Preview

PDF, English Download (82MB) | Terms of use

Abstract

The freshwater polyp Hydra is one of the best model organisms to analyze body axis patterning and organizer formation. Hydra possesses only one radial-symmetric body axis, which is established and maintained by autocatalytical Wnt/β-catenin signaling in the head organizer. Constant environmental influence, cell flow, as well as injury response can lead to an upregulation of Wnt/β-catenin signaling. A mechanism to restrict Wnt/β-catenin signaling is necessary to ensure the dominance of a single body axis and suppress the formation of ectopic axes and multiple head organizers. So far, only the transcription factor Sp5 (Vogg et al. 2019) has been described as a repressor of Wnt/β-catenin signaling in Hydra. Which factors restrict the activity of secreted Wnt ligands at the protein level has been elusive. In this study, 11 novel Hydra astacin metalloproteases (HAS-1 to -11) are described, which were discovered by a secretome analysis for factors showing a proteolytic activity on HyWnt3. All Hydra astacins showed a transcriptional profile in endodermal gland cells and either exhibited a ring-like expression pattern under the head region or a graded expression pattern peaking at the tentacle base. HAS-7 was identified to be a promising candidate to restrict HyWnt3 at the protein level, as HAS-7 RNAi induced ectopic axis formation in Hydra. Importantly, HAS-7 was sufficient to revert double axis formation induced by HyWnt3 mRNA in Xenopus laevis embryos. An indirect regulation of HAS-7 by Wnt/β-catenin signaling was established by experimental promoter analysis and validated by mathematical modelling. In summary, this work introduces HAS-7 as a negative regulator of HyWnt3 in the classical sense of the Gierer-Meinhardt activator-inhibitor model, and therefore plays an important role in Hydra axis formation and maintenance.

Translation of abstract (German)

Der Süßwasser Polyp Hydra ist einer der am besten geeigneten Modellorganismen zur Untersuchung der Körperachsen- und Organisatorbildung. Hydra besitzt nur eine radial-symmetrische Körperachse, die durch den Wnt/β-Catenin-Signalweg im Kopforganisator induziert und autokatalytisch aufrechterhalten wird. Stetig wirkende Umwelteinflüsse, konstante Zellmigration, sowie Verletzungen können zu einer Hochregulierung des Wnt/β-Catenin-Signalwegs führen. Ein Mechanismus zur Regulierung dieses Signalwegs ist hierbei essentiell, um das Entstehen mehrerer Kopforganisatoren und Achsen zu verhindern. Bislang ist nur der Transkriptionsfaktor Sp5 (Vogg et al. 2019) als ein Repressor für den Wnt/β-Catenin-Signalweg auf Trankriptionsebene in Hydra beschrieben worden. Ein Faktor, welcher die Aktivität von sezerniertem Wnt auf Proteinebene limitiert, war bislang nicht bekannt. In dieser Arbeit wird erstmals eine Gruppe von Astacin-Metalloproteasen (HAS-1-11) in Hydra beschrieben, die durch eine Sekretomanalyse des Kopfgewebes im Hinblick auf HyWnt3-prozessierende Faktoren entdeckt wurde. Alle untersuchten Astacine zeigten eine Expression in endodermalen Drüsenzellen, entweder in Form eines Ringes unterhalb der Kopfregion oder als aufsteigenden Gradienten von der Körpermitte bis zur Tentakelregion. HAS-7 stellte sich als vielversprechender Kandidat für die Regulierung von HyWnt3 auf Proteinebene heraus, da ein HAS-7 Knockdown mittels siRNA zu ektopischer Achsenbildung infolge erhöhter Wnt-Aktivität führte. Zudem konnte eine durch HyWnt3 mRNA induzierte Doppelachsenbildung in Xenopus laevis-Embryonen durch die zusätzliche Injektion von HAS-7 mRNA revertiert werden. Eine indirekte Regulation von HAS-7 durch TCF/β-Catenin konnte durch experimentelle Promotoranalysen nachgewiesen und durch ein mathematisches Modell der Achsenbildung verifiziert werden. Die vorliegende Arbeit führt mit HAS-7 einen Inhibitor von HyWnt3 im klassischen Sinn des Gierer-Meinhardt Aktivator-Inhibitor Modells ein, der eine wichtige Rolle in der Achsenentstehung und -erhaltung von Hydra spielt.