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Titel: Identifizierung und Charakterisierung von Fibroblasten-Wachstumsfaktoren und -Rezeptoren bei Hydra
Autor: Lange, Ellen
Weitere Beteiligte: Hassel, Monika (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2016
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2016/0678
DOI: https://doi.org/10.17192/z2016.0678
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2016-06787
DDC: 570 Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Identification and characterization of fibroblast growth factors and -receptors in Hydra

Dokument

Schlagwörter:
Fibroblastenwachstumsfaktor, Fibroblastenwachstumsfaktorrezeptor, Hydra <Polyp>, FGF, FGFR, FGFRL1, firboblast growth factor, fgf, fibroblast growth factor receptor, fgfr, hydra

Zusammenfassung:
Bei FGFs handelt es sich um kleine, meist extrazellulär agierende, Signalmoleküle. Sie sind sowohl bei Vertebraten, als auch bei Invertebraten vorhanden. Vertebraten besitzen abhängig von der Spezies zwischen 19 (Gallus gallus) und 27 (Danio rerio) verschiedene FGFs. Innerhalb der Invertebraten ist die Anzahl an FGFs weitaus geringer. Die Größe der FGFs liegt bei Vertebraten zwischen 17 kDa und 34 kDa und bei Invertebraten zwischen 21 kDa und 86 kDa. Aufgrund starker struktureller Ähnlichkeiten innerhalb der für FGF typischen Core-Region, auch über die Spezies hinweg, lassen sich die FGFs der Vertebraten, z.T. auch die der Invertebraten, in 7 Unterfamilien einteilen. Funktionell sind FGFs an verschiedenen entwicklungsbiologischen Prozessen, wie z.B. am Auswachsen von Gliedmaßenknospen, an der Etablierung von Grenzen und der Tubulogenese beteiligt. Dabei vermitteln FGFs konzentrationsabhängig über die Bindung an FGF-Rezeptoren u.a. Zellmigration, Zelldifferenzierung und Zelladhäsion. FGF-Rezeptoren sind membranständige Rezeptoren, die zur Superfamilie der Rezeptor-Tyrosinkinasen gehören. Vertebraten besitzen vier kanonische und einen nicht-kanonischen FGF-Rezeptor. Invertebraten haben ein bis zwei kanonische und einen nicht-kanonischen FGF-Rezeptor. Dem nicht-kanonischen FGF-Rezeptor, FGFRLike1, fehlt intrazellulär die Tyrosinkinase-Domäne. Er wird daher als ein möglicher Negativ-Regulator des FGF/FGFR-Signalweges angesehen. Zur Evolution der FGFs gibt es verschiedene Hypothesen. Zum einen wird diskutiert, ob aus wenigen FGFs im Laufe der Evolution viele entstanden sind oder umgekehrt. Im Falle der FGF-Rezeptoren wird von einem ursprünglichen Rezeptor ausgegangen, aus dem durch linienspezifische Duplikationen die ein bzw. zwei FGF-Rezeptoren der Invertebraten entstanden sind. Die vier FGF-Rezeptoren der Wirbeltiere entstanden während einer zweiten Phase der Vertebraten-Genexpansion. Für Hydra ist in Bezug auf den FGF/FGFR-Signalweg nur wenig bekannt. Frühere Arbeiten zeigen, dass Hydra vulgaris Zürich einen FGF-Rezeptor, FGFRa, und ein mögliches FGF, HvFGF1/2, besitzt. FGFRa ist essentiell für die Ablösung der Knospe. Im Rahmen dieser Arbeit wurde nach weiteren putativen FGFs und FGF-Rezeptoren gesucht. Diese wurden anschließend in Bezug auf Struktur, Transkription und z.T. Proteinlokalisation hin untersucht, um so Aussagen über mögliche Eigenschaften und Funktionen, sowie über die Evolution von FGFs und FGFRs treffen zu können. Die phylogenetische Einordung der FGFs von Hydra unterstützt die Hypothese, dass es ursprünglich wenige FGFs gab. Die Daten deuten an, dass der gemeinsame Vorfahr von Hydra und den Bilateria 3 FGFs besaß. Sowohl die Transkriptionsmuster der 4 FGFs aus Hydra vulgaris AEP, als auch die Proteinlokalisation von FGF-f deuten an, dass auch der FGF/FGFR Signalweg in Hydra vielfältige Funktionen erfüllt. Zwei weitere FGF-Rezeptoren, FGFRb und HvFGFRL1, konnten ebenfalls identifiziert werden. FGFRb, ein zweiter kanonischer FGFR, könnte eventuell redundant zu FGFRa agieren. Bei HvFGFRL1 könnte es sich um einen Negativ-Regulator des FGF/FGFR-Signalweges handeln, der Einfluss auf die Zellwanderungsgeschwindigkeit ins Hypostom und auf die Lokalisation der Tentakel nimmt. Die Ergebnisse meiner Arbeit machen deutlich, dass der FGF/FGFR Signalweg, was die Zahl an Liganden und Rezeptoren, aber auch die möglichen Funktionen, angeht, schon im Vorläufer von Hydra und Bilateria sehr komplex gewesen sein muss.

Summary:
FGFs are small signaling polypeptides and most of them act extracellularly. They exist in invertebrates and vertebrates. In the latter between 19 (Gallus gallus) and 27 (Danio rerio) different FGFs are known, while within the invertebrates, the number of FGFs is much lower. The size of FGFs varies between 17 kDa and 34 kDa in vertebrates and between 21 kDa and 86 kDa in invertebrates. The high structural similarity within the typical FGF core region, even across species, allows their classification into seven subfamilies. FGFs are involved in different developmental processes, like limb bud development, establishment of boundaries or tubulogenesis. By binding to an FGF receptor, FGFs control, in a concentration-dependent manner, e.g. cell migration, cell differentiation and cell adhesion. FGFRs are membrane bound receptors and belong to the superfamily of receptor tyrosine-kinases. There are four canonical and one non-canonical FGFR in vertebrates, and up to two canonical and one non-canonical FGFR in invertebrates. In contrast to canonical FGFRs, the non-canonical receptor, FGFRL1, lacks a tyrosine kinase domain and is supposed to be a negative regulator for the FGF/FGFR signaling pathway. Two hypotheses are discussed to explain the evolution of FGFs. One claims that only few FGFs existed in the Urmetazoa, the other one claims that multiple FGFs existed already. In the case of FGFRs, it is assumed that a single ancestral receptor sequence underwent duplication in the invertebrate phyla independently. The four vertebrates FGFRs emerged during a second phase of gene duplication. Very little is known about the FGF/FGFR signaling pathway in Hydra. Earlier studies indicated the presence of one FGF-receptor, FGFRa, and one possible FGF, HvFGF1/2 in Hydra vulgaris Zürich. FGFRa is essential for the bud detachment. In this thesis, I identified the full set of Hydra FGFs and FGFRs, investigated their phylogeny, their gene expression patterns and protein localization. These studies allowed predictions about potential functions as well as the evolution of FGFs and FGFRs. The phylogeny of the Hydra FGFs supports the hypothesis that it was originally only few FGFs. The data suggest, that there were three FGFs in the ancestor of Hydra and Bilateria. The transcription pattern of the four Hydra vulgaris AEP FGFs and the protein localization of FGF-f indicated that the FGFs probably have multiple functions in Hydra. Two more FGFRs, FGFRb and HvFGFRL1 were identified. FGFRb, a second canonical FGFR, might act redundantly to FGFRa, while HvFGFRL1 has the potential to act as a negative regulator of the FGF/FGFR signaling pathway with respect to the differential speed of cell migration into the hypostome and the tentacles. Concerning the number and expression patterns of ligands and receptors, my data shows that the FGF/FGFR tool kit was already complex in the ancestor of Hydra and Bilateria.


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