permis d’influencer le phénotype des embryons précoces, mais aussi d’avoir un impact sur le transcriptome et le méthylome de l’ADN. En somme, le projet en cours a permis le développement d’une plateforme d’analyse de la méthylation de l’ADN à l’échelle du génome entier chez le bovin à coût raisonnable et facile à utiliser qui est compatible avec les embryons précoces. De plus, puisque c’est l’une des premières études de ce genre en biologie de la reproduction bovine, ce projet avait trois objectifs qui a donné plusieurs nouveaux résultats, incluant les profils comparatifs de méthylation de l’ADN au niveau : i) blastocystes versus spermatozoïdes ; ii) semence de taureaux jumeaux MZ et iii) embryons précoces traités à de fortes doses de SAM versus des embryons précoces non traités.

Caracterização da fosfatase String/Cdc25 como um regulador da neurotoxicidade de Tau em Drosophila

As tauopatias, grupo onde se inclui a doença de Alzheimer (AD), são caracterizadas pela deposição intracelular de emaranhados neurofibrilares (NFTs), compostos principalmente por formas hiperfosforiladas da proteína Tau, uma proteína que se associa aos microtúbulos. Os mecanismos moleculares subjacentes à neurotoxicidade induzida por Tau não são ainda claros. Drosophila melanogaster tem sido usada para modelar diversas doenças neurodegenerativas humanas, incluindo as tauopatias. Neste trabalho foi usado o sistema visual de Drosophila como modelo para identificar os passos que podem levar à acumulação de Tau em Tauopatias. Durante o desenvolvimento do olho de Drosophila, a expressão ectópica de hTau induz um olho rugoso, em consequência da neurotoxicidade, e que pode ser utilizado para identificar modificadores do fenótipo. A fosfatase codificada por string /cdc25 (stg), um regulador universal da transição G2/M, foi previamente identificada como um supressor da neurotoxicidade associada à expressão da proteina Tau. No entanto, os mecanismos moleculares que estão na base desta interação genética nunca foram estudados, desconhecendo-se também se a atividade fosfatase de Stg/Cdc25 é essencial para modular os níveis de fosforilação de Tau. O objetivo deste projeto consistiu em elucidar os mecanismos que se encontram na base da interação Stg-Tau. Para alcançar este objectivo, usou-se uma abordagem genética e bioquímica. Os resultados obtidos sugerem que Stg é um possível modulador da neurotoxicidade de Tau.

The complexity of Drosophila innate immunity

Metazoans rely on efficient mechanisms to oppose infections caused by pathogens. The immediate and first-line defense mechanism(s) in metazoans, referred to as the innate immune system, is initiated upon recognition of microbial intruders by germline encoded receptors and is executed by a set of rapid effector mechanisms. Adaptive immunity is restricted to vertebrate species and it is controlled and assisted by the innate immune system. Interestingly, most of the basic signaling cascades that regulate the primeval innate defense mechanism(s) have been well conserved during evolution, for instance between humans and the fruit fly, Drosophila melanogaster. Being devoid of adaptive signaling and effector systems, Drosophila has become an established model system for studying pristine innate immune cascades and reactions. In general, an immune response is evoked when microorganisms pass the fruit fly’s physical barriers (e.g. cuticle, epithelial lining of gut and trachea), and it is mainly executed in the hemolymph, the equivalent of the mammalian blood. Innate immunity in the fruit fly consists of a phenoloxidase (PO) response, a cellular response (hemocytes), an antiviral response, and the NF-κB dependent production of antimicrobial peptides referred to as the humoral response. The JAK/STAT and Jun kinase signaling cascades are also implicated in the defence against pathogens.