Regulation of Drosophila Motor Axon Pathfinding by the Metalloprotease Tolloid-related 1 (Tlr1) and the Collagen Drosophila multiplexin (Dmp)

Abstract

Axons follow stereotyped and reproducible pathways to their targets, and Drosophila motor axon pathfinding is a popular model system for investigating underlying molecular mechanisms. In the past, a good number of receptors and their diffusible or membrane-bound ligands have been identified as factors that steer axonal growth cones. However, a complete functional picture of the process is missing, and it is conceivable that additional axon pathfinding factors remain to be discovered. Two of them are contributed to the list by this work. The extracellular protease Tolloid-related 1 (Tlr1) was identified as motor axon guidance factor through a mutagenesis screen. In both tlr1 mutant L3 larvae and stage 16-17 embryos, all five motor nerves exhibit pathfinding errors at high frequencies. tlr1 is embryonically expressed in several tissues, and likewise, transgenic rescue of the mutant phenotype was possible using several different Gal4 driver lines, including such that lead to ectopic Tlr1 expression. This indicates that Tlr1 acts cell non-autonomously. The extracellular matrix is the environment in which axon pathfinding takes place, and as such conceivably plays an important role in the process. Mutants for Drosophila multiplexin (Dmp), a collagen XV/XVIII homologue, were generated by targeted deletion, and moderate, yet statistically significant effects on axon pathfinding were observed, that were similar in quality but not in penetrance to those of tlr1 mutants. Multiplexins have a C-terminal endostatin (ES) domain, which can occur in monomeric or trimeric versions. Transgenically expressed monomeric ES, as well as full-length Dmp, was able to rescue the mutant phenotype, unlike trimeric ES, but trimeric ES significantly lowered the pathfinding error rate that is normally present in a wild type background. dmp is mainly expressed in dorsal vessel and ventral nerve cord, but rescue expression was driven in mesoderm and ventral nerve cord, indicating that the role of Dmp is cell non-autonomous. The differences in effect seen by different Dmp fragments imply that Dmp is a versatile molecule that can modulate pathfinding processes in different ways. Results suggest that Dmp may be one of several substrate molecules of Tlr1.

Axone folgen stereotypen Wegen zu ihren Zielen, und die Wegfindung von Motorneuronen bei Drosophila ist ein gängiges Modellsystem, um die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen zu erforschen. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Rezeptoren und ihre diffusiblen oder membrangebundenen Liganden als steuernde Faktoren für axonale Wachstumskegel identifiziert. Ein vollständiges funktionelles Bild des Prozesses fehlt jedoch noch, und es ist zu erwarten, dass weitere Faktoren noch unentdeckt sind. In der vorliegenden Arbeit werden zwei solcher Faktoren identifiziert. Die extrazelluläre Protease Tolloid-related 1 (Tlr1) wurde durch einen Mutagenesescreen als Faktor für die Wegfindung von Motorneuronen entdeckt. Sowohl tlr1-mutante L3-Larven, als auch Embryonen im Stadium 16 - 17 zeigen häufig einen fehlerhaften Verlauf aller fünf motorischer Nerven. tlr1 wird embryonal in mehreren Geweben exprimiert, und entsprechend konnte der mutante Phänotyp durch Expression von transgenem Tlr1 mittels unterschiedlicher Gal4-Treiberlinien gerettet werden. Dies schloss solche mit ein, die zu einer ektopischen Expression von Tlr1 führten. Dies zeigt, dass Tlr1 nicht zellautonom agiert. Die extrazelluläre Matrix ist das Umfeld, in dem die axonale Wegfindung stattfindet, und es ist daher zu erwarten, dass sie bei diesem Prozess eine wichtige Rolle spielt. Mutanten des Drosophila Multiplexins (Dmp), eines Homologs von Collagen XV/XVIII, wurden durch zielgerichtete Deletionen erzeugt, und es wurden moderate, jedoch statistisch signifikante Effekte auf die axonale Wegfindung beobachtet. Es entstanden Defekte, die qualitativ ähnlich denen in tlr1-Mutanten waren, aber sich quantitativ unterschieden. Multiplexine besitzen eine C-terminale Endostatin (ES)-Domäne, die monomer oder trimer vorkommen kann. Transgen exprimiertes monomeres ES und Dmp in voller Länge, aber nicht trimeres ES, konnten den mutanten Phänotyp retten, jedoch senkte trimeres ES signifikant die normalerweise auftretende Fehlerrate im wildtypischen Hintergrund. dmp wird vor allem im Dorsalgefäß und im ventralen Nervensystem exprimiert. Die zur Rettung des mutanten Phänotyps führende Überexpression erfolgte jedoch mesodermal und in einigen einzelnen Zellen des ventralen Nervensystems, so dass Dmp vermutlich nicht zellautonom wirkt. Die unterschiedlichen Effekte, die sich für die verschiedenen Dmp-Fragmente beobachten liessen, legen nahe, dass Dmp ein vielseitiges Molekül ist, das Wegfindungsprozesse in mehrere Richtungen beeinflussen kann. Andere Ergebnisse zeigen, dass Dmp eines von mehreren Substraten von Tlr1 sein könnte.