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Establishment of neural left/right asymmetry by transcriptional priming in early embryonic lineages of Caenorhabditis elegans

Julien Charest

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Zentrum für Molekulare Biologie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Molekulare Biologie)

Betreuer*in

Luisa Cochella

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DOI

10.25365/thesis.65326

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-12573.64957.668163-7

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Während bilaterale Tiere im Allgemeinen eine insgesamt symmetrische Morphologie aufweisen, zeigen ihre Nervensysteme auffällige laterale Asymmetrien bezüglich der Art und Weise, wie sie Informationen wahrnehmen und verarbeiten. Ein Symmetriebruch im Nervensystem kann sich durch das Vorhandensein einer definierten Struktur auf nur einer Seite des Tieres manifestieren, oder diskreter, in den verschiedenen Positionen oder Größen von ansonsten bilateral symmetrischen Strukturen und auf der Ebene der Genexpression. Diese Asymmetrien verleihen einen wichtigen Überlebensvorteil, insbesondere durch die Spezialisierung symmetrischer Strukturen für unterschiedliche, aber komplementäre Funktionen auf der linken und rechten Seite des Gehirns und durch die Möglichkeit der parallelen Informationsverarbeitung, wodurch die neuronale Kapazität eines Tieres erhöht wird. Die genauen molekularen Mechanismen, die für die Etablierung neuronaler Asymmetrien verantwortlich sind, sind jedoch nach wie vor kaum erforscht. Der Nematode Caenorhabditis elegans ist bis heute der einzige Organismus, bei dem eine gut charakterisierte funktionelle Asymmetrie mit einer asymmetrischen Genexpression innerhalb eines Neuronenpaares in Verbindung gebracht wurde. Die microRNA lsy-6 wird ausschließlich im linken Teil eines morphologisch symmetrischen sensorischen Neuronenpaares, den ASEs, transkribiert, und ihre Expression definiert die Annahme eines alternativen Zellschicksals, das für die Chemotaxis-Reaktion des Wurms wesentlich ist. In dieser Arbeit beschreibe ich den Mechanismus, durch den zwei verschiedene, sich nicht überlappende transkriptionelle Inputs im Laufe der Zeit auf dem lsy-6 Locus integriert werden, um seine asymmetrische Expression in ASEs zu induzieren: Das lineage-spezifische Priming von lsy-6 durch die transient exprimierten TBX-37/38 Transkriptionsfaktoren erzeugt in der Linie, die zum linken ASE führt, eine einzigartige Schnittmenge mit dem symmetrischen ASE-Terminalselektor CHE-1. CHE-1 wirkt auf lsy-6 vier Zellteilungen später, ist aber nur in der Lage, seine Transkription in Zellen zu aktivieren, in denen das Priming stattgefunden hat. Eine frühe Transkriptionsaktivierung durch TBX-37/38 ist notwendig und ausreichend für die Annahme eines kompetenten Zustandes, der in Abwesenheit von TBX-37/38 durch breit exprimierte trans-wirkende Faktoren aufrechterhalten wird. Darüber hinaus liefere ich den ersten Beweis dafür, dass eine solche kombinatorische Wirkung zeitlich getrennter Transkriptionsfaktoren einen allgemeinen Mechanismus zur Erzeugung neuronaler Asymmetrien darstellt und das Potenzial hat, die zelluläre Diversität im Nervensystem des Wurms zu erhöhen.

Abstract

(Englisch)

While bilaterian animals generally present an overall symmetric morphology, their nervous systems display striking lateral asymmetries in the way they sense and process information. Symmetry breaking in the nervous system can manifest itself by the presence of a defined structure on one side of the animal only, or more discretely, in the different positions or sizes of otherwise bilaterally symmetric structures and at the level of gene expression. These asymmetries confer an important survival advantage, notably by specializing symmetric structures for distinct, but complementary functions on the left and right side of the brain and allowing for parallel processing of information, thus increasing the neural capacity of an animal. However, the precise molecular mechanisms responsible for the establishment of neuronal asymmetries remain still poorly understood. The nematode Caenorhabditis elegans is to date the only organism in which a well-characterized functional asymmetry has been linked to asymmetric gene expression within a neuron pair. The microRNA lsy-6 is exclusively transcribed in the left member of a morphologically symmetric sensory neuron pair, the ASEs, and its expression defines the adoption of an alternative fate essential for the worm’s chemotaxis response. In this work, I describe the mechanism by which two distinct, non-overlapping transcriptional inputs are integrated over time on the lsy-6 locus to induce its asymmetric expression in ASEs: lineage-specific priming of lsy-6 by the transiently expressed TBX-37/38 transcription factors, in the lineage that gives rise to the left ASE, generates a unique intersection with the symmetric ASE terminal selector CHE-1. CHE-1 acts on lsy-6 four cell divisions later, but is only able to activate its transcription in cells in which priming occurred. Early transcriptional activation by TBX-37/38 is necessary and sufficient to the adoption of a competent state, maintained in absence of TBX-37/38 by broadly expressed trans-acting factors. Furthermore, I provide the first evidence that such combinatorial action of temporally segregated transcription factors represents a general mechanism used to generate neuronal asymmetries and has the potential to increase cellular diversity in the worm’s nervous system.

Autor*innen

Julien Charest

Haupttitel (Englisch)

Establishment of neural left/right asymmetry by transcriptional priming in early embryonic lineages of Caenorhabditis elegans

Paralleltitel (Deutsch)

Etablierung einer neuralen Links/Rechts-Asymmetrie durch Transkriptions-Priming in frühen embryonalen Linien von Caenorhabditis elegans

Publikationsjahr

2020

Umfangsangabe

x, 208 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Manuel Zimmer ,

Nuria Flames Bonilla

Klassifikationen

42 Biologie > 42.00 Biologie: Allgemeines ,

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,

42 Biologie > 42.20 Genetik ,

42 Biologie > 42.23 Entwicklungsbiologie

AC Nummer

AC16132026

Utheses ID

57866

Studienkennzahl

UA | 794 | 685 | 490 |

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Schlagwörter