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Target tissues of melatonin and PDF in Platynereis
Stefan Hammer
Art der Arbeit
Diplomarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Florian Raible
DOI
10.25365/thesis.20226
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29435.82269.996753-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Platynereis dumerilii (Annelida) ist zu einem erfolgreichen Modellorganismus geworden, der vor allem in Evolutionsforschung, vergleichender Genomik und Neurobiologie Verwendung findet (D. Arendt et al. 2004; Raible et al. 2005; Jekely et al. 2008). Die synchrone Massenbefruchtung, die zum Erfolg der externen Befruchtung führt, ist eine weitere Besonderheit von Platynereis und zahlreichen anderen marinen Invertebraten (Fox 1924; Korringa 1947). Dieses Phänomen wird durch eine endogene lunare Uhr gesteuert, wobei die Synchronität des Zyklus nur durch einen nächtlichen Lichtstimulus bewahrt wird (Hauenschild 1960). Zusätzlich verfügt Platynereis auch über eine circadiane Uhr, um einen geregelten Tag-Nacht-Rhythmus aufrecht zu erhalten (D. Arendt et al. 2004).
Ein weiterer Grund für die Erforschung von Lophotrochozoa und im Besonderen von Platynereis sind ihre Genstruktur, ihre Entwicklung und ihre Anatomie, die urzeitliche und evolutionär ursprüngliche Charakteristika aufweisen. Sie sind weniger stark evolviert als andere häufig verwendete Modellsysteme und daher wichtig für unser Verständnis der tierischen Evolution (Tessmar-Raible and Arendt 2003). Diese ursprünglichen Charakteristika betreffen auch die Komponenten des Hormonsystems, zum Beispiel Steroid-Rezeptoren (Eick and Thornton 2011).
Kürzlich identifizierten wir mehrere wichtige Komponenten der zuvor genannten Systeme der inneren Uhren, unter anderem Melatonin und den pigment dispersing factor, PDF (unpublished data). Auch diese zwei Hormone weisen ursprüngliche Charakteristika auf und anhand anderer Spezies ist erwiesen, dass sie durch Licht reguliert werden, entweder direkt oder indirekt durch eine endogene Uhr. Melatonin wurde in fast allen Organismen vorgefunden, kann jedoch am besten anhand von Vertebraten studiert werden. Hier stellt es den bedeutendsten Output-Faktor der circadianen Uhr dar (Bell-Pedersen et al. 2005; Hardeland and Poeggeler 2003). PDF wurde zuerst in Krustazeen vorgefunden und daraufhin im Detail in Drosophila melanogaster erforscht, wo es vielfältige Rollen für die circadiane Uhr spielt (Helfrich-Förster 2009).
Da ein detailliertes Verständnis der Eigenschaften von Hormonrezeptoren bereits in der Vergangenheit dazu beigetragen hat, die Funktionen des bindenden Hormons ans Licht zu bringen (Lincoln et al. 2006), war es das Ziel dieser Studie, die Zielrezeptoren der vorhin genannten Hormone zu identifizieren und zu erforschen. Nachdem ich eindeutige orthologe Sequenzen der Melatonin- und PDF-Rezeptoren in Platynereis identifiziert hatte, konnte ich sie erfolgreich klonieren. Anhand von durch In Situ Hybridisation erlangten Daten embryonaler Entwicklungsstadien konnte ich eruieren, dass der Melatoninrezeptor konstant im Nervengewebe, vorrangig in bestimmten Hirnregionen, exprimiert wird. Durch einen Vergleich dieser Färbungsmuster mit jenen von Aanat und Hiomt gelangte ich zu der Vermutung, dass Melatonin im Gebiet posterior zum Neuropil produziert wird und dann durch Neuronen in die Melatonin wahrnehmenden Zellen anterior zum Neuropil transportiert wird. Ich konnte außerdem mit einem Cell Impedance Assay zeigen, dass dieser Rezeptor fähig ist, Melatonin zu binden.
Die PDF Rezeptor-Sequenz zeigt große Ähnlichkeit mit orthologen Genen, und ihre Expression findet konstant und ausschließlich im Nervengewebe statt. Dies schließt bei sehr jungen Entwicklungsstadien Zellen in der ventralen Nervenplatte, sowie allgemein dorsale und dorsolaterale Regionen im Kopf ein. Dieses Expressionsmuster im Kopf ist zu einem gewissen Grad konsistent mit Beobachtungen, die an Drosophilae gemacht wurden (Lear et al. 2005). Aufgrund der Tatsache, dass ich nicht in der Lage war, die volle Länge des Rezeptors zu klonieren, fehlt die notwendige Verifikation für die Bindung dieses Rezeptor-Kandidaten an sein Bindungsprotein PDF.
Mit Immunohistochemie und Whole Mount in Situ Hybridisation analysierte ich die örtlichen und zeitlichen Muster der RNA- und Proteinexpression von PDF in Larven und adulten Würmern. Durch diese Daten war es möglich, eine erste Einsichten in die zeitliche und räumliche Lokalisation von PDF und seines Rezeptors zu erlangen.
Eine Media-CD mit Videos, Bildern und Sequencen ist beigelegt.
Abstract
(Englisch)
Platynereis dumerilii (Annelida) has become a successful model organism mainly used in evolutionary research, comparative genomics and neurobiology (D. Arendt et al. 2004; Raible et al. 2005; Jekely et al. 2008). The marine ragworm, like various other invertebrate marine species, ensures the success of external fertilisation through synchronous mass spawning (Fox 1924; Korringa 1947). This phenomenon is driven by an endogenous circalunar clock, where the synchrony of the cycle is entrained only by a nocturnal light stimulus (Hauenschild 1960). Additionally Platynereis also comprises a circadian clock to maintain a proper day-night activity rhythm (D. Arendt et al. 2004).
Another reason for studying lophotrochozoan species and in particular Platynereis are their ancestral-type characteristics in gene structure, development and anatomy. They are less derived than other frequently used model systems and are therefore important for our understanding of animal evolution (Tessmar-Raible and Arendt 2003). These ancestral-type features also extend to components of the hormone-system, for example to steroid receptors (Eick and Thornton 2011).
Recently we identified several important key players of the aforementioned clock systems, among which are melatonin and the pigment dispersing factor, PDF (unpublished data). These two hormones also exhibit ancestral-type features and from other species it is known that they are regulated by light, either directly or indirectly through a clock. Melatonin was found in almost all organisms but is best studied in vertebrates. There it represents the major output factor of the circadian clock (Bell-Pedersen et al. 2005; Hardeland and Poeggeler 2003). PDF was first identified in crustaceans and was then investigated in detail in Drosophila melanogaster where it is discussed to play multiple roles in the circadian clock (Helfrich-Förster 2009).
The aim of this study was to identify and investigate the target receptors of these hormones, as a detailed understanding about the properties of hormone-receptors already helped to reveal the function of the binding hormone in the past (Lincoln et al. 2006). After identifying clear ortholog sequences of the melatonin and PDF receptor in Platynereis, I successfully cloned them. With in situ hybridisation data from embryonal stages I revealed that the Melatonin Receptor is constantly expressed in nervous tissues, predominantly in distinct areas of the brain. Comparing these staining patterns with those of Aanat and Hiomt led me to assume that melatonin is produced in the area posterior of the neuropil and then transported through neurons into the sensing cells anterior of the neuropil. I was also able to demonstrate a proper binding of melatonin to this receptor using the Cell Impedance Assay.
The PDF receptor sequence shows high similarities with ortholog genes and its expression is constant and exclusively found in nervous tissue. This includes cells in the ventral nerve plate for very young stages and dorsal and dorsolateral regions in the head. This expression pattern in the head is to a certain degree consistent with observations in Drosophila (Lear et al. 2005). Due to the fact that I was not able to clone the full length of the receptor, the obligatory verification of this receptor candidate binding its ligand, PDF, is still missing.
Using Immunohistochemistry and Whole Mount in Situ Hybridisation, I analysed the local and temporal patterns of the RNA and protein expression of PDF in larvae and adult worms. With this data it was possible to gain first insights into the temporal and spatial location of PDF and its receptor.
A Media-CD with videos, images and sequences is attached.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Platynereis dumerilii Marine ragworm Lophotrochozoa Annelids Hormones Melatonin Aanat Hiomt Pigment Dispersing Factor Receptor Target tissues Endogenous Clock Circadian Rhythm Circalunar Rhythm Ancestral-type Features Evolution Molecular Biology
Schlagwörter
(Deutsch)
Platynereis dumerilii Mariner Ringelwurm Lophotrochozoa Annelida Hormone Melatonin Aanat Hiomt Pigment Dispersing Factor (PDF) Rezeptor Zielgewebe Endogene innere Uhr Circadianer Rhythmus Circalunarer Rhythmus evolutionär ursprüngliche Charakteristika Evolution Moleculare Biologie
Autor*innen
Stefan Hammer
Haupttitel (Englisch)
Target tissues of melatonin and PDF in Platynereis
Paralleltitel (Deutsch)
Zielgewebe von Melatonin und PDF in Platynereis
Paralleltitel (Englisch)
Target tissues of melatonin and PDF in Platynereis
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
97 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Florian Raible
AC Nummer
AC10863946
Utheses ID
18085
Studienkennzahl
UA | 441 | | |