Post-translational Regulation of TGF-beta Signaling in Drosophila Development

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3958-0
Title: Post-translational Regulation of TGF-beta Signaling in Drosophila Development
Author: Tauscher, Petra
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Biosciences, Division of Genetics
Institute of Biotechnology
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Belongs to series: URN:ISSN:2342-317X
Abstract: The variety of species in the animal kingdom notwithstanding, early embryogenesis frequently relies on the same set of molecules. These highly conserved molecules are considered genetic toolkit genes; a set of genes that determines the body plan in various species. For example, the determination of the dorsal-ventral (D/V) axis often relies on bone morphogenetic proteins (BMPs). Studies in various organisms, vertebrates as well as invertebrates, established that the BMP signaling network is crucial for localizing the position of the central nervous system. Given that the same set of molecules is used repeatedly in different species, the question of how animal diversity could evolve arises. In this study, I focused on BMP signaling in the fruit fly Drosophila melanogaster. In Drosophila, BMP signaling takes place at various stages of development. Amongst others, it is crucial for D/V patterning of the early embryo, for growth and patterning of the larval wing imaginal disc, as well as for formation of longitudinal and posterior crossveins (PCV) in the pupal wing. The Drosophila genome contains three BMP-type ligands, Decapentaplegic (Dpp), a BMP2/4 type ligand, and the paralogs Screw (Scw) and Glass bottom boat (Gbb), both of which are BMP5-8-type ligands. Interestingly, Scw is exclusively found in higher Dipterans such as Drosophila, and is expressed only in the early embryo, whereas Gbb is repeatedly used during fly development. Previous studies revealed that Scw can replace Gbb in PCV formation in the pupal wing. On the other hand, Gbb cannot function in the context of early embryogenesis. Based on these facts, Gbb and Scw constitute a highly suitable model to study protein divergence and evolution. Here, I examined how post-translational modifications of BMP-type ligands may affect the signaling outcome, and hence, animal development; the focus was on proteolytic processing and N-glycosylation. BMP-type ligands are produced as inactive pro-proteins and need to be proteolytically processed in order to become mature ligands. Scw has two cleavage sites crucial for fly viability. I showed in a cell–based signaling assay that proteolytic processing of both cleavage sites is needed for rapid, peak-level BMP signaling. Furthermore, there exists one highly conserved N-glycosylation motif in the mature BMP ligand domain. In addition, Scw exhibits a unique N-glycosylation site which is not present in other BMP-type ligands. Cell culture-based signaling assays revealed that both N-glycosylation motifs of Scw ligand are needed for peak level signaling. In addition, lack of N-glycosylation motifs negatively affects the BMP signaling outcome in the early embryo, as well as fly viability. In contrast, fewer N-glycosylations appear to be beneficial in the context of PCV formation. These findings suggest that post-translational modifications of BMP ligands play a role in signal transduction and therefore in animal development. Furthermore, I propose that post-translational modifications can act as flexible modules to allow adaption of conserved molecules to different developmental contexts. Besides, understanding how post-translational modifications affect BMP signaling outcome may improve the chances to develop more signaling-efficient BMPs needed in clinical applications.Varhaisalkion kehitys riippuu samasta valikoimasta molekyylejä eläinkunnan lajien moninaisuudesta huolimatta. Nämä lajikehityksessä erittäin pitkään säilyneet molekyylit katsotaan geneettiseksi ”työkalusarjaksi”, geeneiksi, jotka määrittävät kehon osien sijoittumisen eri lajeissa. Esimerkiksi selkä- ja vatsapuolten määräytyminen riippuu luun morfogeneettisistä proteiineista (bone morphogenetic protein, BMP). BMP-viestinnän verkosto on ratkaisevassa roolissa keskushermoston sijainnin määrittämisessä sekä selkärankaisilla että selkärangattomilla eliöillä. Saman molekyylisarjan ollessa toistuvasti käytössä useiden eri lajien yksilökehityksessä herää kysymys, kuinka eläinlajien moninaisuus on voinut kehittyä. Näissä tutkimuksissa keskityin BMP-viestintään banaanikärpäslajissa Drosophila melanogaster. BMP-viestintää tapahtuu banaanikärpäsen eri kehitysvaiheissa, ja tämä viestintä on ratkaisevaa mm. varhaisalkion selkä- ja vatsapuolen eri piirteiden kehitykselle, toukan siiven imaginaalilevyn kasvamiselle ja kaavoittumiselle, sekä siipien pitkittäisten ja taka-poikittaisten suonten muodostumiselle kotelovaiheen aikana. Banaanikärpäsen perimä sisältää kolme BMP-tyyppistä ligandia: Decapentaplegic (Dpp), joka on BMP2/4-tyyppinen ligandi sekä paralogiset ligandit Screw (Scw) ja Glass bottom boat (Gbb), jotka ovat molemmat BMP5-8-tyyppisiä ligandeja. On kiinnostavaa, että Scw löytyy ainoastaan korkeammista kärpäslahkoista, kuten esimerkiksi banaanikärpäsistä, ja että sitä ilmennetään vain varhaisalkiossa, kun taas Gbb on käytössä toistuvasti kärpäsen koko kehityskulussa. Aikaisemmat tutkimukset ovat paljastaneet, että Scw voi korvata Gbb:n kun siipien taka-poikittaiset suonet muodostuvat kotelovaiheessa. Toisaalta, Gbb ei voi korvata Scw:ta varhaisalkion kehityksessä. Näiden tosiasioiden valossa Gbb ja Scw muodostavat erittäin sopivan mallin proteiinien eroavaisuuksien ja evoluution tutkimiseen. Tässä väitöskirjassa tutkin kuinka BMP-tyyppisten ligandien translaationjälkeiset muuntelut vaikuttavat viestintään ja siten eläinten kehittymiseen; keskipisteinä olivat proteolyyttinen käsittely ja N-glykosylaatio. BMP-tyyppiset proteiinit tuotetaan toimimattomina esiasteina, jotka vaativat proteolyyttisen käsittelyn tullakseen kypsiksi, käyttökelpoisiksi ligandeiksi. Scw-proteiinissa on kaksi pilkkomiskohtaa, jotka ovat tärkeitä kärpäsen elinkyvyn kannalta. Osoitin soluviljelyyn perustuvissa signalointikokeissa, että nopean, korkean tason signaalin saavuttamiseksi tarvitaan molempien pilkkomiskohtien proteolyyttinen käsittely. Tämän lisäksi ligandien BMP-domeenista löytyy hyvin säilynyt N-glykosylaatiojakso. Scw-proteiinista taas löytyy ainutlaatuinen N-glykosylaatiokohta, jota ei löydy muista BMP-tyyppisistä ligandeista. Signalointikokeet paljastivat, että huipputason viestintään tarvitaan molemmat Scw:n N-glykosylaatiokohdat. Tämän lisäksi N-glykosylaatiokohtien puute haittaa BMP-viestintää varhaisalkiossa ja vaikuttaa kärpäsen elinkykyyn. Matalampi N-glykosylaation taso näyttäisi taas olevan suotuisa siiven taka-poikittaisten suonten muodostumisen yhteydessä. Nämä tulokset viittaavat siihen, että BMP-ligandien translaationjälkeisillä muunteluilla on rooli solunsisäisessä viestinnässä ja siten myös eläinten kehittymisessä. Lisäksi translaationjälkeiset muuntelut näyttäisivät toimivan joustavina moduuleina, jotka sallivat muutoin niin konservoituneiden molekyylien mukautumisen erilaisiin konteksteihin. Käsitys siitä, kuinka translaationjälkeinen muuntelu vaikuttaa BMP-viestintään, mahdollistaa lääkkeenä käytettävän tehokkaamman BMP:n kehittämisen.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3958-0
http://hdl.handle.net/10138/230881
Date: 2018-02-02
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record