English Title: Molecular and genetic analysis of furrow canal formation during cellularization of Drosophila melanogaster

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Abstract

Die Embryonalentwicklung in Drosophila beginnt wie die der meisten Insekten mit einer Serie von schnellen syncytialen Zellkernteilungen, den sogenannten Furchungsteilungen, die ohne Zytokinese im embryonalen Zytoplasma stattfinden. Im Ergebnis dieser Teilungen ordnen sich etwa 6000 Zellkerne regelmäßig in einer Schicht direkt unterhalb der embryonalen Plasmamembran an und bilden so das syncytiale Blastoderm. Nach dem Ende der 13. Teilung beginnt in dem etwa einstündigen Prozess der Zellularisierung die Membran an den Stellen zwischen den Zellkernen einem hexagonalen Muster folgend zu invaginieren. Dabei bilden sich zunächst kleine haarnadelförmige Membranschleifen, die sogenannten Furchungskanäle, die dann ins Innere des Embryos wandern. So werden alle peripheren Zellkerne von Membran umschlossen und es entsteht ein einschichtiges polarisiertes Epithelium, das zelluläre Blastoderm. Die Initiation der Zellularisierung nach dem Austritt aus Mitose 13 wird sowohl von zygotischen als auch von maternalen Genen kontrolliert. Dabei spielen insbesondere Faktoren des Zytoskeletts wie f-Aktin und Mikrotubuli sowie endo-und exozytotische Prozesse eine zentrale Rolle. Mit Hilfe von fluoreszenzmarkierten Markerproteinen konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, daß die Bildung des Furchungskanals in zwei Phasen abläuft. Zunächst beginnt die Membran nur wenige Minuten nach dem Austritt aus der Telophase von Mitose 13 kleine lokale Einstülpungen zu bilden, die durch die Anreicherung des Transmembranproteins E-cadherin-GFP im Bereich zwischen benachbarten Zellkernen sichtbar werden. In Phase 2 werden schließlich Faktoren wie RhoGEF2 und f-Aktin rekrutiert, die die eingewanderten Membranstrukturen stabilisieren. Dabei wird Phase 1 durch die Aktivität von Komponenten des Recycling Endosoms wie Rab11 und Nuf beeinflußt, während Mutationen in RhoGEF2, dia, nullo, dah und abl eher Phase 2 betreffen. Die Analyse von Doppelmutanten ergab, daß RhoGEF2 und nullo ähnlich wie abl und nullo in jeweils redundanter Weise an der Bildung des Furchungskanals beteiligt sind. Es wird zudem nachgewiesen, daß die Positionen in der Membran, an denen sich Furchungskanäle bilden, vermutlich nicht durch die Lage der mitotischen Pseudocleavagefurchen sondern vielmehr durch eine organisierende Aktivität der Zentrosomen unter Beteiligung der von ihnen ausgehenden Mikrotubuli bestimmt werden. RhoGEF2 ist ein GTP-Austauschfaktor der am Furchungskanal lokalisiert, wo er in Abhängigkeit von Rho1 die Aktivität des Formins Dia und somit die Organisation von f-Aktin kontrolliert. Um die Mechanismen dieser lokalen Rho-Aktivierung besser zu verstehen, wurde die PDZ-Domäne als der Teil des Proteins identifiziert, der die Lokalisation des Proteins vermittelt. So war es möglich physikalische Interaktionspartner zu isolieren, von denen einige auf eine mögliche Rolle bei der Lokalisation von RhoGEF2 untersucht wurden.

Translation of abstract (English)

Embryonic development in Drosophila starts with a series of 13 rapid nuclear divisions also called cleavage divisions that take place without cytokinesis in a common cytoplasm. This results in the regular arrangement of about 6000 somatic nuclei in a layer beneath the embryonic plasma membrane where they form the syncytial blastoderm. By forming small hairpinloop like structures the so called furrow canals the plasma membrane starts to invaginate in a hexagonal pattern between cortical nuclei in a process called cellularization shortly after exit from the last cleavage division. During the invagination process all cortical nuclei are enclosed by plasma membrane giving rise to a monolayered polarized epithelium, the cellular blastoderm. Initiation of membrane invagination is controlled by zygotic as well as by maternal genes and depends mainly on regulators of cytoskeletal elements and on components of the membrane traffic machinery. This work reports the in vivo analysis of the dynamics of furrow canal formation as well as the molecular characterization of RhoGEF2, a GTP exchange factor that functions in cellularization. By using fluorescently labeled in vivo markers and high resolution timelapse microscopy it is shown that furrow canal formation is a two step process. First membrane starts to form small invaginations only minutes after exit from telophase of cycle 13. This becomes visible by enrichment of the transmembrane protein E-cadherin-GFP between adjacent cortical nuclei. 3-5 minutes later stabilizing factors like RhoGEF2 and f-actin are recruited in step 2. Step 1 is controlled by components of the recycling endosome like Rab11 and Nuf whereas mutations in RhoGEF2, dia, nullo, dah und abl mainly affect the stabilization of the invaginated membrane in step 2. Analysis of double mutants revealed that RhoGEF2 and nullo as well as nullo and abl control furrow canal formation in redundant pathways. It was found that the mitotic pseudocleavage furrows do not contribute in determining the positions of the cleavage furrows at the onset of cellularization. Instead a microtubule-dependent organizing role of the centrosomes in the formation of the furrow canals was discovered, leading to a model that favours a centrosome mediated determination of the cleavage position rather than an intrinsic self organization of the plasma membrane. RhoGEF2 controls the organization of f-actin at the furrow canal by local activation of Rho1 and its effector Dia. The PDZ domain of RhoGEF2 was found to be sufficient and required for mediating the furrow canal localization of the protein. The isolated PDZ-domain was used to find physical interactors that might function upstream of RhoGEF2. Among those factors that were found to bind PDZRG2 a few were selected and analyzed for a potential role in mediating the RhoGEF2 dependent local Rho-activation during furrow canal formation.