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Regulation of C.elegans vulval morphogenesis by LIN-12 Notch signaling


Farooqui, Sarfarazhussain. Regulation of C.elegans vulval morphogenesis by LIN-12 Notch signaling. 2012, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Zusammenfassung Einer der grundlegenden Gesichtspunkte während der Entwicklung eines Tieres ist die Bildung der Epithelschicht. Epithelzellen sind polarisierte Zellen, deren basolateraler Teil vom apikalen Teil durch Adhäsionsverbindungen (engl.:adherens junctions) getrennt ist. Diese Adhäsionsverbindungen enthalten E-Cadherin und andere Proteine, die das Aneinanderhaften von Zellen herbeiführen; Zudem ist die basale Zelloberfläche typischerweise mit einer Basallamina verbunden. Diese Epithelzellen können mittels Morphogenese zu Röhren und darüber hinaus zu ganzen Röhrennetzen umgeformt werden. Einige Studien zeigen bereits, dass im Mittelpunkt der Morphogenese die Anhaftung und die Anordnung von Zellen stehen; jedoch ist über die Kontrolle der Signalwege bei der morphogenese wenig bekannt.
Die Entwicklung der Vulva von C.elegans stelt ein bedeutendes Modellsystem für die Festlegung und für die strukturelle Ausbildung der Schicksale der Epithelzellen dar. Auf der Suche nach Genen, die im Epithelgewebe der Vulva direkt durch den ubiquitären Notch-Signalweg reguliert werden, stießen wir auf das C.elegans Gen Rho-Kinase (ROCK) let-502, das ein indirektes zielgen von Notch darstellt. Rho- Kinasen (ROCKs) sind die Hauptüberträger der Signale von aktivierten Rho-GTPasen und wurden oft aufgrund ihrer Fähigkeit die Kontraktilität von Actomyosin zu beeinflussen, mit den über Rho-GTPasen vermittelten Effekten auf Form und Bewegung von Zellen in Verbindung gebracht. Eine Funktion von ROCKs ist das Herbeiführen von Formänderung und Bewegung von Zellen, was auf eine wichtige Rolle der von Rho-ROCKs übermittelten Signaltransduktion während der Gewebsmorphogenese schließen lässt. Die Identifizierung einer Rho-Kinase als ein durch den Notch-Signalweg indirekt reguliertes Gen ermöglichte es, die strukturelle Ausbildung der Vulva von C.elegans als ein Instrument für die Erforschung von Signaltransduktion beider Umgestaltung von der Epithelschicht zu verwenden.
Auf Grund seines Expressionsmuster kann das Gen let-502 als ein indirektes Notch- Target bezeichnet werden. Durch weitere Untersuchungen des Expressionsmusters von let-502 in verschiedenen Mutanten konnten wir zeigen, dass der Transkriptionsfaktor LIN-1 ETS nach Notch geschaltet ist und direkt an den Promotor von let-502 bindet, um dessen Transkription zu starten. Somit stellt LIN-1 einen zentralen Faktor bei der Entwicklung der Vulva dar.
Die Anker zelle (AC), 1° and 2° Zellen sind die drei Bestandteile des Epithels, das die Vulva ausbildet. Ein Signal der AC führt zur Induktion des 1° Zellschicksals während die 1° Zelle direkt auch für die Ausführung des 2° Zellschicksals der Nachbarzellen verantwortlich ist. Somit können wir darüber spekulieren, dass die AC die Rolle des Anführers spielt und die 2° Zellen, die von der 1° abhängig sind, hinterherfolgen. Wir untersuchten die einzelnen Beiträge dieser Zelltypen zur Bildung der Vulva. Indem wir Weg spezielle Zellen im Wurm ablatierten, konnten wir zeigen, dass die 2° Zellen über die Rho-Kinase let-502 eine Stoßkraft ausüben, während die AC eine Zugkraft besitzt. Beide Kräfte sind wichtig, um eine funktionsfähige Vulva zu bilden. Wir gingen noch einen Schritt weiter und wiesen die Stoß- und Zugkraft nach, indem wir zum ersten Mal die Morphogenese der Vulva filmten. Aus molekularer Sicht ist die Ordnung von Anführer und nachfolgenden Zellen wie folgt: AC-1°-2°. 2° Zellen sind also von 1° Zellen abhängig. Im Gegensatz dazu zeigten wir, dass aus mechanischer Sicht im Bezug auf die Stoßkraft die 1° Zellen von den 2° Zellen abhängen. Zusammen mit Mark Watson Pellegrino fanden wir auch, dass in 1° Zellen der RAS- Signalweg und der Transkriptionsfaktor LIN-39 HOX das neu entdeckte Gen vab-23 aktivieren und somit - gleichermaßen wie der Notch-Signalweg in 2° Zellen – Fusion, Bewegung und ordnungsgemäße Anhaftung von Zellen während der Morphogenese der Vulva regulieren. vab-23 ist ein DNA-bindendes Protein, das direkt das Gen smp- 1 reguliert, was wir mittels ChIP Experimente zeigen konnten. Das C.elegans Protein VAB-23 zeigt eine hohe Sequenzhomologie zu dem humanen HCA127 (hepatocellular carcinoma antigen), dessen Funktion bisher noch unbekannt ist.
Wir konnten schlussendlich zeigen, dass die beiden Transkriptionsfaktoren – LIN-1 in 2° Zellen und VAB-23 in 1° Zellen – im Mittelpunkt der Morphogenese der Vulva stehen. Die einfache Beschaffenheit des Modellorganismus C.elegans hat es uns erlaubt die Funktionen von LIN-1 und VAB-23 zu untersuchen, und wir schlagen vor, dass beide Gene konservierte Funktionen während der Morphogenese von Organen in höheren Organismen übernehmen können. Diese Moleküle gaben uns auch eine Gelegenheit dazu, die Formveränderung von einzelnen Zellen bei der Morphogenese der Vulva zu erkunden. Die Resultate dieser Studie legen bedeutende molekulare und zelluläre Wechselwirkungen offen, die zur endgültigen Struktur von Organen beitragen. Summary One of the fundamental aspects of development in animals is the formation of epithelia. Epithelial cells are polarized, with basolateral domains separated from apical domains by adherens junctions. The adherens junctions contain E-cadherin and other proteins that mediate cell adhesion. The basal surface of epithelial cell is associated with a basal lamina. These epithelial cells can be remodeled into tubes and further into branches of these tubes via morphogenesis. Several studies show that organization and cohesion are central to epithelial morphogenesis but the signals controling this remodeling are poorly understood. C.elegans vulval development serves as an important system for studying cell fate determination and morphogenesis of epithelial cells. In a quest to find out the direct target genes of the universal Notch signaling pathway in the vulval epithelium, we found the C.elegans Rho-kinase (ROCK) let-502 as an indirect Notch target gene. The Rho-kinases (ROCKs) are major effectors targets of the activated Rho GTPase. ROCKs have been implicated in many of the Rho-mediated effects on cell shape and movement via their ability to affect acto-myosin contractility. One of the functions of ROCKs are to bring about changes in shape and motility of cells, which suggests a potentially important role for Rho-ROCK signaling in tissue morphogenesis during development. Identification of Rho-kinase as an indirect target of the Notch signaling pathway paved the way for using C.elegans vulval morphogenesis as a tool for studying the signals controling of epithelial remodeling. By, analyzing the let-502 expression pattern in several mutant backgrounds, we demonstrate that LIN-1 ETS is the transcription factor that acts downstream of the Notch signaling pathway and directly binds to the let-502 promoter to activate its transcription. Finally, we show that LIN-1 is a central player of vulval morphogenesis. The anchor cell (AC), the 1° and 2° cells are the three components of the vulval epithelium. Signaling from the AC leads to induction of the 1° cell fate while 1° cells are directly responsible for 2° cell fate specification, we thus propose that the AC should be the leader and the 2° cells are the lagging cells, which are dependent on the 1° cells. We analyzed the individual contribution of these cell types in building up the vulva. Using classical cell ablation techniques, we could show that 2° descendants provide a pushing force via the Rho-kinase let-502, while the AC provides the pulling force. We went a step further and verified the pushing and the pulling forces by visualizing and quantifying toroid morphogenesis in vivo. The order of leader to follower is AC➔1°➔2°, making 2° cells dependent on 1° cells. On the other hand, from the force contribution perspective, the 1° cells are dependent on 2° cells for the pushing force. Finally, together with Mark Watson Pellegrino, we showed that in 1° cells, the RAS signaling pathway and the LIN-39 HOX transcription factor activate the novel gene vab-23 to regulate cell fusions, movement and proper adhesion of cells during vulval morphogenesis. vab-23 is a DNA binding protein and using ChIP, we demonstrated that smp-1 is one of its direct target genes. It has several indirect targets too. C.elegans VAB-23 shows strong homology to a human hepatocellular carcinoma antigen (HCA127) of unknown function. Thus, we could show that the two transcription factors, LIN-1 in 2° cells and VAB-23 in 1° cells, have taken the centre stage during morphogenesis. The simple nature of C.elegans as a model system has allowed us to investigate the functions of LIN-1 and VAB-23. We propose that LIN-1 ETS and VAB-23 zinc finger play conserved functions in organ morphogenesis of higher animals. The two transcription factors also gave us an opportunity to analyze the cell shape changes during morphogenesis of the vulva and reveal the important molecular and cellular interactions that contribute to the final shape of organs.

Abstract

Zusammenfassung Einer der grundlegenden Gesichtspunkte während der Entwicklung eines Tieres ist die Bildung der Epithelschicht. Epithelzellen sind polarisierte Zellen, deren basolateraler Teil vom apikalen Teil durch Adhäsionsverbindungen (engl.:adherens junctions) getrennt ist. Diese Adhäsionsverbindungen enthalten E-Cadherin und andere Proteine, die das Aneinanderhaften von Zellen herbeiführen; Zudem ist die basale Zelloberfläche typischerweise mit einer Basallamina verbunden. Diese Epithelzellen können mittels Morphogenese zu Röhren und darüber hinaus zu ganzen Röhrennetzen umgeformt werden. Einige Studien zeigen bereits, dass im Mittelpunkt der Morphogenese die Anhaftung und die Anordnung von Zellen stehen; jedoch ist über die Kontrolle der Signalwege bei der morphogenese wenig bekannt.
Die Entwicklung der Vulva von C.elegans stelt ein bedeutendes Modellsystem für die Festlegung und für die strukturelle Ausbildung der Schicksale der Epithelzellen dar. Auf der Suche nach Genen, die im Epithelgewebe der Vulva direkt durch den ubiquitären Notch-Signalweg reguliert werden, stießen wir auf das C.elegans Gen Rho-Kinase (ROCK) let-502, das ein indirektes zielgen von Notch darstellt. Rho- Kinasen (ROCKs) sind die Hauptüberträger der Signale von aktivierten Rho-GTPasen und wurden oft aufgrund ihrer Fähigkeit die Kontraktilität von Actomyosin zu beeinflussen, mit den über Rho-GTPasen vermittelten Effekten auf Form und Bewegung von Zellen in Verbindung gebracht. Eine Funktion von ROCKs ist das Herbeiführen von Formänderung und Bewegung von Zellen, was auf eine wichtige Rolle der von Rho-ROCKs übermittelten Signaltransduktion während der Gewebsmorphogenese schließen lässt. Die Identifizierung einer Rho-Kinase als ein durch den Notch-Signalweg indirekt reguliertes Gen ermöglichte es, die strukturelle Ausbildung der Vulva von C.elegans als ein Instrument für die Erforschung von Signaltransduktion beider Umgestaltung von der Epithelschicht zu verwenden.
Auf Grund seines Expressionsmuster kann das Gen let-502 als ein indirektes Notch- Target bezeichnet werden. Durch weitere Untersuchungen des Expressionsmusters von let-502 in verschiedenen Mutanten konnten wir zeigen, dass der Transkriptionsfaktor LIN-1 ETS nach Notch geschaltet ist und direkt an den Promotor von let-502 bindet, um dessen Transkription zu starten. Somit stellt LIN-1 einen zentralen Faktor bei der Entwicklung der Vulva dar.
Die Anker zelle (AC), 1° and 2° Zellen sind die drei Bestandteile des Epithels, das die Vulva ausbildet. Ein Signal der AC führt zur Induktion des 1° Zellschicksals während die 1° Zelle direkt auch für die Ausführung des 2° Zellschicksals der Nachbarzellen verantwortlich ist. Somit können wir darüber spekulieren, dass die AC die Rolle des Anführers spielt und die 2° Zellen, die von der 1° abhängig sind, hinterherfolgen. Wir untersuchten die einzelnen Beiträge dieser Zelltypen zur Bildung der Vulva. Indem wir Weg spezielle Zellen im Wurm ablatierten, konnten wir zeigen, dass die 2° Zellen über die Rho-Kinase let-502 eine Stoßkraft ausüben, während die AC eine Zugkraft besitzt. Beide Kräfte sind wichtig, um eine funktionsfähige Vulva zu bilden. Wir gingen noch einen Schritt weiter und wiesen die Stoß- und Zugkraft nach, indem wir zum ersten Mal die Morphogenese der Vulva filmten. Aus molekularer Sicht ist die Ordnung von Anführer und nachfolgenden Zellen wie folgt: AC-1°-2°. 2° Zellen sind also von 1° Zellen abhängig. Im Gegensatz dazu zeigten wir, dass aus mechanischer Sicht im Bezug auf die Stoßkraft die 1° Zellen von den 2° Zellen abhängen. Zusammen mit Mark Watson Pellegrino fanden wir auch, dass in 1° Zellen der RAS- Signalweg und der Transkriptionsfaktor LIN-39 HOX das neu entdeckte Gen vab-23 aktivieren und somit - gleichermaßen wie der Notch-Signalweg in 2° Zellen – Fusion, Bewegung und ordnungsgemäße Anhaftung von Zellen während der Morphogenese der Vulva regulieren. vab-23 ist ein DNA-bindendes Protein, das direkt das Gen smp- 1 reguliert, was wir mittels ChIP Experimente zeigen konnten. Das C.elegans Protein VAB-23 zeigt eine hohe Sequenzhomologie zu dem humanen HCA127 (hepatocellular carcinoma antigen), dessen Funktion bisher noch unbekannt ist.
Wir konnten schlussendlich zeigen, dass die beiden Transkriptionsfaktoren – LIN-1 in 2° Zellen und VAB-23 in 1° Zellen – im Mittelpunkt der Morphogenese der Vulva stehen. Die einfache Beschaffenheit des Modellorganismus C.elegans hat es uns erlaubt die Funktionen von LIN-1 und VAB-23 zu untersuchen, und wir schlagen vor, dass beide Gene konservierte Funktionen während der Morphogenese von Organen in höheren Organismen übernehmen können. Diese Moleküle gaben uns auch eine Gelegenheit dazu, die Formveränderung von einzelnen Zellen bei der Morphogenese der Vulva zu erkunden. Die Resultate dieser Studie legen bedeutende molekulare und zelluläre Wechselwirkungen offen, die zur endgültigen Struktur von Organen beitragen. Summary One of the fundamental aspects of development in animals is the formation of epithelia. Epithelial cells are polarized, with basolateral domains separated from apical domains by adherens junctions. The adherens junctions contain E-cadherin and other proteins that mediate cell adhesion. The basal surface of epithelial cell is associated with a basal lamina. These epithelial cells can be remodeled into tubes and further into branches of these tubes via morphogenesis. Several studies show that organization and cohesion are central to epithelial morphogenesis but the signals controling this remodeling are poorly understood. C.elegans vulval development serves as an important system for studying cell fate determination and morphogenesis of epithelial cells. In a quest to find out the direct target genes of the universal Notch signaling pathway in the vulval epithelium, we found the C.elegans Rho-kinase (ROCK) let-502 as an indirect Notch target gene. The Rho-kinases (ROCKs) are major effectors targets of the activated Rho GTPase. ROCKs have been implicated in many of the Rho-mediated effects on cell shape and movement via their ability to affect acto-myosin contractility. One of the functions of ROCKs are to bring about changes in shape and motility of cells, which suggests a potentially important role for Rho-ROCK signaling in tissue morphogenesis during development. Identification of Rho-kinase as an indirect target of the Notch signaling pathway paved the way for using C.elegans vulval morphogenesis as a tool for studying the signals controling of epithelial remodeling. By, analyzing the let-502 expression pattern in several mutant backgrounds, we demonstrate that LIN-1 ETS is the transcription factor that acts downstream of the Notch signaling pathway and directly binds to the let-502 promoter to activate its transcription. Finally, we show that LIN-1 is a central player of vulval morphogenesis. The anchor cell (AC), the 1° and 2° cells are the three components of the vulval epithelium. Signaling from the AC leads to induction of the 1° cell fate while 1° cells are directly responsible for 2° cell fate specification, we thus propose that the AC should be the leader and the 2° cells are the lagging cells, which are dependent on the 1° cells. We analyzed the individual contribution of these cell types in building up the vulva. Using classical cell ablation techniques, we could show that 2° descendants provide a pushing force via the Rho-kinase let-502, while the AC provides the pulling force. We went a step further and verified the pushing and the pulling forces by visualizing and quantifying toroid morphogenesis in vivo. The order of leader to follower is AC➔1°➔2°, making 2° cells dependent on 1° cells. On the other hand, from the force contribution perspective, the 1° cells are dependent on 2° cells for the pushing force. Finally, together with Mark Watson Pellegrino, we showed that in 1° cells, the RAS signaling pathway and the LIN-39 HOX transcription factor activate the novel gene vab-23 to regulate cell fusions, movement and proper adhesion of cells during vulval morphogenesis. vab-23 is a DNA binding protein and using ChIP, we demonstrated that smp-1 is one of its direct target genes. It has several indirect targets too. C.elegans VAB-23 shows strong homology to a human hepatocellular carcinoma antigen (HCA127) of unknown function. Thus, we could show that the two transcription factors, LIN-1 in 2° cells and VAB-23 in 1° cells, have taken the centre stage during morphogenesis. The simple nature of C.elegans as a model system has allowed us to investigate the functions of LIN-1 and VAB-23. We propose that LIN-1 ETS and VAB-23 zinc finger play conserved functions in organ morphogenesis of higher animals. The two transcription factors also gave us an opportunity to analyze the cell shape changes during morphogenesis of the vulva and reveal the important molecular and cellular interactions that contribute to the final shape of organs.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Hajnal Alex, Hengartner Michael
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2012
Deposited On:16 Apr 2019 12:50
Last Modified:15 Apr 2021 15:00
Number of Pages:117
Additional Information:Enthält Sonderdrucke
OA Status:Green

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