Genetische Mechanismen der dorsoventralen Musterbildung im embryonalen Gehirn von Drosophila

In Vertebraten und Insekten ist während der frühen Entwicklung des zentralen Nervensystems (ZNS), welches sich aus dem Gehirn und dem ventralen Nervensystem (VNS) zusammensetzt, die Unterteilung des Neuroektoderms (NE) in diskrete Genexpressions-Domänen entscheidend für die korrekte Spezifizierung neuraler Stammzellen. In Drosophila wird die Identität dieser Stammzellen (Neuroblasten, NB) festgelegt durch die positionellen Informationen, welche von den Produkten früher Musterbildungsgene bereitgestellt werden und das Neuroektoderm in anteroposteriorer (AP) und dorsoventraler (DV) Achse unterteilen. Die molekulargenetischen Mechanismen, welche der DV-Regionalisierung zugrunde liegen, wurden ausführlich im embryonalen VNS untersucht, sind für das Gehirn jedoch weitestgehend unverstanden. rnIm Rahmen dieser Arbeit wurden neue Erkenntnisse bezüglich der genetischen Mechanismen gewonnen, welche die frühembryonale Anlage des Gehirns in DV-Achse unterteilen. So konnte gezeigt werden, dass das cephale Lückengen empty spiracles (ems), das Segmentpolaritätsgen engrailed (en), sowie der „Epidermal growth factor receptor“ (EGFR) und das Gen Nk6 homeobox (Nkx6) für Faktoren codieren, die als zentrale Regulatoren die DV Musterbildung in der Gehirnanlage kontrollieren. Diese Faktoren interagieren zusammen mit den ebenso evolutionär konservierten Homöobox-Genen ventral nervous system defective (vnd), intermediate neuroblasts defective (ind) und muscle segment homeobox (msh) in einem komplexen, regulatorischen DV-Netzwerk. Die im Trito (TC)- und Deutocerebrum (DC) entschlüsselten genetischen Interaktionen basieren überwiegend auf wechselseitiger Repression. Dementsprechend sorgen 1) Vnd und Ems durch gegenseitige Repression für eine frühe DV-Unterteilung des NE, und 2) wechselseitige Repression zwischen Nkx6 und Msh, als auch zwischen Ind und Msh für die Aufrechterhaltung der Grenze zwischen intermediärem und dorsalem NE. 3) Sowohl Ind als auch Msh sind in der Lage, die Expression von vnd zu inhibieren. Ferner konnte gezeigt werden, dass Vnd durch Repression von Msh als positiver Regulator von Nkx6 fungiert. Überdies beeinflusst Vnd die Expression von ind in segment-spezifischer Art und Weise: Vnd reprimiert ind-Expression im TC, sorgt jedoch für eine positive Regulation von ind im DC durch Repression von Msh. Auch der EGFR-Signalweg ist an der frühen DV-Regionalisierung des Gehirns beteiligt, indem er durch positive Regulation der msh-Repressoren Vnd, Ind und Nkx6 dazu beiträgt, dass die Expression von msh auf dorsales NE beschränkt bleibt. Ferner stellte sich heraus, dass das AP-Musterbildungsgen ems die Expression der DV-Gene kontrolliert und umgekehrt: Ems ist für die Aktivierung von Nkx6, ind und msh in TC und DC erforderlich ist, während Nkx6 und Ind zu einem späteren Zeitpunkt benötigt werden, um ems im intermediären DC gemeinsam zu reprimieren. Überdies konnte gezeigt werden, dass das Segmentpolaritätsgen en Aspekte der Expression von vnd, ind und msh in segment-spezifischer Art und Weise reguliert. En reprimiert ind und msh, hält jedoch vnd-Expression im DC aufrecht; im TC wird En benötigt, um die Expression von Msh herunter zu regulieren und somit die Aktivierung von ind dort zu ermöglichen.rnrnZusammengenommen zeigen diese Ergebnisse, dass AP Musterbildungsfaktoren in umfangreichen Maß die Expression der DV Gene im Gehirn (und VNS) kontrollieren. Ferner deuten diese Daten darauf hin, dass sich das „Konzept der ventralen Dominanz“, welches für die DV-Musterbildung im VNS postuliert wurde, nicht auf das genregulatorische Netzwerk im Gehirn übertragen lässt, da Interaktionen zwischen den beteiligten Faktoren hauptsächlich auf wechselseitiger (und nicht einseitiger) Repression basieren. Zudem scheint das Konzept der ventralen Dominanz auch für das VNS nicht uneingeschränkt zu gelten, da in dieser Arbeit u.a. gezeigt werden konnte, dass dorsal exprimiertes Msh in der Lage ist, intermediäres ind zu reprimieren. Interessanterweise ist gegenseitige Repression von Homöodomänen-Proteinen im sich entwickelnden Neuralrohr von Vertebraten weit verbreitet und darüberhinaus essenziell für den Aufbau diskreter DV-Vorläuferdomänen, und weist insofern eine große Ähnlichkeit zu den in dieser Arbeit beschriebenen DV-Musterbildungsvorgängen im frühembryonalen Fliegengehirn auf.rnThe development of the central nervous system (CNS) in vertebrates and invertebrates critically depends on the precise spatial patterning of the neuroectoderm (NE) into discrete gene expression domains as a prerequisite for the proper specification of neural stem cells. In Drosophila, the identity of neural stem cells (neuroblasts, NBs) is determined by positional cues in the NE, which are provided by the products of early patterning genes along the anteroposterior (AP) and dorsoventral (DV) axes. The underlying molecular mechanisms have been extensively studied in the embryonic ventral nerve cord (VNC) but are less well understood in the developing brain.rnThis work provides new insights into the genetic mechanisms, which subdivide the NE of the early embryonic brain along the DV axis. It could be shown that the cephalic gap gene empty spiracles (ems), the segment polarity gene engrailed (en), as well as the Epidermal growth factor receptor (EGFR) and Nk6 Homeobox (Nkx6) encode factors, which are central regulators in DV patterning of the early brain. These factors interact with the likewise evolutionary conserved homeobox genes ventral nervous system defective (vnd), intermediate neuroblasts defective (ind) and muscle segment homeobox (msh) in a complex genetic regulatory network. The genetic interactions uncovered in the trito (TC)- and deutocerebrum (DC) are predominantly cross-repressive interactions. Accordingly, 1) Cross-repression between Vnd and Ems subdivides the early NE into discrete DV domains and 2) cross-repressive interaction between Msh and Nkx6 as well as between Msh and Ind stabilize the intermediate dorsal border of the NE. 3) Both Ind and Msh are capable of inhibiting the expression of vnd. In addition, it was shown that Vnd positively regulates the expression of Nkx6 through repression of Msh. Vnd also controls the expression of ind in a segment-specific manner: Vnd represses ind expression in the TC, but is required for activation of ind in the DC where Vnd represses the ind-repressor Msh. The EGFR signaling pathway is also involved in DV patterning of the embryonic brain. EGFR activity keeps msh expression limited to the dorsal NE through positive regulation of the msh-repressors Vnd, Ind and Nkx6. Furthermore, the AP patterning gene ems is crucial for the brain-specific regulation of DV gene expression and, conversely, DV genes control the expression of ems. Ems is required to activate Nkx6, ind and msh in the TC and DC, whereas later Nkx6 and Ind act together to repress ems in the intermediate DC. Moreover, in this work I demonstrate that the segment polarity gene en controls aspects of ind, vnd and msh expression in a segment-specific manner. En represses ind and msh, but maintains vnd expression in the DC; in the TC, En is necessary to down regulate expression of msh, thereby allowing the activation of ind in the respective NE.rnTaken together, the results of this work demonstrate that AP patterning genes are significantly involved in regulating the expression of DV patterning factors in the early brain (and VNC). Furthermore, these data indicate that the “Concept of ventral dominance”, which has been proposed for DV patterning in the VNC, can not be assigned to the DV regulatory network in the brain, since interactions between the DV factors are predominantly based on cross-repression. Interestingly, in the developing vertebrate neural tube cross-repressive interactions of homeodomain proteins are common and indeed crucial for the establishment of discrete DV progenitor domains. This bears a marked resemblance to the mutually antagonistic relationship between pairs of homeodomain proteins that DV pattern the fly brain.rnr