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Development of synaptic layer identity in the Drosophila visual system
Abhishek Kulkarni
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Biologie)
Betreuer*in
Thomas Hummel
DOI
10.25365/thesis.37954
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30136.43935.614963-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Präzise Verschaltungen zwischen axonalen und dendritischen Projektionen im Nervensystem bilden die Grundlage für die Verarbeitung von Informationen. Die ‘Chemoaffinitäts-Hypothese’ postuliert, dass Zelltyp-spezifische Oberflächenmoleküle die axonale Zielfindung und Erkennung zwischen prä- und postsynaptischen Neuronen ermöglichen. Obwohl eine Vielzahl an Zelltyp-spezifischen Regulatoren für neuronale Verbindungen beschrieben wurden, sind die Entwicklungsschritte, in denen diese Moleküle synaptische Erkennung vermitteln, bisher unzureichend verstanden.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Untersuchungen in Drosophila zeigen, dass eine frühe Wechselwirkung zwischen den Wachstumskegeln der Axone die Verschalung von Photorezeptoren, unabhängig von neuronalen Erkennungsmolekülen, bestimmt.
Während der Entwicklung des visuellen Systems von Drosophila erreichen die Axone der Photorezeptoren R8 und R7 (R-Zellen) die Medulla-Layer M3 bzw. M6 in zwei Schritten. Einige Zelltyp-spezifische Erkennungsmoleküle sind bereits beschrieben,
die an der spezifischen Zielfindung der R8 bzw. R7-Axone beteiligt sind. Während diese Moleküle jedoch in der zweiten Phase der Zielfindung agieren, sind die Mechanismen,
die während der frühen Entwicklung der Medulla für die Zielfindung der Photorezeptoren verantwortlich sind, bisher nur unzureichend verstanden. Wir haben durch Untersuchung der initialen Schritte während der Innervation des Zielgebiets
herausgefunden, dass die Axone der R7 und R8 Neurone eine festgelegte Reihenfolge von lokaler Segregation ihrer Wachstumskegel aufweisen. Dieser Vorgang ist
abhängig von den relativen Unterschieden benachbarter Neurone in der Expression des Zink-Finger-Transkriptionsfaktors Sequoia, welcher die Wachstumsdynamik in RZellen
steuert. Durch die Kombination von Funktionsverlust- und Fehlexpressions-Studien konnten wir zeigen, dass die relativen Wachstumsaktivität benachbarter 8 Photorezeptoren die anfängliche Organisation des visuellen Schaltkreises in synaptische Schichten und Säulen steuern. Demgegenüber führt eine Angleichung der Sequoia Expression zu einer Konvergenz von benachbarten Axonen. Interessenterweise
tritt die wachstumsabhängige Segregation von Axonen nur innerhalb eines begrenzten Entwicklungsabschnittes auf, gefolgt von einem Zusammenspiel zelltypspezifischer
Erkennungsmoleküle, um das anfängliche Muster der atonalen Projektion zu festigen. Dies konnte durch die Analyse des R8-spezifischen LRR-Proteins Capricious für die Segregation von R7- und R8-Axonen veranschaulicht werden. Ein überraschender Befund dabei war, dass für ektopische R8-Axons im Verlauf der
Entwicklung des visuellen Systems die anfängliche Position der Wachstumskegel die folgenden synaptische Identität bestimmt, ohne dabei die Expression von Zelltypspezifischen
Molekülen zu beeinflussen.
Aufgrund dieser Ergebnisse postulieren wir ein Modell zur Bildung der visuellen Schaltkreise in Drosophila in dem generelle neuronale Wachstumsprozesse eine Selbstorganisation sensorischer Neurone unabhängig von ihrer zellulären Identität
kontrollieren.
Abstract
(Englisch)
Precise connections between axonal and dendritic projections are the basis of information
processing in the nervous system. The ‘Chemoaffinity Hypothesis’ proposes
cell type specific surface molecules to determine axon targeting and recognition
between pre-and-post synaptic neurons. Although multiple cell type specific regulators
of neuronal connectivity have been described, the developmental steps in which
these molecules are used to mediate synaptic recognition are poorly characterized.
Here we show that a sequence of local growth cone segregation, independent of
neuronal recognition molecules, determines synaptic layer identity of Drosophila photoreceptor
axons.
In the Drosophila visual system, R8 and R7 photoreceptor (R cells) axons target to
the medulla layers M3 and M6 in two developmental steps. 1. Initial asynchronous
temporary layer targeting and 2. Later synchronous extension to final target layers.
Several cell type specific recognition molecules involved in layer-specific R8/7 axon
targeting have been identified. However, these molecules function in the second step
of R cell axon targeting and mechanisms governing early medulla innervation by photoreceptor
axons are not well understood. By analyzing the initial steps of target field
innervation it is demonstrated that R8/R7 afferents display a defined series of local
growth cone segregations. This segregation is dependent on the dynamic expression
of Sequoia, a Zn finger transcription factor, that regulates axon growth dynamics in
projecting R cells. Combining Sequoia loss- and gain-of-function experiments we
found that relative Sequoia levels between co-projecting photoreceptors control initial
visual map pattering, with small and large differences specifying columnar and layer
identity, respectively. On the other hand, equalizing Sequoia levels leads to the coconvergence
of neighboring axons. Interestingly, growth-dependent axon segregati6
on occurs in a defined temporal window, followed by the activity of cell-type specific
recognition molecules to consolidate the initial axon patterning, illustrated by the role
of the R8 specific LRR protein Capricious in maintaining the initial axon segregation
via inetraction with the medulla target region between. Strikingly, by following ectopic
R8 axons through visual system development we could show that initial growth cone
positioning determines final synaptic layer identity independent of cell-type specific
recognition molecules.
From these data it can be proposed that Drosophila visual map formation is initially
organized by a growth-related self-pattering mechanism of R cell axons independent
of neuron-type specification.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Brain Drosophila Photoreceptor Visual System Axon Development
Schlagwörter
(Deutsch)
Gehirn Drosophila Photorezeptor Visuelles System Axon Entwicklung
Autor*innen
Abhishek Kulkarni
Haupttitel (Englisch)
Development of synaptic layer identity in the Drosophila visual system
Paralleltitel (Deutsch)
Entwicklung der Identität synaptischer Schichten im visuellen System von Drosophila
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
155 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Bassem Hassan ,
Ulrich Technau
Klassifikation
42 Biologie > 42.23 Entwicklungsbiologie
AC Nummer
AC12636905
Utheses ID
33649
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 437 |