Mechanisms of production, molecular stratification and function of the non-chitinous cuticle part of Drosophila melanogaster

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URI: http://hdl.handle.net/10900/120279
http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:21-dspace-1202793
http://dx.doi.org/10.15496/publikation-61652
Dokumentart: Dissertation
Date: 2021-11-02
Language: English
Faculty: 7 Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Department: Biologie
Advisor: Moussian, Bernard (PD Dr.)
Day of Oral Examination: 2019-11-07
DDC Classifikation: 570 - Life sciences; biology
License: Publishing license including print on demand
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Inhaltszusammenfassung:

Insekten bilden die größte Gruppe des Tierreichs, die alle Kontinente mit dem ganzen klimatischen Unterschieden besiedeln konnte. Eine Schlüsselstruktur im Kampf gegen verschiedene Umweltfaktoren ist der harte äußere Panzer namens Kutikula. Es ist eine hoch organisierte Schichtstruktur, die erfordert, dass ein komplexes Faktorennetzwerk korrekt aufgebaut und voll funktionsfähig ist. Bisher konzentrierte sich die Forschung auf die dickste innerste Chitinschicht, die als Prokutikula bezeichnet wurde, während die anderen beiden nämlich Epikutikula und die lipidische äußere Envelope schwer fassbar waren. In dieser Arbeit zeige ich starke Hinweise dafür, dass Envelope und Epikutikula signifikante innen- und außen Barrieren darstellen. Ihre Fehlfunktion beeinträchtigt die Insektenentwicklung und führt in frühen Entwicklungsstadien häufig zum Tod der Tiere. Außerdem ist die aus zweidimensionalen Schichten bestehende Epikutikula auch für die Bestimmung der korrekten Körperform der Larven erforderlich. Das erste Hauptelement der kutikulären Schutzbarriere ist die mechanische Barriere, die durch proktikuläre Härte und Kompaktheit bereitgestellt ist. Die zweite wichtige Barriere die in meiner Arbeit präsentiert wurde, ist die innen- und außen Barriere, stark abhängig von der Struktur der Envelope und den Porenkanälen - dünnen Röhrchen, die durch die Kutikula verlaufen. Eine Schlüsselkomponente dieser Barriere ist eine Substanz, die ich als „405-Material“ bezeichnete, weil sie bei violettem Licht (405 nm) autofluoreszierende Eigenschaften zeigt und die Envelope und die Porenkanälen von Drosophila melanogaster visualisiert. Die durchgeführte Analyse legt Nahe, dass das 405-Material ein Katecholamin-Protein-Lipid-Komplex Cuticulin ist, von dem bekannt ist, dass es die Kutikula wasserdicht macht. Ich habe zwei Faktoren beschrieben, die bei der Bildung von der Envelope und dem Transport der Cuticulin zur Envelope kooperieren: Porenkanälenkomponent Snustorr Snarlik (Snsl) und der ABC-Transporter Snustorr (Snu). Snsl ist beteiligt für den Transport der Envelopekomponenten durch die Porenkanäle der Kutikula, während Snu für den Transport von Snsl zu den Porenkanälen zuständig ist. Die Herabregulierung von jedem von ihnen führt zu einem verringerten Lipid- / Cuticulingehalt der Envelope und als Folge zu einer Austrocknung der Tiere, einer hohen Permeabilität der Kutikula für die Umgebungsfaktoren und einem Embryonal- bzw. Larvaltod. Die innen und außen Envelope-Barriere ist nicht die einzige die in der Kutikula existiert. An der Grenze der Epi- und Prokutikula habe ich eine andere äußere Barriereschicht charakterisiert, die aus dityrosinylierten Proteinen besteht und die ich als Intermediate Zone bezeichnete. Ich beschrieb das Schlaff (Slf) Protein, die sich in dieser Zone lokalisierte und ein Organisator der dityrosinylierten Proteinen - wie Resilin - war. Tiere mit herunterregulierter Schlaff-Aktivität verlieren Wasser und schrumpfen, während ihre Dityrosinschicht unorganisiert ist. Ein ähnlicher Phänotyp präsentieren die Mutanten mit Häm-Syntheseweg-Störungen, was auf eine geringere Häm-abhängige Peroxidaseaktivität hinweist, von der bekannt ist, dass sie an der Bildung von Dityrosin-Bindungen beteiligt ist. Die zweite Rolle der dityrosinylierten Schicht scheint die Adhesion zwischen der Epikutikula und der Prokutikula zu sein, da sich diese beiden Schichten bei Tieren mit herunterregulierter Slf-Aktivität voneinander lösen. Die Kompaktheit und die korrekte Konstruktion der Kutikula sind wichtige Faktoren für den Schutz des Tieres gegen Umwelteinflüssen, aber auch für die Körperform. Es wurde wiederholt gezeigt, dass die harte chitinöse Prokutikula eine wichtige Rolle bei der Körperformung spielt. Funktionsverlust vieler prokutikulärer Faktoren führt zu Störungen der Prokutikulastruktur und als Folge zur Kutikulablösung und Körperformveränderung (Nüsslein-Volhard et al., 1984). In meiner Forschung habe ich die Rolle der Epikutikula in der Körperformung der Larven aufgedeckt. Ich habe gezeigt, dass Kutikularproteine der Tweedle-Familie nicht wie zuvor vermutet in der chitinösen Prokutikula lokalisiert sind, sondern in der oberen Epikutikula, wo sie 2-dimensionale Schichten bilden. Der Funktionsverlust der Tweedle-Domäne mit der unbekannten Funktion 243 (DUF243) verursacht eine Fehllokalisierung der aggregierten Twdl-Proteine in der Prokutikula, wo sie andere nicht mutierte Mitglieder der Proteinfamilie rekrutieren. Diese Fehllokalisierung verursacht den Verlust der epikutikulären und prokutikulären Integrität. Infolgedessen sind die Larven kürzer und dicker als die Wildtyp-Larven, ihre Dehnbarkeit und Bewegungsfähigkeit ändert sich jedoch nicht. Zusammengenommen zeigen meine Forschungen eine bedeutende Rolle, die zwei bislang wenig erforschte Kutikularschichten in Drosophila melanogaster spielen: die Envelope und die Epikutikula. Dies ist ein Durchbruch in einem wichitgen Bereich der Insektenforschung und eröffnet neue Horizonte für das Verständnis der Konstruktion und Funktion der Kutikula.

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