Sekrece a transport Wnt proteinu v nervovém systému savců

Mgr. Karol Kaiser, Ph.D.

Doctoral thesis

Wnt secretion and transport in the mammalian nervous system

Abstract:

Embryonální vývoj mnohobuněčného organismu je značně komplexní proces, jehož porozumění může být dosáhnuto zejména důkladným prozkoumáním jeho mnoha dílčích aspektů. Wnt signalizace představuje jednu z klíčových komponent této „mašinérie“ a slouží jako ideální příklad pro prohloubení našeho pochopení fungovaní signálních drah napříč nejzákladnějšími procesy, na kterých spočívá vznik mnohobuněčného organismu. Wnt signalizace je evolučně zachovalá signalizační dráha, jenž probíhá pomocí sekrece lipidicky modifikovaných ligandů, známých jako Wnt proteiny. Wnt proteiny mají hydrofobní charakter a disponují vlastnostmi morfogenů. Jedna z nich, schopnost šířit se napříč tkanivem a vytvářet gradient, je předmětem intenzívního vědeckého badání. Značné úsilí v této oblasti vedlo k odhalení několika potenciálních mechanizmů transportu Wnt ligandů na větší vzdálenost. Nicméně fyziologický význam těchto mechanizmů, obzvláště v kontextu savčí embryogeneze, zůstává dodnes nezodpovězený. Mozkomíšní mok hraje důležitou roli v regulaci rozličných aspektů neurogeneze. Hromadící se důkazy poukazují na význam této tekutiny pro transport a distribuci látek, které dokáží indukovat rozmanité fyziologické odezvy na úrovni recipientních buněk v centrální nervové soustavě (CNS). Choroidní plexus (ChP) je tkáň s rozhodující rolí v produkci mozkomíšního moku. V rámci naší práce jsme se rozhodli prozkoumat, zda ChP může působit jako lokální zdroj pro sekreci Wnt ligandů do mozkomíšního moku. V této práci ukazujeme, že epiteliální vrstva ChP zadního mozku (HbChP) vytváří a sekretuje Wnt5a protein. Dále jsme prokázali, že uvolňovaný Wnt5a ligand je schopný modulovat embryonální vývoj CNS. Navíc přinášíme důkaz o interakci mezi Wnt5a a lipoproteiny, která umožňuje transport Wnt5a proteinu. Dále jsme v rámci odhalovaní role Wnt5a v ChP prokázali jeho význam ve vývoji všech ChP. Také jsme zde popsali klíčovou roli Wnt5a v morfogenezi HbChP v rámci signální dráhy Wnt/planární polarity buněk (Wnt/PCP). Neočekávané propojení mezi Wnt5a ligandem a HbChP vedlo nejenom k ustanovení ChP jako vhodného modelu pro studium mezibuněčného transportu Wnt proteinů v savcích, ale také relativně přístupného systému k analýze Wnt/PCP signalizace u obratlovců.

Abstract:

Understanding the process of such staggering complexity as embryonic development can be achieved only through thorough exploration of its many facets. Wnt signalling represents a critical component of this machinery and thus increasing our understanding of Wnt pathway inner workings can reverberate across the most essential processes underlying formation of a multicellular organism. Wnt pathway is an evolutionary conserved mode of signalling mediated through action of secreted lipid-modified ligands, known as Wnt proteins, which exhibit morphogen properties. By virtue of being hydrophobic, ability of Wnts to propagate within tissue and generate a gradient, a hallmark of a morphogen, is subject of intense scientific scrutiny. Considerable effort led to discoveries of several interesting mechanisms for long-range transport of Wnt ligands. Nevertheless, their physiological importance, especially with respect of mammalian embryogenesis, remains poorly understood. Cerebrospinal fluid (CSF) plays a key role in regulation of numerous aspects in process of neurogenesis. Mounting evidence underscores its potential to harbor and distribute compounds, capable of eliciting diverse physiological responses in recipient cells throughout the whole central nervous system. Due to its function, we decided to investigate whether choroid plexus, a major site for CSF production (ChP) can act as a local source mediating active release of Wnt ligands into the CSF. Hereby, we report that hindbrain choroid plexus (HbChP) epithelium actively expresses and produces Wnt5a, a member of Wnt ligand family, which is secreted in a biologically active form and is capable of modulating embryonic development of central nervous system. Furthermore, long-distance transport of Wnt5a is mediated by its interaction with lipoprotein particles. In addition, dissection of Wnt5a role in choroid plexuses (ChPs), allowed us to identify this ligand as a protein shared during development by all ChPs. We also described critical role of Wnt5a in HbChP morphogenesis via signaling linked to planar cell polarity (PCP) pathway components. Hence, we unraveled unexpected connection between Wnt5a ligand and HbChP, thus establishing this tissue as a model for study of extracellular transport of Wnt as well as accessible system to analyze Wnt/PCP signaling in vertebrates.

Keywords

Klíčová slova, Wnt signální dráha, morfogen, mezibuněční transport, Wnt5a, choroidní plexus, mozkomíšní mok. Keywords, Wnt signaling pathway, Morphogen, extracellular transport, Choroid plexus, Cerebrospinal fluid

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 6. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 22. 6. 2018
• Supervisor: Ph.D. Juan Carlos Villaescusa Ramirez
• Reader: Dr. Igor Adameyko, Dr. Daniela Panáková

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Animal Physiology