Über die Dynamik der frühen Embryogenese des Caenorhabditis elegans

Titelangaben

Fickentscher, Rolf:
Über die Dynamik der frühen Embryogenese des Caenorhabditis elegans.
Bayreuth , 2018 . - 194 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans ist einer der wichtigsten Modellorganismen für die moderne Entwicklungsbiologie. Der Grund hierfür ist die hohe Reproduzierbarkeit der ablaufenden Prozesse. So sind zum Beispiel Zelltrajektorien und Eigenschaften der Zellteilungen in allen Individuen nahezu invariant. In dieser Arbeit wird nach Gründen für diese Wiederholgenauigkeit gesucht. Sie baut auf einem vorbestehenden mechanischen Modell auf, mit welchem die Zelltrajektorien reproduziert werden können. In diesem Modell streben Zellen Positionen entgegen, an welchen möglichst wenig repulsive Kräfte von anderen Zellen oder der Eihülle auf sie einwirken. Eigenschaften der Zellteilungen können damit jedoch nicht erklärt werden. Um weitere Einblicke zu gewinnen, wird die Embryogenese des Caenorhabditis elegans in dieser Arbeit mittels Lichtblatt-Fluoreszenzmikroskopie vierdimensional verfolgt. Anhand der Aufnahmen können Zellpositionen und -größen zeitabhängig quantifiziert werden. Mittels der so gewonnenen Daten wird gezeigt, dass die starre Chitinhülle, die den Embryo umgibt, für deterministische Zelltrajektorien essentiell ist. Weiterhin kann gezeigt werden, dass Schwankungen der Umgebungstemperatur keinen Einfluss auf die beobachteten Zellanordnungen haben. Die geometrischen Asymmetrien der Zellteilungen werden in dieser Arbeit erstmals gemessen. Es zeigt sich, dass sich etwa 40% aller frühen Zellen asymmetrisch teilen. Während dies in somatischen Zellen durch sterische Effekte induziert wird, treten Asymmetrien in Keimbahnzellen aufgrund einer Verschiebung der mitotischen Spindel auf. Diese Verschiebung ist von der Zellgröße entkoppelt, was durch ein mechanisches Modell erklärt werden kann. Weiterhin wird die Größe der Zellkerne während der Interphase untersucht. Es zeigt sich, dass Nuklei exponentiell-asymptotisch wachsen, wobei der Grenzwert linear vom Zellvolumen abhängt. Das Wachstum ist temperaturunabhängig und läuft in kleineren Zellen schneller ab. Insgesamt deuten die Daten auf einen diffusionsbasierten Partitionierungsmechanismus einer limitierenden Komponente hin. Außerdem zeigen die Zellzyklendauern, d.h. die Zeitspanne zwischen zwei Zellteilungen, eine Antikorrelation mit den Zellvolumina. Dieses Verhalten kann ebenso über ein Modell limitierender Komponenten quantitativ erfasst werden. Mittels dieser Ergebnisse kann das mechanische Modell zur Zellanordnung erweitert werden. Damit kann schließlich gezeigt werden, dass Abweichungen von den ungestörten Eigenschaften der Zellteilungen zu einer erhöhten Instabilität der Embryogenese führen.

Abstract in weiterer Sprache

The small nematode Caenorhabditis elegans is one of the major model systems in modern developmental biology due to its almost invariant embryogenesis. For example, cell trajectories and many properties of cell divisions are almost the same for each individual. This thesis aims at elucidating the reasons for the observed reproducibility, based on a previously established mechanical model that reproduces experimentally obtained cell trajectories. Within this model, cell organization is determined by the cells' quest for positions with least repulsive interactions among themselves and the eggshell. Since this model cannot capture properties of cell divisions, the embryogenesis of Caenorhabditis elegans has been observed by fluorescence light sheet microscopy in four dimensions. The acquired data allow the quantification of cell positions and volumes in a time-dependent manner. These data reveal that the rigid chitin eggshell surrounding the embryo is crucial for deterministic cell trajectories. Furthermore, fluctuations in the ambient temperature only rescale the biological clock without influencing cell arrangements qualitatively. Geometric asymmetries of cell divisions are quantified for the first time. It turns out that around 40% of early cell divisions are significantly asymmetric. While this is induced by steric effects in somatic cells, asymmetries in the germline are caused by a shift of the mitotic spindle. The magnitude of this shift is decoupled from cell size, which can be explained by a mechanical model. In addition, the volumes of cell nuclei during interphase are quantified. Nuclei grow with an exponential scaling towards asymptotic volumes that correlate linearly with cell volumes. Growth is independent of temperature and faster in small cells. Hence, data suggest a diffusion-based partitioning mechanism of a limiting component. Furthermore, it is shown that cell cycle durations, i.e. the time between two successive cell divisions, are anticorrelated with cell volumes. This scaling can also be rationalized quantitatively with a model based on limiting components. With these results the mechanical modelling of cell trajectories can be formulated in a significantly more self-contained fashion. Finally, using that model, it can be shown that deviations from unperturbed properties of cell divisions markedly reduce the stability of embryogenesis.