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Modification of LIN-12 NOTCH signalling during vulval development in C. elegans


Nusser-Stein, Stefanie. Modification of LIN-12 NOTCH signalling during vulval development in C. elegans. 2013, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Zellkommunikation ist eine der wichtigsten Eigenschaften, die im Laufe der Evolution entwickelt worden ist, um vom Einzellstadium zu Organismen, die aus vielen verschiedenen Zellarten bestehen, zu wechseln. Deshalb wurden bereits sehr früh in der Geschichte der Vielzeller Signale erfunden, die von einer Zelle an die andere weitergeleitet werden, und deshalb sind diese Signalwege in Vielzellern stark konserviert. Das NOTCH Signal wird zum Beispiel von Zellen verwendet, die ihre benachbarten Zellen davon abbringen müssen, dasselbe Standard-Zellschicksal wie sie selbst anzunehmen. Beispiele für diese NOTCH-vermittelte laterale Hemmung findet man in der Entwicklung des Eiablage- und Kopulationsorgans von Fadenwürmern und während der Bildung von Nervenzellen in Drosophila. Das NOTCH Signal ist auch bei der Neubildung von Blutgefässen, der Entwicklung von Nervenzellen und der Spezifizierung von T-Zellen im Menschen wichtig.
Der NOTCH-Signaltransduktionsweg kann als eine Art Schalter betrachtet werden, um schnell bestimmte Zellschicksale an- oder auszuschalten. Die spezifische Antwort der Zelle, die ein NOTCH Signal zugesendet bekommt, hängt von ihrer molekularen Zusammensetzung und den vorhandenen Zielfaktoren ab. Obwohl die Kernelemente des NOTCH Signals weitgehend bekannt sind, bleiben viele Zielfaktoren und Modifikatoren des NOTCH-Signaltransduktionsweges ungeklärt.
Im ersten Teil dieser Doktorarbeit beschreibe ich einen neuen Zusammenhang zwischen dem Voranschreiten des Zellzykluses und dem NOTCH Signal in Caenorhabditis elegans: Ein bestimmter CDK/Cyclin Komplex (CDK-1/CYB-3), der während der G2 Phase des Zellzykluses aktiv ist, vermittelt nicht nur den Eintritt in die Mitose, sondern ist auch während des dritten Larvenstadiums für die korrekte Herabregulation des NOTCH Signals in der primären Vulvazelle wichtig. Zellzykluskomponenten, die während der G1 Phase aktiv sind, wie zum Beispiel die Cycline CYD-1 und CYE-1, haben dagegen einen positiven Einfluss auf das NOTCH Signal. Auf diese Weise ist die Spezifizierung von Zellschicksalen mittels des NOTCH- Signaltransduktionsweges eng verknüpft mit dem Voranschreiten des Zellzykluses. Ich schlage deshalb vor, dass das Durchlaufen des Zellzykluses zeitlich gesehen verschiedene intrazelluläre Zusammensetzungen schafft und somit einen Zeitgeber für Signaltransduktionsabläufe während bestimmter Entwicklungsphasen darstellt.
Im zweiten Teil dieser Doktorarbeit zeige ich, dass das Gen ttr-11 ein Zielgen des NOTCH-Signaltransduktionsweges während der Entwicklung der Vulva von Caenorhabditis elegans ist. Das Gen ttr-11 wurde in einem Screen nach Kandidaten für NOTCH-Zielgene identifiziert und gehört zu einer großen Fadenwurm-spezifischen Genfamilie. Erst vor Kurzem haben Forscher begonnen die Funktion von manchen ttr Genen aufzudecken. Da Einzelmutationen in angehörigen Genen dieser Genfamilie nur geringe oder keine phänotypischen Effekte zeigen, und da das Genexpressionslevel von einzelnen ttr Genen oft niedrig ist, ist es schwierig die Aufgaben von ttr Genen in Fadenwürmern aufzuklären. Verschiedene Allele von ttr-11 haben milde aber gegenläufige Auswirkungen in verschiedenen mutanten Hintergründen zur Folge: Das NOTCH Signal von einer NOTCH Gain-of- Function-Mutante wird von wildtypischem ttr-11 gehemmt, wohingegen ttr- 11 in einem mutanten Hintergrund mit erhöhter EGFR/RAS/MAPK- Signaltransduktion einen positiven Einfluss auf das laterale Signal zeigt. Die milden Auswirkungen durch mutiertes ttr-11 könnten durch teilweise redundante Funktionen anderer Mitglieder der ttr Familie erklärt werden. Zum Beispiel zeigt ttr-57 hohe Sequenzähnlichkeit zu ttr-11. Jedoch halfen weder ttr-11 ttr-57 Doppelmutanten noch Überexpression von ttr-11 weiter die Aufgabe von ttr-11 während der Entwicklung der Vulva zu klären. Deshalb müssen weitere Experimente, wie zum Beispiel die Untersuchung der Funktionen von anderen nah verwandten ttr Genen in ttr-11 Mutanten, durchgeführt werden, um Licht ins Dunkel um die Funktion von ttr-11 zu bringen. SUMMARY Communication between cells is one of the most important features established during evolution to switch from a single cell organism to an organism made out of many different cell types. Therefore, signals that are sent from one cell to another have been invented quite early during the history of multicellular organisms and the signalling pathways transducing the signals are highly conserved in metazoans. For example, the NOTCH signal is used by cells to inhibit neighbouring cells from adopting the same, default cell fate. Examples for NOTCH-mediated lateral inhibition are nematode vulval development and Drosophila neurogenesis. NOTCH signalling is also important during human angiogenesis, neuronal development and T cell specification.
The NOTCH signalling pathway can be regarded as a switch used to rapidly turn a specific fate on or off. The specific response of the cell receiving a NOTCH signal depends on the molecular environment and the downstream targets present in the cell. Although the roles of the core components of NOTCH signalling are well known, many downstream targets and modifiers of the NOTCH pathway remain to be elucidated.
In the first part of this thesis, I describe a new connection between cell cycle progression and NOTCH signalling in the nematode Caenorhabditis elegans: One particular CDK/Cyclin complex (CDK-1/CYB-3) that is active during the G2 phase of the cell cycle not only mediates entry into mitosis, but it is also important for proper downregulation of the NOTCH signal in the primary vulval cell of the L3 larva. In contrast, cell cycle components active during the G1 phase, such as the cyclins CYD-1 and CYE-1, positively regulate NOTCH signalling in the vulval cells. Thus, cell fate specification via NOTCH signalling is tightly linked to cell cycle progression. I suggest that progression through cell cycle creates temporally different intracellular environments and therefore provides a timer for signalling events to occur during specific developmental phases.
In a second part of this thesis, I show that the gene ttr-11 is a downstream target of NOTCH signalling during Caenorhabditis elegans vulval development. The gene ttr-11 was found in a screen for candidate NOTCH targets and belongs to a large nematode-specific gene family. Only recently, researchers have begun to uncover the function of some ttr genes. Since single mutants in members of this gene family show only a mild or no phenotype at all and because expression levels of individual ttr genes are often low, it is difficult to elucidate the role of ttr genes in nematodes. Different alleles of ttr-11 result in mild but contradictory effects in different mutant backgrounds: In a NOTCH gain-of-function background, wild-type ttr-11 inhibits the NOTCH signal, whereas ttr-11 shows a positive influence on lateral signalling in a background with elevated EGFR/RAS/MAPK signalling. The mild effects of mutated ttr-11 might be explained by partially redundant functions of other ttr-family members. For example, ttr-57 shows high sequence similarity to ttr-11. However, neither ttr-11 ttr-57 double mutants nor ttr-11 overexpression helped to clarify the role of ttr-11 during vulval development. Thus, further experiments, for example by examining the functions of other closely related ttr genes in ttr- 11 mutants, need to be performed to shed light on the function of ttr-11.

Abstract

Zellkommunikation ist eine der wichtigsten Eigenschaften, die im Laufe der Evolution entwickelt worden ist, um vom Einzellstadium zu Organismen, die aus vielen verschiedenen Zellarten bestehen, zu wechseln. Deshalb wurden bereits sehr früh in der Geschichte der Vielzeller Signale erfunden, die von einer Zelle an die andere weitergeleitet werden, und deshalb sind diese Signalwege in Vielzellern stark konserviert. Das NOTCH Signal wird zum Beispiel von Zellen verwendet, die ihre benachbarten Zellen davon abbringen müssen, dasselbe Standard-Zellschicksal wie sie selbst anzunehmen. Beispiele für diese NOTCH-vermittelte laterale Hemmung findet man in der Entwicklung des Eiablage- und Kopulationsorgans von Fadenwürmern und während der Bildung von Nervenzellen in Drosophila. Das NOTCH Signal ist auch bei der Neubildung von Blutgefässen, der Entwicklung von Nervenzellen und der Spezifizierung von T-Zellen im Menschen wichtig.
Der NOTCH-Signaltransduktionsweg kann als eine Art Schalter betrachtet werden, um schnell bestimmte Zellschicksale an- oder auszuschalten. Die spezifische Antwort der Zelle, die ein NOTCH Signal zugesendet bekommt, hängt von ihrer molekularen Zusammensetzung und den vorhandenen Zielfaktoren ab. Obwohl die Kernelemente des NOTCH Signals weitgehend bekannt sind, bleiben viele Zielfaktoren und Modifikatoren des NOTCH-Signaltransduktionsweges ungeklärt.
Im ersten Teil dieser Doktorarbeit beschreibe ich einen neuen Zusammenhang zwischen dem Voranschreiten des Zellzykluses und dem NOTCH Signal in Caenorhabditis elegans: Ein bestimmter CDK/Cyclin Komplex (CDK-1/CYB-3), der während der G2 Phase des Zellzykluses aktiv ist, vermittelt nicht nur den Eintritt in die Mitose, sondern ist auch während des dritten Larvenstadiums für die korrekte Herabregulation des NOTCH Signals in der primären Vulvazelle wichtig. Zellzykluskomponenten, die während der G1 Phase aktiv sind, wie zum Beispiel die Cycline CYD-1 und CYE-1, haben dagegen einen positiven Einfluss auf das NOTCH Signal. Auf diese Weise ist die Spezifizierung von Zellschicksalen mittels des NOTCH- Signaltransduktionsweges eng verknüpft mit dem Voranschreiten des Zellzykluses. Ich schlage deshalb vor, dass das Durchlaufen des Zellzykluses zeitlich gesehen verschiedene intrazelluläre Zusammensetzungen schafft und somit einen Zeitgeber für Signaltransduktionsabläufe während bestimmter Entwicklungsphasen darstellt.
Im zweiten Teil dieser Doktorarbeit zeige ich, dass das Gen ttr-11 ein Zielgen des NOTCH-Signaltransduktionsweges während der Entwicklung der Vulva von Caenorhabditis elegans ist. Das Gen ttr-11 wurde in einem Screen nach Kandidaten für NOTCH-Zielgene identifiziert und gehört zu einer großen Fadenwurm-spezifischen Genfamilie. Erst vor Kurzem haben Forscher begonnen die Funktion von manchen ttr Genen aufzudecken. Da Einzelmutationen in angehörigen Genen dieser Genfamilie nur geringe oder keine phänotypischen Effekte zeigen, und da das Genexpressionslevel von einzelnen ttr Genen oft niedrig ist, ist es schwierig die Aufgaben von ttr Genen in Fadenwürmern aufzuklären. Verschiedene Allele von ttr-11 haben milde aber gegenläufige Auswirkungen in verschiedenen mutanten Hintergründen zur Folge: Das NOTCH Signal von einer NOTCH Gain-of- Function-Mutante wird von wildtypischem ttr-11 gehemmt, wohingegen ttr- 11 in einem mutanten Hintergrund mit erhöhter EGFR/RAS/MAPK- Signaltransduktion einen positiven Einfluss auf das laterale Signal zeigt. Die milden Auswirkungen durch mutiertes ttr-11 könnten durch teilweise redundante Funktionen anderer Mitglieder der ttr Familie erklärt werden. Zum Beispiel zeigt ttr-57 hohe Sequenzähnlichkeit zu ttr-11. Jedoch halfen weder ttr-11 ttr-57 Doppelmutanten noch Überexpression von ttr-11 weiter die Aufgabe von ttr-11 während der Entwicklung der Vulva zu klären. Deshalb müssen weitere Experimente, wie zum Beispiel die Untersuchung der Funktionen von anderen nah verwandten ttr Genen in ttr-11 Mutanten, durchgeführt werden, um Licht ins Dunkel um die Funktion von ttr-11 zu bringen. SUMMARY Communication between cells is one of the most important features established during evolution to switch from a single cell organism to an organism made out of many different cell types. Therefore, signals that are sent from one cell to another have been invented quite early during the history of multicellular organisms and the signalling pathways transducing the signals are highly conserved in metazoans. For example, the NOTCH signal is used by cells to inhibit neighbouring cells from adopting the same, default cell fate. Examples for NOTCH-mediated lateral inhibition are nematode vulval development and Drosophila neurogenesis. NOTCH signalling is also important during human angiogenesis, neuronal development and T cell specification.
The NOTCH signalling pathway can be regarded as a switch used to rapidly turn a specific fate on or off. The specific response of the cell receiving a NOTCH signal depends on the molecular environment and the downstream targets present in the cell. Although the roles of the core components of NOTCH signalling are well known, many downstream targets and modifiers of the NOTCH pathway remain to be elucidated.
In the first part of this thesis, I describe a new connection between cell cycle progression and NOTCH signalling in the nematode Caenorhabditis elegans: One particular CDK/Cyclin complex (CDK-1/CYB-3) that is active during the G2 phase of the cell cycle not only mediates entry into mitosis, but it is also important for proper downregulation of the NOTCH signal in the primary vulval cell of the L3 larva. In contrast, cell cycle components active during the G1 phase, such as the cyclins CYD-1 and CYE-1, positively regulate NOTCH signalling in the vulval cells. Thus, cell fate specification via NOTCH signalling is tightly linked to cell cycle progression. I suggest that progression through cell cycle creates temporally different intracellular environments and therefore provides a timer for signalling events to occur during specific developmental phases.
In a second part of this thesis, I show that the gene ttr-11 is a downstream target of NOTCH signalling during Caenorhabditis elegans vulval development. The gene ttr-11 was found in a screen for candidate NOTCH targets and belongs to a large nematode-specific gene family. Only recently, researchers have begun to uncover the function of some ttr genes. Since single mutants in members of this gene family show only a mild or no phenotype at all and because expression levels of individual ttr genes are often low, it is difficult to elucidate the role of ttr genes in nematodes. Different alleles of ttr-11 result in mild but contradictory effects in different mutant backgrounds: In a NOTCH gain-of-function background, wild-type ttr-11 inhibits the NOTCH signal, whereas ttr-11 shows a positive influence on lateral signalling in a background with elevated EGFR/RAS/MAPK signalling. The mild effects of mutated ttr-11 might be explained by partially redundant functions of other ttr-family members. For example, ttr-57 shows high sequence similarity to ttr-11. However, neither ttr-11 ttr-57 double mutants nor ttr-11 overexpression helped to clarify the role of ttr-11 during vulval development. Thus, further experiments, for example by examining the functions of other closely related ttr genes in ttr- 11 mutants, need to be performed to shed light on the function of ttr-11.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Hajnal Alex
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2013
Deposited On:05 Apr 2019 06:24
Last Modified:15 Apr 2021 15:01
Number of Pages:108
OA Status:Green

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