Zellhomöstase erfordert ein feines Gleichgewicht zwischen Stammzellerneuerung und
Differenzierung. In der weiblichen Keimbahn von Drosophila melanogaster befinden sich
zwei bis drei Keimbahnstammzellen an der Spitze des Germariums. Signalgebung durch
das umliegende Gewebe definiert eine somatische Nische, welche die Differenzierung
der Stammzellen verhindert. Nach mitotischer Teilung einer ...
Abstract (German)
Zellhomöstase erfordert ein feines Gleichgewicht zwischen Stammzellerneuerung und
Differenzierung. In der weiblichen Keimbahn von Drosophila melanogaster befinden sich
zwei bis drei Keimbahnstammzellen an der Spitze des Germariums. Signalgebung durch
das umliegende Gewebe definiert eine somatische Nische, welche die Differenzierung
der Stammzellen verhindert. Nach mitotischer Teilung einer der Stammzellen verfolgen
beide Tochterzellen unterschiedliche Zellschicksale: Eine der Zellen verbleibt in der
somatischen Nische um somit einen konstanten Bestand an Stammzellen zu
gewährleisten, während die andere Tochterzelle insgesamt vier Zellteilungen mit
unvollständiger Zytokinese durchläuft, um schließlich eine 16-Zellzyste zu bilden, aus
welcher sich schließlich die reife Oozyte entwickelt. Um den Differenzierungsprozess zu
initiieren, muss die Produktion des Stammzellfaktors Nanos (Nos) transient unterdrückt
werden. Hierfür bedarf es des Weibchen-spezifischen Regulationsfaktors Sex-lethal
(Sxl) sowie drei weiterer Faktoren, Bag of marbles (Bam), Benign gonial cell neoplasm
(Bgcn) und Meiotic P26 (Mei-P26), welche an die 3’ UTR von nos binden und somit seine
Expression regulieren. Fehler in dieser Regulation führen zur Ausbildung eines
Keimbahntumors und somit zur Sterilität. Trotz der Kenntnis der beteiligten Faktoren sind
die molekularen Details der Regulation von nos bislang kaum untersucht und bekannt.
Diese Arbeit zeigt, dass Bam und Bgcn sowohl unabhängig als auch im Zusammenspiel
miteinander in der Lage sind, die Expression von Nos durch Abbau seiner mRNA zu
unterdrücken. Für beide Proteine werden dabei Bereiche definiert, über welche
Interaktionen mit weiteren Proteinen stattfinden können, um somit die RNA Degradation
zu vermitteln. Außerdem wurden in Zusammenarbeit mit weiteren Laboren neue
Erkenntnisse über die RNA-Bindeaktivität der Mei-P26 NHL Domäne errungen. So
konnten sowohl die Anforderungen an die gebundenen RNA Sequenzen als auch
entscheidend an der Bindung beteiligte Aminosäuren innerhalb des Proteins identifiziert
werden. Zusätzlich konnten über moderne iCLIP Analysen weitere Gene identifiziert
werden, welche Mei-P26 abhängig reguliert werden. Die Validierung dieser Zielgene
ergab dabei nicht nur den ersten in vitro Beweis für eine direkte Beteiligung von Mei-P26
an der Regulation von Nanos, sondern zeigte auch, dass Mei-P26 die Expression von
mRNAs sowohl negativ als auch positiv beeinflussen kann, eine Eigenschaft die so für
noch kein verwandtes Protein gezeigt werden konnte.
Insgesamt konnten somit in dieser Arbeit diverse biochemische Einblicke in die
Funktionsweise der, an der Regulation von Nanos beteiligten, Proteine gewonnen
werden und dadurch unser Verständnis dieses hochkomplexen Prozesses erweitert
werden.
Translation of the abstract (English)
Tissue homeostasis requires a fine balance between germ cell maintenance and
differentiation. In the female germline of Drosophila melanogaster two to three germline
stem cells (GSCs) reside at the tip of the germarium. Signaling from the surrounding
tissue defines a stem cell niche that prevents differentiation. After mitotic division of a
GSC, the two daughter cells adapt different cell ...
Translation of the abstract (English)
Tissue homeostasis requires a fine balance between germ cell maintenance and
differentiation. In the female germline of Drosophila melanogaster two to three germline
stem cells (GSCs) reside at the tip of the germarium. Signaling from the surrounding
tissue defines a stem cell niche that prevents differentiation. After mitotic division of a
GSC, the two daughter cells adapt different cell fates: one remains a GSC to replenish
the pool of stem cells, the other undergoes four synchronous cell divisions with
incomplete cytokinesis to generate a cyst of sixteen cells, one of which develops into the
oocyte. To initiate this differentiation process, production of the stem cell factor Nanos
(Nos) has to be transiently repressed. This requires the female-specific master regulator
protein Sex-lethal (Sxl), as well as three other proteins, Bag of marbles (Bam), Benign
gonial cell neoplasm (Bgcn) and Meiotic P26 (Mei-P26), which bind and repress the nos
mRNA. Failure to do so results in the formation of germ line tumors and sterility. Despite
knowing the components involved, molecular details of this regulation are still poorly
analyzed and understood.
This thesis shows that Bam and Bgcn can both individually and cooperatively prevent
Nos expression by degrading its mRNA. For both proteins, areas are defined which may
interact with other proteins to allow RNA degradation. Furthermore, collaborative efforts
with other laboratories granted advanced insights into the RNA binding properties of the
Mei-P26 NHL domain, defining RNA sequence requirements as well as amino acids
required for nucleotide binding. In addition to that, state of the art iCLIP analysis was
used to identify additional targets of Mei-P26 mediated regulation. Validation of these
targets not only for the first time provided in vitro evidence for a direct involvement of
Mei-P26 in nos regulation, but surprisingly also showed that regulation by Mei-P26 can
be both negative and positive, a behavior that has never been shown for any related
proteins.
In total, this thesis provides numerous biochemical insights into the function of proteins,
involved into the transient repression of Nanos in the female germline, thus further
expanding our molecular understanding of this highly complex process.
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