This thesis comprises three published papers and one manuscript, all focused on the role of juvenile hormone (JH), the JH receptor Methoprene-tolerant (Met) and its target gene Krüppel-homolog 1 (Kr-h1) in insect development and reproduction. The JH-Met-Kr-h1 pathway is critical for metamorphic transition in hemimetabolan Pyrrhocoris apterus (Hemiptera) and holometabolan Bombyx mori (Lepidoptera) but seems to be dispensable during early larval postembryonic development. The results also show that Met and its heterodimeric partner Taiman (Tai) but not Kr-h1 are critical for ovarian development and vitellogenesis in Pyrrhocoris females. In vitro, in vivo and cell-based techniques in Drosophila melanogaster have demonstrated that Met and its paralog Gce are a bona fide receptor for JH. Only Gce capable of binding JH rescued Drosophila deficient for Met and Gce proteins, and the capacity of Gce to bind JH was necessary for JH-dependent transcriptional activation by Gce and Tai.

Basische Helix-Loop-Helix (bHLH)-Proteine bilden eine diverse Gruppe evolutionär gut konservierter Transkriptionsfaktoren. Viele transaktivierende bHLH-Proteine werden zelltyp- oder gewebespezifisch exprimiert und fungieren als wichtige Schlüsselregulatoren zellulärer Determinations- und Differenzierungsprozesse. Die eng verwandten neuronalen bHLH-Gene Neurod1, Neurod2 und Neurod6 werden in differenzierenden Pyramidenneuronen des sich entwickelnden zerebralen Kortex exprimiert und stehen schon lange im Verdacht, deren Reifung zu steuern. In der Vergangenheit wurde jedes der drei Gene in Mäusen inaktiviert. Untersuchungen an den einfach-defizienten Tieren konnten jedoch keine wichtigen Funktionen in embryonalen Pyramidenneuronen identifizieren. Da die Aminosäuresequenzen und die Expressionsmuster der Faktoren sehr ähnlich sind, wurde angenommen, dass sie sich redundante Funktionalität teilen. Um dies zu überprüfen, habe ich Neurod2/6-doppel-defiziente Tiere gezüchtet und unter besonderer Berücksichtigung der Differenzierung von Pyramidenneuronen und der Konnektivität des zerebralen Kortex analysiert: Die Experimente zeigen, dass Neurod2 und Neurod6 tatsächlich mehrere bisher unbekannte gemeinsame Funktionen haben, wobei jeder Faktor für den Verlust des jeweils anderen kompensieren kann. Zumindest eines der beiden Gene ist notwendig für (1) die Kontrolle der radialen Migration eines Teils der Pyramidenneurone, (2) die frühe Regionalisierung des zerebralen Kortex und (3) die Bildung kortikaler Projektionen vom Neokortex zum Striatum, zum Thalamus und zur kontralateralen Hemisphäre. Callosale Axone bilden in Neurod2/6-doppel-defizienten Mäusen Faserbündel die tangential in den medialen Kortex einwachsen, aber noch vor Erreichen des ipsilateralen Cingulums und vor dem Kontakt mit der Mittellinie stoppen und defaszikulieren. Es resultiert eine neue Variante der callosalen Agenesie, die nahelegt, dass es bisher nicht identifizierte Wachstumssignale im medialen Kortex gibt. Die Expression von Neurod1, welche sich normalerweise auf die Subventrikularzone beschränkt, persistiert in radial migrierenden Pyramidenneuronen der Intermediärzone und der Kortikalplatte von Neurod2/6-doppel-defizienten Mäusen. Diese ektopische Neurod1-Expression kann dort den Verlust von Neurod2 und Neurod6 kompensieren. In einem weiteren Schritt habe ich konditionale Neurod1/2/6-tripel-defiziente Mäuse gezüchtet. In diesen Tieren wird das Neurod1-Gen durch selektive genetische Rekombination in all jenen Zellen, die über Neurod6-Promoteraktivität verfügen, irreversibel entfernt: Wie erwartet, teilt sich Neurod1 weitere gemeinsame Funktionen mit Neurod2 und Neurod6. Zumindest eines der drei Gene ist notwendig für die Differenzierung hippokampaler Pyramidenzellen und die Hemmung des programmierten Zelltods der unreifen Neuronen des Cornu Ammonis. Während die gemeinsame Inaktivierung von Neurod1/2/6 zur Aplasie des Hippocampus führt, überlebt ein Großteil der neokortikalen Pyramidenzellen. Die terminale neuronale Differenzierung ist jedoch auch im Neokortex gestört und die neokortikale Konnektivität sehr stark reduziert. Diese Arbeit zeigt, dass die Transkriptionsfaktoren der NeuroD-Familie gemeinsam die Differenzierung, das Überleben, die Migration und das axonale Wachstum von pyramidalen Neuronen des sich entwickelnden zerebralen Kortex steuern. Während der Embryonalentwicklung ergeben sich folgende, teils überschneidende Funktionen der NeuroD-Gene: Die Differenzierung und das Überleben von hippocampalen Körnerzellen ist abhängig von Neurod1. Die frühen Schritte der Differenzierung von hippocampalen Pyramidenneuronen und deren Überleben sind eine Funktion von wahlweise Neurod1, Neurod2 oder Neurod6. Spätere neuronale Differenzierungsschritte, die Regionalisierung des Neokortex und das gezielte Wachstum wichtiger neokortikaler Faserzüge basieren auf Funktionen von Neurod2 oder Neurod6, aber nicht von Neurod1. Der postnatale Umbau des somatosensorischen Kortex und die funktionale Integration thalamischer Afferenzen wurden bereits als strikt Neurod2-abhängig beschrieben.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(生命科学) / 甲第23552号 / 生博第463号 / 新制||生||62(附属図書館) / 京都大学大学院生命科学研究科統合生命科学専攻 / (主査)教授 今吉 格, 教授 見学 美根子, 教授 豊島 文子 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy in Life Sciences / Kyoto University / DFAM

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京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第24461号 / 理博第4960号 / 新制||理||1708(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科生物科学専攻 / (主査)講師 嶋田 知生, 教授 松下 智直, 教授 田村 実 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Relax chez le rat ou Neurogénine 3 (ngn3) chez la souris est un facteur de transcription de la famille basique Hélice Boucle Hélice (bHLH). Le profil d'expression de ce gène au cours du développement embryonnaire indique qu'il pourrait jouer un rôle fondamental dans la détermination du devenir nerveux ou endocrine des précurseurs neuronaux et pancréatiques respectivement. Le premier objectif de mon projet vise à élucider, les mécanismes moléculaires permettant de rendre compte de la mise en place et du contrôle de l'expression tissulaire restreinte du gène ngn3. Cette étude réalisée par transgenèse, a été possible grâce à l'installation au laboratoire d'une plate-forme de transgenèse, qui m'a permis de générer des modèles de souris transgéniques de façon autonome. J'ai donc réalisé différentes constructions permettant d'exprimer le gène β-galactosidase sous le contrôle d'éléments potentiellement « enhancer » du promoteur ngn3. J'ai caractérisé un élément de 3,85kb permettant de diriger l'expression du gène rapporteur exclusivement dans les territoires d'expression du gène endogène ngn3. L'étude de fragment plus restreints se poursuit actuellement mais nous disposons l'un fragment de 2,2kb dirigeant en transgenèse l'expression du gène LacZ dans l'hypothalamus ventral et les épithéliums pancréatiques et intestinaux. Le second objectif de cette thèse est d'obtenir un marquage in vivo, par transfert de gène, de la population des cellules souches du pancréas endocrine exprimant ngn3 dans des explants de pancréas embryonnaires murins puis humains. En effet, nous disposons d'un système in vivo unique capable de récapituler le développement du pancréas endocrine par xénogreffe d'ébauches pancréatiques. Jai démontré, dans ce modèle expérimental, la capacité de lentivirus recombinants à infecter efficacement des cellules progénitrices du pancréas, en ciblant à l'aide de promoteurs spécifiques l'expression du gène rapporteur dans les différentes populations cellulaires qui se sont différenciées. La construction et la production d'un vecteur lentiviral assurant l'expression du gène rapporteur de la GFP (Green Fluorescent protein) sous le contrôle de l'élément de 2,2kb du promoteur du gène ngn3, permet actuellement de transduire des explants de pancréas embryonnaires murins. La transposition de ces modèles à du tissu embryonnaire humain est actuellement validée. Ce travail nous donne accès, chez l'homme, au réservoir des cellules souches du pancréas endocrine. L'amplification et la sélection de telles cellules souches constituent un défi majeur pour le développement de nouvelles thérapies du diabète de type I. La fonction proendocrine de ngn3 étant déjà clairement établie au niveau du pancréas, le troisième objectif consiste à démontrer la fonction de détermination neuronale de ce facteur dans la moelle épinière. Dans le cadre d'une fonction de détermination, l'absence de différenciation d'une population de neurones est attendue suite à l'inactivation du gène ngn3. Nous avons pu démontrer que la mutation nulle ngn3 induit l'expression ectopique du facteur de détermination Mash1 dans la région ventrale de la moelle épinière exprimant normalement ngn3, assurant ainsi, une compensation fonctionnelle. Afin d'appréhender directement la fonction de détermination de ngn3 et cela en absence de compensation, nous avons généré des souris doubles mutant nulles Mash1-Ngn3. L'analyse phénotypique des mutants perte de fonction ngn3 et Mash1/ngn3 dans la moelle épinière ventral nous a permis de démontrer la fonction de ngn3 dans la détermination du devenir neuronal. De plus nous avons, pour la première fois, établi que les neurones matures dont la différenciation est déterminée par ngn3 présentent un phénotype glutamatergique. Mots clés : Ngn3, bHLH, expression tissu-spécifique, régions régulatrices, embryons transgéniques et fondateurs, ciblage progéniteurs/souches, transfert de gène, fonctions proneurale et proendocrine

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Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / The heart is a complex organ that is composed of numerous cell types, which must integrate their programs for proper specification, differentiation, and cardiac morphogenesis. During cardiac development the basic helix-loop-helix transcription factor Hand2 is dynamically expressed within the endocardium and extra-cardiac lineages such as the epicardium, cardiac neural crest cells (cNCCs), and NCC derived components of the autonomic nervous system. To investigate Hand2 function within these populations we utilized multiple murine Hand2 Conditional Knockout (H2CKO) genetic models. These studies establish for the first time a functional requirement for Hand2 within the endocardium, as several distinct phenotypes including hypotrabeculation, tricuspid atresia, aberrant septation, and precocious coronary development are observed in endocardial H2CKOs. Molecular analyses reveal that endocardial Hand2 functions within the Notch signaling pathway to regulate expression of Nrg1, which encodes a crucial secreted growth factor. Furthermore, we demonstrate that Notch signaling regulates coronary angiogenesis via Hand2 mediated modulation of Vegf signaling. Hand2 is strongly expressed within midgestation NCC and endocardium derived cardiac cushion mesenchyme. To ascertain the function of Hand2 within these cells we employed the Periostin Cre (Postn-Cre), which marks cushion mesenchyme, a small subset of the epicardium, and components of the autonomic nervous system, to conditionally ablate Hand2. We find that Postn-Cre H2CKOs die shortly after birth despite a lack of cardiac structural defects. Gene expression analyses demonstrate that Postn-Cre ablates Hand2 from the adrenal medulla, causing downregulation of Dopamine Beta Hydroxylase (Dbh), a gene encoding a crucial catecholaminergic biosynthetic enzyme. Electrocardiograms demonstrate that 3-day postnatal Postn-Cre H2CKO pups exhibit significantly slower heart rates than control littermates. In conjunction with the aforementioned gene expression analyses, these results indicate that loss of Hand2 function within the adrenal medulla results in a catecholamine deficiency and subsequent heart failure.

Plastids are the cellular organelles where many of the visual, health and flavor-related metabolites are produced and stored in the fruit, and therefore are valuable components for consumers and breeders. The more sugar and flavor the fruit has, the more appreciated is for the consumer and industry. Thus, one of the breeder's goals is to obtain new varieties with fruits improved in these aspects. Paradoxically, fruits with a high content in chloroplasts have been avoided by the breeders because it usually suffers of oxidative stress disorders; such yellow shoulder impairment and fruit cracking when the light intensity increases. For this reason breeding efforts has been focused mainly on avoiding fruit losses and organoleptic characteristics have been neglected. This thesis aims to improve tomato fruit quality by engineering plants to produce fruits with enhanced fruit chloroplast functions and improved tolerance to oxidative stress, using cisgenic/ intragenic approaches. SlGLK1, SlGLK2 and SlAPRR2 transcription factors have been suggested to be involved in chloroplast development. Tomato MoneyMaker plants were engineered to express SlGLKs and SlAPRR2 either singly or in combination early in development. Those lines provide fruits which accumulate more sugars, carotenoids and specific volatiles than WT. The fruit chloroplast enhanced lines were characterized at the structural, metabolic, proteomics and transcriptomics. A novel additive effect in the chloroplast regulation network resulted when both transcription factors were coexpressed and a hypothesis for this effect is presented. In addition, two tomato traditional varieties (Muchamiel and Pera) expressing tomato genes for BMW anthocyanin regulatory complex under the control of the light inducible promoter (PLI) were produced and characterized. Engineered tomato plants showed large accumulation of anthocyanin specifically in the fruit peel and in Type VI trichomes. Characterization of those tissues indicated specific alterations of the flavonoid pathway that were highly dependent on the light conditions. These tomato lines could be of high interest to protect the fruit chloroplast enhancement lines from eventual stresses involving ROS, and also to assess the effect on plant growth under high light stress and in plant-pest interaction studies. / Los plastidos son orgánulos celulares donde se producen y almacenan muchos de los metabolitos relacionados con atributos organolépticos y compuestos beneficiosos para la salud, por lo tanto se consideran componentes de alto valor añadido para consumidores y mejoradores vegetales. Cuanto mayor contenido en azúcares solubles y sabor presente el fruto más se valoran por los consumidores y la industria. Por lo tanto uno de los objetivos actuales de los mejoradores de tomate es mejorar el fruto en estos aspectos. Paradójicamente, se ha seleccionado en contra de frutos con alto contenido en cloroplastos porque este carácter, bajo alta intensidad lumínica, suele estar asociado a daños en el fruto por estrés oxidativo; como los hombros amarillos del tomate o el agrietado del fruto. Por este motivo los esfuerzos en mejora se han orientado principalmente a evitar pérdidas y consecuentemente la calidad organoléptica se ha visto reducida. El objetivo de esta tesis es mejorar la calidad del fruto de tomate mediante el empleo de técnicas de ingeniería genética orientadas a incrementar los cloroplastos en fruto y mejorar la tolerancia al estrés oxidativo con una aproximación cis/ intragenica. Los factores de transcripción SlGLK1, SlGLK2 y SlAPRR2 han sido estudiados por influir en el desarrollo del cloroplasto. Plantas de tomate de variedad MoneyMaker fueron mejoradas genéticamente para expresar de forma individual o conjunta SlGLKs y SlAPRR2 en estadios tempranos de desarrollo. Estas líneas proveen frutos con mayor acumulo de azúcares, carotenos y volátiles que el control MoneyMaker. Las líneas potenciadas en desarrollo de cloroplastos se caracterizaron a nivel estructural, metabólico, proteómico y transcriptómico. Se descubrió un novedoso efecto aditivo en la regulación génica del cloroplasto cuando ambos factores de transcripción se expresan simultáneamente y se presentó una hipótesis para dicho efecto. Además se caracterizaron dos variedades tradicionales de tomate (Muchamiel and Pera) diseñadas para expresar genes pertenecientes al complejo de regulación de antocianinas BMW, bajo el control del promotor inducible por luz (PLI). Las plantas mejoradas genéticamente presentan una gran acumulación de antocianos, especialmente en piel de fruto y en tricomas tipo VI. Caracterización de estos tejidos indican alteraciones específicas en la ruta de flavonoides y una alta dependencia a condiciones de luz. Estas plantas podrían ser de gran interés para proteger frutos con altos niveles de cloroplastos frente al estrés oxidativo generado por ROS, para evaluar el efecto en el crecimiento de la planta bajo condiciones de alta luz y en futuros estudios de interacción planta-patógenos / Els plastidis són orgànuls cel.lulars on es produeixen i emmagatzemen molts dels metabòlits relacionats amb atributs organolèptics i composts beneficiosos per a la salut, per tant es consideren components d'alt valor afegit per a consumidors i milloradors vegetals. Quant major contingut en sucres solubles i sabor presenta el fruït, més serà valorat per part dels consumidors i la industria. Paradoxalment, s'ha seleccionat en contra dels fruïts amb alt contingut en cloroplasts perquè aquest caràcter, davall alta intensitat lumínica, sol estar associat amb danys en el fruït per estrés oxidatiu; com muscles groguencs de la tomata o clevitjament del fruït. Per aquest motiu, l'esforç en millora s'ha orientat principalment a evitar pèrdues de manera que la qualitat organolèptica s'ha vist reduïda. L'objectiu d'aquesta tesi es millorar la qualitat del fruït de tomata mitjançant l'ús de tècniques d'enginyeria genètica orientades a incrementar els cloroplasts al fruït i millorar la tolerància a l'estrès oxidatiu amb una aproximació cis/intragènica. Plantes de tomata de la varietat MoneyMaker foren millorades genèticament per expressar de manera individual o conjunta SlGLK1, SlGLK2 y SlAPRR2 als moments inicials del desenvolupament. Aquestes línies donen fruïts amb major acumulació de sucres, carotens i volàtils que el control MoneyMaker. Les línies potenciades amb el desenvolupament de cloroplasts es caracteritzaren a nivell estructural, metabòlic, proteòmic i transcriptòmic. Es va descobrir un nou efecte additiu en la regulació gènica del cloroplast quan ambdós factors de transcripció s'expressen de manera simultània i es va presentar una hipòtesi per a dit efecte. A més, es van caracteritzar dos varietats tradicionals de tomata (Muchamiel i Pera) dissenyades per a expressar gens que pertanyen al complex de regulació d'antocians BMW, davall el control del promotor induïble per llum (PLI). Les plantes millorades genèticament presentaren una gran acumulació d'antocians, especialment a la pell del fruït i en tricomes de tipus VI. La caracterització d'aquest teixit indica alteracions específiques en la ruta dels flavonoides i una altra dependència a condicions de llum. Aquestes plantes podrien ser de gran interès per a protegir els fruïts d'alts nivells de cloroplasts front a l'estrès oxidatiu generat pels ROS, i per a avaluar l'efecte en el creixement de la planta davall condicions d'alta llum i en futurs estudis d'interacció planta-patògen. / Cocaliadis Caisson, MF. (2017). A multilevel, developmentally controlled gene engineering strategy for tomato fortification and protection [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/90401