German Title: Embryonale und post-embryonale Organogenese im Medaka Seitenliniensystem

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Abstract

Organs are functional units of multicellular organisms. Although the body can compensate for minor deficiencies in organ function in some cases, generally, survival of the organism depends on organ integrity . A critical step in the life of multicellular organisms is therefore organogenesis, which needs to be tightly regulated to prevent pathologic conditions. This thesis deals with the formation of stereotypic patterns on the organ and organ system level during embryonic and post-embryonic development of the Japanese rice fish medaka (Oryzias latipes). The lateral line has been widely used as a model to study a variety of developmental processes. The lateral line is a sensory organ system of fish and aquatic amphibia that is used to detect water movement. It consists of small organs, so-called neuromasts, that are distributed bilaterally in stereotypic patterns across the entire surface of the animal. All embryonically formed neuromasts originate from specialized regions of head ectoderm (placodes) and from there populate the entire body via migrating primordia or sensory ridges. The lateral line can be divided into the anterior lateral line (aLL), including all neuromasts on the head, and the posterior lateral line (pLL), consisting of neuromasts on the tail. While the embryonic development of pLL neuromasts via a migrating primordium has been extensively studied, the embryonic development of aLL neuromasts remains vastly understudied. This is potentially due to the complexity of the aLL system. I quantified position and number of aLL neuromasts of medaka in detail based on a previously published atlas, which defines nine distinct aLL sub-lines, according to innervation. Quantification of neuromast numbers revealed that some aLL sub-lines are characterized by variability in organ number, similar to the pLL, while other aLL sub-lines are highly stereotypic and display perfect symmetry among the left and right side of the same fish. In addition, I started to uncover the developmental mechanisms building the aLL in medaka. Using live-imaging, whole-mount immunohistochemistry and in situ hybridization, I was able to identify sensory ridges as the tissue of origin for the majority of aLL neuromasts. The remaining few neuromasts are generated by a migrating primordium that relies on chemokine signaling via Cxcr4b, similar to the pLL primordium. Furthermore, results from genetic and non-genetic perturbation experiments during embryonic development indicate that interactions with the surrounding tissue are an integral part of aLL development. Moreover, differential responses to perturbation in different aLL sub-lines suggest diverse developmental mechanisms within the aLL.

Like amphibians and some reptiles, fish display the remarkable feature of indeterminate growth. Neuromasts adjust to an ever-growing body by increasing in size, but also by generating additional organs post-embryonically from pre-existing neuromasts all over the body. The caudal neuromast cluster (CNC) is a group of neuromasts located on the caudal fin. Previous experiments from our lab have shown that in medaka all neuromasts in the CNC are derived from a single organ that was deposited on the caudal fin during embryonic development. The CNC is exceptionally well suited to study post-embryonic organogenesis due to its stereotypic location, accessibility for imaging and early onset of post-embryonic organogenesis. Using a combination of live-imaging, genetic tools and immunohistochemistry, I was able to start deciphering the mechanism of post-embryonic organogenesis on the tissue level. Briefly, a subset of neuromast stem cells that we termed organ-founder stem cells, undergoes an epithelial- to-mesenchymal transition (EMT), migrates out of a founder neuromast and generates a post- embryonic organ in a highly stereotypic manner. The results acquired in this thesis indicate that stem cell migration is influenced by interactions with the surrounding tissue, specifically at the anterior side of the founder neuromast. Although the full mechanistic understanding of these tissue interactions remains elusive, my findings suggest that chemokine signaling via Cxcr4b and interaction with the vasculature are involved in the regulation of stem cell migration. I discuss these results in light of diseases in mammals. Possibly, molecular routes that are used under physiological conditions in fish, can be hijacked by cells in mammals, leading to pathologies.

Translation of abstract (German)

Organe sind funktionale Untereinheiten mehrzelliger Organismen. Obwohl der Körper in einigen Fällen in der Lage ist eine eingeschränkte Organfunktion auszugleichen, hängt das Überleben des Organismus im Allgemeinen von der Unversehrtheit der Organe ab. Daher ist die Organogenese ein wichtiger Vorgang im Leben mehrzelliger Organismen, der genau reguliert werden muss, um pathologische Zustände zu verhindern. Diese Dissertation befasst sich mit der Bildung stereotyper Muster auf Organ- und Organsystemebene des Seitenliniensystems während der embryonalen und post- embryonalen Entwicklung des Japanischen Reisfisches Medaka (Oryzias latipes). Das Seitenliniensystem wurde bereits häufig als Modellsystem verwendet, um eine Vielzahl entwicklungsbiologischer Prozesse zu untersuchen. Es ist ein sensorisches Organsystem, das in Fischen und wasserlebenden Amphibien vorhanden ist, dessen Funktion es ist, Wasserbewegungen wahrzunehmen. Es besteht aus kleinen Organen, sogenannten Neuromasten, die beidseitig auf der gesamten Körperoberfläche in stereotypen Mustern angeordnet sind. Alle embryonal gebildeten Neuromasten stammen aus spezialisierten Regionen des Kopfektoderms (Plakoden) und besiedeln von dort den gesamten Körper über migrierende Primordia oder sogenannte sensorische Kämme. Das Seitenliniensystem kann unterteilt werden in das anteriore Seitenliniensystem (aLL), bestehend aus Neuromasten auf dem Kopf, und das posteriore Seitenliniensystem (pLL), welches die Neuromasten auf dem Schwanz beinhaltet. Während die embryonale Entwicklung des posterioren Seitenliniensystems über ein migrierendes Primordium umfassend untersucht wurde, erfuhr die embryonale Entwicklung des anterioren Seitenliniensystems wenig Aufmerksamkeit. Möglicherweise lag das an der Komplexität des anterioren Seitenliniensystems. Ich quantifizierte deshalb, basierend auf einem zuvor veröffentlichten Atlas, der ausgehend von Innervierung neun verschiedene Unterseitenlinien bezeichnet, detailliert Position und Anzahl der Neuromasten des anterioren Seitenliniensystems in Medaka. Die Quantifizierung der Anzahl der Neuromasten offenbarte, dass sich einige Unterseitenlinien durch eine variable Anzahl an Organen auszeichnen, wohingegen andere durch beständige Anzahl an Organen und daher perfekte Symmetrie zwischen der rechten und linken Seite des gleichen Fisches gekennzeichnet sind. Darüber hinaus begann ich, die entwicklungsbiologischen Mechanismen, die der embryonalen Entwicklung des anterioren Seitenliniensystems in Medaka zu Grunde liegen, zu untersuchen. Mit Hilfe der Lebendmikroskopie, Immunhistochemie und In situ Hybridisierung konnte ich sensorische Kämme als Ursprung der meisten Neuromasten des anterioren Seitenliniensystems identifizieren. Die wenigen übrigen Neuromasten werden, wie sich herausstellte, durch ein migrierendes Primordium gebildet, das auf ein Chemokinsignal über Cxcr4b angewiesen ist, ähnlich wie das Primordium des posterioren Seitenliniensystems. Des Weiteren deuten Ergebnisse aus Experimenten mit genetischen und nicht-genetischen Störeinflüssen während der Embryonalentwicklung darauf hin, dass Interaktionen mit dem umgebenden Gewebe eine wesentliche Rolle in der Entwicklung des anterioren Seitenliniensystems spielen. Außerdem deuten unterschiedliche Reaktionen der Unterseitenlinien auf Störeinflüsse darauf hin, dass verschiedene entwicklungsbiologische Mechanismen innerhalb des anterioren Seitenliniensystems vorliegen. Fische zeichnen sich wie Amphibien und einige Reptilien durch die bemerkenswerte Eigenschaft unbegrenzten Wachstums aus. Neuromasten passen sich an einen ständig wachsenden Körper zum einen durch Wachstum des Organs, zum anderen aber auch durch Bildung zusätzlicher Organe auf der ganzen Körperoberfläche an. Diese entwickeln sich aus bereits bestehenden Organen während des post- embryonalen Lebens. Das caudale Neuromast-Cluster (CNC) ist eine Gruppe von Neuromastorganen auf der Schwanzflosse. Frühere Experimente unseres Labors haben gezeigt, dass alle Neuromasten des CNCs in Medaka aus einem einzigen Organ hervorgehen, das während der Embryonalentwicklung auf der Schwanzflosse gebildet wird. Aufgrund seiner stereotypen Position, seiner Erreichbarkeit für Mikroskopie und des frühen Beginns der post-embryonalen Organogenese ist das CNC außerordentlich gut geeignet, die post-embryonale Organogenese zu untersuchen. Mit Hilfe einer Kombination aus Lebendmikroskopie, genetischen Werkzeugen und Immunhistochemie, begann ich mit der Entschlüsselung des Mechanismus der post-embryonalen Organogenese auf Gewebeebene. Zusammengefasst stellt es sich so dar, dass ein Teil der Neuromaststammzellen, genannt organbildende Stammzellen, eine Epithelial-mesenchymale Transition (EMT) durchläuft, aus dem Ursprungsorgan auswandert und ein post-embryonales Organ auf sehr stereotype Art und Weise bildet. Die in dieser Dissertation zusammengetragenen Ergebnisse weisen darauf hin, dass Zellmigration durch Interaktion mit dem umgebenden Gewebe, speziell an der anterioren Seite des Ursprungsorgans, mit gesteuert wird. Obwohl sich die mechanistische Grundlage dieser Gewebsinteraktionen noch nicht erschließt, deuten meine Ergebnisse darauf hin, dass ein Chemokinsignal über Cxcr4b und Interaktion mit Blutgefäßen die Regulation der Stammzellmigration mit beeinflussen. Interessant könnten diese Ergebnisse auch im Hinblick auf Krankheitsbilder in Säugetieren sein. Möglicherweise können molekulare Abläufe, die in Fischen unter regulären physiologischen Bedingungen stattfinden, in Säugetieren bei Störungen derselben zur Ausbildung bestimmter pathologischer Zustände führen.