Publikationsserver der Universitätsbibliothek Marburg

Titel:Identification and characterization of downstream elements of Hydra FGFR signaling
Autor:Suryawanshi, Ashwini Chandrakant
Weitere Beteiligte: Hassel, Monika (Prof. Dr.)
Veröffentlicht:2017
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0122
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0122
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-01224
DDC:570 Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.):Identifikation und Charakterisierung von Downstreamelementen von Hydra FGFR Signalweg
Publikationsdatum:2017-03-16
Lizenz:https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0

Dokument

Schlagwörter:
FGFR, Downstream, FGFR, Downstream, Hydra <Polyp>

Summary:
Hydra polyps predominantly reproduce through budding in the lower half of the parent’s body column. FGFRa (Kringelchen), a member of FGF receptor tyrosine kinases, plays an essential role and controls bud detachment from the parent. Whether signal transduction through Hydra FGFR is comparable to FGFR signal-­ ing in vertebrate and fly is unknown. In both Bilateria, activated FGFRs recruit docking proteins to connect to downstream pathways and negative regulators. While vertebrates use FRS2 to dock FGFR to the Ras/MAPK or PI3K pathways, a completely unrelated protein, Downstream-­of-­FGFR (Dof/Stumps/Heartbro-­ ken), fulfills this function in Drosophila. In Drosophila, Dof couples FGFR to MAPK signaling and transcriptionally activates the negative regulator Sprouty (Spry). Spry proteins are necessary to modulate receptor tyrosine kinase activity by in-­ terfering with MAPK signaling downstream of RTK. To elucidate potential downstream signaling elements of ancestral FGFRs, I an-­ alyzed genomic and EST sequence databases and identified Spry, FRS2, and/or Dof proteins in phyla derived early from the main lineage of animals – including Hydra. Dof was found only within the Eumetazoa, while FRS2 proteins were also predicted in Metazoa and their sister taxon, the Choanoflagellata. For the known FRS2 proteins of Deuterostomia and Ecdysozoa an N-­terminal myristoylation site, a PTB domain and multiple C-­terminal Grb2 and Shp2 binding sites are typ-­ ical. This structure also applies to FRS2 in Choanoflagellata and sponges (Porif-­ era). A deviating domain structure of FRS2 proteins is predicted in Placozoa, Cnidaria, and Spiralia (Annelida, Mollusca). Their FRS2 proteins all carry an N-­ terminal PH, a PTB domain and few Grb2 and Shp2 binding sites. Phylogenetic analysis identified a novel protein family (PH-­FRS2). Expression analysis of Dof and FRS2 in Hydra revealed high levels of Dof transcripts in the upper body re-­ gion and the tentacle zone. FRS2 mRNA, in contrast, was detected only weakly at the tentacle bases. The presence of both putative docking proteins in Metazoa hints to an early toolkit for the transduction of FGFR signals. Their functional sig-­ nificance remains to be shown. I also identified four spry genes in Hydra, all positioned in the basal most position of the phylogenetic tree. They encode the typical features of Spry proteins namely a c-­Cbl TKB (Tyrosine kinase binding) site, a Raf1-­binding and a Spry domain. Transcripts of spry2 were detected at the bud base adjacent to Hydra FGFRa from mid to late stages. Since no spry-­encoding genes were found in the ge-­ nomes of Parazoa (Trichoplax), sponges (Oscarella, Amphimedon), or choanoflagellates (Salpingoeca), Sprouties might have occurred in the Cnidaria first -­ or been lost from the early derived taxa. Tissue dynamics and the spatiotemporal expression pattern of FGFRa, dof and spry2, reveals (a) spry2 and FGFRa are present in the same cells at the bud base, (b) co-­expression of FGFRa (weakly) and dof (strongly) in the head region. In summary, data suggest the existence of two FGFR pathways. The first path-­ way functions in bud detachment, as shown previously, and potentially links FGFRa to a negative feedback loop activating Spry2. A second pathway function for FGFR signaling in Hydra might be at the bud and at the adult head – in a zone, where the mRNA encoding the docking protein Dof is expressed at a high level, and where the two FGFRs are transcribed at a low level. Here, FGFR might func-­ tion to control or modulate cell migration towards the head and/or cell differentia-­ tion necessary to form and maintain a fully functional head. Further elucidation of these potential functions and the molecular network, in which Hydra FGFRs act, is a very interesting task for the future.

Zusammenfassung:
Die Fortpflanzung des Süßwasserpolypen Hydra geschieht hauptsächlich durch Knospung in der unteren Körperhälfte. Der FGF Rezeptor (FGFR) Kringelchen eine Rezeptortyrosinkinase (RTK) spielt eine wichtige Rolle während der Knospung und kontrolliert die Ablösung der Knospe. Unklar ist, ob die FGFR Sig-­ nalweiterleitung in Hydra ähnlich wie bei Vertebraten und Insekten abläuft. Akti-­ vierte FGFRs der Bilateria rekrutieren Docking Proteine, was zu einer Weiterlei-­ tung des Signals an nachgeschaltete Signalkaskaden und negative Regulatoren führt. Vertebraten nutzen hierbei FRS2 zur Weiterleitung des Signals an RAS/MAPK oder PI3K Signalkaskaden, während das nicht-­verwandte Protein Downstream-­of-­FGFR (Dof/Stumps/Heartboken) diese Aufgabe in Drosophila übernimmt. Bei Drosophila koppelt Dof FGFR an den MAPK Signalweg und akti-­ viert somit transkriptionell den negativen Regulator Sprouty. Sprouty Proteine in-­ teragieren mit dem RTK-­nachgeschalteten MAPK Signalweg und sind dadurch in der Lage, das Signal abzuschwächen. Um mehr über die potentiellen Signalelemente anzestraler FGFRs zu erfahren habe ich Datenbanken von genomischen und EST-­Sequenzen untersucht. Hier-­ bei konnte ich Sprouty, FRS2 und Dof Proteine codierende Sequenzen in früh abgeleiteten Tierstämmen, inklusive Hydra, identifizieren. Dof war nur in den Eumetazoa vorhanden, während FRS2 ebenfalls in Metazoa und deren Schwes-­ tertaxa, den Choanoflagellaten, auffindbar war. In Deuterostomia und Ecdysozoa sind eine N-­terminale Myristoylierungsstelle, eine PTB Domäne sowie multiple C-­ terminale GRB2 und SHP2 Bindestellen typisch, gleiches gilt für FRS2 in Cho-­ anoflagellaten und Schwämmen (Porifera). Abweichende Domänenstrukturen für FRS2 Proteine werden für Placozoa, Cnidaria und Spiralia (Annelida, Mollusca) vorhergesagt, deren FRS2 Proteine alle eine N-­terminales PH Domäne, eine PTB Domäne und wenige potentielle Grb2 und Shp2 Bindestellen beinhalten. Durch phylogenetische Analysen konnte eine neue Proteinfamilie (PH-­FRS2) identifiziert werden. Expressionsanalysen von Dof und FRS2 in Hydra zeigten ein hohes Dof-­Transkriptionslevel in der oberen Körperregion und der Tentakelzone. Im Gegensatz dazu wurde FRS2 mRNA nur extrem schwach an der Tentakelba-­ sis nachgewissen. Das Vorhandensein beider vermuteter Dockingproteine bei Metazoa lässt darauf schließen, dass diese zu einem früh entstandener Werk-­ zeugkasten (toolkit) für die Weiterleitung von FGFR Signalen gehören. Die funk-­ tionelle Bedeutung muss zukünftig gezeigt werden. Ich konnte vier Spry Gene in Hydra identifizieren, die alle phylogenetisch basal eingeordnet werden können. Sie codieren für die typischen Sprouty-­Proteinei-­ genschaften, nämlich eine c-­Cbl, TKB (Tyrosine kinase binding) Domäne, eine Raf1-­Bindestelle und eine Sprouty-­Domäne. Die Transkription von Spry2 konnte an den Knospenbasen angrenzend zu der Transkription von Hydra Kringelchen in mittleren bis späten Knospenstadien detektiert werden. Das Fehlen von Sprouty-­codierenden Genen in den Genomen von Parazoa (Trichoplax), Schwämmen (Oscarella, Amphimedon) oder Choanoflagellaten (Salpingoeca) weist darauf hin, dass Sproutys erstmals in Cnidaria auftauchten. Gewebedynamiken sowie die räumlich-­zeitlichen Expressionsmuster von FGFRa, dof and spry2 zeigen, (a) dass spry2 und FGFRa in den selben Zellen an der Knospenbasis koexprimiert werden und (b) dass FGFRa (schwach) und dof (stark) koexprimiert werden. Zusammengefasst legen die gezeigten Daten eine Existenz von zwei FGFR Signalwegen nahe. Wie zuvor gezeigt, ist der erste Signalweg an der Knospung beteiligt und aktiviert möglicherweise den FGFRa abhängigen feedbackloop über spry2. Ein zweiter FGFR Signalweg könnte dabei an der Knospe und am Kopf adulter Tiere aktiviert werden – in einem Bereich, in dem die mRNA des docking Proteins Dof stark exprimiert wird und die beiden FGFRs eine schwache Expression aufweisen. Hierbei könnte der FGFR die Mig-­ ration von Zellen kontrollieren oder modulieren und/oder an der Differenzierung von Zellen für eine funktionierende Kopfstruktur notwendig sein. Eine weitere Un-­ tersuchung dieser potentiellen Funktion und deren molekularen Netzwerk in wel-­ chem Hydra FGFR aktiv ist, ist daher interessant für weiterführende Studien.


* Das Dokument ist im Internet frei zugänglich - Hinweise zu den Nutzungsrechten