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Molecular Factors of Nematocyst Morphogenesis and Discharge in the Freshwater Polyp Hydra

Beckmann, Anna

German Title: Molekulare Faktoren der Nematocysten Morphogenese und Entladung in dem Süßwasserpolypen Hydra

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Abstract

Stinging cells or nematocytes are specialized cells that are unique to Cnidarians. They contain a highly sophisticated organelle, the nematocyst, used for locomotion, defence and capture of prey. The proteome of the nematocyst has provided unique insights into its molecular organisation. The goal of my thesis was to investigate novel molecular factors involved in aspects of nematocyst morphogenesis, structure and function. A critical part of nematocyst morphogenesis is the initiation of tubule formation by a constriction of the Golgi vesicle membrane. Nematomyosin, a newly identified non-muscle myosin type II, in the present thesis is shown to localize to a collar around the outgrowing tubule indicating an essential role in this process. Blocking of myosin II activity by Blebbistatin leads to malformed nematocyst vesicles. Tubule size control is probably facilitated by a PKD2 channel, shown to be active at the point of maximal tubule outgrowth. The nematocyst structure has been characterized by stiff and tear-resistant minicollagens, although the discharge process is accompanied by extreme volume changes of the capsule. Here, I have characterized the novel elastic protein Cnidoin that shares structural homology with the spider silk protein Spidroin-2. Cnidoin is expressed in developing nematocytes and locates to wall and tubule structures. Recombinant Cnidoin showed a high tendency to aggregate and to form linear fibres. Cnidoin thus behaves as a typical elastic protein. Being an integral part of the mature nematocyst it could provide the molecular basis for the energy stored that is released in the ultrafast discharge process. The discharge of nematocysts is triggered by chemical and mechanical stimuli that are detected by the cnidocil at the apical end of the nematocyte. The cnidocil is surrounded by a set of stereocilia, providing a similar arrangement as vertebrate hair cells. A newly identified calcium channel of the TrpA family is shown to locate to stereocilia of the Hydra cnidocil apparatus. The protein can be visualized by immunostainings during developmental stages as well as in mature capsules and thus represents a candidate for mechanosensation during discharge. Nematocalcin, a penta-EF-hand protein, was also located to the stereocilia, but at a more basal position than TrpA, where it might act as a modulatory factor associated with the mechanosensory apparatus.

Translation of abstract (German)

Nesselzellen oder Nematocyten sind spezialisierte Zellen, die nur bei den Cnidariern vorkommen. Sie besitzen eine hochentwickelte Organelle, die Nematocyste, die zur Fortbewegung, zur Abwehr und zum Beutefang eingesetzt wird. Das Proteom der Nematocyste lieferte einzigartige Einblicke in deren molekulare Organisation. Das Ziel meiner Doktorarbeit war es neue molekulare Faktoren, die an Prozessen der Nematocysten Morphogenese, Struktur und Funktion beteiligt sind, zu untersuchen. Ein wichtiger Punkt der Nematocysten Morphogenese ist die Ausbildung des Schlauches durch ein Zusammenziehen der Golgivesikel-Membran. Nematomyosin, ein in dieser Arbeit neu identifiziertes Nicht-Muskel Myosin der Klasse II, ist in einem Kragen um den auswachsenden Schlauch herum angeordnet. Dies deutet auf eine essentielle Rolle von Nematomyosin bei diesem Prozess hin. Die Hemmung der Myosin II Aktivität durch Blebbistatin führt zu deformierten Kapselvesikeln. Die Kontrolle der Schlauchlänge wird wahrscheinlich durch einen PKD2 Kanal vermittelt, der zum Zeitpunkt der maximalen Schlauchausdehnung aktiv ist. Charakteristisch für die Struktur der Nematocysten sind die starren und reißfesten Minikollagen, der Entladungsprozess wird jedoch von ausgeprägten Volumenänderungen der Kapsel begleitet. In der vorliegenden Arbeit habe ich das neue elastische Protein Cnidoin untersucht, das strukturelle Ähnlichkeit zu dem Spinnenseidenprotein Spidroin-2 besitzt. Cnidoin wird während der Entwicklung der Nematocysten exprimiert, das Protein befindet sich in der Kapselwand und im Schlauch. Rekombinantes Cnidoin zeigt eine hohe Tendenz sich zusammenzulagern und Fäden auszubilden. Cnidoin verhält sich wie ein typisch elastisches Protein. Da es ein wesentlicher Bestandteil von reifen Nematocysten ist, könnte es die molekulare Grundlage für mechanisch gespeicherte Energie bilden, die im Entladungsprozess sehr schnell freigesetzt wird. Die Entladung von Nematocysten wird durch chemische und mechanische Reize ausgelöst, die durch das Cnidocil am apikalen Ende der Nematocyte detektiert werden. Das Cnidocil wird von mehreren Stereocilien umgeben, ähnlich der Struktur von Haarzellen bei Wirbeltieren. Ein neu identifizierter Calciumkanal der TrpA-Familie konnte in den Stereocilien des Cnidocilapparates nachgewiesen werden. Das Protein konnte mit Hilfe von Antikörperfärbungen sowohl während der Entwicklungsphasen als auch in reifen Nesselzellen nachgewiesen werden. Daher ist es wahrscheinlich, dass TrpA als Mechanosensor eine essentielle Rolle für die Kapselentladung spielt. Das Penta-EF-Hand Protein Nematocalcin ist ebenfalls in den Stereocilien zu finden, allerdings an einer basaleren Position als TrpA. Es könnte als modulierender Faktor mit dem mechanosensorischen Apparat assoziiert sein.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Özbek, PD Dr. Suat
Date of thesis defense: 3 December 2013
Date Deposited: 19 Dec 2013 08:53
Date: 2013
Faculties / Institutes: Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
570 Life sciences
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