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Abstract

Cell movements are an important part of animal multicellularity. They can be found in processes of development and body maintenance, as well in wound healing or cancer formation. A group of cells can either move collectively, showing similar cellular behaviour in all cells, or individually and differ in cellular behaviour. Here, I use the model of early fly gastrulation to investigate how cells differ in their cellular behaviour in the context of single cells movements. Mesoderm internalisation in the insect order of flies (Diptera) shows great differences on a cellular level, while the genetics controlling the process are conserved. This sets the stage to study how single, stochastic cell movement differs from collective cell movement. I focused my work primarily on understanding the cellular behaviour of single cell movement. In the midge Chironomus riparius (C. riparius) mesoderm internalisation has been proposed to be facilitated via single cell ingression. My data, focused on the changes on the apical side of presumptive mesodermal cells, validates again that ingression is a salt and pepper like process. Apical constriction is interrupted by bursts of expansion, that differ in their frequency and length between individual cells. The differences in these bursts cause heterogeneous constriction behaviour between cells. I found strong indications that non-uniform junction mobility is the key component for the stochastic process of apical area reduction. The heterogeneous behaviours of junctions can be found intra- and inter-cellular level, going hand in hand with low cell-cell connectivity, first in the pre-gastrulation stage and then continuously during process of mesoderm internalisation. In addition to apical constriction, neighbour exchange is happening in the mesoderm as well as translocation of cells in response to other gastrulating movements happening simultaneously. It was previously shown that the GPCR signalling ligand Folded gastrulation (Fog), has an effect on the mode of mesoderm internalisation. Going into cellular detail I could show that the major effect of fog over expression on the presumptive mesoderm is not a harmonisation of apical constriction between cells. I have evidence that Fog causes a homogenisation of junction behaviour and induces a stronger cell-cell connectivity. This might enhance stiffening of the tissue, causing the cells to internalise collectively rather than individually.

Translation of abstract (German)

Zellbewegungen sind ein wichtiger Bestandteil der Mehrzelligkeit von Tieren. Sie finden sich in Entwicklungs- und Erhaltungsprozessen sowie in der Wundheilung oder Krebsentstehung. Eine Gruppe von Zellen kann sich entweder gemeinsam bewegen, wobei allen Zellen ein ähnliches zelluläres Verhalten zeigen, oder Zellen bewegen sich einzeln und im zellulären Verhalten unterschiedlich. Hier verwende ich das Modell der frühen Fliegengastrulation, um zu untersuchen, wie sich Zellen in ihrem zellulären Verhalten im Kontext von Einzelzellbewegungen unterscheiden. Die Mesoderminternalisierung in der Insektenordnung der Fliegen (Diptera) zeigt große Unterschiede auf zellulärer Ebene, während die den Prozess steuernde Genetik konserviert ist. Dies schafft die Voraussetzungen, um zu untersuchen, wie sich die stochastische Bewegung einzelner Zellen von der kollektiven Bewegung vieler Zellen unterscheidet. Ich konzentrierte meine Arbeit hauptsächlich auf das Verständnis des zellulären Verhaltens der Bewegung einzelner Zellen. Es wird angenommen, dass die Mesoderminternalisierung in der Mücke Chironomus riparius (C. riparius) durch das Einwandern einzelner Zellen erreicht wird. Meine Daten, die sich auf die Veränderungen der apikalen Seite von mesodermalen Zellen konzentrieren, bestätigen erneut, dass das Eindringen ein salz- und pfefferähnlicher Prozess ist. Die apikale Verengung wird durch Expansionsschübe unterbrochen, die sich in ihrer Häufigkeit und Länge zwischen einzelnen Zellen unterscheiden. Die Unterschiede in diesen Expansionsschübe verursachen ein heterogenes Verengungsverhalten zwischen Zellen. Ich fand starke Hinweise darauf, dass eine ungleichmäßige Mobilität der Zell-Zell-Verbindungen die Schlüsselkomponente für den stochastischen Prozess der Reduzierung der apikalen Fläche ist. Das heterogene Verhalten von Zellseiten kann auf intra- und interzellulärer Ebene festgestellt werden, was mit einer geringen Zell-Zell-Konnektivität einhergeht, zuerst in der Vorgastrulationsphase und dann kontinuierlich während des Prozesses der Mesoderminternalisierung. Zusätzlich zur apikalen Verengung findet ein Nachbaraustausch im Mesoderm sowie eine Translokation von Zellen als Reaktion auf andere gleichzeitig stattfindende Gastrulationsbewegungen statt. Es wurde zuvor gezeigt, dass der GPCR-Signalligand Folded Gastrulation (Fog) einen Einfluss auf die Art der Mesoderminternalisierung hat. Im zellulären Detail konnte ich zeigen, dass der Haupteffekt von Fog nicht darin besteht eine Harmonisierung der apikalen Verengung zwischen Zellen ist hervorzurufen. Ich habe Hinweise darauf, dass Fog eine Homogenisierung des Zellseiten verursacht und eine stärkere Zell-Zell-Konnektivität induziert. Dies könnte die Versteifung des Gewebes verbessern und dazu führen, dass die Zellen kollektiv und nicht einzeln einwandern.