Mechanismen der Entwicklung des zerebralen Kortex
Mechanisms of the development of the cerebral cortex
by Sven Mühlfriedel
Date of Examination:2004-11-02
Date of issue:2005-01-19
Advisor:Prof. Dr. Peter Gruss
Referee:PD Dr. Sigrid Hoyer-Fender
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-670
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Description:Dissertation
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Abstract
English
The current concept of the cerebral cortex patterning involves certain genes with a region specific expression in the cortical primordium, such as paracrine factors and transcription factors. In order to identify novel genes with a region specific expression in the developing cortex a large scale microarray expression analysis was performed. Of the 114 target sequences identified with this approach 44 could not be related to any known gene and were therefore regarded as novel genes. The expression patterns of nine selected genes (Ppp1r1b, Nurr1, Flrt3, Hop, Hippocampus specific 1, Dct, Ebf3, NRIP1, Slc1a3) are described here as they were assessed by RNA in situ hybridization. The smallest known Homeodomain protein, Homeodomain only protein (Hop), was further described as a temporally and spatially restricted gene in the neurogenic regions of the developing murine CNS including the cerebral cortex. Interestingly, an evolutionarily conserved 418 bp upstream cis-regulatory DNA sequence was found to confine the Hop expression to the CNS of transgenic mice, but not the heart which is the second major Hop expressing organ (F. Chen et al., 2002, Cell 110, 713-23; C. H. Shin et al., 2002, Cell 110, 725-35). The forebrain enhancer activity was successfully reproduced in vitro utilizing a combination of the elcetroporation and organotypic brain culture method. Using this approach, the minimal requirement for the forebrain specific enhancer sequence was delineated down to 200 bp. We further demonstrate that the Hop enhancer activity is inducible ectopically by roof plate transplantation in vitro. Thus Hop is regulated in the forebrain by a so far unidentified paracrine signaling factor from the roof plate. Furthermore, the identified enhancer sequence provides an important tool for the targeted expression of transgenes in the medial cortex and the cortical hem. The analysis of a Hop deficient mouse line did not reveal obvious phenotypic alterations in the morphology and marker gene expression as well as the mitosis rate in the embryonic forebrain. The function of Hop during the development of the forebrain therefore remains elusive.
Keywords: gene expression; microarray; Homeodomain only protein; Hop; cerebral cortex; enhancer; roof plate; cortical hem; electroporation
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Unser Verständnis der Musterbildung des zerebralen Kortex schließt parakrine Faktoren und Transkriptionsfaktoren ein, die regional spezifisch in der kortikalen Anlage exprimiert werden. Hier wurde eine Microarray-Expressionsanalyse durchgeführt, um neue Gene mit regionalisierter Expression im embryonalen Kortex zu identifizieren. Von 114 Target-Sequenzen, die eine solche Expression aufwiesen, konnten 44 keinem bisher bekannten Gen zugeordnet werden und gelten somit als neue Gene. Die kortikalen Expressionsmuster von neun Genen (Ppp1r1b, Nurr1, Flrt3, Hop, Hippocampus specific 1, Dct, Ebf3, NRIP1, Slc1a3) wurden im Detail beschrieben. Ferner wurde das kleinste bekannte Protein mit Homeodomäne (Hop) als Gen mit zeitlich-räumlich regulierter Expression im sich entwickelnden zerebralen Kortex beschrieben. Hop-Expression lag in neurogenen Regionen des Kortex und Rückenmarks vor. Ein 418 bp großes cis-regulatorisches Element des Hop-Genlokus wurde identifiziert, welches in transgenen Mäusen Reporteraktivität in Hop-positiven Bereichen des ZNS (Kortex, Rückenmark), jedoch nicht in anderen Hop-exprimierenden Organen (Herz), bewirkte. Die Aktivität des Vorderhirn-spezifischen Hop-Enhancers konnte erfolgreich in vitro reproduziert werden. Dazu wurde eine neue Methode angewandt, welche die Vorzüge des Plasmidtransfers durch Elektroporation und die organotypische Gehirn-Kultur kombiniert. Mittels dieses Verfahrens konnte die Vorderhirn-Aktivität des Hop-Enhancers auf einen 200 bp großen Minimalenhancer reduziert werden. Ferner konnte in vitro gezeigt werden, daß der Hop-Enhancer durch Transplantation von Gewebe der dorsalen Mittellinie des Vorderhirns (Deckplatte) induzierbar ist. Die Expression von Hop im zerebralen Kortex wird demnach durch einen bisher unbekannten Signalweg der Deckplatte bewirkt. Da die Untersuchung einer Hop-defizienten Mauslinie keine phänotypischen Veränderungen des Vorderhirns offenbarte, bleibt die Funktion von Hop während der Genese des zerebralen Kortex ungeklärt.
Schlagwörter: Genexpression; Microarray; Homeodomain only protein; Hop; zerebraler Kortex; Enhancer; Deckplatte; Elektroporation