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Abstract

In my PhD project, I used the pseudostratified epithelium of the wing imaginal disc of Drosophila melanogaster as a model system to study the significance of cellular metabolism and nuclear positioning for tissue development in vivo. The wing disc is a larval precursor tissue that mainly gives rise to the adult wing. It is surrounded by the larval hemolymph, providing metabolites, such as lipoprotein-bound lipids. As a read-out for the metabolic state of the wing disc, I investigated the disc epigenome as most histone modifying and demodifying enzymes require metabolic co-factors or substrates. In this study, I identified a nonuniform distribution of histone acetylation in the wing disc with high acetylation levels specifically in nuclei facing the tissue surface. This rim pattern is not defined by cell cycle or cellular identity but by the position of the nucleus within the tissue. Accordingly, genetic ablation of the disc rim causes the formation of a new rim with high histone acetylation in the remaining, now outward facing, tissue region. High acetylation levels in nuclei in the disc rim correlate with hemolymph-exposure as indicated by accumulation of lipoproteins on outwardfacing membranes. The acetylation pattern persists during wing disc development suggesting a continuous regulatory role in tissue growth. The non-uniform distribution of histone acetylation is achieved by local activity of the acetyltransferase nejire in the rim of the disc. Spatially restricted nejire activity in the rim is not determined by non-uniform intrinsic activity or expression of the enzyme but by local availability of its metabolic substrate acetyl-CoA. Required acetyl-CoA is specifically generated in outward-facing nuclei due to increased levels of nuclear acetyl-CoA synthase which converts acetate to acetyl-CoA. Metabolically, this rim acetylation pattern depends on acetate derived from fatty acid β-oxidation, which is also nonuniform and increased in the rim of the wing disc, as evidenced by a high mitochondrial membrane potential in this tissue region. Rim histone acetylation epigenetically impacts expression of genes in the wing disc implicated in developmentally important signaling pathways, including Hippo, Notch, and Hedgehog. Jointly, my findings suggest a novel role for nuclear positioning and a concordantly aligned metabolism in determining cell fate and, consequently, wing disc development.

Translation of abstract (German)

In meiner Doktorarbeit habe ich die Flügelimaginalscheibe der Fruchtfliege Drosophila melanogaster als Modelsystem benutzt, um die regulatorische Rolle des zellulären Stoffwechsels und der Positionierung des Zellkerns in der Gewebeentwicklung in vivo zu untersuchen. Die Flügelimaginalscheibe ist ein pseudostratifiziertes Epithel, das während der Metamorphose im Wesentlichen den Flügel des adulten Tieres bildet. In der Larve ist die Imaginalscheibe von der Hämolymphe umgeben, welche wichtige Metabolite, wie lipidbeladene Lipoproteine, bereitstellt. Zur Charakterisierung des zellulären Stoffwechsels habe ich das Epigenom der Imaginalscheibe untersucht, da die meisten Histon-modifizierenden Enzyme metabolische Kofaktoren und Substrate für ihre Aktivität benötigen. In diesen Untersuchungen konnte ich eine nicht uniforme Verteilung der Histonacetylierung in der Flügelimaginalscheibe dokumentieren. Dieses nicht uniforme Muster zeichnet sich durch erhöhte Histonacetylierung in Zellkernen aus, die der Gewebsoberfläche zugewandt sind. Dieses Randmuster wird nicht durch Zellzyklus oder Zellidentität, sondern durch die Position des Zellkerns im Gewebe bestimmt. Entsprechend führt der genetisch induzierte Verlust des Randgewebes zur Bildung eines neuen Randes mit hoher Histonacetylierung in der verbleibenden nun außen liegenden Gewebsregion. Die Position der Kerne mit hoher Histonacetylierung korreliert mit deren Exposition mit Hämolymphe, was durch die Anreicherung von Lipoproteinen an nach außen gerichteten Zellmembranen deutlich wird. Dieses Randmuster bleibt während der Entwicklung der Flügelimaginalscheibe erhalten, was auf eine kontinuierliche regulatorische Rolle im Gewebewachstum schließen lässt. Das nicht uniforme Histonacetylierungsmuster entsteht auf Grund lokaler Aktivität der Acetyltransferase nejire im Rand der Imaginalscheibe. Diese örtlich begrenzte Aktivität von nejire wird nicht durch eine lokale, intrinsische Aktivität oder Expression des Enzymes, sondern durch die lokale Verfügbarkeit des metabolischen Substrates Acetyl-CoA bestimmt. Das benötigte Acetyl-CoA wird spezifisch in zur Zelloberfläche hin gerichteten Zellkernen durch eine erhöhte Menge nukleärer Acetyl-CoA Synthase generiert, welche Acetat in Acetyl-CoA umwandelt. Metabolisch ist das randspezifische Acetylierungsmuster von der mitochondrialen Fettsäureverbrennung abhängig, die ebenfalls verstärkt im Rand der Flügelimaginalscheibe stattfindet und das notwendige Acetat generiert. Die nicht uniforme Histonacetylierung beeinflusst die epigenetische Expressionskontrolle von Genen, die in zentralen, entwicklungsbiologischen Signalwegen, wie Hippo, Notch und Hedgehog, wirken. Mechanismus der epigenetischen Regulation hin, der durch die Position des Zellkerns im Gewebe und durch einen adaptierten zellulären Stoffwechsel bestimmt wird und potentiell die Entwicklung der Flügelimaginalscheibe kontrolliert.