English Title: Identification and characterization of AST-1 in C. elegans, an ETS transcription factor regulating axon guidance

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Abstract

Eine offene Frage in der Entwicklungsneurobiologie ist, wie Axone ihre synaptischen Partner finden. Ohne ein gerichtetes Auswachsen von Axonen kann sich kein funktionierendes Nervensystem bilden. Die Mechanismen mit denen Axone auf Signalmoleküle reagieren sind weitgehend unbekannt. Deshalb führten wir einen Screen in C. elegans durch mit Tieren, die GFP in den Kommandointerneuronen des Motorschaltkreises exprimierten. Wir isolierten zwei Allele mit Punktmutationen in dem bisher unbekannten Gen ast-1 (axonal steering). In Wildtyptieren verliefen die GFP exprimierenden Axone dicht gebündelt im rechten Ventralstrang. In ast-1 Mutanten waren die Interneuronaxone im Ventralstrang defaszikuliert und kreuzten vom rechten in das linke Bündel oder erreichten den Ventralstrang gar nicht. Die VC Motoneurone hatten ähnliche Faszikulierungsdefekte. Die Mutanten konnten sich normal fortbewegen, trotz der Defekte in den Kommandointerneuronen des Motorschaltkreises. Demnach kann der Motorschaltkreis bis zu einem gewissen Grad gestört werden, ohne dass er seine Funktionalität verliert. Das zielgerichtete Auswachsen anderer Axone war nicht beeinträchtigt. Zellschicksal, Zellwanderung oder nicht-neuronale Gewebe waren unbeeinflusst. Allerdings zeigten ast-1 Deletionsmutanten zusätzlich zu den neuronalen Defekten noch späte Differenzierungsdefekte des Pharynx. Ast-1 kodiert für einen Transkriptionsfaktor mit einer ETS DNS-Bindedomäne und ist eng mit der Fli-1 Unterfamilie in Säugetieren verwandt. Ast-1::YFP Expression begann während der Embryonalentwicklung in sensorischen Neuronen und Interneuronen, genau zu dem Zeitpunkt wenn sich Neurone differenzieren. Anschließend wurde die Expression schwächer bis in adulten Tieren nur noch wenige Neurone ast-1::YFP exprimierten. Wir konnten zeigen, dass ast-1 genetisch mit den Transkriptionsfaktoren zag-1 und lin-11 interagiert. AST-1 ist demnach Teil eines transkriptionellen Netzwerkes, das neuronale Differenzierung kontrolliert. Ast-1 interagiert zudem mit Genen, von denen bekannt ist, dass sie an axonaler Wegfindung beteiligt sind. Beispiele sind der UNC-6/Netrin Rezeptor UNC-40/DCC, das Aktin-modulierende Protein UNC-34/ENA und die extrazelluläre Matrixkomponente Nidogen. AST-1 könnte direkt die Expression von Genen steuern, die für Signalmoleküle oder Rezeptoren des axonalen Auswachsens kodieren, wobei die Zielgene bisher noch nicht identifiziert wurden. AST-1 reguliert sowohl in der neuronalen Differenzierung als auch bei der Morphogenese des Pharynx einen späten Schritt. Bemerkenswert bei der neuronalen Differenzierung ist die Spezifität von AST-1. Es agiert nur in einer bestimmten kleinen Untergruppe von Neuronen, wo es wiederum nur einen Teilaspekt der neuronalen Differenzierung, nämlich das zielgerichtete Auswachsen von Axonen, kontrolliert.

Translation of abstract (English)

One of the major unsolved problems in developmental neurobiology is the question of how axons find their way to their specific synaptic partners, which is crucial for the function of every nervous system. The mechanisms through which axons respond to guidance cues are poorly understood. Therefore we performed a screen in C. elegans based on animals expressing GFP in the command interneurons of the motor circuit and recovered two alleles of the novel gene ast-1 (axonal steering). In wildtype animals GFP labelled axons formed a tightly fasciculated subbundle within the right ventral cord. In ast-1 mutants interneuron axons in the ventral cord were defasciculated and axons crossed from the right to the left bundle or occasionally did not even reach the ventral cord. Similar fasciculation defects were found in VC motoneurons. The mutants were able to move normally despite these defects in the command interneurons of the motorcircuit. This leads to the conclusion that the motorcircuit can be disturbed to a certain degree without abolishing its general functionality. There were no obvious defects in the navigation of other axons. Non-neuronal tissues and cell migration appeared unaffected in these mutants. However in ast-1 deletion mutants late pharynx differentiation defects were found in addition to the neuronal defects. Ast-1 codes for a novel transcription factor with an ETS DNA-binding domain and is closely related to the mammalian fli-1 subfamily. Ast-1::YFP expression was dynamic in sensory neurons and interneurons and started during embryonic development when neurons differentiate and decreased afterwards till only few neurons expressed ast-1 in adult animals. We showed that ast-1 genetically interacts with the transcription factors zag-1 and lin-11, suggesting that it is part of a transcriptional network controlling neuronal differentiation. In addition, ast-1 interacts with genes known to play roles in axon guidance, for example the UNC-6/netrin receptor UNC-40/DCC, the actin-regulating protein UNC-34/ENA and the extracellular matrix component nidogen. AST-1 may directly modulate the expression of genes coding for axon guidance molecules or receptors, although target genes have not been identified so far. AST-1 is acting at a very late step in neuronal differentiation and it also controls a late step in pharynx morphogenesis. In neurons AST-1 is specifically regulating one subaspect of neuronal differentiation, namely the axon outgrowth of only a distinct subset of neurons.