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Entwicklungsgenetische Analyse der Differenzierungsprozesse im viszeralen Mesoderm von Drosophila melanogaster

Wolfstetter, Georg Josef Franz


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URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-90350
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2012/9035/

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Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Allgemeine und Spezielle Zoologie, Allgemeine Zoologie und Entwicklungsbiologie
Fachgebiet: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.10.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 26.10.2012
Kurzfassung auf Deutsch: Der larvale Mitteldarm der Taufliege Drosophila melanogaster wird während der
Embryonalentwicklung gebildet und besteht aus dem entodermalen Darmepithel, der viszeralen Muskulatur sowie der dazwischen liegenden extrazellulären Matrix (ECM). Bisherige Studien zur Mitteldarmentwicklung konzentrierten sich vor allem auf die Rolle der viszeralen Muskulatur, mögliche Einflüsse des Entoderms und der ECM wurden dagegen kaum untersucht.
Mit Hilfe des Allels 3B1-038, das aufgrund eines charakteristischen viszeralen Phänotyps identifiziert wurde (Stute et al., 2004), konnten diese Aspekte nun erstmals analysiert werden. Die Komplementationsanalyse von 3B1-038 offenbart zwei unabhängige Mutationen auf dem betroffenen Chromosom, die sich beide auf die viszerale Muskeldifferenzierung auswirken. In Anlehnung an die charakteristischen viszeralen Phänotypen wurden die entsprechenden Allele
„gürtelchen“ (gurt) und „knödel“ (knod) genannt.
Die morphologische Analyse von gurt enthüllt weder Defekte während der Frühentwicklung des viszeralen Mesoderms noch während der Myoblastenfusion. Allerdings unterbleibt die Streckung der viszeralen Myotuben während der späteren Myogenese. Weitere Analysen decken den Verlust der Mitteldarmzellen in mutanten Embryonen auf, was schließlich zur Identifikation von gurt als
Allel der entodermalen Determinante huckebein (hkb) führt. Interessanterweise werden charakteristische Streckungsdefekte in der viszeralen Muskulatur auch durch Mutationen in anderen entodermalen Selektorgenen hervorgerufen, was einen bislang unbekannten Einfluss des Entoderms auf die viszerale Muskeldifferenzierung aufdeckt.
Durch die Identifizierung des viszeralen Allels knödel als neues Null-Allel des LamininB2 (LanB2)-Gens, konnte darüber hinaus der Einfluss der ECM auf die Mitteldarmentwicklung untersucht werden. Der Verlust von LanB2 beeinträchtigt die extrazelluläre Verteilung von anderen ECM-Komponenten und verhindert die Bildung einer Basallamina (BM). In mutanten Embryonen kommt es außerdem zur Fehlentwicklung des Mitteldarms, des Herzens, des Nervensystems, der Tracheen, der Körpermuskulatur und des Fettkörpers. Im Zuge der Mitteldarmentwicklung beeinflusst Laminin die gerichtete Migration von Entoderm und longitudinalen Muskelgründerzellen. In späteren Stadien kommt es zum Verlust der epithelialen
Polarität in den Entodermzellen, zu Streckungsdefekten in den viszeralen Myotuben und zur abnormalen Entwicklung der Magenblindsäcke und der Cardia. Das Drosophila-Genom kodiert für vier Lamininuntereinheiten, die sich zu zwei unterschiedlichen Heterotrimeren zusammenlagern. Die hier durchgeführten Experimente legen nahe, dass beide Trimere während der Mitteldarmentwicklung wirken und unterschiedliche Rollen während des Zusammenbaus der
Basallamina und der Gewebeadhäsion übernehmen. Weitere Analysen decken eine genetische Interaktion zwischen LanB2 und dem NG2/CSPG4-verwandten kon-tiki (kon) sowie Thrombospondin TSP) in der somatischen Muskulatur auf, was auf eine Funktion von Laminin während der Muskelanheftung und dem Erhalt der Muskulatur hindeutet.
Kurzfassung auf Englisch: The larval midgut of the fruit fly Drosophila melanogaster is established during embryogenesis and consists of an inner endodermal epithelium and the visceral musculature, both embedded in the extracellular matrix (ECM). Previous studies provided detailed insights into the “mesodermal aspects” of midgut development while possible influences from the endoderm and the ECM have
been barely investigated.
To address this point I analysed the allele 3B1-038 which had been identified due to a characteristic visceral phenotype (Stute et al., 2004). Deficiency mapping uncovers two independent mutations on the affected chromosome, that both impair visceral muscle differentiation. According to their distinct visceral phenotypes, the corresponding alleles were named “gürtelchen” (gurt) and “knödel” (knod).
Further analysis of gurt mutant embryos reveals that early visceral mesoderm development and myoblast fusion appear unaffected. However, at the end of embryogenesis visceral myotube elongation is completely blocked and two belt-shaped muscle strands flank the central yolk.
Examination of the endoderm development uncovers the complete loss of midgut cells in mutant embryos. gurt is finally identified as novel allele of the terminal gap gene huckebein (hkb) which
is pivotal for endoderm determination. Interestingly, visceral muscle differentiation is also impaired in the absence of other endodermal selector genes. These results enlighten a previously unconsidered aspect of visceral muscle development.
Investigating a role of the ECM during midgut development I took advantage of the knödel (knod)allele that turned out to be a novel null mutation in the LamininB2 (LanB2) gene. The loss of LamininB2 affects extracellular deposition of other ECM-components and induces the breakdown of basement membranes (BM). As further consequence, LanB2 mutant embryos exhibit phenotypes in a wide range of tissues including midgut, heart, trachea, nervous system, fat body
and somatic musculature. The visceral phenotype is characterized by defects during endoderm migration, midgut epithelium formation, guided migration and stretching of visceral myotubes as well as an abnormal morphology of gastric caeca and cardia. The Drosophila genome encodes for four laminin subunits that self-assemble into two distinct heterotrimers. Comparative analyses
reveal a redundant function of both trimers during midgut development but also their individual roles during BM self-assembly and tissue adhesion. Finally, LanB2 interacts genetically with the NG2/CSPG4-homolog kon-tiki and Thrombospondin in the somatic musculature, indicating an influence of laminin on muscle attachment and maintenance of muscle tendon sites.
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