Mechanismen regionaler Diversifizierung von Zellstammbäumen im Zentralen Nervensystem von Drosophila melanogaster
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Aufklärung der Mechanismen, die der Entstehung, Spezifizierung und charakteristischen räumlichen Verteilung der vielfältigen Zelltypen im Zentralen Nervensystem (ZNS) zu Grunde liegen, ist ein zentrales Anliegen der Neuro-Entwicklungsbiologie. Ein wichtiger Aspekt der Musterbildung im ZNS ist die strukturelle Diversifizierung segmentaler Einheiten (Neuromere) entsprechend ihrer funktionellen Erfordernisse. Das Modellsystem Drosophila ist geeignet, die genetische Kontrolle solcher Prozesse auf der Ebene individuell identifizierter Zellen zu analysieren. Unsere Untersuchungen belegen eine zentrale Rolle von Kontrollfaktoren der Segment- Identitäten, des Zellteilungsmusters sowie des Programmierten Zelltods bei der regionalen Diversifizierung identifizierter neuraler Zellstammbäume. So konnte erstmals gezeigt werden, dass Hox-Proteine in segment-spezifischer Weise die Zusammensetzung bestimmter Zellstammbäume kontrollieren, indem sie die Teilungssymmetrie und den Stammzell-Charakter von Neuroblasten (neuralen Stammzellen) beeinflussen. Dabei findet eine direkte Interaktion mit CyclinE statt, das seinerseits (unabhängig von dessen bekannter Funktion bei der Kontrolle des Zellzyklus) die Lokalisation des Transkriptionsfaktors Prospero in der Zelle kontrolliert. Ein Schwerpunkt der Analyse richtete sich auf abgeleitete Regionen des ZNS (gnathale und hintere abdominale Segmente), um zu ergründen, welche Spezialisierungen (Abweichungen vom Grundzustand) das ZNS in diesen Körperregionen auszeichnet und wie diese entstehen. Für diese Regionen wurden vollständige Karten der Neuroblasten erstellt, denen, neben dem räumlich-zeitlichen Muster ihrer Entstehung, spezifische Kombinationen der Genexpression und somit individuelle Identitäten (und Zellstammbäume) sowie serielle (segmentale) Homologien zugeschrieben werden konnten. Es konnte nachgewiesen werden, dass Hox-Gene die abgeleitete Morphologie der hinteren abdominalen Segmente (A8-A10) auf verschiedenen Ebenen kontrollieren: sie vermitteln die segmentale Identität der Neuroblasten, inhibieren die Bildung eines bestimmten Satzes der Stammzellen und lösen programmierten Zelltod spezifischer Tochterzellen aus. Ferner wird die geschlechts-spezifische An- bzw. Abwesenheit definierter Zellstammbäume durch das Geschlechts-Determinationsgen doublesex über die Induktion von Zelltod kontrolliert. In einem weiteren Teilprojekt konnten Prinzipien der Bildung und strukturellen Organisation einer segmentalen Einheit (Neuromer) des ZNS über die Identifizierung und detaillierte Beschreibung sämtlicher Interneurone aufgedeckt und eine interaktive Datenbank zur weiteren Analyse zur Verfügung gestellt werden. Schließlich wurde ein experimenteller Ansatz entwickelt, mit dem wir die Verknüpfung aller embryonalen und postembryonalen Zellstammbäume des Bauchmarks mit ihren individuellen Stammzellen herstellen konnten. Mit diesem Ansatz war es somit möglich, die vollständige Entwicklungspotenz jeder einzelnen Stammzelle und ihre segment-spezifischen Abwandlungen aufzudecken.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2006). Generation of cell diversity and segmental pattern in the embryonic central nervous system of Drosophila. Dev Dyn. 235(4), 861-869
Technau GM, Berger C and Urbach R
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(2007). The commonly used marker ELAV is transiently expressed in neuroblasts and glial cells in the Drosophila embryonic CNS. Dev. Dyn. 236: 3562-3568
Berger C, Renner S, Lüer K and Technau GM
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(2010). Abdominal-A mediated repression of Cyclin E expression during cell-fate specification in the Drosophila central nervous system. Mech Dev 127, 137-145
Kannan R, Berger C, Myneni S, Technau GM and Shashidhara LS
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(2010). Cell cycle independent role of Cyclin E during neural cell fate specification in Drosophila is mediated by its regulation of Prospero function. Dev Biol 337, 415-424
Berger C, Kannan R, Myneni S, Renner S, Shashidhara LS and Technau GM
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(2010). Spatio‐temporal pattern of cells expressing the clock genes period and timeless and the lineages of period expressing neurons in the embryonic CNS of Drosophila melanogaster. Gene Expression Patterns 10, 274-282
Ruiz S, Rickert C, Berger C, Technau G and Cantera R
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(2011). Morphological characterization of the entire interneuron population reveals principles of neuromere organisation in the ventral nerve cord of Drosophila. J Neurosci. 31, 15870-15883
Rickert C, Kunz T, Harris K-L, Whitington PM and Technau GM
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(2013). Abdominal-B and caudal inhibit the formation of specific neuroblasts in the Drosophila tail region. Development 140, 3552-3564
Birkholz O, Vef O, Rogulja-Ortmann A, Berger C and Technau GM
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(2013). Labeling of Single Cells in the Central Nervous System of Drosophila melanogaster. J. Vis. Exp. (73), e50150
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(2013). Neuroblast pattern and identity in the Drosophila tail region and role of doublesex in the survival of sex-specific precursors. Development 140, 1830-1842
Birkholz O, Rickert C, Berger C, Urbach R and Technau GM
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(2014). Composition of a neuromere and its segmental diversification under the control of Hox genes in the embryonic CNS of Drosophila. J. Neurogenetics 28, 171-180
Technau GM, Rogulja-Ortmann A, Berger C, Birkholz O and Rickert C
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Bridging the gap between postembryonic cell lineages and identified embryonic neuroblasts in the ventral nerve cord of Drosophila melanogaster. Biology Open 4, 420-434
Birkholz O, Rickert C, Nowak J, Coban IC and Technau
