Olfactory neurogenesis during tissue maintenance and repair

von Katarina Dittrich
Dissertation
Datum der mündl. Prüfung:2018-05-31
Erschienen:2018-06-12
Betreuer:Prof. Dr. Ivan Manzini
Gutachter:Prof. Dr. Thomas Dresbach
Gutachter:Dr. Kristine Henningfeld
Gutachter:Prof. Dr. Ralf Heinrich
Gutachter:Dr. Camin Dean
Gutachter:Prof. Dr. Michael Hörner
Zum Verlinken/Zitieren: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-6919

 

 

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Zusammenfassung

Englisch

During metamorphosis, the African clawed frog Xenopus laevis undergoes a fundamental transformation from a fully aquatic larva to a secondarily aquatic adult. This extensive habitat change requires major adaptations including alterations of the olfactory system. Larval Xenopus laevis has a subdivided olfactory organ consisting of two sensory epithelia lining the principal cavity (PC) and the vomeronasal organ (VNO). The main olfactory epithelium of the PC is specialized for sensing water-borne odors. During metamorphosis, this epithelium is remodeled into the adult “air nose”. An additional third olfactory epithelium, the adult “water nose”, forms in the newly developing middle cavity (MC). As a result of this rearrangement the postmetamorphotic adult frog has a tripartite olfactory organ consisting of MC, PC and the VNO. In the course of this thesis, I performed a stage by stage investigation of anatomical changes in the Xenopus olfactory organ and monitored apoptotic cell death and stem cell proliferation in all olfactory epithelia during metamorphosis. I observed a massive cell death in the sensory epithelium of the PC, suggesting that the majority of olfactory receptor neurons (ORNs) present in larvae is replaced during metamorphosis. The highest rate of stem cell proliferation in the PC and VNO was observed before the start of extensive apoptosis within these sensory epithelia. During the formation of the sensory epithelium lining the MC only few cells are sorted out. Supporting cells are relocated from the PC to the MC, whereas ORNs of this newly formed epithelium are developed de novo. In addition to the turnover of different cell types during metamorphosis, the olfactory epithelia of Xenopus laevis are able to recover after a substantial injury. I analyzed neuronal regeneration after mechanically or chemically induced injuries of the olfactory organ. I found that ZnSO4 irrigation of the olfactory epithelia leads to massive cell death of olfactory receptor neurons and supporting cells of the PC within one day, followed by a rapid regeneration within five days. A mechanical lesion by bilateral transection of the olfactory nerves causes a massive cell death of ORNs within the first three days after treatment, followed by low number of apoptotic cells after seven days. This thorough investigation of morphological changes also sets the basis for analysis of molecular changes using RNA-sequencing. In conclusion, the experiments conducted in the course of this thesis contribute to a deeper understanding of morphological changes of the olfactory organ during metamorphosis and regeneration. The study forms the basis to further investigate the processes of neurogenesis during olfactory tissue maintenance and under regenerative conditions.
Keywords: Neurogenesis; Olfaction; Regeneration; Metamorphosis

Deutsch

Während der Metamorphose durchläuft der Krallenfrosch Xenopus laevis eine grundlegende Transformation von einer vollständig aquatischen Larve zu einem sekundär aquatischen Frosch. Diese umfangreiche Veränderung des Lebensraums erfordert große Anpassungen, einschließlich des Geruchssystems. Die Xenopus laevis Larve hat ein unterteiltes Riechorgan, das aus zwei sensorischen Epithelien besteht, die die Haupthöhle (PC) und das Vomeronasalorgan (VNO) auskleiden. Das olfaktorische Hauptepithel von der PC ist darauf spezialisiert, wasserlösliche Geruchsstoffe zu erkennen. Während der Metamorphose wird dieses Epithel in die adulte "Luftnase" umstrukturiert, während in der neu entstehenden mittleren Höhle (MC) ein drittes sensorisches Riechepithel, funktionell als adulte "Wassernase", gebildet wird. Nach der Metamorphose hat der Frosch ein in drei Teile untergliedertes Riechorgan bestehend aus der MC, der PC und dem VNO. Ich führte eine Stadien bezogene Untersuchung der anatomischen Veränderungen im Riechorgan von Xenopus durch und analysierte den apoptotischen Zelltod und die Zellproliferation in allen olfaktorischen Epithelien während der Metamorphose. Ich beobachtete ein massives Zellsterben im sensorischen Epithel der PC, was darauf hindeutet, dass die Mehrheit der olfaktorischen Rezeptorneurone der Larve während der Metamorphose ersetzt wird. Zusätzlich wurde die höchste Proliferationsrate vor Beginn der hohen Apoptoserate innerhalb der sensorischen Epithelien von der PC und dem VNO beobachtet. Meine Ergebnisse zeigen, dass während der Bildung des dritten sensorischen Epithels, das die MC auskleidet, nur wenige Zellen aussortiert werden. Während der Bildung der MC werden Stützzellen, jedoch keine olfaktorischen Rezeptorneurone, von der PC zur MC verlagert, was darauf hindeutet, dass alle olfaktorischen Rezeptorneurone dieses neu gebildeten Epithels de novo entwickelt werden. Neben dem physiologischen Zellumsatz während der Metamorphose kann sich das olfaktorische Epithel von Xenopus laevis nach einer starken Verletzung wieder regenerieren. Ich analysierte anatomische Veränderungen nach einer mechanischen oder chemischen Verletzung des Riechorgans. Ich fand heraus, dass eine chemische Reizung der Geruchsepithelien durch eine ZnSO4-Behandlung innerhalb eines Tages zu einem massiven Zelltod von Geruchsrezeptor-Neuronen und Stützzellen der PC führt, gefolgt von einer schnellen Regeneration innerhalb von fünf Tagen. Eine mechanische Läsion, die durch eine bilaterale Durchtrennung der Riechnerven verursacht wird, führt innerhalb der ersten drei Tage nach der Behandlung zu einem massiven Zelltod. Sieben Tage nach der eingeführten Läsion konnte nur eine geringe Anzahl von apoptotischen Zellen festgestellt werden. Diese umfassende Studie von morphologischen Veränderungen bildet die Grundlage für die Analyse von molekularen Veränderungen durch eine RNA-Sequenzierung. Zusammenfassend tragen die hier durchgeführten Ergebnisse zu einem besseren Verständnis der morphologischen Veränderungen während der Metamorphose und unter regenerativen Prozessen bei. Diese Studie bildet daher die Grundlage, für das Verständnis der Neurogenese während der Aufrechterhaltung des olfaktorischen Gewebes und unter regenerativen Bedingungen.
 
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