Involvement of the Notch-signaling pathway in the development of the two polychaete annelids Capitella sp. I and Platynereis dumerilii

Abstract

Arthropods, chordates and annelids are all segmented animals. It is not yet clear wether their common ancestor was segmented or if segmentation developed independently within each group. Recent molecular characterization of developmental pathways utilized in the formation of segments has been used as evidence to support homology of segments. Different scenarios have been proposed to explain the evolution of segmentation. Examination of several Drosophila segmentation genes in vertebrates has not yielded any striking evidence for a common segmented ancestor of vertebrates and arthropods, but a recent article, which shows the involvement of Delta and Notch in the segmentation of the spider Cupiennius salei, supports the homology of segments. The Delta-Notch pathway plays a crucial role in the somitogenesis of chordates, but is not involved in the segmentation process of Drosophila. These results suggest that the lack of a role of Notch and Delta in the segmentation of Drosophila reflects developmental differences in the segmentation of Drosophila and more basal arthropods. In Drosophila segments are formed simultaneously in a syncytial stage, where cell-cell communication does not yet occur, while segmentation in vertebrates and basal arthropods both generate segments in a cellular environment, where the Notch-Delta pathway can operate between adjacent cells. To study a possible ancestral function of the Notch-Delta pathway in segmentation, it is important to examine members of the third major phylum of segmented animals, the annelids. In this thesis, expression patterns of Notch and its components in the signaling pathway were studied during the larval development of the two polychaete annelids Platynereis dumerilii and Capitella sp. I. In addition to the receptor Notch and its ligand Delta, I have isolated homologues of hes/hairy-genes, fringe and Suppressor of hairless. The results show that this signaling pathway has been recruited for multiple functions. The expression patterns observed are consistent with a role in chaetae formation, neurogenesis and foregut development in both polychaetes. A striped like expression in the future segments and/or already formed segments, such as in arthropods or vertebrates, could not be seen for any of the studied genes during early segmentation of both polychaetes. Thus, even though the expression is also located in the presumptive segmented tissue of both larvae, I do not assume an involvement of the Notch signaling pathway during the early segmentation of polychaetes. Expression of Notch, Delta and hes-genes in the larval growth zone of Platynereis dumerilii and Capitella sp. I in later larval development accounts for the involvement of the Notch-signaling pathway in the terminal addition of segments in those two polychaetes and even annelids. Arthropoden, Chordaten und Anneliden sind die segmentierten Gruppen des Tierreiches. Es ist bis heute nicht klar, ob ihr gemeinsamer Vorfahre segmentiert war oder ob sich der Prozess der Segmentierung unabhängig in allen drei Stämmen entwickelt hat. In den letzten zehn bis zwanzig Jahren wurde neben den morphologischen und anatomischen Merkmalen der Segmentierung auch das molekulare Netzwerk untersucht, um nach Beweisen für die Homologie von Segmenten zu suchen. Dies resultierte in verschiedenen Hypothesen über den Ursprung der Segmentierung innerhalb dieser Gruppen. Expression und Funktion von vielen Genen, die während der Segmentierungskaskade von Drosophila wichtig sind, wurden in Vertebraten untersucht, brachten jedoch kein eindeutiges Ergebnis über die Homologie von Segmenten in diesen Gruppen. Daher wurde u.a. auch der Notch-Signalweg, einer der wichtigsten Signalwege während der Somitogenese von Vertebraten, in Arthropoden untersucht. Die Studien an der Spinne Cupiennius salei zeigten eindeutig eine Funktion von Notch und seinen Komponenten während des Segmentierungsprozesses dieses basalen Arthropoden. Diese Ergebnisse sprechen für eine Homologie des Segmentierungsprozesses von Arthropoden und Vertebraten und zeigen ebenfalls die entwicklungsbiologischen Unterschiede zwischen Vertebraten und Drosophila während der Bildung von Segmenten auf. Aufgrund der syncytialen Umgebung während der Segmentierung von Drosophila wird der Notch-Signalweg nicht in diesem entwicklungsbiologischen Prozess genutzt. Die Bildung der Segmente in Drosophila erfolgt ebenfalls in einem sehr kurzen entwicklungsbiologischen Zeitraum fast schon simultan. Dies steht im Gegensatz zur sukzessiven Segmentbildung in Vertebraten, die in einer zellulären Umgebung den Zell-Zell-Kontakt für den Notch-Signalweg und deren Funktionalität nutzt. In dieser Dissertation wurde nun zum ersten Mal der Notch-Signalweg im dritten segmentierten Stamm der Tiere, der Anneliden (Ringelwürmer), untersucht, um eventuell eine ursprüngliche Funktion des molekularen Signalweges während des Segmentierungsprozesses nachzuweisen. Die zeitliche und räumliche Abfolge der Expression von Notch und seiner Komponenten wurde während der larvalen Entwicklung der zwei Polychaeten Platynereis dumerilii und Capitella sp. I untersucht. Neben dem Rezeptor Notch und seinem Liganden Delta wurden außerdem noch andere Komponenten des Signalweges wie hes/hairy, fringe und Suppressor of hairless aus dem Genom der beiden Polychaeten isoliert. Diese Gene zeigen Expression im zentralen Nervensystem, in den Borstenanlagen und im Vorderdarm. Gene, die in der Segmentierung von Arthropoden und auch von einigen Vertebraten involviert sind, zeigen oft eine streifenartige Expression in den sich bildenden oder schon gebildeten Segmenten. Dies konnte im frühen Segmentierungsprozess von beiden Polychaeten nicht nachgewiesen werden. Daraus schlußfolgern wir, daß die isolierten Gene nicht an der frühen Bildung von den Segmenten der beiden Polychaeten beteiligt sind. Im Gegensatz dazu zeigen Notch, Delta und einige hes-Homologe aber Expression in der posterioren Wachstumszone während der terminalen Addition von Segmenten in den Larven der beiden Polychaeten. Dies wiederum spricht dafür, daß der Notch-Signalweg in den posterioren Segmentierungprozess der Polychaeten involviert ist.