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Doctoral Thesis
2012
Goosecoid und Calponin : zwei neue Regulatoren des PCP-Signalwegs
Goosecoid und Calponin : zwei neue Regulatoren des PCP-Signalwegs
Abstract (English)
Vertebrate embryogenesis relies on morphogenetic movements such as cell migration and convergent extension (CE). The planar cell polarity (PCP) branch of non-canonical Wnt signaling governs the orientation of cells along embryonic axes. PCP-signaling leads to intracellular polarization of proteins such as Dishevelled, Prickle and Vangl2, resulting in activation of small GTPases such as Rho and Rac, and consequently oriented alignment of the cytoskeleton. This polarity is required for CE, namely for the intercalation of bipolar cells, during gastrulation and neurulation. CE promotes elongation of the notochord and the neural plate, which is a prerequisite of neural tube closure. Previous work had shown that misexpression of the transcription factor Goosecoid (Gsc) in the primitive streak of the mouse and in the dorsal marginal zone of the frog led to neural tube closure defects. The present work demonstrates that misexpression of Gsc inhibits CE in vivo and ex vivo. Gsc gain-of-function (Gsc-GOF) prevented the membrane localization of Dishevelled in the frog animal cap assay, suggesting a disturbance of the PCP pathway. The Gsc-induced phenotypes could be rescued by co-injection of core components of the PCP pathway, Vangl2 and Prickle. Overexpression of RhoA and the non-canonical Wnt11, rescued the effect of Gsc-GOF. Brachyury, a transcriptional activator of Wnt11 and known target of Gsc, was also able to rescue the effect of Gsc-GOF. Gsc thus acted as a repressor of PCP-mediated CE. Furthermore, loss of function experiments in Xenopus were conducted to reveal the endogenous function of Gsc. Due to the conserved and distinct expression of Gsc in Spemann's organizer and the induction of double axes upon injection of Gsc into the ventral marginal zone in Xenopus, a function of Gsc in the specification of dorsal tissue was predicted. The lack of gastrulation defects in the Gsc knock-out mouse, however, questioned an early role of Gsc. The repression of the PCP pathway by Gsc-GOF suggested a novel role of Gsc in the regulation of cell movements. Interestingly, Gsc is expressed in a distinct population of cells in the early organizer, which migrate out of the organizer during early gastrulation to form the prechordal mesoderm. In contrast, the subsequent involuting cells of the notochord undergo CE. Gsc knock-down in the frog reduced the prechordal plate resulting in a narrowing of eye distance. Furthermore, activin-induced CE in animal cap explants was enhanced by Gsc loss-of-function. These findings are consistent with a novel function of the organizer gene Gsc in the regulation of cell movements during early gastrulation, namely the repression of PCP-mediated CE as a prerequisite of active migration of the prechordal mesoderm.
The directed migration of neural crest cells represents another embryological process which depends on PCP-signaling. Previous work showed expression of Calponin2 in neural crest cells. Moreover, inhibition of Calponin1 by the Rho-Kinase has been described. In Xenopus, Calponin2 localized to cell protrusion of delaminating and migrating neural crest cells. Loss of function of Calponin2 prevented the polarized outgrowth of cell extensions in neural crest explants and thus migration of neural crest cells. Moreover, additional stress fibers were formed in the central area of neural crest cells at the expense of the peripheral, cortical actin cytoskeleton. The PCP pathway directs migration via the activation of RhoA and inhibition of Rac in the cell compartment opposed to the leading edge. This suggested an interaction of PCP-signaling and Calponin2 during the migration of neural crest cells, which was examined by rescue experiments in vivo and in neural crest explants. Calponin2 knock-down rescued Wnt11 and Rho-Kinase loss-of-function, strongly suggesting that the actin-binding protein Calponin2 acts as an effector of the PCP pathway and directs the polarization of the actin cytoskeleton in migrating neural crest cells. In summary the present work involved two novel regulators of PCP-mediated CE, Gsc at the transcriptional level and Calponin2 as an effector of the actin cytoskeleton.
Abstract (German)
Bei der Embryonalentwicklung von Wirbeltieren spielen insbesondere morphogenetische Umgestaltungen wie Zellmigration oder konvergente Extension (CE), bei der sich ein Gewebe streckt, eine wichtige Rolle. Der planare Zellpolaritäts-Signalweg (PCP; ?planar cell polarity?), ein nicht-kanonischer Wnt-Signalweg, gewährleistet die intrazelluläre Polarität der Zellen entlang der Embryonalachsen. Dieser führt über die polarisierte Lokalisierung von Proteinen wie Dishevelled, Vangl2 und Prickle an die Zellmembran zur Aktivierung von kleinen GTPasen wie Rho und Rac und damit zur Ausrichtung des Zytoskeletts. Diese Polarität der Zellen wird für CE, bei der bipolare Zellen interkalieren, während der Gastrulation und während der Neurulation benötigt. CE führt dabei zur Elongation der Chorda und der Neuralplatte, was den Neuralrohrschluss ermöglicht. In Vorarbeiten wurde beschrieben, dass die dorsale Überexpression des Transkriptionsfaktors Goosecoid (Gsc) in der Maus und im Frosch zu Neuralrohrschlussdefekten führt. In der vorliegenden Arbeit wurde durch Funktionsgewinnexperimente in vivo und ex vivo eine Inhibition konvergenter Extension durch Gsc gezeigt. Der Funktionsgewinn von Gsc verhinderte die Membranlokalisierung von Dishevelled in animalen Polkappenexplantaten, was eine Störung des PCP-Signalwegs anzeigt. Gsc-induzierte Fehlbildungen konnten durch Co-Injektion von Kernkomponenten des PCP-Signalwegs wie Vangl2 oder Prickle kompensiert werden. Auch die Überexpression der kleinen GTPase RhoA und des Liganden Wnt11 verhinderte den Effekt des Gsc-Funktionsgewinns. Brachyury, ein transkriptioneller Aktivator von Wnt11 und bekanntes Zielgen von Gsc, konnte die Wirkung von Gsc ebenso partiell umkehren. Diese Experimente legten eine neue Rolle von Gsc als Repressor PCP-induzierter CE nahe. Durch Funktionsverlustexperimente wurde im Frosch die endogene Funktion von Gsc untersucht. Aufgrund der konservierten und lokalisierten Expression von Gsc im Spemann-Organisator und der Induktion von Doppelachsen war eine Funktion von Gsc bei der Spezifizierung dorsaler Gewebe vorhergesagt worden. Die fehlenden Defekte in der Gsc Knock-out Maus standen allerdings dazu im Widerspruch. Die hier beschriebene Repression des PCP-Signalwegs durch Gsc deutete auf eine Funktion bei der Regulierung von Zellbewegungen hin. Dazu passt die Expression von Gsc in den Zellen des frühen Organisators, die während der Gastrulation zuerst einwandern und das prächordale Mesoderm bilden. In den nachfolgenden Zellen der Chorda findet dagegen CE statt. Gsc-Funktionsverlust reduzierte die Prächordalplatte und, als Konsequenz daraus, den Augenabstand. Die Activin-induzierte CE in animalen Polkappenexplantaten wurde durch Gsc-Funktionsverlust zusätzlich verstärkt. Damit konnte gezeigt werden, dass das Organisatorgen Gsc durch Repression des PCP-Signalwegs Zellbewegungen während der frühen Gastrulation reguliert.
PCP steuert neben CE auch die gerichtete Wanderung von Neuralleistenzellen. Vorarbeiten zeigten eine Expression von Calponin2 in Neuralleistenzellen. Auch wurde eine Inhibition von Calponin1 durch die Rho-Kinase beschrieben. Ein Myc-Fusionskonstrukt des Aktin-Bindeproteins Calponin2 war in Xenopus in Zellfortsätzen und migrierenden Neuralleistenzellen lokalisiert. Der Funktionsverlust von Calponin2 verhinderte die gerichtete Bildung von Zellfortsätzen in Neuralleistenzellexplantaten und damit die Wanderung der Neuralleistenzellen. Dabei bildeten sich zusätzliche Stressfasern im zentralen Zellbereich auf Kosten des peripheren Aktin-Zytoskeletts. Der PCP-Signalweg aktiviert auf der der Wanderungsrichtung entgegengesetzten Seite RhoA und inhibiert Rac, was zur gerichteten Wanderung der Neuralleistenzellen führt. Dies implizierte eine Interaktion des PCP-Signalwegs und Calponin2 bei der Neuralleistenzellmigration, die durch Epistasisexperimente in vivo und in Neuralleistenzellexplantaten untersucht wurde. Der Funktionsverlust von Calponin2 konnte dabei den Funktionsverlust von nicht-kanonischem Wnt oder der Rho-Kinase retten. Damit gewährleistet das Aktinbindeprotein Calponin2 als Effektor des PCP-Signalwegs die Polarisierung des Aktin-Zytoskeletts in migrierenden Neuralleistenzellen. Zusammenfassend wurden in der vorliegenden Arbeit mit Calponin2 und Gsc zwei neue Regulatoren von PCP und Zellwanderung beschrieben. Daraus ergeben sich neue Ansätze zur Untersuchung der transkriptionellen Kontrolle des Zellwanderungsverhaltens (Gsc) und der nachgeschalteten Modulation des Zytoskeletts (Calponin2).
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Faculty of Natural Sciences
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Institute for Zoology
Examination date
2012-09-05
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Language
German
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
570 Biology
Collections
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Ulmer2012,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5627},
author = {Ulmer, Bärbel Maria},
title = {Goosecoid und Calponin : zwei neue Regulatoren des PCP-Signalwegs},
year = {2012},
school = {Universität Hohenheim},
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