Funktion und Evolution von hochkonservierten Kopfgenen im Reismehlkäfer Tribolium castaneum

Abstract

Die anterior-posterior Achse von bilateral symmetrischen Organismen (Bilateria) ist unterteilt in eine posteriore Region, die durch die Expression der hoch konservierten HOX-Cluster Gene gekennzeichnet ist und eine anteriore Region, die frei von deren Expression ist. Dennoch sind einige hoch konservierte Gene in der anterioren Region von Vertebraten und Insekten exprimiert und an der Musterung dieser Region beteiligt. Diese Beobachtung lässt vermuten, dass grundlegende Prinzipien der Kopfentwicklung innerhalb der Bilateria konserviert sind. Bisher fehlt jedoch ein ausführlicher Vergleich von Genen, die an der anterioren Musterung von Vertebraten und Insekten beteiligt sind.Um mehr Kandidatengene des hoch konservierten Grundnetzwerkes der anterioren Musterung zu identifizieren, habe ich systematisch die Expression und Funktion der Orthologen von Neuralplattengenen aus Vertebraten im Reismehlkäfer Tribolium castaneum analysiert. Basierend auf diesen Daten schlage ich Bestandteile des Regulatorischen Netzwerkes vor, das der anterioren Musterung in Tribolium zugrunde liegt. Einige dieser hypothetischen Interaktionen wurden daraufhin experimentell bestätigt. Um Einblicke in die Konservierung des Regulatorischen Netzwerkes zu erlangen, wurden einige der gefundenen Interaktionen im Vertebraten-Model Xenopus laevis getestet. Dabei zeigte sich, dass das Potential von six3 die Expression von wnt1 und pax6 zu reprimieren konserviert zu sein scheint. Der Vergleich der Expressionsdaten im Käfer und in Vertebraten zeigt, dass die Okkular/Preokkulare Region des embryonalen Insektenkopfes sehr viele Ähnlichkeiten zur Vorder-/Mittelhirn Region der Vertebraten aufweist. Weiterhin lässt der Vergleich vermuten, dass der letzte gemeinsame Vorfahre von Insekten und Vertebraten ein wichtiges Signalzentrum im anterioren Kopf besessen hat.Die Etablierung der anterior-posterior Achse in Vertebraten ist abhängig von der Funktion des kanonischen Wnt-Signalweges. Einige kürzlich veröffentlichte Daten aus verschiedenen Arthropoden lassen vermuten, dass die Beteiligung des Wnt-Signalweges bei der Bildung posteriorer Strukturen innerhalb der Bilateria konserviert ist. Um die Beteiligung des Wnt-Signalweges an der anterior-posterior Achsen-Bildung weiter zu bestätigen, habe ich mit Hilfe von Tc-axin RNAi ektopische Wnt Signale in der anterioren Region aktiviert. Die Resultate zeigen, dass ektopische Wnt Signale zur Posteriorisierung des frühen Embryos führen, was für eine essentielle Funktion des Wnt-Signalweges in der anterior-posterior Achsenbildung in Tribolium spricht. Zusätzlich sind bisher einige weitere Aspekte der Insektenkopfentwicklung ungeklärt geblieben. Zum Beispiel ist nicht bekannt, welcher Teil der starren Kopfkapsel der Larvenstadien vom Interkalarsegment gebildet wird. Deshalb habe ich die Funktion des Interkalarsegment-Markers Tc-labial/Hox1 in Tribolium analysiert. Die Daten zeigen, dass der Verlust von Tc-labial/Hox1 zum Verlust des Interkalarsegments führt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass das Interkalarsegment laterale Bestandteile der Kopfkapsel bildet.