TY  - THES
A1  - Kirchmaier, Bettina Carmen
T1  - Characterization of the Popeye domain containing gene family in zebrafish
T1  - Charakterisierung der Popeye domain containing Genfamilie im Zebrafisch
N2  - The Popeye domain containing (Popdc) gene family of membrane proteins is predominantly expressed in striated and smooth muscle tissues and has been shown to act as novel cAMP-binding proteins. In mice, loss of Popdc1 and Popdc2, respectively, affects sinus node function in the postnatal heart in an age and stress-dependent manner. In this thesis, I examined gene expression pattern and function of the Popdc gene family during zebrafish development with an emphasis on popdc2. Expression of the zebrafish popdc2 was exclusively present in cardiac and skeletal muscle during cardiac development, whereas popdc3 was expressed in striated muscle tissue and in distinct regions of the brain. In order to study the function of these genes, an antisense morpholino-based knockdown approach was used. Knockdown of popdc2 resulted in aberrant development of facial and tail musculature. In the heart, popdc2 morphants displayed irregular ventricular contractions with 2:1 and 3:1 ventricular pauses. Recordings of calcium transients using a transgenic indicator line Tg(cmlc2:gCaMP)s878 and selective plane illumination microscopy (SPIM) revealed the presence of an atrioventricular (AV) block in popdc2 morphants as well as a complete heart block. Interestingly, preliminary data revealed that popdc3 morphants developed a similar phenotype. In order to find a morphological correlate for the observed AV conduction defect, I studied the structure of the AV canal in popdc2 morphants using confocal analysis of hearts of the transgenic line Tg(cmlc2:eGFP-ras)s883, which outlines individual cardiac myocytes with the help of membrane-localized GFP. However, no evidence for morphological alterations was obtained. To ensure that the observed arrhythmia phenotype in the popdc2 morphant was based on a myocardial defect and not caused by defective valve development, live imaging was performed revealing properly formed valves. Thus, in agreement with the data obtained in knockout mice, popdc2 and popdc3 genes in zebrafish are involved in the regulation of cardiac electrical activity. However, both genes are not required for cardiac pacemaking, but they play essential roles in AV conduction. In order to elucidate the biological importance of cAMP-binding, wild type Popdc1 as well as mutants with a significant reduction in binding affinity for cAMP in vitro were overexpressed in zebrafish embryos. Expression of wild type Popdc1 led to a cardiac insufficiency phenotype characterized by pericardial edema and venous blood retention. Strikingly, the ability of the Popdc1 mutants to induce a cardiac phenotype correlated with the binding affinity for cAMP. These data suggest that cAMP-binding represents an important biological property of the Popdc protein family.
N2  - Die Popeye domain containing (Popdc) Gene kodieren für eine Familie von Membranproteinen, die vorwiegend in der gestreiften und glatten Muskulatur exprimiert werden und in der Lage sind cAMP zu binden. In Mäusen resultiert der Verlust von Popdc1 oder Popdc2 in einer stressinduzierten Sinusknotendysfunktion, die sich altersabhängig entwickelt. In meiner Dissertation habe ich das Expressionsmuster und die Funktion der Popdc Genfamilie mit Schwerpunkt auf dem popdc2-Gen im Zebrafisch untersucht. Das popdc2-Gen im Zebrafisch wurde ausschließlich in der Herz- und Skelettmuskulatur exprimiert, während popdc3 sowohl in der quergestreiften Muskulatur, als auch im Gehirn exprimiert wurde. Um die Funktion dieser Gene zu untersuchen, wurde die Prozessierung der prä-mRNA mit Hilfe von Morpholinos unterdrückt, die gegen die Spleißdonor bzw. -akzeptorsequenzen von popdc2 und popdc3 gerichtet waren. Das Fehlen von popdc2 im Zebrafisch resultierte in einer Fehlentwicklung der Gesichts- und Schwanzmuskulatur. Im Herzen der popdc2-Morphanten waren ventrikuläre Überleitungsstörungen mit einem 2:1 oder 3:1 Rhythmus zu beobachten. Analysen der Calciumfreisetzung mittels SPIM (selective plane illumination microscopy) in der transgenen Zebrafischlinie Tg(cmlc2:gCaMP)s878, die einen fluoreszierenden Calciumindikator exprimiert, zeigten in den popdc2-Morphanten einen AV-Block bis hin zum kompletten Herzblock. Interessanterweise ergaben vorläufige Analysen in popdc3-Morphanten einen ähnlichen Phänotyp. Um eine mögliche morphologische Ursache der beobachteten AV-Überleitungsstörung zu finden, habe ich die Struktur des AV-Kanals von popdc2-Morphanten mit Hilfe der transgenen Zebrafischlinie Tg(cmlc2:eGFP-rass883) und konfokaler Mikroskopie untersucht. Allerdings konnte ich kein Anzeichen für morphologische Veränderungen erkennen. Um sicherzugehen, dass der beobachtete Rhythmusphänotyp der popdc2-Morphanten nicht auf einer myokardialen Störung beruht oder auf einem Defekt bei der Klappenentwicklung, wurden zusätzlich Lebendaufnahmen angefertigt, die zeigten, dass die Klappen normal entwickelt waren. In Übereinstimmung mit den Daten aus den Knockout-Mäusen haben die popdc2- und popdc3-Gene auch im Zebrafisch eine wichtige Funktion bei der elektrischen Reizleitung im Herzen. Allerdings sind die beiden Gene für die Erregungsbildung im Sinusknoten nicht essentiell, sondern werden für die Signalübertragung im AV-Kanal benötigt. Um die biologische Signifikanz der cAMP-Bindung zu untersuchen, wurden Wildtyp-Popdc1 und Punktmutanten, die eine Reduktion in der cAMP-Bindung aufweisen, nach RNA-Injektion in Zebrafischembryonen überexprimiert. Die Injektion von Wildtyp-Popdc1 induzierte eine embryonale Herzinsuffizienz, die durch perikardiales Ödem und venösen Blutstau charakterisiert war. Die Fähigkeit der Popdc1-Punktmutanten, einen Herzphänotyp nach Überexpression zu induzieren, war direkt korreliert mit der Bindungsaffinität für cAMP. Diese Daten lassen den Schluss zu, dass die Fähigkeit der cAMP-Bindung eine wichtige biologische Eigenschaft der Popdc-Proteinfamilie darstellt.
KW  - Zebrabärbling
KW  - Genexpression
KW  - Herzmuskel
KW  - Herz
KW  - Popdc Genfamilie
KW  - heart
KW  - popdc gene family
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-49413
ER  - 
TY  - THES
A1  - Liedtke, Daniel
T1  - Functional divergence of Midkine growth factors : Non-redundant roles during neural crest induction, brain patterning and somitogenesis
T1  - Funktionelle Divergenz von Midkine Wachstumsfaktoren: Nicht-redundante Funktionen während der Neuralleisteninduktion, der Gehirnenmusterbildung und der Somitogenese
N2  - Neural crest cells and sensory neurons are two prominent cell populations which are induced at the border between neural and non-neural ectoderm during early vertebrate development. The neural crest cells are multipotent and highly migratory precursors that give rise to face cartilage, peripheral neurons, glia cells, pigment cells and many other cell types unique to vertebrates. Sensory neurons are located dorsally in the neural tube and are essential for sensing and converting environmental stimuli into electrical motor reflexes. In my PhD thesis, I obtained novel insights into the complex processes of cell induction at the neural plate border by investigating the regulation and function of mdkb in zebrafish. First, it was possible to demonstrate that mdkb expression is spatiotemporally correlated with the induction of neural crest cells and primary sensory neurons at the neural plate border. Second, it became evident that the expression of mdkb is activated by known neural crest cell inducing signals, like Wnts, FGFs and RA, but that it is independent of Delta-Notch signals essential for lateral inhibition. Knockdown experiments showed that mdkb function is necessary for induction of neural crest cells and sensory neurons at the neural plate border, probably through determination of a common pool of progenitor cells during gastrulation. The present study also used the advantages of the zebrafish model system to investigate the in vivo function of all midkine gene family members during early brain development. In contrast to the situation in mouse, all three zebrafish genes show distinct expression patterns throughout CNS development. mdka, mdkb and ptn expression is detected in mostly non-overlapping patterns during embryonic brain development in the telencephalon, the mid-hindbrain boundary and the rhombencephalon. The possibility of simultaneously knocking down two or even three mRNAs by injection of morpholino mixtures allowed the investigation of functional redundancy of midkine factors during brain formation. Knockdown of Midkine proteins revealed characteristic defects in brain patterning indicating their association with the establishment of prominent signaling centers such as the mid-hindbrain boundary and rhombomere 4. Interestingly, combined knockdown of mdka, mdkb and ptn or single knockdown of ptn alone prevented correct formation of somites, either by interfering with the shifting of the somite maturation front or interferance with cell adhesion in the PSM. Thus, Ptn was identified as a novel secreted regulator of segmentation in zebrafish.
N2  - Neuralleistenzellen und sensorische Neuronen werden während der frühen Wirbeltierentwicklung an der Grenze zwischen dem neuralen und epidermalen Ektoderm gebildet. Neuralleistenzellen sind multipotente Vorläufer von verschiedenen Geweben, wie der Knorpelanteile des Kopfskeletts, peripherer Neurone, Gliazellen, Pigmentzellen und vieler weiterer Derivate. Sensorische Neurone befinden sich im dorsalen Rückenmark und sind wichtig für die Wahrnehmung von Hautreizen. Durch Untersuchung der Regulation und Funktion von mdkb im Zebrafisch konnte ich in meiner Doktorarbeit neue Einsichten in den komplexen Prozess der Zellinduzierung an der Grenze der Neuralplatte erlangen. Es zeigte sich, dass die Expression von mdkb zeitlich und räumlich mit der Induktion von Neuralleistenzellen und primären Neuronen an der Neuralplattengrenze korreliert. Weiterhin konnte ich nachweisen, dass die mdkb Expression durch Signalwege reguliert wird, die für die Induktion von Neuralleistenzellen wichtig sind, wie Wnt, FGF und Retinolsäure. Signale der Delta-Notch Familie, welche essentiell für laterale Inhibition sind, werden dagegen nicht für die mdkb Expression benötigt. Weitere knockdown Experimente zur Reduktion der mdkb-Funktion bewiesen, dass mdkb notwendig für die Induktion von Neuralleistenzellen und der sensorischen Neuronen an der Neuralplattengrenze ist. Des Weiteren konnten im Verlauf dieser Doktorarbeit die in vivo Funktionen aller Mitglieder der midkine Genfamilie während der frühen Gehirnentwicklung untersucht werden. Im Unterschied zu höheren Vertebraten, wie z. B. der Maus, wiesen alle drei midkine Gene des Zebrafisches unterschiedliche Expressionsmuster während der Entwicklung auf. mdka, mdkb und ptn zeigten in Regionen hoher Zellproliferation, wie dem Telencephalon, der Mittel-Nachhirngrenze und dem Nachhirn in der Regel keine Überlappung während der embryonalen Gehirnentwicklung. Die Möglichkeit der simultanen Reduktion zweier oder dreier Proteine durch Injektion von Morpholinogemischen erlaubte die Untersuchung einer eventuellen funktionellen Redundanz während der Gehirnentwicklung. Die Reduktion der Midkine Proteine resultierte in charakteristischen Defekten während der Regionalisierung des Gehirns, was auf eine Rolle während der Bildung essentieller Signalzentren im Gehirn hindeutet. Auffallend waren auch Defekte in der Somitenbildung, die nach gleichzeitiger Reduktion von mdka, mdkb und ptn auftraten. Diese Defekte beruhen entweder auf einer Positionsveränderung der Somiten-Reifungszone oder auf einer Störung der Zelladhäsion im präsomitischen Mesoderm durch Ptn. Somit zeigen die Daten eine neue Funktion von Ptn als sekretiertem Regulator der Somitogenese im Zebrafisch.
KW  - Zebrabärbling
KW  - Neuralleiste
KW  - Hirnforschung
KW  - Entwicklungsbiologie
KW  - Mikroevolution
KW  - Midkine
KW  - Wachstumsfaktoren
KW  - Somitogenese
KW  - Neuralrohr
KW  - Midkine
KW  - growth factor
KW  - neural tube
KW  - somitogenesis
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-25707
ER  - 
TY  - THES
A1  - Schäfer, Matthias
T1  - Molecular mechanisms of floor plate formation and neural patterning in zebrafish
T1  - Molekulare Mechanismen der Bodenplatten Entwicklung und neuronale Musterbildung im Zebrafisch
N2  - The vertebrate spinal cord is composed of billions of neurons and glia cells, which are formed in a highly coordinated manner during early neurogenesis. Specification of these cells at distinct positions along the dorsoventral (DV) axis of the developing spinal cord is controlled by a ventrally located signaling center, the medial floor plate (MFP). Currently, the origin and time frame of specification of this important organizer are not clear. During my PhD thesis, I have analyzed the function of the novel secreted growth factor Midkine-a (Mdka) in zebrafish. In higher vertebrates, mdk and the related factor pleiotrophin (ptn) are widely expressed during embryogenesis and are implicated in a variety of processes. The in-vivo function of both factors, however, is unclear, as knock-out mice show no embryonic phenotype. We have isolated two mdk co-orthologs, mdka and mdkb, and one single ptn gene in zebrafish. Molecular phylogenetic analyses have shown that these genes evolved after two large gene block duplications. In contrast to higher vertebrates, zebrafish mdk and ptn genes have undergone functional divergence, resulting in mostly non-redundant expression patterns and functions. I have shown by overexpression and knock-down analyses that Mdka is required for MFP formation during zebrafish neurulation. Unlike the previously known MFP inducing factors, mdka is not expressed within the embryonic shield or tailbud but is dynamically expressed in the paraxial mesoderm. I used epistatic and mutant analyses to show that Mdka acts independently from these factors. This indicates a novel mechanism of Mdka dependent MFP formation during zebrafish neurulation. To get insight into the signaling properties of zebrafish Mdka, the function of both Mdk proteins and the candidate receptor Anaplastic lymphoma kinase (Alk) have been compared. Knock-down of mdka and mdkb resulted in the same reduction of iridophores as in mutants deficient for Alk. This indicates that Alk could be a putative receptor of Mdks during zebrafish embryogenesis. In most vertebrate species a lateral floor plate (LFP) domain adjacent to the MFP has been defined. In higher vertebrates it has been shown that the LFP is located within the p3 domain, which forms V3 interneurons. It is unclear, how different cell types in this domain are organized during early embryogenesis. I have analyzed a novel homeobox gene in zebrafish, nkx2.2b, which is exclusively expressed in the LFP. Overexpression, mutant and inhibitor analyses showed that nkx2.2b is activated by Sonic hedgehog (Shh), but repressed by retinoids and the motoneuron-inducing factor Islet-1 (Isl1). I could show that in zebrafish LFP and p3 neuronal cells are located at the same level along the DV axis, but alternate along the anteroposterior (AP) axis. Moreover, these two different cell populations require different levels of HH signaling and nkx2.2 activities. This provides new insights into the structure of the vertebrate spinal cord and suggests a novel mechanism of neural patterning.
N2  - Das Rückenmark von Vertebraten besteht aus Milliarden von Neuronen und Gliazellen, die in einem sehr komplexen Muster während der frühen Neurogenese gebildet werden. Die Spezifizierung dieser Zellen an spezifischen Positionen entlang der dorsoventralen (DV) Achse des Rückenmarks wird durch ein ventrales Organisationszentrum, die mediale Bodenplatte (MFP), kontrolliert. Die Herkunft und der Zeitraum der Spezifizierung dieses wichtigen Organisationszentrums sind zurzeit nicht klar. In meiner Doktorarbeit habe ich die Funktionen des neuen Wachstumsfaktors Midkine-a (Mdka) im Zebrafisch charakterisiert. Mdka und der verwandte Faktor pleiotrophin (ptn) zeigen ein breites Expressionsmuster während der Embryogenese von höheren Vertebraten und sind offenbar an einer Vielzahl von Prozessen beteiligt. Die exakten in-vivo Funktionen sind jedoch nicht bekannt, da knock-out Mäuse keinen embryonalen Phänotyp zeigen. Im Zebrafisch haben wir zwei co-orthologe mdk Gene, mdka und mdkb, sowie ein ptn Gen-Ortholog isoliert. Molekulare phylogenetische Analysen ergaben, dass diese Gene durch zwei unabhängige Duplikationen eines Gen-Blocks entstanden sind. Im Gegensatz zu höheren Vertebraten haben mdk und ptn Gene divergente Funktionen entwickelt, was zu weitestgehend nicht redundanten Funktionen und Expressionsmustern geführt hat. Mittels Überexpressions- und knock-down Analysen konnte ich zeigen, dass Mdka für die Bildung der MFP im Zebrafisch benötigt wird. Anders als bisher bekannte MFP induzierende Faktoren ist Mdka nicht im embryonalen Gastrula-Organisator, dem ‚Shield’ oder der Schwanzknospe exprimiert, sondern dynamisch im paraxialen Mesoderm. Durch epistatische Analysen und Mutanten-Experimente konnte ich weiterhin zeigen, dass Mdka unabhängig von diesen Faktoren wirkt. Dies deutet auf einen neuen Mdka abhängigen Mechanismus der MFP- Bildung während der Neurogenese im Zebrafisch hin. Um Einblick in den Signalweg von Mdka im Zebrafisch zu erhalten, wurde die Funktion der midkine Gene mit der des potentiellen Rezeptors, der Anaplastischen Lymphom-Kinase (Alk), verglichen. Ein ‚Knock-down’ beider Mdk Proteine führte zu einer vergleichbaren Reduktion von Iridophoren wie bei Alk defizienten Mutanten. Demnach könnte Alk ein Rezeptor beider Mdk Proteine während der Zebrafisch-Embryogenese sein. In vielen Vertebratenspezies wurde neben der MFP eine laterale Bodenplatten (LFP) Domäne definiert. In höheren Vertebraten wurde gezeigt, dass LFP Zellen innerhalb der p3 neuronalen Domäne lokalisiert sind, welche V3 Interneuronen bilden. Es ist zurzeit nicht klar, wie diese Zelltypen angeordnet sind und wie sie während der Embryogenese gebildet werden. Ich habe ein neues Homeobox Gen nkx2.2b im Zebrafisch analysiert, welches ausschließlich in der LFP exprimiert ist. Überexpressions-, Mutanten- und Inhibitorenanalysen haben gezeigt, dass nkx2.2b durch Sonic Hedgehog (Shh) aktiviert, durch Retinolsäure und den Motoneuronen induzierenden Faktor Islet-1 (Isl1) aber reprimiert wird. Ich konnte weiterhin zeigen, dass im Zebrafisch LFP und p3 neuronale Zellen auf der gleichen Ebene entlang der DV Achse lokalisiert sind und entlang der anteroposterioren (AP) Achse alternieren. Diese zwei Zellpopulationen benötigen verschiedene Aktivitäten von Hedgehog und nkx2.2b. Dies stellt einen neuen Aspekt für den Aufbau des Rückenmarks von Vertebraten dar und deutet auf einen bisher unbekannten Mechanismus der neuronalen Musterbildung hin.
KW  - Zebrabärbling
KW  - Wachstumsfaktor
KW  - Neurogenese
KW  - Homöobox
KW  - Bodenplatte
KW  - neuronale Musterbildung
KW  - Midkine
KW  - Homeobox Gene
KW  - Zebrafisch
KW  - floor plate
KW  - neural patterning
KW  - Midkine
KW  - Homeobox genes
KW  - zebrafish
Y1  - 2005
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-15789
ER  -