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Development and molecular characterization of adult and larval eyes in Platynereis dumerilii (Polychaeta, Annelida, Lophotrochozoa)

Guy, Keren

German Title: Entwicklung und molekulare Charakterisierung der Erwachsenen-und Larvalaugen in Platynereis dumerilii (Polychaeta, Annelida, Lophotrochozoa)

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Abstract

The annelid worm Platynereis dumerilii (Lophotrochozoa) exhibits ancestral developmental, body plan and genomic characteristics and possesses two types of eyes: adult pigment cup eyes and larval two-celled eyes. Platynereis therefore represents a useful model organism for the study of eye evolution in annelids. My research goal has been to characterize the differentiating Platynereis adult and larval eyes on the molecular level in order to explore the evolutionary history of these two types of eyes and their cell types: rhabdomeric photoreceptor cells (rPRCs) and pigment cells (PCs). This aim has been addressed by using the ‘molecular fingerprint’ (MFP) approach for the comparative study of cell types. I first identified specific molecular markers for each of the cell types in both types of eyes. These were then used to establish a comprehensive MFP of these cell types that included both effectors genes (differentiation genes expressed in eye and neuronal cell types) and transcription factors which play a role in eye and neuronal specification. This was achieved by means of gene expression studies, using wholemount double in-situ hybridization and 3D in-silico alignments. The data obtained reveal that Platynereis adult and larval eyes are composed of six cell types, based on MFP comparisons: adult eyes ventral and dorsal rPRCs, adult eyes ventral and dorsal PCs, larval eye rPRCs and larval eye pigment cells. The distribution of the adult rPRCs and PCs into two (ventral and dorsal) cell types relates to the fact that Platynereis develops two pairs of adult eyes that appear to differ in terms of their molecular regulation. It also revealed that many transcription factors regulating eye development in Drosophila and/or vertebrates are also expressed in the differentiating Platynereis eyes. Surprisingly, some of these are adult eye-specific and some are larval eyespecific, meaning that the adult and larval eyes of Platynereis show a distinct MFP, corroborating that they represent different types of eyes. On the other hand, some shared effector genes were identified between the rPRCs and PCs of the adult eyes, as well as of the larval eyes. This finding implicates that the rPRCs and PCs of Platynereis are sister cell types that can be traced back to a single ancestral multifunctional cell type precursor. Hierarchical clustering analysis based on the MFP results mirrors the ‘phylogeny’ of the different eyes cell types, in which the larval eyes cell types cluster together as do the two types of adult eyes rPRCs and PCs. In order to gain more insight into the developmental regulation of both eyes in Platynereis, I chose to assess the role of the conserved hedgehog (Hh) signaling pathway in Platynereis eye development. By using the antagonist cyclopamine to inhibit the hedgehog pathway in Platynereis embryos, I found out that Platynereis Hh pathway plays a role in adult but not in larval eye development. This adds another key distinction between the adult and larval eyes of Platynereis. These results support the view that annelid eyes originated from one multifunctional single cell prototype eye that bore characteristics of both PRCs and PCs. It was first duplicated to give rise to adult and larval eye precursors to then diversify into the PRCs and PCs present in today’s annelid eyes.

Translation of abstract (German)

Der Annelid Platynereis dumerilii (Nereididae, Annelida, Lophotrochozoa) ist durch zahlreiche evolutiv alte Merkmale, wie seine Entwicklung, seinen Bauplan und ein ursprüngliches Geninventar gekennzeichnet. Er besitzt zwei verschiedene Augentypen: die adulten Pigmentbecheraugen und zweizellige Larvalaugen. Daher ist Platynereis ein geeigneter Modellorganismus, um die Evolution von Augen in Anneliden zu untersuchen. Das Ziel meiner Arbeit ist die molekulare Charakterisierung der Differenzierung der Laval- und Adultaugen von Platynereis, um die Evolution dieser beiden Augentypen und ihrer Zelltypen – rhabdomere Photorezeptorzellen und Pigmentzellen – zu verstehen. Zur vergleichenden Analyse der Zelltypen habe ich die Methode des Vergleichs von molekularen Fingerabdrücken genutzt. Dazu habe ich zunächst spezifische molekulare Marker für jeden der Zelltypen in den Laval- und Adultaugen identifiziert und damit anschließend eine umfassende Analyse des molekularen Fingerabdrucks dieser Zelltypen vorgenommen. In diese Analyse sind sowohl Differenzierungsgene als auch Transkriptionsfaktoren, die in den Augen und neuronalen Zellen expremiert werden, mit einbezogen worden. Die Expression dieser Gene habe ich mit Hilfe der Whole-mount-doppel-in-Situ-Hybridisierung und der 3D-in-silico-Alinierungstechnik untersucht. Die Auswertung des molekularen Fingerabdrucks hat ergeben, dass die Laval- und die frühen Adultaugen von Platynereis aus sechs Zelltypen zusammengesetzt sind: den ventralen und dorsalen rhabdomeren Photorezeptorzellen der Adultaugen, den ventralen und dorsalen Pigmentzellen der Adultaugen, den larvalen rhabdomeren Photorezeptorzellen und den larvalen Augenpigmentzellen. Die Aufteilung der rhabdomeren Photorezeptorzellen und der Pigmentzellen der Adultaugen in ventrale und dorsale Zelltypen ist auf die Bildung von zwei Paar Adultaugen zurückzuführen, die sich in ihrer molekularen Regulierung unterscheiden. In meiner Arbeit konnte ich zeigen, dass zahlreiche Transkriptionfaktoren, die die Augenentwicklung in Drosophila melanogaster und Vertebraten regulieren, auch in den sich differenzierenden Augen von Platynereis expremiert werden. Überraschenderweise handelt es sich dabei sowohl um adultaugenspezifische als auch um lavalaugenspezifische Gene, was zu der Schlussfolgerung führt, dass die Adultund Larvalaugen von Platynereis unterschiedliche molekulare Fingerabdrücke haben. Damit wird die Annahme unterstützt, dass es sich um unterschiedliche Augentypen handelt. Andererseits konnte ich auch Differenzierungsgene identifizieren, die sowohl in den rhabdomeren Phororezeptorzellen als auch in den Pigmentzellen der Adultaugen expremiert werden bzw. von beiden Zelltypen im Larvalauge expremiert werden. Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass es sich bei den rhabdomeren Photorezeptorzellen und Pigmentzellen von Platynereis um Schwesterzelltypen handelt, deren gemeinsamer Ursprung eine multifunktionelle Augenvorläuferzelle war. Eine hierarchische Clusteranalyse, die auf den Ergebnissen des molekularen Fingerabdrucks beruht, spiegelt die “Phylogenie“ der verschiedenen Augenzelltypen wieder. Die Zelltypen der Larvalaugen bilden die eine Gruppe des Clusters. Innerhalb der anderen Gruppe, die alle Zellen der Adultaugen umfasst, bilden die ventralen und dorsalen rhabdomeren Photorezeptorzellen eine Gruppe, eine weitere setzt sich aus den ventralen und dorsalen Pigmentzellen zusammen. Um mehr über die (differenzielle) Entwicklung der Augen von Platynereis zu erfahren, habe ich den Einfluss der konservierten Hedgehog (Hh)-Signal-Kaskade auf die Augenentwicklung von Platynereis untersucht. Experimente mit Cyclopamin, einem Antagonisten der Hh-Signal-Kaskade, zeigten, dass Hh zwar die Entwicklung der Adultaugen, nicht aber die der Larvalaugen beeinflusst. Damit konnte ich einen weiteren grundlegenden Unterschied zwischen den beiden Augentypen von Platynereis aufzeigen. Die Ergebnisse unterstützen die Auffassung, dass die Augen von Anneliden von einem einzelnen multifunktionellen Augenvorläuferzelltyp abstammen, der sowohl Merkmale der Photorezeptorzellen als auch der Pigmentzellen aufwies. Dieser Vorläufer wurde im Lauf der Evolution zunächst dupliziert und differenzierte später in Adult- und Larvalaugenvorläufer, die dann zu den Photorezeptorzellen und Pigmentzellen wurden, wie sie aus rezenten Anneliden bekannt sind.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jan Ellenberg, Dr.
Date of thesis defense: 2. December 2008
Date Deposited: 01. Apr 2009 11:44
Date: 2008
Faculties / Institutes: Service facilities > Centre for Organismal Studies Heidelberg (COS)
Service facilities > European Molecular Biology Laboratory (EMBL)
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: Auge , Transkriptionsfaktor , molekular Fingerabdruck , Entwicklung , Polychaeteeye , transcription factor , molecular fingerprint , development , polychaeta
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