Molecular mechanisms of environmental signal reception in mouth-form and dauer polyphenism in Pristionchus pacificus

Abstract

Entwicklungsplastizität beschreibt die Fähigkeit eines Genoms, unterschiedliche Phänotypen in unterschiedlichen Umgebungen auszubilden. Obwohl das Phänomen oft in der Natur vorkommt sind die genetischen Mechanismen sowie die Gewebe, die dafür verantwortlich sind, Signal aus der Umwelt in den Entwicklungsprozess zu integrieren, noch nicht genügend erforscht. Diskrete Fälle von Entwicklungsplastizität, auch Polyphänismen genannt, eignen sich aufgrund der klaren Beziehung zwischen Umweltsginal und ausgebildetem Phänotyp sowie der einfachen Identifizierung des Phänotypen besonders gut für die Erforschung der molekularen Steuerung von Entwicklungsplastizität. Das am umfassendsten beschriebene Regulationsnetzwerk eines Polyphänismus unterliegt der Bildung von Dauerlarven im Modellorganismus Caenorhabditis elegans. Um die allgemeinen Prinzipien polyphäner Regulation zu verstehen, bedarf es jedoch eines vergleichenden Ansatzes. Auch bei Pristionchus pacificus, einer Spezies von Fadenwürmern aus der Familie der Diplogastridae, tritt der Polyphänismus der Dauerlarven auf; zudem verfügt die Spezies über einen weiteren Polyphänismus der Mundform (fleischfressende und bakterienfressende Morphe). Das Netzwerk an genetischen Schaltpunkten dieses Polyphänismus wurde bereits gut untersucht, doch eine detaillierte Beschreibung der molekularen Prozesse an den für Sinnesreize verantwortlichen Zilien blieb bislang noch aus.

In dieser Arbeit untersuche ich die rezeptiven Mechanismen, die der Integration von Signalen aus der Umweltbei der Entwicklung der Polyphänismen in P. pacificus zugrundeliegen. Das erste Projekt untersuchte die Entwicklung und Rolle der primären Zilien in P. pacificus mithilfe eines Kandidatengen Ansatzes. Obwohl die Entwicklung primärer Zilien in P. pacificus und C. elegans größtenteils konserviert ist, konnten wir beschreiben, wie P. pacificus’ Dauerlarven in kontrastierender Weise durch rezeptive molekularen Pfade reguliert werden, die in den sensorischen Zilien ausgedrückt werden.Damit werden frühere Befunde untermauert, die die Divergenz der Chemotaxis-Präferenzen zwischen C. elegans und P. pacificus Dauerlarven und die Entdeckung des Käfer-Sex-Pheromon-Rezeptors OBI-1 in P. pacificus zeigten. Unsere Studie konkretisiert damit frühere Spekulationen über die schnelle Entwicklung molekularer Signalwege von Polyphänismen zwischen verschiedenen Arten. Die Entdeckung des Mundform-Phänotyps bei Mutanten, denen die sensorischen Flimmerhärchen völlig fehlen, motivierte das Screening auf den Mundform-Phänotyp bei zuvor erzeugten Mutanten der Komponenten der sensorischen Flimmerhärchen. Dies führte zur Entdeckung unterschiedlicher Rollen einzelner Komponenten bei der Regulierung des Mundform-Polyphänismus, wobei der anterograde Transport vermutlich die Hauptrolle bei der Bildung des fleischfressenden Morphs spielt.

Das zweite große Projekt verwendete eine EMS-Mutagenese, um die rezeptiven Wege zu untersuchen, die Umgebungstemperatur in die Ausbildung des Mundform-Dimorphismus integrieren, was zur Entdeckung des sensorischen Zilien-assoziierten-cGMP-Signalweges führte, dessen Rolle zuvor in C. elegans’ Dauerlarven beschrieben wurde. Interessanterweise weisen Mutanten dieses Signalweges, wie auch im Fall des vollständigen Verlustes der Zilien, eine gegensätzliche Rolle bei der Dauerpolyphenese in C. elegans und P. pacificus auf. Beide Projekte zeigen, dass verschiedene Umweltreize, die die Mundform beeinflussen, weit upstream durch pleiotrope rezeptive Moleküle integriert werden. Diese Arbeit liefert eine umfassende vergleichende Beschreibung der molekularen Signalwege oberhalb der genetischen Schalter, die den Mundform-Polyphenismus bei P. pacificus regulieren.

Developmental plasticity is the ability of a genome to change its phenotype across heterogeneous environments. Although it is a common phenomenon in nature, the receptive molecular pathways and sensory tissues which integrate environmental signals into development are not well investigated yet. Discrete cases of phenotypic plasticity, commonly known as polyphenisms, are particularly useful for the investigation of molecular regulation of developmentally plastic traits due to the clear relationship between environmental signals and phenotypes as well as due to easy identification of distinct phenotypes. The most comprehensive network of polyphenism regulation is found in dauer polyphenism in the model organism Caenorhabditis elegans. Primary cilia of sensory neurons have a major role in the perception of the environmental stimuli which regulate dauer formation in C. elegans. However, a comparative approach is necessary to explore general principles. The diplogastrid nematode Pristionchus pacificus shares a dauer polyphenism with C. elegans, and has an additional polyphenism of mouth-structures (carnivorous and bacteriovorus morph). While the switch network of mouth-form polyphenism is well investigated, the molecular machinery of sensory cilia has not been investigated so far.

This thesis addresses the role of far upstream molecular pathways, which integrate aspects of the environment into development. The first major project included an investigation of the development and role of primary sensory cilia in P. pacificus through a candidate approach. Results showed that, while the development of sensory cilia is highly conserved between C. elegans and P. pacificus, dauers in P. pacificus are regulated in a contrasting manner by the receptive molecular pathways expressed in the sensory cilia in P. pacificus and C. elegans. These results, advance previous findings, which showed the divergence in chemotaxis preferences between the two species’ respective dauers and the discovery of the beetle sex pheromone receptor OBI-1 in P. pacificus. Our study fleshes out previous speculations that the receptive molecular pathways of polyphenism evolve fast between different species. The discovery of mouth-form phenotype in mutants completely lacking sensory cilia motivated the screen for mouth-form phenotype across previously generated mutants of the components of sensory cilia, which led to discovery of contrasting roles of individual components in mouth-form polyphenism regulation, with anterograde transport presumably having the strongest role in the formation of the carnivorous morph.

The second major project used an unbiased approach via EMS mutagenesis to investigate the receptive pathways which integrate temperature into mouth-form dimorphism which resulted in the discovery of sensory cilia associated-cGMP signalling pathway, a role similar to what has previously been described in the dauer polyphenism in C. elegans. Interestingly, as in the case of complete loss of cilia, mutants of this pathway have a contrasting role in dauer formation between C. elegans and P. pacificus. Both projects showed that different environmental stimuli relevant for determining the mouth-form are integrated far upstream through pleiotropic receptive molecules. This thesis provides a comprehensive comparative description of molecular pathways that regulate mouth-form polyphenism in P. pacificus.