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Proliferation control in the central nervous system of Drosophila melanogaster

Constance Richter

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Zentrum für Molekulare Biologie

Betreuer*in

Jürgen Knoblich

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29466.01907.807854-6

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Nach einer Verletzung oder für die Erhaltung von Geweben benutzen adulte Organismen oft Mechanismen wie Zellteilung und Differenzierung, die auch während der embryonalen Entwicklung genutzt werden. Wenn die Kontrolle solcher Mechanismen zum Beispiel durch Mutationen gestört wird kann es zu abnormaler Zellteilung und Tumorbildung kommen. Die Entwicklung des Nervensystems der Fruchtfliege Drosophila melanogaster ist ein exzellentes Modellsystem um die Mechanismen, die während der Entwicklung ablaufen zu verstehen. Neuronale Stammzellen, die Neuroblasten genannt werden, teilen sich asymmetrisch und stellen damit die vielen tausend Neurone des erwachsenen Fliegengehirns her. Während einer asymmetrischen Zellteilung verteilen Neuroblasten bestimmte spezialisierte Proteine an die gegenüberliegenden Pole der Zellmembran. Nach der Zytokinese unterscheiden sich die zwei Tochterzellen in ihrer Proteinzusammensetzung und Zellgröße. Die große Tochterzelle bleibt Stammzelle und wächst und teilt sich weiter. Die kleinere Tochterzelle, die Ganglion Mutter Zelle genannt wird, teilt sich ein weiteres Mal in zwei differenzierte Neurone. Das Larvengehirn hat eine große Anzahl an sich teilenden Zellen und Probleme bei der Kontrolle von asymmetrischer Proteinverteilung, Differenzierung und Teilungsrate können zur Tumorbildung führen. Versteht man nun die Prozesse, die während der Entwicklung von Neuroblasten in der Taufliege Drosophila melanogaster ablaufen, kann das zur Aufklärung von Tumorentstehung beitragen. Das Ziel meiner Dissertation war es neue Faktoren zu finden, die Teilungsrate und asymmetrische Zellteilung im zentralen Nervensystem der Taufliegen beeinflussen. Zu diesem Zweck wurde ein genom-weiter RNAi Screen im larvalen Hirn durchgeführt. Es wurden 620 Gene gefunden, die an der Regulierung von Neuroblasten beteiligt sind. Von diesen sind 18 Gene notwendig um die korrekte Teilung der Neuroblasten sicher zustellen und ihr Verlust führt zu einer abnormalen vermehrten Teilung der Neuroblasten. Neben den bekannten Prozessen, die in asymmetrischer Zellteilung involviert sind, hat die bioinformatische Analyse Spleißen und transkriptionelle Elongation als weitere Schlüsselprozesse in der Entwicklung von Neuroblasten identifiziert. Der Screen liefert damit die Basis für weitere Studien. In einem zweiten Projekt wurde parallel der epigenetische Regulator lethal (3) malignant brain tumor (l(3)mbt) untersucht. Der Verlust von l(3)mbt führt zu tumorartigem Überwachsen des Larvengehirns. Die Analyse des Phänotyps führte zu der Schlußfolgerung, daß L(3)mbt die Teilung von Neuroepithelien in den optischen Anlagen des Larvengehirns reguliert. L(3)mbt stellt dabei sicher, dass die Zielgene des Salvador-Warts-Hippo Signalweges und Komponenten des JAK/STAT Signalweges korrekt exprimiert werden. Zudem wurden die genomweiten Bindungsstellen von L(3)mbt mittels Chromatinimmunopräzipitation und anschließender Sequenzierung bestimmt. Diese Analyse ergab, daß L(3)mbt an Insulator Elemente bindet und legt nahe, daß L(3)mbt ein Insulator Protein ist. Der Screen hat damit Prozesse identifiziert die parallel oder „downstream“ von asymmetrischer Zellteilung die Teilung und Differenzierung von neuronalen Stammzellen regulieren. Somit wurden wichtige Einstiegspunkte für weitere Untersuchungen zur Entwicklung des Nervensystems geschaffen. Im Zuge des L(3)mbt Projektes wurde die Rolle des Salvador-Warts-Hippo Signalweges während der Entwicklung des Neuroepithels charakterisiert. Es wurde gezeigt, daß die Deregulierung von Entwicklungsprozessen in Neuroepithelien zur Bildung von Hirntumoren führen kann. Außerdem konnte L(3)mbt, welches in Vertebraten konserviert ist, eine Funktion als Insulator Protein zugewiesen werden.

Abstract

(Englisch)

After an injury or for tissue homeostasis organisms often need to reactivate developmental programs involving proliferation and differentiation to restore damaged cells. However, inappropriate activation or defects in the control of these processes can cause abnormal proliferation and tumor formation. The development of the nervous system of the fruit fly Drosophila melanogaster provides an excellent model system to study the underlying molecular mechanisms of such developmental processes. Neural stem cells, called neuroblasts divide asymmetrically in order to generate several thousand neurons that will eventually form the adult brain. During division neuroblasts distribute a set of specialized proteins to opposite domains of the cell membrane. Subsequently the mitotic spindle aligns with the cortical axis of polarity so that after cytokinesis the two new daughter cells differ in their protein composition and size. While the larger daughter cell continues life as a stem cell including re-growth and proliferation the smaller daughter cell divides only once more into two neurons. The larval brain is a highly proliferative tissue and defects in the control of asymmetric cell division, cell fate and proliferation can induce tumorous overgrowth. Therefore the identification of factors regulating Drosophila neuroblast development can contribute to explaining tumor formation. The aim of my thesis work was to identify and study factors involved in proliferation control and asymmetric cell division in the central nervous system of Drosophila melanogaster. We performed a genome wide RNAi screen to systematically knock down genes in the neuroblasts of the larval fly brain. We identified 620 genes that participate in neuroblast regulation. Of these 18 are necessary to maintain normal proliferation and their loss leads to neuroblast overproliferation. Besides known processes involved in asymmetric cell division and mitosis like spindle orientation and the APC/C a bioinformatics analysis identified chromatin remodeling, splicing and transcriptional elongation as key processes regulating neuroblast biology. In a parallel project I studied the epigenetic repressor lethal (3) malignant brain tumor (l(3)mbt). Loss of l(3)mbt leads to tumorous over-growth of the larval brain. Phenotypic and molecular analysis lead to the conclusion that L(3)mbt controls proliferation of the neuroepithelium of the optic anlagen by ensuring correct expression of target genes of the Salvador-Warts-Hippo pathway and by controlling JAK/STAT signaling levels. Furthermore analyses of the genome wide binding sites of L(3)mbt by chromatin immunoprecipitation showed that L(3)mbt binds to insulator elements which indicates a possible function for L(3)mbt as an insulator protein. Taken together the screen identified parallel or downstream processes of asymmetric cell division that regulate proliferation and differentiation of neural stem cells and therefore identified important entry points for further studies of neural development. The work on L(3)mbt characterized the role of Salvador-Warts-Hippo signaling during neuroepithelial development and how deregulation of developmental pathways in a neuroepithelium initiate formation of brain tumors. Furthermore this work also identified L(3)mbt as a novel insulator protein that is conserved in vertebrates.

Autor*innen

Constance Richter

Haupttitel (Englisch)

Proliferation control in the central nervous system of Drosophila melanogaster

Paralleltitel (Deutsch)

Untersuchung der Zellteilungskontrolle im Zentralnervensystem von Drosophila melanogaster

Paralleltitel (Englisch)

Proliferation control in the central nervous system of Drosophila melanogaster

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

186 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Jürgen Knoblich ,

Ernst Hafen

Klassifikationen

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,

42 Biologie > 42.15 Zellbiologie ,

42 Biologie > 42.23 Entwicklungsbiologie

AC Nummer

AC08797400

Utheses ID

12000

Studienkennzahl

UA | 091 | 490 | |

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