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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-88107
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8810/


Goetz, Rebekka

FGF signaling in mouse olfactory placode development

Der FGF Signalweg und seine Rolle während der Entwicklung des olfaktorischen Systems der Maus

Dokument1.pdf (27.953 KB) (md5sum: 92359de7d1fdda9df0226f400dc207bd)

Kurzfassung in Englisch

The nasal cavity of adult mice contains three different sensory- and non-sensory epithelia. The main olfactory epithelium (MOE, sense of smell) for the detection of odors, the vomeronasal organ (VNO) for the detection of pheromones and the respiratory epithelium, a ciliated non-sensory epithelium that moistens and filters the air. All three epithelia and several migratory cell populations - among them Gonadotropin-releasing hormone (GnRH-1) producing neurons - are derived from the olfactory placodes (OPs), two epithelial thickenings localized on either side of the embryonic head. GnRH-1 neurons originate on the medial side of the OP and are incorporated into the developing VNO. From there, they migrate into the central nervous system (CNS) and regulate sexual maturation and fertility via the hypothalamic-pituitary-gonadal axis (HPG).
Several studies over the last decade have provided evidence that Fibroblast Growth Factor (FGF) signaling is an important regulator of OP development. Recent data also suggest a role for FGF8 and FGFR1 in GnRH-1 neuron development (Chung et al 2008; Falardeau et al 2008; Kawauchi et al 2005).
In this thesis, different aspects of FGF signaling in the development of (I) the olfactory system and (II) GnRH-1 neurons were investigated. First, the analysis of Fgf8-, Fgfr1- and Vax1 mutant mouse embryos, which was initiated earlier in the Neubüser lab, was completed. Second, expression profiling of Fgfr1- and Vax1 deficient OPs was performed.
Conditional inactivation of Fgf8 (Fgf8 CKO) results in a severely reduced or absent olfactory epithelium (OE), absent VNO and no detectable GnRH-1 neurons. Conditional inactivation of Fgfr1, which serves as a possible receptor for FGF8, results in a less severe phenotype. Fgfr1 CKOs mainly suffer from an absent VNO and missing GnRH-1 neurons. In both mutants, expression of spatially restricted genes in the OP is altered. Genes that are normally expressed on the medial side of the placode (Vax1, Tcf4, Fgf3, Fgf15, Fgf17) are absent. Laterally expressed genes (Bmp4, Raldh3, Pitx1) are expanded to the medial side. This mispatterning is more severe in Fgf8 CKOs than in Fgfr1 CKOs, where Bmp4 expression is not altered at all.
Since expression of the homeobox transcription factor Vax1 was downregulated on the medial side of the OP of both Fgf8- and Fgfr1 mutants, Vax1 mutant embryos were also analyzed for defects in the olfactory system. GnRH-1 neurons are lost in Vax1 mutants, and further analysis showed that Vax1 is expressed in migrating GnRH-1 neurons. This analysis identifies VAX1 as a novel FGF downstream target.
Expression profiling using the Agilent microarray platform was used in the second part of this thesis to identify new FGFR1/VAX1 downstream targets in the OP. For this analysis Fgfr1- and Vax1 deficient OPs were micro-dissected and gene expression levels were compared to wildtype control placodes. Some of the regulated genes were then selected for further examination. Altogether 13 out of 30 candidate genes either regulated in Fgfr1 CKOs only (single targets) or in Fgfr1 CKOs and Vax1 KOs (common targets), were positively validated by in situ hybridization. Six genes were only regulated in Fgfr1 deficient OPs, suggesting that the olfactory system of Fgfr1 CKOs is more severely affected than originally thought. Among these 6 genes are DLK1, HES5 and MFNG. Interestingly, all three factors are components of the Notch signaling pathway.
Seven genes were positively validated as regulated in both mutants. Six6 and Flrt2 represent the most promising candidates because both are co-expressed with Vax1 on the medial side of the OP. In addition, Six6 is co-expressed with GnRH-1 in migrating neurons and a recent publication showed that adult Six6 KO mice have a severely reduced number of GnRH-1 neurons (Larder et al 2011). Taken together, based on their expression patterns and the dependency on FGFR1 and VAX1, Six6 and Flrt2 seem to play a role (together with Vax1) in GnRH-1 neuron development.
From comparative expression analysis in mouse- and chicken embryos it seems that all three genes are conserved among species, which opens the door for a variety of functional studies in the future.


Kurzfassung in Deutsch

Das olfaktorische System der adulten Maus ist aus drei, sensorischen-, und nicht-sensorischen Epithelien aufgebaut. Mit dem olfaktorischen Epithel (“main olfactory epithelium”, “MOE”) werden Gerüche wahrgenommen, das Vomeronasale Organ (VNO) detektiert Pheromone und das respiratorische Epithel ist ein nicht-sensorisches Epithel, welches die Luft befeuchtet und mit Hilfe von Zilien filtert. Alle drei Epithelien sowie einige migratorische Zellpopulationen, z.B. Neurone, die Gonadotropin-Releasing-Hormon (GnRH-1) produzieren, stammen von zwei bilateral gelegenen, epithelialen Verdickungen im embryonalen Kopf ab und werden olfaktorische Plakoden (OP) genannt. GnRH-1-Neurone haben ihren Ursprung in der medialen OP und werden später in das sich enwickelnde VNO integriert. Von dort wandern sie in das zentrale Nervensystem, wo sie über die Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse (HPG) Fertilität steuern.
In den letzten Jahren häuften sich Veröffentlichungen, in denen der Fibroblastenwachstumsfaktor-(FGF)-Signalweg mit der Entwicklung der OP in Verbindung gebracht wurde. Neueren Berichten zufolge spielen FGF8 und FGFR1 auch eine Rolle in der Entwicklung von GnRH-1-Neuronen (Chung et al 2008; Falardeau et al 2008; Kawauchi et al 2005).
In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Aspekte der Entwicklung des (I) olfaktorischen Systems sowie von (II) GnRH-1-Neuronen im Zusammenhang mit dem FGF-Signalweg untersucht. Zu Beginn wurde die Analyse von Fgf8-, Fgfr1- und Vax1-Mausmutanten, welche bereits von anderen Mitgliedern des Neubüser-Labors begonnen wurden, fertiggestellt. Des Weiteren wurden Expressionsprofile von Fgfr1- und Vax1-defizienten OPs erstellt und validiert.
Eine konditionale Fgf8-Mutation (CKO) führt zu schweren Defekten im olfaktorischen System. Das MOE ist stark reduziert oder nicht vorhanden, das VNO sowie GnRH-1-produzierende Neurone fehlen. Ein milderer Phänotyp wird beobachtet wenn Fgfr1, welches für einen möglichen Rezeptor für FGF8 kodiert, konditional mutiert ist. Diesen Mutanten fehlt ein VNO sowie GnRH-1-Neurone. In beiden Mutanten können Musterbildungsdefekte der OP festgestellt werden. Die Expression von Genen, die normalerweise auf die mediale Seite der OP beschränkt ist (Vax1, Tcf4, Fgf3, Fgf15, Fgf17), geht verloren, wohingegen sich die Expression von Genen der lateralen Seite (Bmp4, Raldh3, Pitx1) auf die mediale Seite ausweitet. Dieser Musterbildungsdefekt ist in Fgf8-CKOs stärker ausgeprägt, als in Fgfr1-CKOs. Die Bmp4-Expression ist z.B. völlig unverändert in Fgfr1-CKOs.
Aufgrund der Tatsache, dass die Expression von Vax1 welches für einen Homeobox-Transkriptionsfaktor kodiert, in beiden Mutanten auf der medialen Seite der OP verloren geht, wurden Vax1-Mutanten (KO) auf Defekte im olfaktorischen System hin untersucht. Die Analyse ergab, dass zum einen Vax1-Mutanten GnRH-1-produzierende Neurone fehlen und dass zum anderen Vax1 normalerweise auch von wandernden GnRH-1-Neuronen exprimiert wird. VAX1 kann somit als neues FGF-Zielgen in der Entwicklung von GnRH-1-produzierenden Neuronen betrachtet werden.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde die Agilent Microarray Platform benutzt um weitere FGFR1/VAX1-Zielgene in der OP zu identifizieren. Zu diesem Zweck wurden Fgfr1- und Vax1-defiziente OPs isoliert und ihre Genexpression mit der von wildtypischen Kontroll-OPs verglichen. Einige der veränderten Gene wurden ausgewählt und genauer untersucht. Insgesamt sind mit Hilfe der in situ Hybdidisierung 13 von insgesamt 30 Kandidaten positiv validiert worden. Sechs der 13 Kandidaten waren nur in Fgfr1-defizienten OPs verändert (“single targets”). Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass das olfaktorische System der Fgfr1-CKOs mit großer Wahrscheinlichkeit deutlicher betroffen ist als ursprünglich angenommen. Unter ihnen sind die Notch-Signalweg-Komponenten DLK1, HES5 und MFNG zu nennen.
Sieben der 13 Kandidaten waren in beiden Mutanten verändert (“common targets”). Unter ihnen sind die Gene Six6 und Flrt2. Beide Gene sind zusammen mit Vax1 auf der medialen Seite der OP exprimiert. Zusätzlich wird Six6 auch in wandernden GnRH-1-Neuronen exprimiert und erst kürzlich wurde berichtet, dass adulte Six6-Mutanten eine stark reduzierte Anzahl an GnRH-1-Neuronen aufweisen (Larder et al 2011). Abschließend lässt sich festhalten, dass basierend auf den Expressionsmustern und der Abhängigkeit von FGFR1 und VAX1, Six6 und Flrt2 wahrscheinlich (gemeinsam mit Vax1) an der Entwicklung von GnRH-1-produzierenden Neuronen beteiligt sind.
Die Durchführung vergleichender Expressionsstudien von Vax(1), Six6 und Flrt2 in der Maus und dem Hühnchen ergab viele Gemeinsamkeiten. Dieser Umstand erlaubt es zukünftig in beiden Tiermodellen funktionale Studien durchzuführen.


SWD-Schlagwörter: Fibroblastenwachstumsfaktor
Freie Schlagwörter (deutsch): FGF , FGFR1 , olfaktorische Plakode , Maus
Freie Schlagwörter (englisch): FGF , FGFR1, olfactory placode , mouse
Institut: Institut für Biologie 1 (Zoologie)
Fakultät: Fakultät für Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Neubüser, Annette (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 06.07.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 22.11.2012
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