Comparative studies on the role of Egfr, Wingless and Decapentaplegic signalling in leg development in the red flour beetle Tribolium castaneum
Vergleichende Studie zur Rolle des Egfr, Wingless und Decapentaplegic Signalweges in der Beinentwicklung des Reismehlkäfer Tribolium castaneum
von Daniela Großmann
Datum der mündl. Prüfung:2012-01-25
Erschienen:2012-04-18
Betreuer:Dr. Nikola-Michael Prpic-Schäper
Gutachter:Prof. Dr. Gregor Bucher
Gutachter:Dr. Nikola-Michael Prpic-Schäper
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Zusammenfassung
Englisch
Leg development and its underlying genetic and molececular mechanisms are best understood in the prime insect model Drosophila melanogaster and this knowledge can serve as a first guide to study leg development in other arthropod species. The pattering of the proximo-distal axis in the leg is guided by a hierarchic gene cascade and the morphogens Wingless (Wg) and Decapentaplegic (Dpp) are the key factors which control the expression of proximo-distal patterning genes at the next level of the cascade. Beside its function in distal development, wg is also crucial for the allocation of the the limb primordia and specification of ventral cell fate in the leg. The development of the leg in Drosophila melanogaster presents a highly derived mode of arthropod leg development and differs from other insects and arthropod groups, where the limbs are direct outgrowths of the embryonic body wall. Recent work provides evidence against a conservation of the Wg/Dpp leg pattering system. Although the expression pattern of wg is highly conserved in arthropods, functional studies in the insects Oncopeltus and Gryllus could not support a role of wg in leg development of these species. At least, in the coleopteran Tribolium castaneum a role of wg in leg allocation could be proven. Also the role of dpp in leg development has been questioned. The expression of dpp is not conserved between Drosophila and other arthropod species and indicates a non-conserved role of dpp in limb development of arthropods. In the first part of this thesis, I present a functional analysis of wg and dpp in leg development in the red flour beetle Tribolium castaneum. This analysis has been performed via staggered stage-specific embryonic RNAi and different gene expression studies in RNAi embryos. This analysis revealed that the function of wg is similar between Drosophila and Tribolium. Wg is essential in leg allocation and distal leg development during early development as well as during late development in establishment of ventral cell fate in the legs. I n addition, I could demonstrate, that dpp is indeed required for distal leg development in Tribolium but lacks a function in establishment dorsal cell fate in the legs. Despite of these results in Tribolium there is increasing evidence that in other arthropod groups the Wg/Dpp system is not that crucial in leg axis pattering as in Drosophila. Instead EGFR signalling, which in Drosophila is needed in late development for pattering the tarsal region, might have a more decisive role in proximo-distal leg formation in other arthropod species. Therefore, in the second part of my thesis, I present a functional analysis of the Egf receptor, its ligand spitz and the transcription factor pointed in leg development in Tribolium castaneum. This functional analysis revealed, that Egfr signalling fulfills a more complex role in pattering and formation of the legs in Tribolium as it is known in Drosophila. I could demonstrate that the requirement of Egfr signalling is not restricted to the distal part of the leg but also includes pattering and formation of the medial parts of the leg. Interestingly, my results strongly suggest that Egfr signalling in the medial leg is not mediated via pointed as in the distal portion of the leg but a different, not yet identified transcription factor. In summary, in this thesis I could show that the beetle Tribolium castaneum likely represents an intermediate evolutionary state as far as the proximal-distal pattering mechanisms in the legs are concerned. Although the Wg/Dpp system is already the predominant system in leg development in Tribolium, Egfr signalling has an important and more complex role than in Drosophila.
Keywords: Tribolium castaneum; leg development; evolution; RNAi; Wingless; Decapentaplegic; EGFR
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Bisher ist die Beinentwicklung und die
zugrunde liegenden genetischen und molekular-biologischen
Mechanismen maßgeblich in dem Modellorganismus Drosophila
melanogaster untersucht worden. Die entsprechenden Kenntnisse
können als erster Anhaltspunkt zur Untersuchung der Beinentwicklung
in anderen Arthropodenarten dienen. Die Musterbildung der
proximalen-distalen Achse in den Beinen wird in Drosophila über
eine hierarchische Genkaskade gesteuert, an deren Spitze die
Morphogene Wingless and Decapentaplegic stehen, die die Expression
der proximalen-distalen Gene kontrollieren. Neben dieser distalen
Funktion ist wg zudem entscheidend an der Allocation der
Beinscheiben und der Spezifizierung des ventralen Zellschicksals in
den Beinen beteiligt. Die Beinentwicklung in Drosophila
melanogaster stellt allerdings eine sehr abweichende Form der
Arthropoden-Beinentwicklung dar und unterscheidet sich von der
Entwicklung in anderen Insekten- bzw. Arthropodenarten, in denen
sich die Gliedmaßen als direkte Auswüchse aus der embryonalen
Körperwand entwickeln. Vorliegende vergleichende Studien sprechen
gegen eine Konservierung des Wg/Dpp-Systems bei der
Beinmusterbildung. Obwohl die Expression von wg in Arthropoden
hochkonserviert ist, konnten funktionale Studien in den Insekten
Oncopeltus und Gryllus eine Rolle von wg in der Beinentwicklung
nicht unterstützen. In dem Käfer Tribolium castaneum konnte
zumindest eine Rolle von wg bei der Allocation der Beinscheiben
nachgewiesen werden. Ebenso wird eine Funktion des Gens dpp in der
Beinentwicklung weiterer Arthropodenarten in Frage gestellt. Die
Expression von dpp ist nicht konserviert und deutet demnach eher
auf eine nicht konservierte Rolle von dpp in der
Gliedmaßenentwicklung von Arthropoden hin. Im ersten Teil der
vorliegenden Arbeit wurde eine funktionale Analyse von wg und dpp
in der Beinentwicklung des Reismehlkäfers Tribolium castaneum
durchgeführt. Mittels zeitversetzter RNAi in Embryonen sowie der
Analyse verschiedener Expressionsdaten in RNAi-Embryonen konnte gez
eigt werden, dass die Funktion von wg in Tribolium der in
Drosophila stark ähnelt. Ebenso wie in Drosophila ist wg in
Tribolium zum einen in der frühen Phase der Beinentwicklung
notwendig für die Entstehung der Beinentstehungsorte sowie für die
distale Musterbildung, zum anderen wird wg in der späteren Phase
der Beinentwicklung für die Spezifizierung der Ventralseite des
Beines benötigt. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass neben wg
auch dpp eine Funktion in der proximalen-distalen Achsenbildung in
Tribolium hat, allerdings keine Funktion in Bezug auf die
Spezifizierung der Dorsalseite des Beines ausübt wie es in
Drosophila der Fall ist. Trotz dieser Ergebnisse in Tribolium gibt
es zunehmend Hinweise darauf, dass in anderen Arthropodengruppen
das Wg/Dpp Systems nicht so entscheidend für die Musterbildung der
proximalen-distalen Achsenbildung entlang der Beine ist wie in
Drosophila. Stattdessen hat möglicherweise der Egfr Signalweg, der
in Drosophila in der späten Beinentwicklung für die Musterbildung
der tarsalen Region entscheidend ist, eine weitreichendere Funktion
in der proximo-distalen Achsenbildung anderer Arthropdenarten. Im
zweiten Teil der vorliegenden Arbeit habe ich eine entsprechende
funktionale Studie des Egf Rezeptors, dessen Liganden spitz und des
Transkriptionsfaktors pointed in der Beinentwicklung von Tribolium
castaneum durchgeführt. Anhand dieser Analyse konnte gezeigt
werden, dass der Egfr-Signalweg eine komplexere Funktion in der
Musterbildung der Beine in Tribolium ausübt als in Drosophila. Der
Egfr Signalweg ist nicht nur involviert in die Musterbildung des
distalen Bereiches des Beines, sondern darüber hinaus auch für die
Musterbildung des medialen Beines notwendig. Die vorliegenden
Ergebnisse deuten zudem stark darauf hin, dass der Egfr Signalweg
im medialen Bereich des Beines nicht über den Transkriptionsfaktor
pointed wirkt, sondern einen anderen, bisher nicht identifizierten
Transkriptionsfaktors nutzt. Zusammenfassend konnte anhand der
vorliegenden Studie gezeigt werden, dass der Käfer Tribolium
castaneum bezüglich der Beinentwicklungsmechanismen eine
evolutionäre Übergangsposition einnimmt, in dem das Wg/Dpp System
bereits die entscheidende Rolle in der proximalen-distalen
Achsenbildung in den Beinen ausübt, allerdings der Egfr Signalweg
noch eine komplexere Rolle in der Beinentwicklung einnimmt als
später in der Fruchtfliege Drosophila melanogaster.
Schlagwörter: Tribolium castaneum; Beinentwicklung; Evolution; RNAi; Wingless; Decapentaplegic; EGFR