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The evolution of mushroom body and telencephalic cell types, studied by single cell expression profiling of Platynereis dumerilii larvae

Tomer, Raju

German Title: Studie zur Evolution von Zelltypen in Pilzkörper und Telencephalon durch Analyse des larvalen Expressionsprofils in zellulärer Auflösung beim marinen Anneliden Platynereis dumerilii

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PDF, English (PhD Thesis Raju Tomer)
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Abstract

One of the many ways to understand the evolution of elaborate organs such as the brain is to investigate the different cell types that constitute that organ. Cell types are defined by a unique combination of genes (molecular fingerprint) that specify the distinct morphological and physiological features that are characteristic of that cell type. In order to study the cell types in the brain of the developing annelid Platynereis dumerilii I have investigated the co-expression of several genes at cellular resolution. For this, I have developed a protocol, the so-called Whole Mount In Silico Expression Profiling (WMISEP), utilizing advanced image processing algorithms, whole mount in situ hybridization, immunostaining against acetylated tubulin and whole mount reflection confocal microscopy. The basic idea of the protocol is to acquire two color confocal image stacks, with one channel containing expression information for gene and the other channel containing the information of the axonal scaffold. The information in the axonal scaffold channel is then used to align several such images to a common reference average axonal scaffold image, and thus bringing the expression patterns into the same coordinate system. I conducted several experiments to illustrate the cellular resolution sensitivity and specificity of the protocol. WMISEP has been used to generate cell resolution expression of 72 genes. I also developed a cellular model of the 48 hour old Platynereis larval brain, which facilitated the generation of cellular gene expression profiles. Subsequently, I used several clustering techniques to cluster the larval brain cells and genes based on their expression profiles and spatial patterns respectively. As an example application of WMISEP, I investigated the evolution of mushroom bodies (MBs) and telencephalic cell types. Firstly, I investigated the anatomy, development and molecular fingerprint of Platynereis MB cells. Subsequently, I compared the anatomy and molecular fingerprint of Platynereis and insect’s MBs to test for deep homology. Furthermore, I investigated the expression of early telencephalon regionalization genes in Platynereis and showed that the vertebrate telencephalon patterning genes are expressed in a similar spatial orientation in the Platynereis larval brain, suggesting that the telencephalon patterning gene network already existed in the last common ancestor of all bilaterian animals. Finally, the Platynereis MB and vertebrate cortex/hippocampus develop from the same molecular regions with respect to the conserved molecular topography.

Translation of abstract (German)

Eine der zahlreichen Möglichkeiten, ein besseres Verständnis für die Evolution eines so komplizierten Organs wie des Gehirns zu gewinnen, besteht darin, die unterschiedlichen Zelltypen zu untersuchen, aus denen das Organ besteht. Verschiedene Zelltypen zeichnen sich durch einzigartige Kombinationen von ihnen exprimierter Gene aus (molekularer Fingerabdruck), welche die für sie besonderen morphologischen und physiologischen Eigenschaften festlegen. Um die Zelltypen im Gehirn des sich entwickelnden Anneliden Platynereis dumerilii zu studieren, habe ich die Co-Expression zahlreicher Gene mit zellulärer Auflösung untersucht. Zu diesem Zweck habe ich eine Methode namens „Whole Mount In Silico Expression Profiling“ (WMISEP) entwickelt, welche auf der Verwendung hochentwickelter Bildverarbeitungsalgorithmen, in situ Hybridisierung ganzer Embryonen, Immunfärbung gegen acetyliertes Tubulin und „Whole mount Reflection“ Konfokalmikroskopie basiert. Das Konzept der Methode besteht darin, mit zwei Farben konfokale Bildstapel aufzunehmen, wobei ein Kanal die Information über die Expression des untersuchten Gens enthält, während im zweiten Kanal die markierten Axone als Referenz detektiert werden. Die axonalen Daten werden dann zu einem gemeinsamen axonalen Durchschnittsbild gemittelt, wodurch die Expressionsmuster der einzelnen Gene in ein einheitliches Koordinatensystem überführt werden. Ich habe eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um die zelluläre Auflösung und hohe Spezifität der Methode unter Beweis zu stellen. Insgesamt wurde mit Hilfe von WMISEP die Expression von 72 Genen mit zellulärer Auflösung kartiert. Ich habe ein zelluläres Modell des Gehirns der 48h alten Platynereis Larve entwickelt, was mir die Herstellung zellulärer Genexpressionsprofile ermöglichte. Auf diesen aufbauend konnte ich mit Hilfe unterschiedlicher clustering Techniken die Zellen und Gene des larvalen Gehirns gemäß ihrer Expressionsprofile und räumlichen Muster gruppieren. Als beispielhafte Anwendung von WMISEP habe ich die Evolution der Plizkörper (mushroom bodies) und telencephaler Zelltypen untersucht. Dafür wurden zunächst Anatomie, Entwicklung und molekularer Fingerabdruck von Pilzkörperzellen von Platynereis charakterisiert. Danach habe ich diese Daten mit Anatomie und molekularem Fingerabdruck der Pilzkörper in Insekten verglichen, um zu klären, ob eine tiefergehende Homologie zwischen diesen Strukturen besteht. Zudem habe ich die Expression der für die frühe Ausbildung des Telencephalons verantwortlichen Gene in Platynereis untersucht und konnte nachweisen, dass ihre räumliche Anordnung derjenigen der entsprechenden Gene in Vertebraten ähneln. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass das für die Ausbildung des Telencephalon verantwortliche Gennetzwerk bereits im letzten gemeinsamen Vorfahren aller Bilateria existierte. Zudem konnte ich nachweisen, dass sich die Pilzkörper von Platynereis und der Wirbeltiercortex/-hippocampus aus Regionen entwickeln, die über eine konservierte molekulare Topographie verfügen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Arendt, Dr. Detlev
Date of thesis defense: 4 December 2008
Date Deposited: 30 Jun 2009 12:46
Date: 2008
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: Mushroom Body , Platynereis dumerilii , telencephalon , evolution
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