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Developing a Zebrafish Model for Muscle Regeneration

Paul, Sandeep

German Title: Entwicklung eines Muskelregenerationsmodells im Zebrafisch

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Abstract

A better understanding of muscle regeneration would allow us to devise therapies that are more effective for patients suffering from myodegenerative diseases such as muscular dystrophies. Animal models facilitate the understanding of muscle regeneration, but so far, only rodents and chicken have been suitably exploited in this regard. In the present study, I adopted three different approaches to establish a model of muscle regeneration in zebrafish. Firstly, an ENU mutagenesis screen was performed for mutants with defective muscle maintenance that might result from faulty regeneration. I identified and characterized one mutant (gum) showing progressive loss of motility and myofibrillar organization. Characterization of gum mutants revealed multiple defects in muscle, neuronal and neural crest derived tissues. Secondly, using an inhibitor of acetycholinesterase (GAL), I established a chemically inducible model of myopathy in zebrafish. Removal of GAL allowed the muscles to regenerate and restored their normal function. Based on electron microscopy and immunohistochemistry, the zebrafish putative muscle stem cells (satellite cells) were identified. Pax7, a key marker for satellite cells in all vertebrates, labels a layer of cells, the dermomyotome, on the surface of zebrafish somites from 24 hpf onwards. These cells give rise initially, to the fast muscle fibers and later to the satellite cells. In this study, it was observed that the Pax7+ve dermomyotome cells show increased proliferation and migration into deeper myotome upon muscle damage. Thirdly, unbiased genome wide transcriptional profiling of GAL treated zebrafish larvae showed numerous genes upregulated in response to the myopathy. Comparison of these genes to mouse models of muscle regeneration showed a significant (about 25%) overlap. Expression analysis of some of the genes (cmya1, zgc:100919) indicates that they might have a role in satellite cells biology.

Translation of abstract (German)

Ein besseres Verständnis der Muskelregeneration würde es uns ermöglichen, effektivere Therapien für Patienten zu entwickeln, die unter degenerativen Muskelerkrankungen leiden, wie zum Beispiel muskuläre Dystrophien. Modellorganismen erleichtern das Verständnis von Muskelregeneration, jedoch wurden bis jetzt nur Nagetiere und Hühner entsprechend untersucht. In der vorliegenden Arbeit wurden drei verschiedene Ansätze angewendet, um ein Modell der Muskelregeneration im Zebrafisch zu erstellen. Erstens, wurde ein ENU-Mutagenese-Screen durchgeführt, um Mutanten mit defekter Muskelerhaltung zu identifizieren, die möglicherweise auf fehlerhafter Regeneration basiert. Es wurde eine Mutante identifiziert und charakterisiert (gum), die einen fortschreitenden Verlust von Beweglichkeit und myofibrillärer Organisation aufweist. Charakterisierung der gum Mutanten ließ multiple Defekte in der Muskulatur und in neuronalem und Neuralleisten-Gewebe erkennen. Zweitens, wurde durch Verwendung eines Acetylcholinesterase-Inhibitors (GAL) ein chemisch induzierbares Modell für Myopathie im Zebrafisch entwickelt. Entfernung von GAL erlaubte es den Muskeln sich zu regenerieren und ihre normale Funktion wiederzuerlangen. Basierend auf Elektronenmikroskopie und Antikörperfärbung wurden vermeintliche Muskelstammzellen (Satellitenzellen) des Zebrafischs identifiziert. Pax7, ein Hauptmarker für Satellitenzellen in allen Wirbeltieren, markiert im Zebrafisch eine Zellschicht, das Dermomyotom, auf der Oberfläche der Somiten ab dem 24 Stunden Stadium (24 hpf). Diese Zellen bilden zunächst FT Muskelfasern (weiße Muskelfasern) und später Satellitenzellen. In dieser Arbeit wurde beobachtet, dass Pax7-positive Dermomyotomzellen erhöhte Proliferation aufweisen und eine gesteigerte Bewegung in tiefere Schichten des Myotoms nach Beschädigung der Muskulatur. Drittens, zeigte die Erstellung eines genomweiten Transkriptionsprofils von mit GAL behandelten Zebrafisch-Larven eine Heraufregulierung von zahlreichen Genen als Reaktion auf die Myopathie. Ein Vergleich dieser Gene mit Muskelregenerationsmodellen in der Maus zeigte eine signifikante Übereinstimmung (ca. 25%). Eine Expressionsanalyse einiger dieser Gene (cmya1, zgc:100919) deutet darauf hin, dass sie möglicherweise eine Rolle in der Biologie von Satellitenzellen spielen.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Strähle, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 12. June 2009
Date Deposited: 07. Sep 2009 11:51
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: zebrafish , muscle , regeneration , pax7 , galanthamine , satellite cell , dermomyotome
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