Funktion und Regulation von D- und E-Typ-Cyclin-Cdk-Komplexen während der Entwicklung von Drosophila

Titelangaben

Meyer, Claas Aiko:
Funktion und Regulation von D- und E-Typ-Cyclin-Cdk-Komplexen während der Entwicklung von Drosophila.
Bayreuth , 2002
( Dissertation, 2002 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

In dem vorliegenden Dokument werden 3 Originalarbeiten (s. S. 35) zusammengefasst. Die Embryonalentwicklung eines Vielzellers beginnt im allgemeinen mit einer Pha-se exponentieller Zellproliferation. Anschließend erfolgt in den meisten Zellen ein Zellproliferationsarrest und die terminale Zelldifferenzierung. Hierbei muss das Ausmaß der Zellproliferation mit anderen Entwicklungsvorgängen wie Musterbil-dung und Wachstum abgestimmt werden. Der G1/S-Übergang im Zellzyklus ist ein wichtiger Kontrollpunkt für die Zellproliferation. Hier wird in der Zelle entschieden, ob die DNA in einer S-Phase repliziert und ein weiterer Zellteilungszyklus durchlaufen wird. Die Aktivität von Cyclin E-Cdk(Cyclin-dependent kinase)2-Proteinkomplexen ist essentiell für den Eintritt in die S-Phase. Umgekehrt erfordert der Austritt aus der Zellproliferation zum korrekten Zeitpunkt in der Entwicklung die Inaktivierung von Cyclin E-Cdk2-Komplexen. Es wird allgemein angenommen, dass Cyclin E-Cdk2-Komplexe durch Cyclin D-Cdk4-Komplexe reguliert werden. So phosphorylieren Cyclin D-abhängige Kina-sen das Retinoblastoma-Protein Rb, wodurch die Repression von Klasse I-Zielgenen des Rb-Signalwegs, wie Cyclin E, beendet wird. Anschließend kommt es infolge der Cyclin E-Aktivierung zur Hyperphosphorylierung von Rb durch Cyc-lin E-Cdk2-Komplexe. Dies bewirkt die Freisetzung und Aktivierung von E2F-Transkriptionsfaktoren, welche die Expression von S-Phasen-Genen kontrollieren. Um die funktionelle Bedeutung von Cyclin D-Cdk4-Komplexen während der Entwicklung zu untersuchen, wurde in dieser Arbeit eine Cdk4-Nullmutation in Drosophila melanogaster charakterisiert. Überraschenderweise entwickeln sich adulte Fliegen auch in Abwesenheit jeglicher Cdk4-Funktion. Cdk4-Mutanten sind allerdings von reduzierter Größe und eingeschränkter Fertilität. Cdk4 ist daher nicht essentiell für die Zellproliferation. Vielmehr konnte gezeigt werden, dass Cyclin D-Cdk4-Komplexe eine wachstumsstimulatorische Funktion besitzen und für das Wachstum sowohl der einzelnen Zelle als auch des gesamten Organismus benötigt werden. Konditionale Überexpression von Cyclin D und Cdk4 zeigt, dass Cyclin D-Cdk4-Komplexe im Rb-Signalweg wirken und unabhängig von Cyclin E die Transkription von RnrS in physiologischer Stärke induzieren. RnrS kodiert für die kleine Untereinheit der Ribonukleotidreduktase und ist ein bekanntes Zielgen von E2F-Transkriptionsfaktoren. Die Überexpression von Cyclin D-Cdk4 in der embry-onalen Epidermis kann jedoch den rechtzeitigen Austritt aus dem Zellzyklus nicht verhindern. Cyclin D-Cdk4-Komplexe sind daher keine Entscheidungsträger über Ein- und Austritt aus der Zellproliferation. Im Gegensatz zu Cyclin D-Cdk4-Komplexen müssen Cyclin E-Cdk2-Komplexe inhibiert werden, um einen rechtzeitigen Zellproliferationsarrest sicher-zustellen. Für die rechtzeitige Inhibition wird beginnend in der G2-Phase vor der terminalen Mitose das dacapo(dap)-Gen exprimiert. DAP-Protein bindet an Cyclin E-Cdk2-Komplexe und inhibiert diese. In dieser Arbeit wurde untersucht, welche Mechanismen die embryonale Ex-pression von dap und damit den Austritt aus dem Zellzyklus steuern. Die Analyse verschiedener Mutanten hat gezeigt, dass dap-Expression auch unabhängig vom vollständigen Ablauf des Zellproliferationsprogramms direkt durch Zellschicksals-determinanten reguliert wird. Eine Analyse der genomischen 5´-Kontrollregion von dap mit Hilfe von Deletions- und Reporterkonstrukten ergab, dass die Expression von dap in verschiedenen Geweben durch unabhängige Enhancermodule gesteu-ert wird. An einem dieser Enhancer wirkt der HOX-Transkriptionsfaktor Abdominal B (ABD-B), der eine zentrale Bedeutung für die Spezifizierung von Entwicklungs-schicksalen besitzt. Die 5´-Kontrollregion von dap spielt daher eine wichtige Rolle bei der Koordination von Entwicklungschicksal und Zellproliferation.

Abstract in weiterer Sprache

This document summarizes 3 original papers, see p. 35. The embryonic development of a multicellular organism usually begins with a phase of exponential cell proliferation. Subsequently most cells stop proliferation and enter terminal differentiation. The extent of cell proliferation must be precisely co-ordinated with developmental processes such as pattern formation and growth. The G1/S-transition of the cell cycle is an important decision point for cell pro-liferation. At this point it is decided whether the DNA is to be replicated during S-phase and consequently, if the cell should enter another division cycle. The activity of Cyclin E-Cdk(Cyclin-dependent kinase)2-protein complexes is essential for the entry into S-phase. Conversely, timely proliferation arrest during development requires the inactivation of Cyclin E-Cdk2 complexes. It is generally thought that Cyclin E-Cdk2 complexes are regulated by Cyclin D-Cdk4 complexes. Cyclin D-dependent kinases phosphorylate the Retinoblasto-ma protein Rb, thereby terminating the repression of class I genes such as Cyclin E. Cyclin E activation leads to pRb hyperphosphorylation by Cyclin E-Cdk2 complexes. This then activates E2F transcription factors that regulate expression of S-phase genes. In this work a Cdk4 loss of function mutant was characterized in Drosophila melanogaster to investigate the functional significance of Cyclin D-Cdk4 comple-xes during development. Surprisingly adult flies develop in the absence of Cdk4 function, though they are of reduced size and fertility. Thus Cdk4 is not essential for cell proliferation. However, it could be shown that Cyclin D-Cdk4 complexes stimulate growth at the level of the individual cell and also of the organism. Conditional overexpression of Cyclin D and Cdk4 demonstrates that Cyclin D-Cdk4 complexes act in the pRb pathway and can induce the transcription of RnrS to physiological levels independently of Cyclin E. RnrS codes for the small subunit of the ribonucleotide reductase and is a known target of E2F transcription factors. Nevertheless, overexpression of Cyclin D-Cdk4 does not prevent the ti-mely exit from the cell cycle in the embryonic epidermis. Therefore, Cyclin D-Cdk4 complexes are not master regulators of cell cycle entry and exit. In contrast to Cyclin D-Cdk4 complexes, Cyclin E-Cdk2 complexes have to be inhibited to ensure timely cell proliferation arrest. This requires dacapo (dap) gene expression beginning at the G2-Phase of the final mitosis. The DAP protein binds to and inhibits Cyclin E-Cdk2 complexes. Mechanisms which control embryonic expression of dap and thus facilitate the exit from the cell cycle were investigated in this work. Analysis of different mutants demonstrated that dap expression is independent of the completion of the cell division program and that it is regulated directly by cell fate determinants. Analysis of the genomic 5´control region of dap using deletion and reporter con-structs revealed that expression of dap is controlled by distinct enhancer modules in different tissues. The HOX-transcription factor Abdominal B (ABD-B) acts di-rectly on one of these enhancers. This transcription factor is of central importance for the specification of developmental fate. Thus the dap 5´-control region plays an important role in the co-ordination of developmental fate and cell proliferation.