Comparative studies on the role of Egfr, Wingless and Decapentaplegic signalling in leg development in the red flour beetle Tribolium castaneum

Abstract

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.