Title (eng)
Wnt/β-catenin signaling in the early development of Nematostella vectensis
Parallel title (deu)
Der Wnt/β-catenin Signalweg in der frühen Entwicklung von Nematostella vectensis
Author
Isabell Niedermoser
Advisor
Grigory Genikhovich
Assessor
Oleg Simakov
Engelbert Hobmayer
Abstract (deu)
Die kanonische Wnt-Signalübertragung (cWnt) spielt eine entscheidende Rolle bei der Gewebe- und Zellhomöostase, der Zellproliferation, der Bestimmung des Zellschicksals und bei Krebs. Wichtig ist, dass sie auch für die Musterbildung der Körperachse in Metazoa verantwortlich ist. Das cWnt-Signal wird durch die Bindung des Wnt-Liganden durch Fz Rezeptoren und den Co-Rezeptor LRP5/6 an der Zellmembran ausgelöst, was die Degradation von β-catenin unterdrückt und zu dessen Akkumulation im Zellkern und einer transkriptionellen Reaktion führt. Allerdings gibt es eine verwirrende Vielfalt von Wnt-Liganden und Fz-Rezeptoren in Metazoa, und ihre individuellen Funktionen sind oft unbekannt. In dieser Dissertation habe ich die Rolle der cWnt-Signalkomponenten bei der axialen Musterbildung der Seeanemone Nematostella vectensis untersucht. Als Mitglied der Nesseltiere (Cnidaria), der evolutionären Schwestergruppe zu Zweiseitentiere (Bilateria), ist dieses Tier ein wichtiges EvoDevo-Modell für die Evolution der Mechanismen der Achsenmusterbildung und der Keimschichtbildung geworden. Aus diesem Grund wollten wir die Funktionen des extrem breiten Wnt- und Fz-Komplements von Nematostella besser verstehen. In Zellkultur analysierte ich die bevorzugten Bindungspartner zwischen allen Nematostella Wnt-Liganden und Fz-Rezeptoren. Außerdem habe ich in Nematostella einzelne und kombinierte Knockdowns aller Wnt- und Fz-Gene durchgeführt, um ihre Rolle bei der Bildung der Keimschicht und der axialen Musterbildung in den frühen Embryonen meiner Modellseeanemone zu verstehen. Ich konnte zeigen, dass die Wnt/Fz/LRP5/6-vermittelte Signalübertragung für die Endomesoderm-spezifikation nicht erforderlich ist. Dies widerspricht der gängigen Meinung, dass die β-catenin-Signalübertragung eine konservierte Rolle bei der Definition des Endomesoderms in Cnidaria und Bilateria spielt. Im Gegensatz konnten wir durch die Markierung des endogenen β-catenins in Nematostella mittels CRISPR/Cas9-Knock-in zeigen, dass die Endomesoderm Spezifikation in Nematostella, anders als bei Bilateria, in der β-catenin-negativen Domäne stattfindet. Allerdings erwies sich das Wnt/Fz/LRP5/6-vermittelte Signal als entscheidend für die axiale Musterbildung. Ich zeigte, dass alle vier Fz-Rezeptoren von Nematostella an der cWnt-Signalübertragung beteiligt sind und teilweise redundante Rollen bei der axialen Musterbildung spielen. Außerdem identifizierte ich Wnt3 und Wnt4 als die stärksten Liganden, die für die oral-aborale Musterung im frühen Embryo von Nematostella verantwortlich sind. Schließlich war ich an der Analyse der Transkriptionsfaktor basierten Musterbildungslogik beteiligt, die auf die cWnt-Signalaktivierung an der Membran folgt. Insgesamt erweitern die Ergebnisse dieser Doktorarbeit unser Verständnis der cWnt-abhängigen axialen Musterbildung in unserer Modell-Seeanemone erheblich und liefern wichtige vergleichende Informationen. Sie deuten darauf hin, dass die Beteiligung des cWnt-Signals an der axialen Musterbildung wahrscheinlich der evolutionären Trennung von Cnidaria und Bilateria vorausging, während die β-catenin-abhängige Endomesoderm-Spezifikation als eine Neuheit innerhalb der Bilateria entstanden sein könnte.
Abstract (eng)
Canonical Wnt (cWnt) signaling fulfills critical roles in tissue and cell homeostasis, cell proliferation, cell fate determination and cancer. Importantly, it is also responsible for the patterning of the main body axis throughout Metazoa. cWnt signaling is initiated by binding of the Wnt ligand to Fz and LRP5/6 on the cell membrane, which represses β-catenin degradation and leads to its accumulation in the cell nucleus and transcriptional response. However, there is a bewildering variety of Wnt ligands and Fz receptors in Metazoa, and their individual functions are often unknown. In this PhD thesis, I analyzed the roles of the cWnt signaling components in the axial patterning of the sea anemone Nematostella vectensis. As a member of the evolutionary sister group to Bilateria, the Cnidaria, this animal has become a powerful EvoDevo model for understanding the evolution of the axial patterning and germ layer formation mechanisms. This is why we wanted to understand the functions of the extremely wide Nematostella Wnt and Fz complement. In cell culture, I analyzed preferential binding between all Nematostella Wnt ligands and Fz receptors. I also performed individual and combined knockdowns of all Wnt and Fz genes to understand their roles in the germ layer formation and axial patterning in the early embryos of my model sea anemone. I showed that Wnt/Fz/LRP5/6-mediated signaling is not required for the endomesoderm specification. This contradicts an accepted view that β-catenin signaling plays a conserved role in the definition of the endomesoderm in Cnidaria and Bilateria. However, strikingly, we showed by tagging the endogenous Nematostella β-catenin via a CRISPR/Cas9-mediated knock-in that, unlike in Bilateria, endomesoderm specification happens in the β-catenin-negative domain in Nematostella. In contrast, Wnt/Fz/LRP5/6-mediated signaling proved to be crucial for the axial patterning. I showed that all four Nematostella Fz receptors are involved in cWnt signaling and play partially redundant roles in the axial patterning. I also identified Wnt3 and Wnt4 as the most potent ligands responsible for the oral-aboral patterning in the early embryo of Nematostella. Finally, I contributed to the analysis of the patterning logic downstream of cWnt signaling. Taken together, the results of this PhD significantly expand our understanding of the cWnt-dependent axial patterning in our model sea anemone and provide important comparative information. They suggest that cWnt signaling function in the axial patterning likely predated the cnidarian-bilaterian divergence, while β-catenin-dependent endomesoderm specification may have emerged as a bilaterian novelty.
Keywords (deu)
Wntβ-cateninCnidariaFrizzledLRP56
Keywords (eng)
Wntβ-cateninCnidariaFrizzledLRP56
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1667171
rdau:P60550 (deu)
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Number of pages
145
Association (deu)
Title (eng)
Wnt/β-catenin signaling in the early development of Nematostella vectensis
Parallel title (deu)
Der Wnt/β-catenin Signalweg in der frühen Entwicklung von Nematostella vectensis
Author
Isabell Niedermoser
Abstract (deu)
Die kanonische Wnt-Signalübertragung (cWnt) spielt eine entscheidende Rolle bei der Gewebe- und Zellhomöostase, der Zellproliferation, der Bestimmung des Zellschicksals und bei Krebs. Wichtig ist, dass sie auch für die Musterbildung der Körperachse in Metazoa verantwortlich ist. Das cWnt-Signal wird durch die Bindung des Wnt-Liganden durch Fz Rezeptoren und den Co-Rezeptor LRP5/6 an der Zellmembran ausgelöst, was die Degradation von β-catenin unterdrückt und zu dessen Akkumulation im Zellkern und einer transkriptionellen Reaktion führt. Allerdings gibt es eine verwirrende Vielfalt von Wnt-Liganden und Fz-Rezeptoren in Metazoa, und ihre individuellen Funktionen sind oft unbekannt. In dieser Dissertation habe ich die Rolle der cWnt-Signalkomponenten bei der axialen Musterbildung der Seeanemone Nematostella vectensis untersucht. Als Mitglied der Nesseltiere (Cnidaria), der evolutionären Schwestergruppe zu Zweiseitentiere (Bilateria), ist dieses Tier ein wichtiges EvoDevo-Modell für die Evolution der Mechanismen der Achsenmusterbildung und der Keimschichtbildung geworden. Aus diesem Grund wollten wir die Funktionen des extrem breiten Wnt- und Fz-Komplements von Nematostella besser verstehen. In Zellkultur analysierte ich die bevorzugten Bindungspartner zwischen allen Nematostella Wnt-Liganden und Fz-Rezeptoren. Außerdem habe ich in Nematostella einzelne und kombinierte Knockdowns aller Wnt- und Fz-Gene durchgeführt, um ihre Rolle bei der Bildung der Keimschicht und der axialen Musterbildung in den frühen Embryonen meiner Modellseeanemone zu verstehen. Ich konnte zeigen, dass die Wnt/Fz/LRP5/6-vermittelte Signalübertragung für die Endomesoderm-spezifikation nicht erforderlich ist. Dies widerspricht der gängigen Meinung, dass die β-catenin-Signalübertragung eine konservierte Rolle bei der Definition des Endomesoderms in Cnidaria und Bilateria spielt. Im Gegensatz konnten wir durch die Markierung des endogenen β-catenins in Nematostella mittels CRISPR/Cas9-Knock-in zeigen, dass die Endomesoderm Spezifikation in Nematostella, anders als bei Bilateria, in der β-catenin-negativen Domäne stattfindet. Allerdings erwies sich das Wnt/Fz/LRP5/6-vermittelte Signal als entscheidend für die axiale Musterbildung. Ich zeigte, dass alle vier Fz-Rezeptoren von Nematostella an der cWnt-Signalübertragung beteiligt sind und teilweise redundante Rollen bei der axialen Musterbildung spielen. Außerdem identifizierte ich Wnt3 und Wnt4 als die stärksten Liganden, die für die oral-aborale Musterung im frühen Embryo von Nematostella verantwortlich sind. Schließlich war ich an der Analyse der Transkriptionsfaktor basierten Musterbildungslogik beteiligt, die auf die cWnt-Signalaktivierung an der Membran folgt. Insgesamt erweitern die Ergebnisse dieser Doktorarbeit unser Verständnis der cWnt-abhängigen axialen Musterbildung in unserer Modell-Seeanemone erheblich und liefern wichtige vergleichende Informationen. Sie deuten darauf hin, dass die Beteiligung des cWnt-Signals an der axialen Musterbildung wahrscheinlich der evolutionären Trennung von Cnidaria und Bilateria vorausging, während die β-catenin-abhängige Endomesoderm-Spezifikation als eine Neuheit innerhalb der Bilateria entstanden sein könnte.
Abstract (eng)
Canonical Wnt (cWnt) signaling fulfills critical roles in tissue and cell homeostasis, cell proliferation, cell fate determination and cancer. Importantly, it is also responsible for the patterning of the main body axis throughout Metazoa. cWnt signaling is initiated by binding of the Wnt ligand to Fz and LRP5/6 on the cell membrane, which represses β-catenin degradation and leads to its accumulation in the cell nucleus and transcriptional response. However, there is a bewildering variety of Wnt ligands and Fz receptors in Metazoa, and their individual functions are often unknown. In this PhD thesis, I analyzed the roles of the cWnt signaling components in the axial patterning of the sea anemone Nematostella vectensis. As a member of the evolutionary sister group to Bilateria, the Cnidaria, this animal has become a powerful EvoDevo model for understanding the evolution of the axial patterning and germ layer formation mechanisms. This is why we wanted to understand the functions of the extremely wide Nematostella Wnt and Fz complement. In cell culture, I analyzed preferential binding between all Nematostella Wnt ligands and Fz receptors. I also performed individual and combined knockdowns of all Wnt and Fz genes to understand their roles in the germ layer formation and axial patterning in the early embryos of my model sea anemone. I showed that Wnt/Fz/LRP5/6-mediated signaling is not required for the endomesoderm specification. This contradicts an accepted view that β-catenin signaling plays a conserved role in the definition of the endomesoderm in Cnidaria and Bilateria. However, strikingly, we showed by tagging the endogenous Nematostella β-catenin via a CRISPR/Cas9-mediated knock-in that, unlike in Bilateria, endomesoderm specification happens in the β-catenin-negative domain in Nematostella. In contrast, Wnt/Fz/LRP5/6-mediated signaling proved to be crucial for the axial patterning. I showed that all four Nematostella Fz receptors are involved in cWnt signaling and play partially redundant roles in the axial patterning. I also identified Wnt3 and Wnt4 as the most potent ligands responsible for the oral-aboral patterning in the early embryo of Nematostella. Finally, I contributed to the analysis of the patterning logic downstream of cWnt signaling. Taken together, the results of this PhD significantly expand our understanding of the cWnt-dependent axial patterning in our model sea anemone and provide important comparative information. They suggest that cWnt signaling function in the axial patterning likely predated the cnidarian-bilaterian divergence, while β-catenin-dependent endomesoderm specification may have emerged as a bilaterian novelty.
Keywords (deu)
Wntβ-cateninCnidariaFrizzledLRP56
Keywords (eng)
Wntβ-cateninCnidariaFrizzledLRP56
Subject (deu)
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https://phaidra.univie.ac.at/o:1901038
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