Faculté des sciences

Genetic control of photoreceptor terminal differentiation in Drosophila melanogaster

Bernardo-Garcia, F. Javier ; Sprecher, Simon (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2018 ; no. 2066.

Why do photoreceptors differentiate in the eye? Though simple, biologically this is an important question, and it may prove complex to answer. To present a bigger picture: animals have evolved a diversity of highly specialised sensory organs, which they use to obtain information from their environment and thus survive. These organs contain different types of receptor neurons. For example, there... Plus

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    Summary
    Why do photoreceptors differentiate in the eye? Though simple, biologically this is an important question, and it may prove complex to answer. To present a bigger picture: animals have evolved a diversity of highly specialised sensory organs, which they use to obtain information from their environment and thus survive. These organs contain different types of receptor neurons. For example, there are chemoreceptors in the labellum and in the antennae of insects, or mechanoreceptors in the inner ear of vertebrates... and each of these types of receptor neurons specifically possesses the molecular machinery to detect and transduce stimuli from one particular sensory modality. In the case of the eye, it contains photoreceptor neurons, which are specialised in light detection. Neither photoreceptors nor most of the components of the phototransduction cascade appear commonly outside the eye. Therefore, what are mechanisms that ensure that photoreceptors differentiate correctly in the eye, and not in other body parts? To start answering this question, first it might be useful to understand the early-acting process of eye field specification. This depends on a group of transcription factors that are collectively called the ‘retinal determination network’ (RDN), and work in combination with each other to confer eye identity to the developing, multipotent tissue. RDN genes are both necessary and sufficient for eye formation in different animal species, from Drosophila to vertebrates, and they tend to act through an evolutionarily conserved sequence of transcriptional events. First in this sequence, following the Drosophila nomenclature, the transcription factor Eyeless activates the expression of sine oculis and eyes absent. Then, Sine oculis and Eyes absent form a heterodimer and direct eye formation. Despite the importance of the RDN, until recently, little was known about its targets, or about the molecular mechanisms by which it coordinates eye development. In particular, how does it instruct photoreceptor differentiation? Our work suggests that a key step in this process is coordinated by the zinc finger transcription factor glass, which is a direct target of Sine oculis. While previous literature has shown that the Glass protein is primarily expressed in photoreceptors, its role in these cells was not known because it was believed that glass mutant photoreceptor precursors died during metamorphosis. Contrary to former studies, we demonstrate that glass mutant photoreceptor precursors survive and are present in the adult retina, but fail to mature as functional photoreceptors. Importantly, we have found that Glass is required for the expression of virtually all the proteins that are involved in the phototransduction cascade, and thus glass mutant flies are blind. Consistent with this, ectopic expression of Glass is able to induce some phototransduction components in the brain. Another step in the formation of photoreceptors is regulated by the homeodomain transcription factor Hazy, which is a direct target of Glass. While we show that both Glass and Hazy act synergistically to induce the expression of phototransduction proteins, we have also found that Glass can initiate the expression of most of the components of the phototransduction machinery in a Hazy-independent manner, and that hazy mutant flies only fail to detect white light after they are older than five days. Glass seems to be both required and sufficient for the expression of Hazy, and inducing Hazy in the retina partly rescues the glass mutant phenotype. Taken together, our results show a transcriptional link between the RDN and the expression of the proteins that adult Drosophila photoreceptors need to sense light, placing Glass at a key position in this developmental process. Finally, we compare the expression pattern of Glass in Drosophila and in the annelid Platynereis, and discuss the possibility that Glass plays an evolutionarily conserved role across different phyla.
    Zusammenfassung
    Warum bilden sich Fotorezeptoren gerade im Auge aus? Obwohl diese Frage einfach erscheint, ist sie aus biologischer Sicht doch sehr bedeutend und bedarf eventuell einer komplexen Antwort. Allgemein lässt sich sagen, dass Tiere eine Vielfalt von hoch spezialisierten Sinnesorganen entwickelt haben, durch die sie Informationen aus ihrer Umwelt aufnehmen und auf diese Weise ihr Überleben sichern. Diese Organe enthalten verschiedene Arten von Rezeptorneuronen. Zum Beispiel gibt es Chemorezeptoren im Labellum und in den Antennen der Insekten, oder Mechanorezeptoren im Innenohr von Wirbeltieren... und jedes dieser Rezeptorneuronen besitzt eine spezifische molekulare Maschinerie, um Reize einer bestimmten Sinnesmodalität wahrzunehmen und umzuwandeln. Beim Auge sind es Fotorezeptorneuronen, die auf die Wahrnehmung von Lichtreizen spezialisiert sind. Weder die Fotorezeptoren noch die meisten der Komponenten der Fototransduktionskaskade kommen außerhalb des Auges vor. Welche Mechanismen sind demzufolge ausschlaggebend, damit sich Fotorezeptoren im Auge und nicht in anderen Körperteilen entwickeln? Um diese Frage zu beantworten, ist es zunächst wichtig die frühen Mechanismen der Augenspezifizierung zu verstehen. Diese erfolgt unter Einfluss einer Gruppe von Transkriptionsfaktoren, die als „Retinales Determinations Netzwerk“ (RDN) bezeichnet werden. Diese Transkriptionsfaktoren interagieren, um aus dem sich entwickelnden multipotenten Gewebe ein Sehorgan zu bilden. RDN-Gene sind für die Augenentwicklung verschiedener Tierarten, von Drosophila bis zu Wirbeltieren, sowohl notwendig als auch ausreichend. Sie agieren durch eine evolutionär konservierte Sequenz transkriptioneller Mechanismen. An erster Stelle dieser Sequenz, nach der Drosophila Nomenklatur, aktiviert der Transkriptionsfaktor Eyeless die Expression von sine oculis und eyes absent. Anschließend bilden Sine Oculis und Eyes absent ein Heterodimer und induzieren die Entwicklung des Auges. Trotz der Bedeutung des RDNs war bis vor Kurzem nur sehr wenig über seinen Zweck oder die molekularen Mechanismen durch die es die Augenentwicklung koordiniert, bekannt. Vor allem stellt sich die Frage, wie es die Differenzierung der Fotorezeptoren reguliert? Unsere Arbeit legt nahe, dass ein wesentlicher Schritt in diesem Prozess durch den Zinkfinger-Transkriptionsfaktor glass koordiniert wird. Dabei handelt es sich um ein direktes Zielgen von Sine oculis. Obwohl in früheren wissenschaftlichen Arbeiten belegt wurde, dass das Glass-Protein in erster Linie in Fotorezeptoren exprimiert wird, war seine Rolle in diesen Zellen nicht bekannt, da angenommen wurde, dass Fotorezeptoren von glass Mutanten während der Metamorphose absterben. Im Gegensatz zu früheren Studien belegen wir das Überleben der Fotorezeptor-Vorläuferzellen von glass Mutanten und ihre Präsenz in der Retina adulter Fliegen, wobei sie jedoch nicht zu funktionsfähigen Fotorezeptoren heranreifen. Insbesondere konnten wir zeigen, dass Glass für die Expression fast aller Proteine, die in der Fototransduktionskaskade involviert sind, erforderlich ist. Daher sind glass Mutanten blind. In Übereinstimmung mit diesen Erkenntnissen bewirkt die ektopische Expression von Glass die Induktion einiger Komponenten der Fototransduktion im Gehirn. Ein weiterer Schritt in der Bildung von Fotorezeptoren wird reguliert durch den Homeodomänen-Transkriptionsfaktor Hazy, der ein direktes Ziel von Glass ist. Wir zeigen zum einen die synergetische Wirkung von Glass und Hazy bei der Expression von Fototransduktionsproteinen, zum anderen belegen wir, dass Glass die meisten Komponenten der Fototransduktionsmaschinerie unabhängig von Hazy induzieren kann, und dass hazy Mutanten ab dem Alter von fünf Tagen weißes Licht nicht mehr wahrnehmen können. Glass scheint notwendig und ausreichend für die Expression von Hazy zu sein und die Induktion von Hazy in der Retina rettet teilweise den Phänotyp von glass Mutanten. Insgesamt beweisen unsere Ergebnisse einen transkriptionellen Zusammenhang zwischen dem RDN und der Expression von Proteinen, die in Fotorezeptoren von adulten Drosophila Fliegen notwendig sind um Licht wahrzunehmen. Bei diesem Entwicklungsprozess hat Glass eine Schlüsselposition. Schließlich vergleichen wir die Expressionsmuster von Glass in Drosophila und im Anneliden Platynereis und diskutieren die Möglichkeit, dass Glass eine evolutionär konservierte Rolle über verschiedene Phyla hinweg spielt.