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PDF, English (Dissertation) Download (173MB) | Lizenz: Molecular Atlas and Developmental Dynamics of the Nematostella vectensis Mesoglea by Bergheim, Bruno Gideon underlies the terms of Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0

Abstract

Cnidarians (corals, jellyfish and sea anemones) constitute ideal model systems to investigate the dynamics and interactions of extracellular matrix (ECM) components. Many cnidarians undergo a complex life cycle characterized by transitions through different life stages with distinct morphologies. These morphological changes recapitulate developmental processes observed in vertebrates and involve the synthesis, degradation and remodeling of the ECM. The simple body plan of cnidarians provides exceptional accessibility for ECM imaging and manipulation, and previous studies have shown that the cnidarian ECM shares striking compositional and structural similarities with the vertebrate ECM. However, a major hurdle in the investigation of the cnidarian ECM is the lack of fully annotated ECM datasets allowing for a deeper understanding of its interactions and functions. In this thesis, I used the starlet sea anemone Nematostella vectensis as a model system to fully characterize the components of the cnidarian ECM by a combination of electron microscopy, single cell transcriptomics, in silico matrisome prediction and mass spectroscopic analysis of isolated ECM from three life stages (larvae, primary polyp and adult). I present the fully annotated in silico matrisome comprising 843 proteins, categorized into 246 core matrisome, 309 matrisome-associated and 289 other ECM-like proteins. 182 of these components are specific to the cnidocysts. My research revealed that the primary source of ECM is the gastroderm while the contribution of the ectoderm to ECM production is minimal. The integration of single cell transcriptome analysis and stage-specific mass spectrometry unraveled dramatic changes of the ECM during development, showing that the basal lamina gets established well in advance of the fibrillar interstitial matrix. Among the various ECM components upregulated during the larva-to-polyp transition, I detected an expanded polydom/SVEP1 family in Nematostella. This family encompasses several novel proteins, one of which emerges as a promising candidate for genetic perturbation using shRNAs. The resulting knockdown phenotype displayed defects in epithelial organization, body elongation, and development of internal mesenteries. This underscores that individual ECM components can heavily affect crucial developmental processes. In summary, my work establishes a foundational framework for future studies of the ECM by providing the first annotated molecular atlas for a cnidarian life cycle. In addition, it provides evidence for an ancient specification of ECM-producing cells within the endomesodermal lineage, along with a hierarchical function of basement membrane and interstitial matrix components in the life history of Nematostella.

Translation of abstract (German)

Nesseltiere (Korallen, Quallen, Seefedern und Seeanemonen) stellen ideale Modellsysteme dar, um die Funktion und Interaktion von extrazellulären Matrix (ECM)- Komponenten zu untersuchen. Viele Nesseltiere besitzen komplexe Lebenszyklen, in denen sie verschiedene Lebensstadien mit unterschiedlicher Morphologie durchlaufen. Diese Veränderungen in der Morphologie spiegeln bekannte Entwicklungsprozesse bei Wirbeltieren wider und beinhalten die Synthese, den Abbau und die Umgestaltung der ECM. Aufgrund des einfachen Körperbaus von Nesseltieren ist ihre ECM leicht für Mikroskopie und Manipulation zugänglich. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Struktur und Komposition der Nesseltier-ECM der von Wirbeltieren ähnelt. Ein wesentliches Hindernis bei der Untersuchung der Nesseltier-ECM ist jedoch das Fehlen vollständig annotierter ECM-Datensätze, die ein tieferes Verständnis ihrer Interaktionen und Funktionen ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit habe ich die zu den Anthozoen gehörende Seeanemone Nematostella vectensis als Modellsystem verwendet, um die Komponenten ihrer ECM vollständig zu charakterisieren. Dies erfolgte durch eine Kombination aus Elektronenmikroskopie, Single Cell-Transkriptomik, in silico Matrisom-Vorhersage und massenspektrometrischer Analyse der isolierten ECM von drei Lebensstadien (Larve, primärer Polyp und adulte Tiere). Ich präsentiere hier das vollständig annotierte in silico Matrisom von Nematostella vectensis, das aus 843 Proteinen besteht und in 246 Core Matrisome, 309 Matrisom-assoziierte und 289 sonstige ECM-ähnliche Proteine unterteilt werden kann. Ich zeige, dass die Mehrzahl der ECM-Komponenten vom Gastroderm sekretiert wird und das Ektoderm nur eine geringe Rolle in der ECM-Produktion spielt. Durch den Vergleich von Orthogruppen zwischen verschiedenen basalen Tieren bestätige ich, dass die ECM von Anthozoen der von Bilateriern ähnelt, jedoch seine eigenen spezialisierten Orthogruppen enthält, wie etwa die 182 Matrisomkomponenten der Cnidocysten. Die Einbeziehung des Single Cell-Transkriptoms und der stadienspezifischen Massenspektrometrie zeigten, dass sich die ECM während der Entwicklung dramatisch verändert und die Basallamina vor der fibrösen interstitiellen Matrix etabliert wird. Unter den verschiedenen ECM-Komponenten, die während des Übergangs von der Larve zum Polypen hochreguliert sind, habe ich eine ungewöhnlich expandierte Polydom/SVEP1-Familie in Nematostella identifiziert. Diese Familie enthält eine Reihe von neuartigen Faktoren, von denen einer für genetische Manipulationen mit shRNAs ausgewählt wurde. Der erhaltene Knockdown-Phänotyp zeigt Defekte in der epithelialen Organisation, der embryonalen Körperstreckung und der Entwicklung innerer Strukturen wie Mesenterien. Dies zeigt eindrucksvoll, dass selbst einzelne ECM-Komponenten erheblichen Einfluss auf wichtige Entwicklungsprozesse haben können. Insgesamt bildet meine Arbeit eine wichtige Grundlage für zukünftige Studien zur ECM, indem sie den ersten annotierten molekularen Atlas für einen Vertreter der Nesseltiere mit komplexem Lebenszyklus bereitstellt. Darüber hinaus liefere ich Hinweise auf eine phylogenetisch frühe Spezifikation von ECM-produzierenden Zellen aus der endomesodermalen Linie und eine hierarchische Abfolge der Basallamia und Interstitalmatrix-Komponenten im Lebenszyklus von Nematostella.