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Wnt signaling in neural asymmetry formation in the central brain of Drosophila melanogaster
Sophie Groiß
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Verhaltens-, Neuro- und Kognitionsbiologie
Betreuer*in
Thomas Hummel
DOI
10.25365/thesis.79536
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-19030.21479.567247-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Asymmetrie ist eine fundamentale, biologische Eigenschaft, welche zu einem breiten Spektrum von strukturellen, funktionellen and verhaltensbiologischen Unterschieden in Tierreich führen. Lateralisierung reflektiert verschiedene Aspekte von Entwicklung, Evolution, Erfahrung, Pathologie und Vererbung. Es ist bekannt, dass die Gehirnhälften in Menschen unterschiedlich verschiedene Informationen verarbeiten, was zu einer Lateralisation in der Informationsverarbeitung führt. Dies führt zu einem Anstieg der Kapazität von Kognition, sowie zu mehr ”neuronalem Platz”. Im Neurodiversitätskonzept, zum Beispiel im Autismusspektrum und dem Schizophreniespektrum ist bekannt, dass diese Spektra weniger Lateralization im Gehirn als gemeinsames Merkmal auf morphologischem und auf genetischem Level haben. Es ist nicht genau bekannt wie genetische Entwicklungsprogramme zu einer Lateralisierung in neuronalen Schaltkreisen führen. Die Frage, die sich daher stellt, ist welche genetischen Entwicklungsfaktoren zur Lateralisation im Gehirnnetzwerk führen. Eine Vielzahl an Merkmals teilen sich verschiedene Spezies als Resultat der Evolution. Die Etablierung von Modellorganismen resultiert von den Ähnlichkeiten zwisschen Menschen uns anderen Organismus. Wir können diese Fragen beantworten, indem wir anhand der Ergebnisse in Modellorganismen aufzeigen, welche Moleküle für den Menschen relevant sein könnten. Eine Fülle an genetischen Werkzeugen ist in Drosophila melanogaster (D. melanogaster) verfügbar, was uns ermöglicht komplexe Fragen zu stellen und Einblicke in die molekularen Ursprünge bestimmter Moleküle und Stoffwechselwege zu gewinnen. Um die Fragen beantworten zu können, habe ich mich entschieden, Drosophila melanogaster als Modellorganismus für diese Masterarbeit zu verwenden. Wenn es um Evolution geht dann sind viele Eigenschaften zwischen den Tierspezies konserviert. Diese gemeinsamen Eigenschaften in Menschen und anderen Organismen führten zur Verwendung von Modellorganismen. Im Falle von D. melanogaster, eine Vielzahl von genetischen Werkzeugen ist verfügbar, was erlaubt komplexe Fragen zu stellen und Einblicke in die molekularen Hintergründe von bestimmten Molekülen und Wegen zu bekommen. Diese Erkenntnisse geben die Möglichkeit zu zeigen welche Moleküle in Menschen wichtig sein können um die gestellten Fragen zu beantworten. Daher ist D. melanogaster als Modellorganismus hilfreich um Fragen zu beantworten, die eng mit den Fragen in der humanen Neurobiologie verknüpft sind. Der Zentralkomplex des Gehirns von D. melanogaster wird in dieser Masterarbeit verwendet um diese Frage zu beantworten. Im Speziellen wird der asymmetrische Körper (AB) verwendet. Der AB ist ein lateralisiertes Neuropil, welches auf der rechten Seite gr̈oßer und reicher an Verbindungen ist. Es ist bekannt, dass die Fas2 Expression in SAuni Neuronen lateralisiert in der adulten Fliege ist, während diese Neuronen von einem bilateralen Grundstadium kommen. Wnt Proteine sind bekannt dafür in verschiedenden Signalwegen als segregierte Proteine zu agieren, indem sie Frizzled (Fz) binden und dabei diese Signalwege aktivieren. Im kanonischen Wnt Signalweg eine Bindung von Wnt Proteinen an den Fz Rezeptor führt zu einer Aktivierung von Genen, welche in Zelladhäsion entlang des Zytoskeletts involviert sind. Im Wnt/Planarzellpolaritätsweg (Wnt/PCP) ist die Rolle von Wnt Proteinen kontrovers diskutiert, aber die Aktivierung dieses Signalweges führt zu einer Neuordnung des Zytoskeletts, was dann zu einer speziellen Polarität von den Zellen in einer Ebene führt, zum Beispiel in den Flügeln, den Ovarien oder den Augen. Wnt4 spielt eine Rolle in der axonalen Wegfindung entlang der ventral-dorsal Achse, reguliert die Morphogenese in den Untereinheiten des Auges durch den Wnt/PCP Signalweg und hat eine Repulsionsfunktion in der axonalen Wegfindung in den Muskeln. Der erste Input über eine mögliche Funktion von Wnt4 kam von Johann Markovitsch (PhD Student im Labor von Prof. Dr. Thomas Hummel). Er fand heraus, dass ein Fruchtfliegenstamm mit der Wnt4EMS23 Mutation eine signifikante Änderung im axonalen Innervationsmuster der SAuni Neuronen im AB führen. Weitere Fliegen mit Genmutationen wurden ebenfalls getestet, wobei auch diese Teil der Wnt Signalwege sind, welche einem nicht schlüssigen Bild der axonalen Inneravationen von SAuni Neuronen im AB führten. Daher ist eine weitere Analyse erforderlich, um ein schlüssiges Bild der Beteiligung von Signalwegkomponenten an der axonalen SAuni Neuroneninnervation im AB zu erhalten. Außerdem wurde von den Mitgliedern des Hummel Labors herausgefunden, dass k̈alte Temperaturen (18 °C statt 25 °C) einen sensibilisierten Hintergrund für Bilateralität in den verschiedenen Genotypen bieten. Auf der einen Seite schaue ich mir die Rolle von Wnt4 and Wnt Signalwegkomponenten auf die axonale Wegfindung der SAuni Neuronen in den AB an. Auf der anderen Seite, möchte ich herausfinden, ob kühlere Temperaturen einen Effekt auf die Entwicklung der axonalen Wegfindung haben.
Abstract
(Englisch)
Asymmetry is a fundamental biological feature, leading to a wide range of structural functional and behavioral differences in the animal kingdom. Lateralization reflects different aspects like development, evolution, experience, pathology and hereditary. It is known that the brain hemispheres in humans process different information independently, leading to a lateralization of information processing. This leads to an increase of capacity of cognition as well as to more “neural space”. In the concept of neuronal diversity, for example in autism spectrum and schizophrenia spectrum – it is known that in those spectra less lateralization of the brain is a common feature on the morphological and the genetic level. It is not exactly known which genetic developmental programs leading to the lateralization of neural circuits. The question that therefore emerges is what genetic developmental factors lead to the lateralization of brain networks. Numerous traits are shared among a variety of species as a result of evolution. The establishment of model organisms resulted from these similarities between humans and other organisms. We can address the questions by demonstrating which molecules may be relevant to humans based on the results in model organisms. Several genetic tools are available for Drosophila melanogaster (D. melanogaster), enabling us to ask intricate questions and gain insight into the molecular origins of certain molecules and pathways. I decided to use D. melanogaster as the model organism for the studies in order to answer the questions. The central brain of D. melanogaster is used as a model to study this question. More specifically, the asymmetrical body (AB) is used. The AB is a lateralized neuropil, which is larger in size and connections on the right side. It is known, that Fas2 expression in SAuni is lateralized in the adult fly, while these neurons develop from a bilateral ground state. Wnt proteins are known to act in different signaling pathways as secreted proteins, which bind to Frizzled (Wnt receptors) to activate those pathways. In the canonical Wnt pathway a binding of Wnt proteins to the Fz receptor leads to an activation of genes, which are essential for cytoskeletal rearrangements. In the Wnt/planar cell polarity (Wnt/PCP) pathway the role of Wnt proteins is controversially discussed, but the activation of this pathway leads to cytoskeletal rearrangement – which then leads to a specific polarity of all cells in this planar, for example in the wings, the ovarian or the eyes. More specific to Wnt4 it is already known that Wnt4 plays a role in axon guidance in the visual system along the ventral-dorsal axis, regulates the morphogenesis in the Medulla columns mediated by the Wnt/PCP pathway and has a repulsion function in the axon guidance in the muscles. The first input about Wnt4 as a candidate gene, came from Johann Markovitsch (PhD student at the Hummel lab). He found that flies with the Wnt4EMS23 mutation show a significant change on the axonal innervation pattern of SAuni neurons in the AB. Other flies with gene mutations were tested in the Hummel lab, which are part of the Wnt signaling pathways - including the canonical Wnt pathway and the Wnt/PCP pathway - which showed an inconclusive picture of the bilateral axonal innervation of the SAuni neurons in the AB. Therefore a further analysis is needed to finalize a conclusive picture of the involvement of pathway components to the SAuni axonal innervation in the AB. Additionally, it was discovered by the members in the Hummel lab, that colder temperatures (18 °C instead of 25 °C) provide a sensitized background for bilaterality in the different genotypes. On the one hand, I assess the role of Wnt4 and Wnt signaling pathway components on the axonal innervation of the SAuni neurons in the AB. On the other hand, I want to find out if colder temperature has an effect on this axonal innervation.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Gehirnassymmetrie Gehirn Assymmetrie Neuronen Wnt4 D. melanogaster Drosophila melanogaster Signalweg Neuron AB
Schlagwörter
(Englisch)
brain asymmetry neuron neurons Wnt4 D. melanogaster Drosophila melanogaster Signalweg AB asymmetrical body
Autor*innen
Sophie Groiß
Haupttitel (Englisch)
Wnt signaling in neural asymmetry formation in the central brain of Drosophila melanogaster
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
33 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Thomas Hummel
Klassifikationen
42 Biologie > 42.20 Genetik ,
42 Biologie > 42.23 Entwicklungsbiologie
AC Nummer
AC17690590
Utheses ID
76280
Studienkennzahl
UA | 066 | 878 | |