Morphogens are secreted signalling molecules that are expressed in restricted groups of cells within the developing tissue. From there, they are secreted and travel throughout the target field and form concentration gradients. These concentration profiles endow receiving cells with positional information. A number of experiments in Drosophila demonstrated that the morphogen Decapentaplegic (Dpp) forms activity gradients by inducing the expression of several target genes above distinct concentration thresholds at different distances from the source. This way, Dpp contributes to developmental fates in the target field such as the Drosophila wing disc. Although the tissue distribution as well as the actual shape and size of the Dpp morphogen concentration gradient has been visualized, the cell biological mechanisms through which the morphogen forms and maintains a gradient are still a subject of debate. Two hypotheses as to the dominant mechanism of movement have been proposed that can account for Dpp spreading throughout the Drosophila wing imaginal target tissue: extracellular diffusion and planar transcytosis, i. e. endocytosis and resecretion of the ligand that is thereby transported through the cells. Here, I present data indicating that implications of a theoreticalanalysis of Dpp spreading, where Dpp transport through the target tissue is solely based on extracellular diffusion taking into account receptor binding and subsequent internalization, are inconsistent with experimental results. By performing Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP) experiments, I demonstrate a key role of Dynamin-mediated endocytosis for Dpp gradient formation. In addition, I show that most of GFP-Dpp traffics through endocytic compartments at the receiving epithelial cells, probably recycled through apical recycling endosomes (ARE). Finally, a Dpp recycling assay based on subcellular photouncage of ligand is presented to address specifically the Dpp recycling event at the receiving cells.

Die Familie der ErbB-Rezeptor-Tyrosinkinasen besteht aus vier Mitgliedern, dem EGF-Rezeptor (ErbB-1), ErbB-2, ErbB-3 und ErbB-4. ErbB-Rezeptoren spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des Nervensystems, des Herzens und der Brustdrüsen. Ein Teil dieser Differenzierungsvorgänge läßt sich in vitro nachvollziehen: so ist zum Beispiel die Aktivierung des ErbB-2 Rezeptors ausreichend für alveoläre Morphogenese der Brustdrüsenepithelzellinie EpH4. Intrazelluläre Moleküle, die dieses ErbB2-Signal übertragen, sind allerdings noch unbekannt. Mit Hilfe eines neuen, modifizierten Hefe-2-Hybrid-Systems wurde in der vorliegenden Arbeit Vav2 als neuer Interaktionspartner von ErbB-2 identifiziert. Vav2 assoziiert mit aktiviertem ErbB-2 über eine SH2-Domäne. Die Interaktion ist direkt und ist von zwei Phosphotyrosinen in ErbB-2 abhängig. Vav2 kann den GDP/GTP-Austausch bei GTPasen der Rho-Familie vermitteln. Dadurch kann der Umbau des Zytoskeletts und Veränderungen der Transkription sowie Zelltransformation induziert werden. In einem dreidimensionalen Zellkultursystem kann aktiviertes Vav2 in EpH4 Zellen die Bildung von alveolären Zellaggregaten induzieren. In diesen Alveolen umgibt eine Schicht polarisierter milchproduzierender Zellen ein zentrales Lumen. Diese Vav2-vermittelte Morphogenese ist abhängig von der katalytischen GDP/GTP-Austausch Aktivität von Vav2. Katalytisch-inaktives Vav2 kann die morphogenetische Aktivität von ErbB-2 in EpH4-Zellen verhindern, ohne die mitogene Aktivität von ErbB-2 zu beeinflussen. Vav2 ist mit ErbB-2 coexprimiert und interagiert mit dem Rezeptor in Brustdrüsenzellen schwangerer Mäuse. Diese Untersuchungen deuten darauf hin, dass Vav2 eine wichtige Funktion bei der durch ErbB-2 induzierten alveolären Morphogenese der Brustdrüse spielt. / The ErbB receptor tyrosine kinases constitute a subfamily of four structurally related members, the EGF receptor (ErbB-1), ErbB-2, ErbB-3 and ErbB-4. ErbB receptor tyrosine kinases are critical for embryonic development of central and peripheral neural structures and heart. In addition, ErbB receptors play an important role in the postnatal development of the mammary gland. Previous studies showed that activated ErbB-2 receptor induces alveolar morphogenesis of EpH4 mammary epithelial cells that are cultured on a three-dimensional matrix (termed Matrigel). However, the downstream signaling proteins that mediate this biological activity of ErbB-2 were unknown. In this work, Vav2 was identified as a direct interaction partner of tyrosine-phosphorylated ErbB receptors using the yeast two-hybrid system. Vav2 is a member of a family of guanine nucleotide exchange factors that induce cytoskeletal rearrangements, transcriptional alterations, and have oncogenic potential when activated. To test the ability of Vav2 to mediate morphogenic signals of ErbB-2, EpH4 cells overexpressing Vav2 protein were cultured on Matrigel. Indeed, Vav2 induces alveolar morphogenesis of EpH4 cells when activated either by oncogenic mutation or tyrosine phosphorylation by ErbB-2. The morphogenic activity of Vav2 requires the Dbl homology domain, which mediates GDP/GTP exchange. Dominant-negative Vav2 specifically blocks the morphogenic signals of ErbB-2 in EpH4 cells without interfering with ErbB2-induced mitogenesis. Importantly, Vav2 is co-expressed and interacts with ErbB-2 in the mammary glands of pregnant mice. Taken together, these results point to Vav2 as a candidate to mediate ErbB-2 signals for alveolar morphogenesis in vivo, which is a relevant step in the development of the mammary gland during pregnancy.

Die dreidimensionale Sonographie ermöglicht die Beobachtung der menschlichen Morphogenese in utero. Ziel der vorliegenden Untersuchung war die Evaluierung der Darstellung der embryonalen und frühen fetalen Oberflächenmorphogenese mittels transvaginaler 3D-Sonographie unter Anwendung eines neuen Verfahrens (3D-Cut) zur Sichtoptimierung. Fünf Schwangere mit datierten Embryonen wurden longitudinal zwischen der 4. und 12. Woche p.m. transvaginal sonographiert. Die Untersuchungen wurden mit einem 3D-Ultraschallgerät der Firma Kretztechnik (VoluSonâ 530D MT) unter Verwendung einer 3D-Transvaginalsonde (5-8 MHz) durchgeführt. Die 3D-Daten wurden unter Einsatz des 3D-Cut-Verfahrens zu dreidimensionalen Oberflächenmodellen der Embryonen und Feten verarbeitet und mit embryologischen Präparaten gleichen Gestationsalters sowie den Ergebnissen bisheriger 3D-sonoembryologischer Studien verglichen. Die Darstellung der embryonalen und fetalen Oberflächenmorphologie gelang kontinuierlich ab der 6. Woche p.m.. Im chronologischen Verlauf zeigten die beobachteten Embryonen und Feten einen umfangreichen Gestaltwandel von einer C-förmigen Struktur ohne sonographisch fassbare Oberflächendetails hin zu einem Individuum von menschlicher Gestalt. Unter Berücksichtigung der sonographischen Auflösungsgrenzen war eine hohe Übereinstimmung zwischen den sonographischen Oberflächenmodellen und den korrespondierenden embryologischen Präparaten zu verzeichnen. Mit den Ergebnissen 3D-sonoembryologischer Voruntersuchungen ergab sich ebenfalls eine gute Korrelation. Die angewandte sonographische Methode ermöglicht auf nichtinvasive Weise eine detaillierte, systematische dreidimensionale Darstellung von Embryonen und frühen Feten in utero und vermittelt so wertvolle Informationen, die der embryologischen Forschung in dieser Weise bisher nicht zugänglich waren. / Three-dimensional sonography allows the observation of the human morphogenesis in utero. The objective of the presented study was the evaluation of the demonstration of embryonic and early fetal surface morphogenesis by means of transvaginal 3D-sonography using a new procedure (3D-Cut) for the optimization of image quality. Five pregnant women with dated embryos were examined longitudinally by transvaginal 3D-sonography between 3 and 11 completed weeks p.m.. The examinations were performed with a 3D-Ultrasoundmachine (VoluSonâ 530D MT) developed by Kretztechnik (Zipf/Austria) using a transvaginal 5-8 MHz-3D-transducer. The 3D-data were processed to three-dimensional surface models of the embryos and fetuses using the 3D-Cut-procedure and compared with embryologic specimens of corresponding gestational age as well as with the results of prior 3D-sonoembryological studies. Embryonic and early fetal surface morphology could be demonstrated continuously starting from 5 completed weeks p.m.. The observed embryos and fetuses showed an extensive morphological change from a C-shaped structure without sonographically detectable surface details to an individual of human shape. With consideration of the limited sonographic resolution a high agreement between sonographic surface models and the corresponding embryologic specimens was registered. A good correlation was also found with the results of prior 3D-sonoembryological studies. The applied sonographic method allows in a noninvasive way a detailed systematic three-dimensional demonstration of embryos and early fetuses in utero and provides thus valuable information, which was not accessible to embryological research in this way so far.

The neuromeric concept of brain formation has become a well-established model to explain how order is created in the developing vertebrate central nervous system. The most important feature of neuromeres is their compartmentalization on the cellular level: Each neuromere comprises a lineage-restricted population of cells that does not intermingle with cells from neighboring compartments. The units of the vertebrate hindbrain, the rhombomeres, serve as the best-studied examples of neuromeres. Here, the lineage restriction mechanism has been found to function on the basis of differentially expressed adhesion molecules. To date, hard evidence for the existence of other lineage restricted regions in more anterior parts of the brain is still scarce. The focus of this study is the midbrain-hindbrain boundary (mhb) region, where the juxtaposition of the mesencephalon and metencephalon gives rise to a signaling center, termed the midbrain-hindbrain or isthmic organizer. Evidence for lineage restriction boundaries in the mhb region is still controversial, with some very recent studies supporting the existence of a lineage boundary between the mesencephalon and metencephalon and others rejecting this. Here, I present data strongly supporting the existence of a compartment boundary between the posterior midbrain and anterior hindbrain territory. I base this proposition on cell-tracing experiments with single cell resolution. By connecting the traces to a molecular midbrain marker, I establish a link between cell fate and behavior. In the second part, I present a novel tissue explant method for the zebrafish that has the potential to serve numerous developmental studies, especially imaging of so far inaccessible regions of the embryo.

Einen Aspekt dieser Arbeit stellt die Analyse der Stimulation von Ratten-Calvaria-Osteoblasten (RCA) mit den beiden Wachstumsfaktoren TGF-b1 und BMP-4 während der Proliferations- sowie Differenzierungs- und Mineralisierungsphase dar. Hierfür soll die Phosphorylierung und Aktivierung von Erk1 und Erk2, sowie von Smad1 und Smad2 mit Hilfe eines Kinase-Aktivitätsassays sowie der Westernblot-Analyse untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll weiterhin untersucht werden, welche Bedeutung die Wachstumsfaktoren TGF-b1 und BMP-4 auf die Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP), einem wichtigen Differenzierungsmarker in Osteoblasten, ausüben. Enzymatische Aktivitätsbestimmungen und zytochemische Färbung aktiver ALP sollen darüber Aufschluss geben. Weiterhin soll der Gehalt an ALP-mRNA durch PCR bestimmt werden. Ein weiteres wichtiges Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Bedeutung von Erk1, Erk2, Smad1 und Smad2 auf die Aktivität der ALP. Dafür sollen Inhibitoren eingesetzt werden. Die enzymatische Aktivitätsbestimmung soll darüber aufklären. Außerdem soll mit Hilfe von kurzen, doppelsträngigen RNA-Molekülen (siRNA) ein knock down der Kinasen herbeigeführt werden und dessen Auswirkung auf die Aktivität der ALP enzymatisch bestimmt werden. Dafür muss zunächst die Wirksamkeit der siRNA auf RNA-Ebene mittels PCR und auf Proteinebene mittels Westernblot-Analysen überprüft werden. Zusätzlich soll die Bedeutung der Wachstumsfaktoren und der Kinasen Erk1 und Erk2 auf die Mineralisierung der RCA analysiert werden. Dafür wird die Menge des zellassoziierten Kalziums und Phosphats experimentell bestimmt, wodurch der Mineralisationsgrad der Zellen wiedergegeben werden kann.

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The neuromeric concept of brain formation has become a well-established model to explain how order is created in the developing vertebrate central nervous system. The most important feature of neuromeres is their compartmentalization on the cellular level: Each neuromere comprises a lineage-restricted population of cells that does not intermingle with cells from neighboring compartments. The units of the vertebrate hindbrain, the rhombomeres, serve as the best-studied examples of neuromeres. Here, the lineage restriction mechanism has been found to function on the basis of differentially expressed adhesion molecules. To date, hard evidence for the existence of other lineage restricted regions in more anterior parts of the brain is still scarce. The focus of this study is the midbrain-hindbrain boundary (mhb) region, where the juxtaposition of the mesencephalon and metencephalon gives rise to a signaling center, termed the midbrain-hindbrain or isthmic organizer. Evidence for lineage restriction boundaries in the mhb region is still controversial, with some very recent studies supporting the existence of a lineage boundary between the mesencephalon and metencephalon and others rejecting this. Here, I present data strongly supporting the existence of a compartment boundary between the posterior midbrain and anterior hindbrain territory. I base this proposition on cell-tracing experiments with single cell resolution. By connecting the traces to a molecular midbrain marker, I establish a link between cell fate and behavior. In the second part, I present a novel tissue explant method for the zebrafish that has the potential to serve numerous developmental studies, especially imaging of so far inaccessible regions of the embryo.

Einen Aspekt dieser Arbeit stellt die Analyse der Stimulation von Ratten-Calvaria-Osteoblasten (RCA) mit den beiden Wachstumsfaktoren TGF-b1 und BMP-4 während der Proliferations- sowie Differenzierungs- und Mineralisierungsphase dar. Hierfür soll die Phosphorylierung und Aktivierung von Erk1 und Erk2, sowie von Smad1 und Smad2 mit Hilfe eines Kinase-Aktivitätsassays sowie der Westernblot-Analyse untersucht werden. Im Rahmen dieser Arbeit soll weiterhin untersucht werden, welche Bedeutung die Wachstumsfaktoren TGF-b1 und BMP-4 auf die Aktivität der alkalischen Phosphatase (ALP), einem wichtigen Differenzierungsmarker in Osteoblasten, ausüben. Enzymatische Aktivitätsbestimmungen und zytochemische Färbung aktiver ALP sollen darüber Aufschluss geben. Weiterhin soll der Gehalt an ALP-mRNA durch PCR bestimmt werden. Ein weiteres wichtiges Ziel dieser Arbeit ist die Analyse der Bedeutung von Erk1, Erk2, Smad1 und Smad2 auf die Aktivität der ALP. Dafür sollen Inhibitoren eingesetzt werden. Die enzymatische Aktivitätsbestimmung soll darüber aufklären. Außerdem soll mit Hilfe von kurzen, doppelsträngigen RNA-Molekülen (siRNA) ein knock down der Kinasen herbeigeführt werden und dessen Auswirkung auf die Aktivität der ALP enzymatisch bestimmt werden. Dafür muss zunächst die Wirksamkeit der siRNA auf RNA-Ebene mittels PCR und auf Proteinebene mittels Westernblot-Analysen überprüft werden. Zusätzlich soll die Bedeutung der Wachstumsfaktoren und der Kinasen Erk1 und Erk2 auf die Mineralisierung der RCA analysiert werden. Dafür wird die Menge des zellassoziierten Kalziums und Phosphats experimentell bestimmt, wodurch der Mineralisationsgrad der Zellen wiedergegeben werden kann.

Die Entstehung unterschiedlicher Zellformen ist eine zentrale Frage der Biologie und von besonderer Bedeutung für ein umfassendes Verständnis des Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae. Form und Integrität dieser Hefen werden durch die Eigenschaften ihrer Zellwand bestimmt. Die mechanischen Prozesse in der Zellwand während der Morphogenese von Hefen sind jedoch wenig verstanden. Zwei Arten der Morphogenese, Knospung und Paarung, wurden hier untersucht, um gemeinsame Prinzipien und Unterschiede hinsichtlich ihrer Zellwandmechanik zu finden. Dabei wurden AFM-basierte Techniken sowie theoretische Modelle verwendet, um räumliche und zeitliche Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften zu beurteilen. Im ersten Teil wird ein biophysikalisches Modell der Knospung vorgestellt, das auf einem Unterschied der mechanischen Zellwandeigenschaften von Mutter und Knospe beruht und die Volumenentwicklung einzelner Zellen beschreiben kann. Da Messungen keinen ausreichenden Unterschied in der Zellwandelastizität zwischen beiden Kompartimenten zeigten, wird deren Viskoplastizität als Unterscheidungsmerkmal vorgeschlagen. Eine Kalibrierung des Modells an Einzelzellmessungen lieferte neben Schätzungen dieser Zellwandviskoplastizität auch die anderer wichtiger Wachstumsparameter. Im zweiten Teil werden nanorheologische Messungen genutzt, um zu zeigen, dass die Zellwand hauptsächlich elastisch ist und ein strukturelles Dämpfungsverhalten aufweist. Dabei wird diskutiert, die Zellwand analog zu einem „soft glassy“ Material zu beschreiben. Im letzten Teil wird die Notwendigkeit eines spezifischen Elastizitätsmusters der Zellwand für das gerichtete Wachstum während der Paarungsmorphogenese beschrieben, welches weicheres Material am Schaft sowie steiferes Material am Apex einschließt. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass räumlich und zeitlich veränderliche viskoelastisch-plastische Zellwandeigenschaften die Morphogenese von S. cerevisiae bestimmen. / Morphogenesis is a central field in biology and of particular importance for a comprehensive understanding of the model organism Saccharomyces cerevisiae. Shape and integrity of yeast cells are determined by its cell wall. However, mechanical processes underlying yeast morphogenesis and are poorly understood. Two modes of yeast morphogenesis, budding and mating, have been studied to find common principles and differences in cell wall mechanics. AFM-based techniques as well as computational models were used to assess spatial and temporal differences in the mechanical properties. In the first part, a biophysical model for the expansion during budding is presented that bases on a difference in the mechanical cell wall properties of mother and bud and accurately describes the volume dynamics of single cells. Since measurements revealed no difference in the cell wall elasticity between both compartments, visco-plastic properties are proposed as distinguishing feature. Fitting the model to single-cell volume trajectories, provided estimations for the visco-plasticity of the cell wall and other key growth parameters. In the second part, nano-rheology measurements were used to confirm that the cell wall is mainly elastic and demonstrate that it shows structural damping behavior. Furthermore, the possibility to describe the cell wall analogous to a “soft glassy” material is discussed. In the last part, the necessity of a specific elasticity pattern of the cell wall for directed growth during yeast mating morphogenesis is shown, including softer material at the shaft and stiffer material at the apex. By showing that spatially and temporally varying viscoelastic-plastic cell wall properties govern the morphogenesis of S. cerevisiae, this work contributes to deciphering molecular mechanisms underlying the growth of yeast and other walled cells.

Die Forschung an der Hefe Saccharomyces cerevisiae – auch als Bäckerhefe bekannt – hat sich für die biologische Grundlagenforschung als unentbehrlich erwiesen und führte zu wichtigen Erkenntnissen in der Erforschung von Krankheiten wie Krebs. Am Beispiel der Paarung von Hefezellen werden in dieser Arbeit wesentliche Aspekte der eukaryotischen Zellbiologie untersucht. In der Haplophase des Lebenszyklus der Hefe, treten haploide Zellen als Paarungstyp MATa oder MATα auf. Diese Paarungstypen kommunizieren über Pheromone, die in ein extrazelluläres Medium abgesondert werden und von Zelloberflächenrezeptoren des komplementären Paarungstyps erkannt werden. Hefezellen wachsen in die Richtung eines möglichen Paarungspartners, da sie sich nicht aktiv bewegen können. Die Auswertung von empirischen Daten aus der Fluoreszenzmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie (AFM) mit mathematischen Modellen ermöglichte die Rekonstruktion wesentlicher Prozesse der Hefepaarung: (i) Interzelluläre Kommunikation über die Sezernierung und Rezeption von Pheromonen, (ii) Aufbau der Zellpolarität als Reaktion auf die Pheromonantwort, (iii) Induktion und Mechanik der Zellformänderung. Folgende Modelle wurden dazu entwickelt: (i) Die interzelluläre Kommunikation wurde unter Verwendung von zellulären Automaten mit Hilfe von Reaktions-Diffusions (RD) Gleichungen modelliert. Das Modell zeigte, dass die gegenseitige Stimulierung und erhöhte Pheromonabsonderung zu einer verbesserten Abstimmung in der Paarung in der Zellpopulation führt. (ii) Ein Turing- und ein Phasenseparations- Mechanismus wurden als Modelle zum Aufbau der Zellpolarität verwendet. Volumen-Oberflächen gekoppelte RD Gleichungen wurden analytisch und numerisch mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) untersucht. (iii) Die Zellwandveränderung wurde mit klassischer Kontinuumsmechanik und der FEM Methode modelliert. Dies ermöglichte eine Beschreibung der reversiblen elastischen und der irreversiblen plastischen Verformungen der Zellwand. / Research on the yeast Saccharomyces cerevisiae – also known as baker’s yeast – has been essential not only for fostering basic biological knowledge but even more so for contributing towards understanding diseases such as cancer. In this thesis, general biological phenomena occurring in eukaryotic cells are investigated, exemplified by the mating process of yeast. In the haploid phase of their life cycle, yeast cells occur as mating type MATa or MATα, both of which communicate via pheromones that are secreted in an extracellular medium and can be sensed by cell-surface receptors of the complementary mating type. In order to mate, yeast cells grow towards a potential mating partner, since they are not able to actively move. Mathematical models on the basis of fluorescence and atomic force microscopy (AFM) data were developed. The key aspects of the yeast mating process that I examined were (i) intercellular communication of cells via pheromones, (ii) the initial symmetry break and implementation of cell polarity, and (iii) subsequent morphogenetic changes. The methods used and findings were as follows: (i) Pheromone secretion and sensing motifs were modelled using cellular automata models based on reaction-diffusion (RD) equations. My models show that mutual stimulation and increased pheromone secretion between cells improves mating efficiency in cell populations. (ii) To explain yeast mating decisions, two possible model types for cell polarity were tested: a Turing-type and a phase-separation mechanism. Bulk-surface RD equations were investigated analytically and numerically using the finite element method (FEM). Typical cell shapes were reconstructed in 2D and 3D. (iii) The cell wall was modelled using classical continuum mechanics that allows for reversible elastic and irreversible plastic cell wall deformation. Mathematical modelling demonstrated that all three processes investigated are precisely orchestrated and interlocked during yeast mating.