Analyse der temporären Neuroblastenbildung und der segmentalen Spezifizierung des Neuroblasten 6-4 im embryonalen zentralen Nervensystem von Drosophila melanogaster

Die vorliegende Arbeit gewährte neue Einblicke in zwei fundamentale Vorgänge der frühen Neurogenese von Drosophila melanogaster. Der erste Teil untersuchte die zeitliche Spezifizierung der Neuroblastenidentitäten. Durch die Expression verschiedener Gene entlang der Dorsoventral- und der Anterioposteriorachse wird ein kartesisches Koordinatensystem aufgebaut, indem ein Neuroblast (NB), der in einem bestimmten Quadranten entsteht, eine spezifische Identität erhält. Die Delamination der NBs erfolgt in fünf Segregationswellen, wobei in jeder Welle die gleiche Population NBs gebildet wird. In dieser Arbeit konnte nun gezeigt werden, dass es nicht nur einen räumlichen, sondern auch einen zeitlichen Aspekt bei der Entstehung der NBs gibt: So zeigten Transplantationsexperimente, dass sowohl im frühen als auch im späten Neuroektoderm extrinsische induktive Signale an der Spezifizierung der Neuroblastenidentität beteiligt sind. Die Natur dieser Signale bleibt noch unklar. Allerdings stellen die Segmentpolaritätsgene aufgrund ihrer dynamischen Expression eine potenzielle Kandidatengruppe dar. Der zweite Teil beschäftigte sich mit der segmentalen Spezifizierung der Neuroblasten. Für diesen Prozess zeigten frühere Genexpressionsstudien, dass NBs, die zwar an korrespondierenden Positionen innerhalb des kartesischen Systems, aber in unterschiedlichen Segmenten gebildet werden, die gleichen Genexpressionsmuster aufweisen und fast identische Zellstammbäume hervorbringen. Einige dieser seriell homologen NBs generieren jedoch segmentspezifische Zellstammbäume – ein solches Beispiel ist der NB6-4, der als Modellsystem benutzt wurde. Für die thorakale Variante dieses NBs konnte ich zeigen, dass die Homöotischen Gene zur Spezifizierung nicht notwendig sind – thorakales Schicksal ist eine Grundidentität. Diese wird in abdominalen Segmenten jedoch durch die Funktion der Homöotischen Gene abdominal-A (abd-A) und Abdominal-B (Abd-B) in abdominales Schicksal transformiert. Dieser segmentale Unterschied wird durch die Regulation des Zellzyklusgens CycE bewerkstelligen. Genauer: CycE ist notwendig, um neurogliales Schicksal in thorakalen Segmenten zu generieren und ausreichend, dieses Schicksal ebenfalls in abdominalen Segmenten zu erzeugen. Eine direkte Inhibierung der Expression von CycE durch Abd-A in abdominalen Segmenten führt dagegen zu einer differenziellen Expression von CycE im neuronalen thorakalen Anteil des Zellstammbaums. Weiterhin konnten in einem Enhancerelement, das für die Expression von CycE im Nervensystem verantwortlich ist, mehrere Bindestellen für Abd-A und Abd-B gefunden werden. Die gewonnen Daten legen – in Verbindung mit bereits bekannten Ergebnissen – den Schluss nahe, dass diese neuronspezifizierende Funktion von CycE unabhängig von seiner Rolle im Zellzyklus ist.

Hox Gene Expression Leads to Differential Hind Leg Development between Honeybee Castes

Beyond the physiological and behavioural, differences in appendage morphology between the workers and queens of Apis mellifera are pre-eminent. The hind legs of workers, which are highly specialized pollinators, deserve special attention. The hind tibia of worker has an expanded bristle-free region used for carrying pollen and propolis, the corbicula. In queens this structure is absent. Although the morphological differences are well characterized, the genetic inputs driving the development of this alternative morphology remain unknown. Leg phenotype determination takes place between the fourth and fifth larval instar and herein we show that the morphogenesis is completed at brown-eyed pupa. Using results from the hybridization of whole genome-based oligonucleotide arrays with RNA samples from hind leg imaginal discs of pre-pupal honeybees of both castes we present a list of 200 differentially expressed genes. Notably, there are castes preferentially expressed cuticular protein genes and members of the P450 family. We also provide results of qPCR analyses determining the developmental transcription profiles of eight selected genes, including abdominal-A, distal-less and ultrabithorax (Ubx), whose roles in leg development have been previously demonstrated in other insect models. Ubx expression in workers hind leg is approximately 25 times higher than in queens. Finally, immunohistochemistry assays show that Ubx localization during hind leg development resembles the bristles localization in the tibia/basitarsus of the adult legs in both castes. Our data strongly indicate that the development of the hind legs diphenism characteristic of this corbiculate species is driven by a set of caste-preferentially expressed genes, such as those encoding cuticular protein genes, P450 and Hox proteins, in response to the naturally different diets offered to honeybees during the larval period.

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.

Organization of the Hox gene cluster in the grasshopper, Schistocerca gregaria

The conserved organization of the Hox genes throughout the animal kingdom has become one of the major paradigms of evolutionary developmental biology. We have examined the organization of the Hox genes of the grasshopper, Schistocerca gregaria. We find that the grasshopper Hox cluster is over 700 kb long, and is not split into equivalents of the Antennapedia complex and the bithorax complex of Drosophila melanogaster. SgDax and probably also Sgzen, the grasshopper homologues of fushi-tarazu (ftz) and Zerknüllt (zen), respectively, are also in the cluster, showing that the non-homeotic Antp-class genes, “accessory genes,” are an ancient feature of insect Hox clusters.

The regulation of Hox gene expression during animal development

Hox genes encode a family of transcriptional regulators that elicit distinct developmental programmes along the head-to-tail axis of animals. The specific regional functions of individual Hox genes largely reflect their restricted expression patterns, the disruption of which can lead to developmental defects and disease. Here, we examine the spectrum of molecular mechanisms controlling Hox gene expression in model vertebrates and invertebrates and find that a diverse range of mechanisms, including nuclear dynamics, RNA processing, microRNA and translational regulation, all concur to control Hox gene outputs. We propose that this complex multi-tiered regulation might contribute to the robustness of Hox expression during development.

Drosophila “enhancer-trap” transposants: Gene expression in chemosensory and motor pathways and identification of mutants affected in smell and taste ability

We have isolated about a thousandDrosophila P-element transposants that allow thein situ detection of genomic enhancer elements by a histochemical assay for β-galactosidase activity. We summarize the β-galactosidase staining patterns of over 200 such transposants in the adult. Our aim was to identify genes that are likely to be involved in the chemosensory and motor pathways ofDrosophila. Based on β-galactosidase expression patterns in the tissues of our interest, we have chosen some strains for further analysis. Behavioral tests on a subset of the transposants have, in addition, identified several strains defective in their chemosensory responses.

Analysis of HSC activity and compensatory Hox gene expression profile in Hoxb cluster mutant fetal liver cells

Overexpression of Hoxb4 in bone marrow cells promotes expansion of hematopoietic stem cell (HSC) populations in vivo and in vitro, indicating that this homeoprotein can activate the genetic program that determines self-renewal. However, this function cannot be solely attributed to Hoxb4 because Hoxb4(-/-) mice are viable and have an apparently normal HSC number. Quantitative polymerase chain reaction analysis showed that Hoxb4(-/-) c-Kit(+) fetal liver cells expressed moderately higher levels of several Hoxb cluster genes than control cells, raising the possibility that normal HSC activity in Hoxb4(-/-) mice is due to a compensatory up-regulation of other Hoxb genes. In this study, we investigated the competitive repopulation potential of HSCs lacking Hoxb4 alone, or in conjunction with 8 other Hoxb genes. Our results show that Hoxb4(-/-) and Hoxb1-b9(-/-) fetal liver cells retain full competitive repopulation potential and the ability to regenerate all myeloid and lymphoid lineages. Quantitative Hox gene expression profiling in purified c-KIt(+) Hoxb1-bg(-/-) fetal liver cells revealed an interaction between the Hoxa, b, and c clusters with variation in expression levels of Hoxa4, -a11, and -c4. Together, these studies show a complex network of genetic interactions between several Hox genes in primitive hematopoietic cells and demonstrate that HSCs lacking up to 30% of the active Hox genes remain fully competent.

Global down-regulation of HOX gene expression in PML-RAR alpha(+) acute promyelocytic leukemia identified by small-array real-time PCR

Acute promyelocytic leukemia (APL) is associated with a reciprocal and balanced translocation involving the retinoic acid receptor-alpha (RARalpha). All-trans retinoic acid (ATRA) is used to treat APL and is a potent morphogen that regulates HOX gene expression in embryogenesis and organogenesis. HOX genes are also involved in hematopoiesis and leukemogenesis. Thirty-nine mammalian HOX genes have been identified and classified into 13 paralogous groups clustered on 4 chromosomes. They encode a complex net-Work of transcription regulatory proteins whose precise targets remain poorly understood. The overall function of the network appears to be dictated by gene dosage. To investigate the mechanisms involved in HOX gene regulation in hematopoiesis and leukemogenesis by precise measurement of individual HOX genes, a small-array real-time HOX (SMART-HOX) quantitative polymerase chain reaction (PCR) platform was designed and validated. Application of SMART-HOX to 16 APL bone marrow samples revealed a global down-regulation of 26 HOX genes compared with normal controls. HOX gene expression was also altered during differentiation induced by ATRA in the PML-RARalpha(+) NB4 cell line. PML-RARalpha, fusion proteins have been reported to act as part of a repressor complex during myelold cell differentiation, and a model linking HOX gene expression to this PML-RARalpha repressor complex is now proposed.

Thrombopoietin, flt3-ligand and c-kit-ligand modulate HOX gene expression in expanding cord blood CD133(+) cells

Haemopoietic stem/progenitor cell (HSPC) development is regulated by extrinsic and intrinsic stimuli. Extrinsic modulators include growth factors and cell adhesion molecules, whereas intrinsic regulation is achieved with many transcription factor families, of which the HOX gene products are known to be important in haemopoiesis. Umbilical cord blood CD133(+) HSPC proliferation potential was tested in liquid culture with 'TPOFLK' (thrombopoietin, flt-3 ligand and c-kit ligand, promoting HSPC survival and self-renewal), in comparison to 'K36EG' (c-kit-ligand, interleukins-3 and -6, erythropoietin and granulocyte colony-stimulating factor, inducing haemopoietic differentiation). TPOFLK induced a higher CD133(+) HSPC proliferation (up to 60-fold more, at week 8) and maintained a higher frequency of the primitive colony-forming cells than K36EG. Quantitative polymerase chain reaction analysis revealed opposite expression patterns for specific HOX genes in expanding cord blood CD133(+) HSPC. After 8 weeks in liquid culture, TPOFLK increased the expression of HOX B3, B4 and A9 (associated with uncommitted HSPC) and reduced the expression of HOX B8 and A10 (expressed in committed myeloid cells) when compared to K36EG. These results suggest that TPOFLK induces CD133(+) HSPC proliferation, self-renewal and maintenance, up-regulation of HOX B3, B4 and A9 and down-regulation of HOX B8 and A10 gene expression.