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Imaging mass spectrometry of the Drosophila melanogaster wing imaginal disc


Marty, Florian. Imaging mass spectrometry of the Drosophila melanogaster wing imaginal disc. 2014, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Summary The development of an entire organism from a single fertilized egg cell is a fascinating process. To generate a complex organism such as the fruit fly Drosophila melanogaster tight control mechanisms are needed. Establishing the overall body plan around major axes helps to govern and control development. The organism, and by extension all major organs are organized by the same coordinate system: anterior-posterior (A/P) and dorsal-ventral (D/V). In Drosophila melanogaster this phenomenon has been extensively studied using the wing primordia as a model system. The so-called wing imaginal disc is patterned along the anterior-posterior axis by restricted activity of the selector gene engrailed (en), which is expressed only in posterior cells. Along the dorsal-ventral axis dorsal identity is specified by the selector gene apterous, which is restricted to dorsal cells. In addition to these classical axes, the wing imaginal disc is further subdivided by non-classical boundaries. These boundaries are often visible as morphological features such as tissue folds. A prominent example is the division between future body wall and wing blade (B/W). Although the mechanism of compartment boundary formation has been extensively studied genetically, much remains to be discovered. In particular, the role of small molecules has not yet been investigated. In this work, we analyzed third instar wing imaginal discs with time of flight secondary ion imaging mass spectrometry (ToF-SIMS-MSI) to reveal the spatial distribution of small molecules on the tissue. Their co-localization to classical and non-classical compartments was verified with overlay images of green fluorescence-labeled (GFP) posterior compartment or co-registration with morphological features. Coherent anti-stokes Raman spectroscopy was applied to define the class of molecules observed. Unambiguous identification of molecules with distinctive spatial distributions was achieved generating a lipid catalogue of the wing imaginal disc. Comparison of the ToF-SIMS data with this catalogue and published literature lead to the identification of several lipids. These may have a function in formation and maintenance of the compartment boundaries in the wing imaginal disc. Additionally, two methods were developed to facilitate the interpretation of distorted imaging mass spectrometry data sets. Multiple collaborations were set up to perform the experiments herein: ToF-SIMS-MSI in positive and negative ion mode showed differential distribution of small molecules on the wing imaginal disc Developing two image correction algorithms improved interpretation of partially distorted data sets Co-localization of principle components (PCs) with GFP marked compartments (hh-Gal4-UAS-CD8-GFP) and morphological features revealed that small molecules are respecting classical and non-classical compartment boundaries Coherent anti-Stokes Raman Spectroscopy (CARS) micro spectroscopy indicated that lipids are differentially distributed within the wing imaginal disc with a relative higher content in the wing blade region compared to the body wall region Investigating the ToF-SIMS spectra allowed us to tentatively assign several diacylglycerols to be more abundant in the wing blade region Generating lipid catalogues of wing imaginal discs enabled us to strengthen these assignments Currently, we are in the process of further analyzing the wing imaginal disc with high end imaging mass spectrometry tools, in order to validate our previous findings.
The workflow in regard to the results presented herein opens up an entire new field in developmental biology. Future research will aim at clarifying the biological functions of molecules identified in this study. Zusammenfassung Die Entstehung eines Lebewesens aus einer einzelnen befruchteten Eizelle ist ein faszinierender Prozess. Um einen komplexen Organismus wie die Fruchtfliege Drosophila melanogaster zu generieren sind exakte Kontrollmechanismen nötig. Die Entwicklung des Körperplans mittels bedeutender Körperachsen hilft dabei die Entstehung zu steuern und zu kontrollieren. Hauptsächlich werden hierbei die antero-posteriore und dorsale-ventrale Achse unterschieden. Zusätzlich zum Gesamtorganismus sind die Hauptorgane ebenfalls anhand desselben Koordinatensystems organisiert. In Drosophila melanogaster wurde dieses Phänomen beispielsweise extensiv ausführlich am Vorläuferorgan des Flügels studiert. Die sogenannte Flügelimaginalscheibe ist in der antero-posterioren Achse durch die selektive Expression des Selektorgens engrailed strukturiert,, welches ausschliesslich in den posterioren Zellen exprimiert wird. In der dorso-ventralen Achse ist das Selektorgen apterous für die Organisation der dorsalen und ventralen Zellen zuständig. Die Expression von apterous ist hierbei ausschliesslich in dorsalen Zellen nachweisbar. Zusätzlich zu diesen klassischen Kompartimentsgrenzen ist die Flügelimaginalscheibe durch nicht-klassische Grenzen substrukturiert. Diese nicht-klassischen Grenzen sind meist durch morphologische Merkmale, wie beispielsweise Gewebefaltungen, sichtbar. Hierzu zählt vor allem die Unterteilung von zukünftigem Körpergewebe und dem zukünftigen Flügelblatt (B/W). Die oben aufgeführten Beispiele verdeutlichen, dass zur Entstehung von Kompartimentsgrenzen auf dem genetischen Level bereits viel erforscht wurde. Bisher wurde jedoch der gesamte Fundus von niedermolekularen Stoffen nicht analysiert. Daher untersuchten wir in dieser Arbeit mittels bildgebender Flugzeit sekundär Ionen Massenspektrometrie (ToF SIMS MSI), wie niedermolekulare Stoffe auf der Oberfläche der Flügelimaginalscheibe verteilt sind. Die Lokalisation entlang der klassischen und nicht- klassischen Grenzen wurde durch das Überlappen von fluoreszenz-markiertem posterioren Kompartiment und der Co-Registration anhand morphologischer Merkmale überprüft. Um die Identität der niedermolekularen Stoffe weiter einzugrenzen, wurde kohärente anti- Stokes Raman-Spektroskopie angewandt. Zur vorläufigen Identifikation der Stoffe, die lokal differentiell lokalisiert sind, wurde ein Katalog von Lipiden der Flügelimaginalscheibe generiert. Dieser Katalog wurde dann unter Einbezug der Literatur mit den ToF-SIMS MSI Daten verglichen. Zusätzlich wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Algorithmen entwickelt, die Aussagekraft verzerrter Bilder verbessern. Durch mehrere internationale Kooperationen konnten folgende Resultate erzielt werden: ToF-SIMS-MSI in positivem und negativem Ionisationsmodus zeigte, dass niedermolekulare Stoffe differentiell auf der Flügelimaginalscheibe verteilt sind Die Entwicklung zweier Bildkorrekturalgorithmen ermöglicht es partiell verzerrte Bilder zu rekonstruieren und interpretieren Hauptkomponenten (PCs) wurden mit markierten Kompartimenten (hh- Gal4-UAS-CD8-GFP) und morphologischen Merkmalen abgeglichen und konnten aufzeigen, dass niedermolekulare Stoffe die klassischen und nicht-klassischen Grenzen respektieren. CARS spektrale Mikroskopie weist darauf hin, dass Lipide in unterschiedlicher Anzahl zwischen dem zukünftigen Körpergewebe und dem Flügelblatt vorkommen. Bezeichnenderweise treten Lipide hierbei häufiger im Flügelblatt auf. Analyse der ToF-SIMS Spektren in Kombination mit Literaturrecherche führte zur Identifikation von unterschiedlichen Diacylglycerolen, die im Flügelblatt gehäuft auftreten Ein selbst erstellter Lipidkatalog der Flügelimaginalscheibe ermöglichte es uns die Identifikation der Diacylglycerole zu verbessern. Mittels neuartigen bildgebenden massenspektrometrischen Methoden analysieren wir zur Zeit Imaginalscheiben., um unsere Ergebnisse zu validieren.
Der hier präsentierte Workflow in Bezug auf die von uns erzielten Resultate eröffnet ein vollkommen neues Forschungsfeld in der Entwicklungsbiologie. Die nachfolgende Herausforderung wird es nun sein, die biologischen Funktionen der von uns identifizierten Moleküle herauszufinden

Abstract

Summary The development of an entire organism from a single fertilized egg cell is a fascinating process. To generate a complex organism such as the fruit fly Drosophila melanogaster tight control mechanisms are needed. Establishing the overall body plan around major axes helps to govern and control development. The organism, and by extension all major organs are organized by the same coordinate system: anterior-posterior (A/P) and dorsal-ventral (D/V). In Drosophila melanogaster this phenomenon has been extensively studied using the wing primordia as a model system. The so-called wing imaginal disc is patterned along the anterior-posterior axis by restricted activity of the selector gene engrailed (en), which is expressed only in posterior cells. Along the dorsal-ventral axis dorsal identity is specified by the selector gene apterous, which is restricted to dorsal cells. In addition to these classical axes, the wing imaginal disc is further subdivided by non-classical boundaries. These boundaries are often visible as morphological features such as tissue folds. A prominent example is the division between future body wall and wing blade (B/W). Although the mechanism of compartment boundary formation has been extensively studied genetically, much remains to be discovered. In particular, the role of small molecules has not yet been investigated. In this work, we analyzed third instar wing imaginal discs with time of flight secondary ion imaging mass spectrometry (ToF-SIMS-MSI) to reveal the spatial distribution of small molecules on the tissue. Their co-localization to classical and non-classical compartments was verified with overlay images of green fluorescence-labeled (GFP) posterior compartment or co-registration with morphological features. Coherent anti-stokes Raman spectroscopy was applied to define the class of molecules observed. Unambiguous identification of molecules with distinctive spatial distributions was achieved generating a lipid catalogue of the wing imaginal disc. Comparison of the ToF-SIMS data with this catalogue and published literature lead to the identification of several lipids. These may have a function in formation and maintenance of the compartment boundaries in the wing imaginal disc. Additionally, two methods were developed to facilitate the interpretation of distorted imaging mass spectrometry data sets. Multiple collaborations were set up to perform the experiments herein: ToF-SIMS-MSI in positive and negative ion mode showed differential distribution of small molecules on the wing imaginal disc Developing two image correction algorithms improved interpretation of partially distorted data sets Co-localization of principle components (PCs) with GFP marked compartments (hh-Gal4-UAS-CD8-GFP) and morphological features revealed that small molecules are respecting classical and non-classical compartment boundaries Coherent anti-Stokes Raman Spectroscopy (CARS) micro spectroscopy indicated that lipids are differentially distributed within the wing imaginal disc with a relative higher content in the wing blade region compared to the body wall region Investigating the ToF-SIMS spectra allowed us to tentatively assign several diacylglycerols to be more abundant in the wing blade region Generating lipid catalogues of wing imaginal discs enabled us to strengthen these assignments Currently, we are in the process of further analyzing the wing imaginal disc with high end imaging mass spectrometry tools, in order to validate our previous findings.
The workflow in regard to the results presented herein opens up an entire new field in developmental biology. Future research will aim at clarifying the biological functions of molecules identified in this study. Zusammenfassung Die Entstehung eines Lebewesens aus einer einzelnen befruchteten Eizelle ist ein faszinierender Prozess. Um einen komplexen Organismus wie die Fruchtfliege Drosophila melanogaster zu generieren sind exakte Kontrollmechanismen nötig. Die Entwicklung des Körperplans mittels bedeutender Körperachsen hilft dabei die Entstehung zu steuern und zu kontrollieren. Hauptsächlich werden hierbei die antero-posteriore und dorsale-ventrale Achse unterschieden. Zusätzlich zum Gesamtorganismus sind die Hauptorgane ebenfalls anhand desselben Koordinatensystems organisiert. In Drosophila melanogaster wurde dieses Phänomen beispielsweise extensiv ausführlich am Vorläuferorgan des Flügels studiert. Die sogenannte Flügelimaginalscheibe ist in der antero-posterioren Achse durch die selektive Expression des Selektorgens engrailed strukturiert,, welches ausschliesslich in den posterioren Zellen exprimiert wird. In der dorso-ventralen Achse ist das Selektorgen apterous für die Organisation der dorsalen und ventralen Zellen zuständig. Die Expression von apterous ist hierbei ausschliesslich in dorsalen Zellen nachweisbar. Zusätzlich zu diesen klassischen Kompartimentsgrenzen ist die Flügelimaginalscheibe durch nicht-klassische Grenzen substrukturiert. Diese nicht-klassischen Grenzen sind meist durch morphologische Merkmale, wie beispielsweise Gewebefaltungen, sichtbar. Hierzu zählt vor allem die Unterteilung von zukünftigem Körpergewebe und dem zukünftigen Flügelblatt (B/W). Die oben aufgeführten Beispiele verdeutlichen, dass zur Entstehung von Kompartimentsgrenzen auf dem genetischen Level bereits viel erforscht wurde. Bisher wurde jedoch der gesamte Fundus von niedermolekularen Stoffen nicht analysiert. Daher untersuchten wir in dieser Arbeit mittels bildgebender Flugzeit sekundär Ionen Massenspektrometrie (ToF SIMS MSI), wie niedermolekulare Stoffe auf der Oberfläche der Flügelimaginalscheibe verteilt sind. Die Lokalisation entlang der klassischen und nicht- klassischen Grenzen wurde durch das Überlappen von fluoreszenz-markiertem posterioren Kompartiment und der Co-Registration anhand morphologischer Merkmale überprüft. Um die Identität der niedermolekularen Stoffe weiter einzugrenzen, wurde kohärente anti- Stokes Raman-Spektroskopie angewandt. Zur vorläufigen Identifikation der Stoffe, die lokal differentiell lokalisiert sind, wurde ein Katalog von Lipiden der Flügelimaginalscheibe generiert. Dieser Katalog wurde dann unter Einbezug der Literatur mit den ToF-SIMS MSI Daten verglichen. Zusätzlich wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Algorithmen entwickelt, die Aussagekraft verzerrter Bilder verbessern. Durch mehrere internationale Kooperationen konnten folgende Resultate erzielt werden: ToF-SIMS-MSI in positivem und negativem Ionisationsmodus zeigte, dass niedermolekulare Stoffe differentiell auf der Flügelimaginalscheibe verteilt sind Die Entwicklung zweier Bildkorrekturalgorithmen ermöglicht es partiell verzerrte Bilder zu rekonstruieren und interpretieren Hauptkomponenten (PCs) wurden mit markierten Kompartimenten (hh- Gal4-UAS-CD8-GFP) und morphologischen Merkmalen abgeglichen und konnten aufzeigen, dass niedermolekulare Stoffe die klassischen und nicht-klassischen Grenzen respektieren. CARS spektrale Mikroskopie weist darauf hin, dass Lipide in unterschiedlicher Anzahl zwischen dem zukünftigen Körpergewebe und dem Flügelblatt vorkommen. Bezeichnenderweise treten Lipide hierbei häufiger im Flügelblatt auf. Analyse der ToF-SIMS Spektren in Kombination mit Literaturrecherche führte zur Identifikation von unterschiedlichen Diacylglycerolen, die im Flügelblatt gehäuft auftreten Ein selbst erstellter Lipidkatalog der Flügelimaginalscheibe ermöglichte es uns die Identifikation der Diacylglycerole zu verbessern. Mittels neuartigen bildgebenden massenspektrometrischen Methoden analysieren wir zur Zeit Imaginalscheiben., um unsere Ergebnisse zu validieren.
Der hier präsentierte Workflow in Bezug auf die von uns erzielten Resultate eröffnet ein vollkommen neues Forschungsfeld in der Entwicklungsbiologie. Die nachfolgende Herausforderung wird es nun sein, die biologischen Funktionen der von uns identifizierten Moleküle herauszufinden

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Basler Konrad, Brunner Erich
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2014
Deposited On:04 Apr 2019 06:14
Last Modified:25 Sep 2019 00:14
Number of Pages:76
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod010335196&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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