Identifikation und Analyse von Zielgenen des terminalen Systems in Tribolium castaneum
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Abstract
The development of the anterior-posterior axis is an essential component of insect development. Part of the formation of this axis is the terminal system which patterns the terminal structures acron and telson. This Torso-signal is realized via gap-genes in the long-germ insect Drosophila and has already been studied in great detail. The importance of the terminal System is more substantial and extensive in the short-germ insect Tribolium. So far, all known target genes of the receptor-tyrosine-kinase-signaling pathway cannot entirely explain the associated phenotypes. Thus this work focuses on the identification of yet unknown target-genes of the terminal system and the analysis of these genes to obtain a better understanding of the implementation of this signal. For the identification of further target-genes, differential gene-expression of the re-pression (Tc'tsl-RNAi) was compared to the derepression of the Torso-signal (Tc'cic-RNAi) via Next-Generation-Sequencing. 50 potential candidates were chosen and analyzed for embryonic and larval RNAi-phenotypes as well as expression in the wild-type organism. The results of this mini-screen show that differential gene-expression-analysis is a suitable approach for the identification of previously un-known target genes of the terminal system. The significance of selected candidates during embryonic development was evaluat-ed via live-imaging and marker-gene stainings. By this process, two candidates, Tc'CHOp24 and Tc'maelstrom, were chosen to be analyzed in great detail. The re-sults of these analyses show a stronger interconnection between anterior-posterior and dorso-ventral axis development on the one hand. The cargoreceptor-ortholog Tc'CHOp24 is a target-gene of the terminal system and regulates Tc'Dpp-activity in the anterior blastoderm. Thus, there may be an integration of both axes for the for-mation of the extraembryonic serosa via the modulation of Dpp-activity by the Torso-signal. On the other hand, the Torso-signal could be realized, at least partially, by the control of the extensive morphogenetic processes rather than the specification of anterior and posterior termini. The analysis of Tc'maelstrom suggests that the regulation of morphological change by the terminal system is essential for the proper formation of the extraembryonic serosa as well as the growth-zone. Thus, the results of this work indicate an even more elaborate significance of the terminal system in the development of the short-germ insect Tribolium castaneum. Furthermore, yet unknown factors by which the Torso-Signal is implemented have been identified.
Abstract
Die anterior-posteriore Achsenentwicklung ist ein essentieller Bestandteil der Embry-onalentwicklung von Insekten. Als Teil dieser Achsenbildung ist das terminale Sys-tem für Musterbildungsprozesse der terminalen Strukturen Acron und Telson verant-wortlich. Die Umsetzung dieses Torso-Signals wird in dem Langkeiminsekt Drosophi-la über Gap-Gene realisiert wird und ist bereits sehr gut untersucht. Die Bedeutung des terminalen Systems in dem Kurzkeiminsekt Tribolium ist im Vergleich dazu durch den unterschiedlichen Entwicklungsmodus deutlich umfangreicher. Die Summe der bisher bekannten Zielgene des Rezeptor-Tyrosin-Kinase-Signalwegs lassen nicht die zugehörigen Phänotypen vollständig erklären. Diese Arbeit sollte bisher unbekannte Zielgene des Torso-Signalwegs identifizieren und zum umfassenderen Verständnis, der Umsetzung dieses Signals, auch analysieren. Zur Identifikation weiterer Zielgene wurde die differentielle Genexpression der Re-pression (Tc'tsl-RNAi) mit der Derepression des Torso-Signals (Tc'cic-RNAi) mittels Next-Generation-Sequencing verglichen. 50 Potentielle Kandidaten wurden in einem Mini-Screen auf Expression, embryonale und larvale RNAi-Phänotypen untersucht. Die Ergebnisse dieses Screens zeigen, dass die differentielle Genexpressionsanaly-se eine durchaus geeignete Methode zur Identifikation bislang unbekannter Zielgene des terminalen Systems in Tribolium ist. Die Bedeutung ausgewählter Kandidaten in der Embryonalentwicklung wurde da-raufhin durch dafür etabliertes Live-Imaging und auf Markergenexpression unter-sucht. Durch diesen Prozess wurden zwei Kandidaten, Tc maelstrom und Tc CHOp24, ausgewählt, um im Detail analysiert zu werden. Die Ergebnisse dieser Analysen zeigen auf der einen Seite, dass die anterior-posteriore Achsenentwicklung mit der dorso-ventralen Achsenentwicklung in Tribolium stärker gekoppelt ist als bis-her angenommen. Das Cargorezeptor-Ortholog Tc'CHOp24 ist ein Zielgen des ter-minalen Systems und reguliert die Tc'Dpp-Aktivität im anterioren Bereich des Blasto-derms. Folglich könnten über die Modulation der Dpp-Aktivität durch das Torso-Signal beide Achsen bei der Bildung der extraembryonalen Serosa integriert sein. Auf der anderen Seite könnte die Umsetzung des Torso-Signals in Tribolium viel-mehr durch die Steuerung der umfangreichen morphogenetischen Prozesse als durch die Spezifikation anteriorer und posteriorer Termini realisiert werden. Die Ana-lyse des Zielgens Tc'maelstrom legt nahe, dass das Torso-Signal auch über die Steuerung solcher morphologischen Veränderungen für die korrekte Ausbildung der extraembryonalen Serosa sowie der Wachstumszone sorgt. Folglich weisen die Ergebnisse dieser Arbeit auf eine noch umfangreichere Bedeu-tung des terminalen Systems in der Entwicklung des Kurzkeiminsekts Tribolium cas-taneums hin und zeigen bis dato unbekannte Faktoren, durch die das Torso-Signal umgesetzt wird.
