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Hein, Irina (2013): Golden goal regulates target specificity in the Drosophila Lamina. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie
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Abstract

In the visual system of Drosophila, photoreceptor (R) neurons elaborate a precise retinotopic map of visual space in the brain. The retina consists of 750 ommatidia, each containing eight photoreceptor subtypes (R1-R8). R1-6 axons terminate in the first optic ganglion, the lamina. R7 and R8 axons extend through the lamina to innervate the second optic ganglion, the medulla. To maintain retinotopy in the lamina, R1-R6 photoreceptor axons have to undergo a complex axonal sorting during development, a process called neural superposition. The mechanisms responsible for the establishment of the highly organized connection pattern needed for retinotopy remain incompletely understood. The transmembrane receptor Golden goal (Gogo) is a known regulator of the developing Drosophila visual system. During R8 pathfinding, Gogo acts in two distinct steps. In larvae Gogo mediates repulsive axon-axon interactions between R8 axons in the medulla to maintain proper spacing. During pupal development, Gogo is required in R8 axons for afferent-target interactions to promote layer recognition. The aim of this thesis is to study how Gogo regulates target selection of R1-R6 axons in the lamina to increase our knowledge on how target specificity is controlled in vivo. The present work shows that Gogo is required for R1-R6 axon lamina targeting and target cartridge selection in distinct developmental steps. To analyze the consequences of loss of gogo function specifically in photoreceptor cells, I generated genetic mosaic eyes using targeted mitotic recombination. During larval and early pupal development loss of gogo function in large clones of R axons results in a disruption of R1-R6 fascicle pattern formation across the lamina plexus. Using single photoreceptor type rescue, I provide evidence that the first outgrowing axon R8 uses Gogo to identify its intermediate target in the lamina and to function as a pioneer axon for all follower R1-R6 axons for their correct patterning along the lamina plexus. Interestingly, small clones of gogo deficient R axons perfectly integrate into a proper retinotopic map suggesting that surrounding R axons of the same or neighboring fascicles provide complementary spatial guidance. Thus, Gogo acts in a partially redundant fashion with local guidance cues provided by neighboring axons. Additionally, during pupal stages at the onset of photoreceptor sorting, I further show that R1-R6 axons fail to choose correct target cartridges in the lamina when Gogo is absent in a large fraction of R cells. I show that gogo mutant R1-R6 axons target correctly to wild-type areas, whereas wild-type R1-R6 axons fail to project correctly to areas innervated by mutant R axons. Interestingly, rescue of Gogo in R8 axons was not only sufficient for fascicle patterning earlier in development but also for R1-R6 axons to select their proper target cartridges in the lamina during neural superposition. Finally, in a third developmental step, Gogo is required for the elongation of R1-R6 axons along lamina cartridges within the neuropile. In the absence of Gogo axons fail to elongate in parallel fashion and intermingle with mutant axons of neighboring cartridges. This suggests that Gogo, similar to its role in medulla targeting, permits photoreceptor axons to stay separated from each other. Based on the results of this thesis, I propose that Gogo contributes to retinotopic map formation in the Drosophila lamina during three steps: initial target recognition of R1-R6 fascicles, target cartridge selection and cartridge elongation.

Abstract

Im visuellen System von Drosophila stellen Photorezeptorneurone eine präzise retinotopische Karte des visuellen Raumes im Gehirn dar. Die Retina besteht aus 750 Ommatidia, die sich jeweils aus acht verschiedenen Photorezeptorneuronen (R1-R8) zusammensetzen. Die R1-R6 Axone projizieren ins erste optische Ganglion, die Lamina. Die R7 und R8 Axone erstrecken sich durch die Lamina hindurch und innervieren das zweite optische Ganglion, die Medulla. In der Lamina erfordert der Aufbau einer korrekten retinotopischen Karte eine komplexe Umsortierung der R1-R6 Photorezeptoraxone während der Entwicklung. Die genauen Mechanismen dieser präzisen axonalen Sortierung sind bislang nicht vollständig aufgeklärt. Das Transmembranprotein Golden goal (Gogo) ist notwendig für die Entwicklung des visuellen Systems in Drosophila. Bisher konnte eine genauere Funktion von Gogo in R8 Axonen in verschiedenen Entwicklungsschritten der Medulla gezeigt werden. Im späten Larvenstadium reguliert Gogo repulsive Axon-Axon Interaktionen zwischen R8 Axonen und sorgt damit für deren richtige Abstände zueinander. Im Verlauf der pupalen Entwicklung ist Gogo notwendig in R8 Axonen für die Erkennung der richtigen Schichten in der Medulla. Gogo vermittelt hier Interaktionen zwischen R8 Axonen und postsynaptischen Zellen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Funktion von Gogo bei der Zielerkennung von R1-R6 Axonen während der Entwicklung der Lamina zu untersuchen. Ich zeige, dass Gogo in verschiedenen Schritten der R1-R6 Zielfindung während der Laminaentwicklung notwendig ist. Um den Funktionsverlust von Gogo zu analysieren, habe ich durch gezielte mitotische Rekombination genetische Mosaikaugen generiert. Wenn eine große Gruppe benachbarter Photorezeptoren gogo mutant ist, werden R1-R6 Faszikel im frühen Puppenstadium nicht mehr regelmäßig in der Lamina verteilt. Durch eine gezielte Rettung des Phänotyps zeige ich, dass Gogo in R8 Axonen gebraucht wird, damit R1-R6 Faszikel ihre intermediären Positionen in der Lamina finden und R8 als Pionieraxon für nachfolgende R1-R6 Axone fungiert. Interessanterweise, zeigt der Funktionsverlust von Gogo in kleinen Zellgruppen benachbarter Photorezeptoren keine Phänotypen. Das deutet darauf hin, dass wild-typische R1-R8 Faszikel die Wegfindung benachbarter mutanter R1-R8 Faszikel räumlich komplementieren. Gogo ist daher teilweise redundant zu anderen lokalen Wegfindungsmechanismen. Zu einem späteren Zeitpunkt der pupalen Entwicklung, wenn R1-R6 Axone zu verschiedenen Zielzellen sortiert werden, hat der Funktionsverlust von Gogo in einer größeren Zellgruppe eine inkorrekte Zielzellfindung von R1-R6 Axonen zur Folge. Weiter zeige ich, dass gogo mutante R1-R6 Axone ihre Zielzellen korrekt finden, wenn die Photorezeptoren im Zielbereich wild-typisch sind. Umgekehrt innervieren wild-typische Axone falsche Zielzellen, wenn die Photorezeptoren im Zielbereich gogo mutant sind. Interessanterweise war die spezifische Expression von Gogo in R8 Axonen nicht nur ausreichend um den frühen Entwicklungsphänotyp zu retten, sondern auch ausreichend für die korrekte Wegfindung einzelner R1-R6 Axone während der neuralen Superposition zu retten. Im letzten Schritt der Laminainnervierung hat Gogo eine andere Funktion. Hier wird Gogo gebraucht, um die richtigen Abstände von R1-R6 Axonen während der Elongation der Termini zu regulieren. Ein Funktionsverlust von Gogo führt dazu, dass R1-R6 Axone nicht mehr parallel projizieren und sich untereinander überkreuzen. Das deutet darauf hin, dass Gogo eine ähnliche Funktion hat wie während der Medullainnervierung um Axone voneinander zu separieren. Aufgrund der vorliegenden Ergebnisse in dieser Arbeit, ziehe ich den Schluβ, dass Gogo an drei Schritten der Laminaentwicklung beteiligt ist: 1. während der Innervierung der R1-R6 Faszikel, 2. während der Auswahl finaler Zielzellen von R1-R6 Axonen und 3. während der Verlängerung von R1-R6 Termini.