Regulation of morphogen signalling during neural patterning in the Xenopus embryo

Abstract

Morphogens such as Hedghog, Wnt, FGF, and retinoic acid are important signals whose concentrations need to be tightly regulated in the vertebrate embryo to ensure body axis development and formation of the central nervous system. We first show that the intracellular cytoplasmic protein XSufu acts as a dual regulator of Hedgehog (Hh) and Wnt signals during neural induction and patterning in the Xenopus embryo. We further reveal an essential role of XSufu in the crosstalk of the two pathways, in which β-catenin activates Hh signalling upon overexpression of Gli1, and Gli inhibits Wnt signalling upon overexpression of β-catenin. A biphasic model for the role of XSufu in anteroposterior patterning of the neural plate is presented suggesting that XSufu suppresses anterior Gli and posterior β-catenin transcription factors in a dose-dependent manner.



Then we introduce the secreted serine protease xHtrA1 as feedforward stimulator of long-range FGF signalling. Fibroblast growth factor (FGF) signals activate transcription of xHtrA1, and xHtrA1 stimulates FGF4 and FGF8 gene activities, allowing positive feedback regulation. We also show that xHtrA1 triggers proteolytic cleavage of xBiglycan, xSyndecan-4, and xGlypican-4, suggesting a model, in which xHtrA1 through cleaving proteoglycans releases FGF/proteoglycan complexes that act as long-range messages during anteroposterior patterning, mesoderm induction, and neuronal differentiation.



Third, we present Xenopus retinol dehydrogenase-10 (XRDH10) as a critical enzyme for embryonic vitamin A metabolism and retinoic acid (RA) synthesis in the developing embryo. We show that XRDH10, which oxidizes vitamin A to retinal, is transcriptionally inhibited by RA, suggesting negative feedback regulation at the first step of RA biosynthesis. XRDH10 cooperates with XRALDH2, which further oxidizes retinal to bioactive RA, in Spemann’s organizer during dorsoventral patterning of the embryo. We also show that the nested gene expression and cooperate action of XRDH10 and XRALDH2 form a biosynthetic enzyme code that establishes RA gradients along the anteroposterior neuraxis.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

En ordentlig bildning av det centrala nervsystemet är viktigt för ett nyfött barn eller en vuxen. Den senaste tidens kartläggning av människans arvsmassa har lett till identifiering av ungefär 23000 gener, många av dem aktiva i det utvecklande nervsystemet. Men lite är känt om deras funktion och hur de samverkar för att påverka utvecklingen av organ så komplexa som den mänskliga hjärnan. Eftersom många sjukdomar såsom neurodegenerativa sjukdomar och cancer orsakas av defekta gen-aktiviteter, är en bättre förståelse för reglering och funktion av gener under normal utveckling avgörande för att utveckla nya terapeutiska behandlingar.



Djurmodellsystem används för att besvara utvecklingsbiologiska frågor, och vårt labb valde den afrikanska grodan Xenopus laevis. Skäl för att använda detta djur är de producera stora mängder ägg, befruktning i en petriskål är genomförbar, och embryon utvecklas snabbt utanför moder-grodan. Xenopus embryon är mycket större än jämförbara skeden i musen, vilket medgör experimentella manipulationer som mikrokirurgi och mikroinjektion. Viktigt är också att 79 % av de gener som är associerade med en sjukdom i människa bevarats i grodan.



Det centrala nervsystemet utvecklas från ett fält av enhetligt utformade celler, kallat neural-platta. Molekylära markörer visar att cellerna i neural-platta redan på ett tidigt stadium förvärvar distinkta regionala identiteter längs huvud-svans axeln i embryot. Som ett resultat av denna mönsterprocess utvecklas neural-platta så småningom till framhjärna, mitthjärna, bakhjärna och ryggmärg. Att förstå de signaler som driver formandet av neural-platta är av stor fokus i denna studie.



Denna studie fokuserar på ett begränsat antal utvecklings-signaler, nämligen Hedgehog (Hh), Wnt, Fibroblast tillväxtfaktor (FGF) och retinoinsyrasignaler. Vi analyserar regleringen och integreringen av dessa signaler genom tre distinkta gener i det tidiga Xenopus-embryot.

I den första delen av denna studie, karakteriserar vi en gen, kallad Sufu, och visar att den spelar en viktig roll i regleringen av aktiviteten av Hh och Wnt signaler under bildning och formning av neural-platta. Vi beskriver vidare hur Hh och Wnt signalbanor kommunicera med varandra och identifierar en grundläggande funktion hos Sufu i överhörningen mellan de två signalvägar.



Vi introducerar sedan en gen, kallad xHtrA1 med viktiga funktioner i korrekt bildande av huvud- och svansstrukturer, neural mönster och bildandet av mogna nervceller i embryot. xHtrA1 aktiveras av FGF signaler och i sin tur stimulerar FGF signalering via en mekanism som innebär proteinklyvning och frisättning av aktiva FGF signaler utanför celler.



För det tredje beskriver vi en ny funktion för en gen med akronymen XRDH10 som är involverad i syntesen av retinoinsyra från vitamin A. Vi visar att XRDH10 regleras av retinoinsyra och förser embryot med lämpliga mängder av denna signal under mönstring av det centrala nervsystemet.



Genom att ge en bättre förståelse för de molekylära mekanismer som är inblandade i normal tidig neural utveckling hos Xenopus kan dessa resultat leda till ny kunskap för att lösa det intrikata signalnätverket för det centrala nervsystemets utveckling hos människan.

• author: Tan Grahn, Hooi Min
• supervisor: Edgar Pera; Udo Häcker
• opponent: Prof. Dr. Kühl, Michael, Institute of Biochemistry and Molecular Biology, Ulm University, Germany
• organization: Stem Cell Center; Division of Molecular Medicine and Gene Therapy
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Clinical Medicine
• keywords: Suppressor-of-fused, Gli, β-Catenin, Neural, Xenopus, FGF, Signalling, HtrA1, RDH10, Retinol dehydrogenase, Retinoic acid, Spemann's organizer, Induction, Gradient
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2011:88
• pages: 142 pages
• defense location: GK-Salen, BMC, Sölvegatan 19, Lund
• defense date: 2011-10-14 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-86871-37-6
• language: English
• LU publication?: yes
• id: f52e462a-a854-4d37-adc7-e7682e619bfa (old id 2155147)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:25:13
• date last changed: 2019-05-22 06:40:33