title: Identification and characterization of downstream elements of Hydra FGFR signaling
title: Identifikation und Charakterisierung von Downstreamelementen von Hydra FGFR Signalweg
Creators: name: Suryawanshi, Ashwini Chandrakant
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Downstream , FGFR
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
Hydra

description: Die Fortpflanzung des
      Süßwasserpolypen Hydra geschieht hauptsächlich durch Knospung
      in der unteren Körperhälfte. Der FGF Rezeptor (FGFR)
      Kringelchen eine Rezeptortyrosinkinase (RTK) spielt eine
      wichtige Rolle während der Knospung und kontrolliert die
      Ablösung der Knospe. Unklar ist, ob die FGFR Sig-­
      nalweiterleitung in Hydra ähnlich wie bei Vertebraten und
      Insekten abläuft. Akti-­ vierte FGFRs der Bilateria
      rekrutieren Docking Proteine, was zu einer Weiterlei-­ tung
      des Signals an nachgeschaltete Signalkaskaden und negative
      Regulatoren führt. Vertebraten nutzen hierbei FRS2 zur
      Weiterleitung des Signals an RAS/MAPK oder PI3K
      Signalkaskaden, während das nicht-­verwandte Protein
      Downstream-­of-­FGFR (Dof/Stumps/Heartboken) diese Aufgabe in
      Drosophila übernimmt. Bei Drosophila koppelt Dof FGFR an den
      MAPK Signalweg und akti-­ viert somit transkriptionell den
      negativen Regulator Sprouty. Sprouty Proteine in-­ teragieren
      mit dem RTK-­nachgeschalteten MAPK Signalweg und sind dadurch
      in der Lage, das Signal abzuschwächen. Um mehr über die
      potentiellen Signalelemente anzestraler FGFRs zu erfahren
      habe ich Datenbanken von genomischen und EST-­Sequenzen
      untersucht. Hier-­ bei konnte ich Sprouty, FRS2 und Dof
      Proteine codierende Sequenzen in früh abgeleiteten
      Tierstämmen, inklusive Hydra, identifizieren. Dof war nur in
      den Eumetazoa vorhanden, während FRS2 ebenfalls in Metazoa
      und deren Schwes-­ tertaxa, den Choanoflagellaten, auffindbar
      war. In Deuterostomia und Ecdysozoa sind eine N-­terminale
      Myristoylierungsstelle, eine PTB Domäne sowie multiple C-­
      terminale GRB2 und SHP2 Bindestellen typisch, gleiches gilt
      für FRS2 in Cho-­ anoflagellaten und Schwämmen (Porifera).
      Abweichende Domänenstrukturen für FRS2 Proteine werden für
      Placozoa, Cnidaria und Spiralia (Annelida, Mollusca)
      vorhergesagt, deren FRS2 Proteine alle eine N-­terminales PH
      Domäne, eine PTB Domäne und wenige potentielle Grb2 und Shp2
      Bindestellen beinhalten. Durch phylogenetische Analysen
      konnte eine neue Proteinfamilie (PH-­FRS2) identifiziert
      werden. Expressionsanalysen von Dof und FRS2 in Hydra zeigten
      ein hohes Dof-­Transkriptionslevel in der oberen Körperregion
      und der Tentakelzone. Im Gegensatz dazu wurde FRS2 mRNA nur
      extrem schwach an der Tentakelba-­ sis nachgewissen. Das
      Vorhandensein beider vermuteter Dockingproteine bei Metazoa
      lässt darauf schließen, dass diese zu einem früh entstandener
      Werk-­ zeugkasten (toolkit) für die Weiterleitung von FGFR
      Signalen gehören. Die funk-­ tionelle Bedeutung muss
      zukünftig gezeigt werden. Ich konnte vier Spry Gene in Hydra
      identifizieren, die alle phylogenetisch basal eingeordnet
      werden können. Sie codieren für die typischen
      Sprouty-­Proteinei-­ genschaften, nämlich eine c-­Cbl, TKB
      (Tyrosine kinase binding) Domäne, eine Raf1-­Bindestelle und
      eine Sprouty-­Domäne. Die Transkription von Spry2 konnte an
      den Knospenbasen angrenzend zu der Transkription von Hydra
      Kringelchen in mittleren bis späten Knospenstadien detektiert
      werden. Das Fehlen von Sprouty-­codierenden Genen in den
      Genomen von Parazoa (Trichoplax), Schwämmen (Oscarella,
      Amphimedon) oder Choanoflagellaten (Salpingoeca) weist darauf
      hin, dass Sproutys erstmals in Cnidaria auftauchten.
      Gewebedynamiken sowie die räumlich-­zeitlichen
      Expressionsmuster von FGFRa, dof and spry2 zeigen, (a) dass
      spry2 und FGFRa in den selben Zellen an der Knospenbasis
      koexprimiert werden und (b) dass FGFRa (schwach) und dof
      (stark) koexprimiert werden. Zusammengefasst legen die
      gezeigten Daten eine Existenz von zwei FGFR Signalwegen nahe.
      Wie zuvor gezeigt, ist der erste Signalweg an der Knospung
      beteiligt und aktiviert möglicherweise den FGFRa abhängigen
      feedbackloop über spry2. Ein zweiter FGFR Signalweg könnte
      dabei an der Knospe und am Kopf adulter Tiere aktiviert
      werden – in einem Bereich, in dem die mRNA des docking
      Proteins Dof stark exprimiert wird und die beiden FGFRs eine
      schwache Expression aufweisen. Hierbei könnte der FGFR die
      Mig-­ ration von Zellen kontrollieren oder modulieren
      und/oder an der Differenzierung von Zellen für eine
      funktionierende Kopfstruktur notwendig sein. Eine weitere
      Un-­ tersuchung dieser potentiellen Funktion und deren
      molekularen Netzwerk in wel-­ chem Hydra FGFR aktiv ist, ist
      daher interessant für weiterführende Studien.
description: Hydra polyps predominantly
      reproduce through budding in the lower half of the parent’s
      body column. FGFRa (Kringelchen), a member of FGF receptor
      tyrosine kinases, plays an essential role and controls bud
      detachment from the parent. Whether signal transduction
      through Hydra FGFR is comparable to FGFR signal-­ ing in
      vertebrate and fly is unknown. In both Bilateria, activated
      FGFRs recruit docking proteins to connect to downstream
      pathways and negative regulators. While vertebrates use FRS2
      to dock FGFR to the Ras/MAPK or PI3K pathways, a completely
      unrelated protein, Downstream-­of-­FGFR
      (Dof/Stumps/Heartbro-­ ken), fulfills this function in
      Drosophila. In Drosophila, Dof couples FGFR to MAPK signaling
      and transcriptionally activates the negative regulator
      Sprouty (Spry). Spry proteins are necessary to modulate
      receptor tyrosine kinase activity by in-­ terfering with MAPK
      signaling downstream of RTK. To elucidate potential
      downstream signaling elements of ancestral FGFRs, I an-­
      alyzed genomic and EST sequence databases and identified
      Spry, FRS2, and/or Dof proteins in phyla derived early from
      the main lineage of animals – including Hydra. Dof was found
      only within the Eumetazoa, while FRS2 proteins were also
      predicted in Metazoa and their sister taxon, the
      Choanoflagellata. For the known FRS2 proteins of
      Deuterostomia and Ecdysozoa an N-­terminal myristoylation
      site, a PTB domain and multiple C-­terminal Grb2 and Shp2
      binding sites are typ-­ ical. This structure also applies to
      FRS2 in Choanoflagellata and sponges (Porif-­ era). A
      deviating domain structure of FRS2 proteins is predicted in
      Placozoa, Cnidaria, and Spiralia (Annelida, Mollusca). Their
      FRS2 proteins all carry an N-­ terminal PH, a PTB domain and
      few Grb2 and Shp2 binding sites. Phylogenetic analysis
      identified a novel protein family (PH-­FRS2). Expression
      analysis of Dof and FRS2 in Hydra revealed high levels of Dof
      transcripts in the upper body re-­ gion and the tentacle
      zone. FRS2 mRNA, in contrast, was detected only weakly at the
      tentacle bases. The presence of both putative docking
      proteins in Metazoa hints to an early toolkit for the
      transduction of FGFR signals. Their functional sig-­
      nificance remains to be shown. I also identified four spry
      genes in Hydra, all positioned in the basal most position of
      the phylogenetic tree. They encode the typical features of
      Spry proteins namely a c-­Cbl TKB (Tyrosine kinase binding)
      site, a Raf1-­binding and a Spry domain. Transcripts of spry2
      were detected at the bud base adjacent to Hydra FGFRa from
      mid to late stages. Since no spry-­encoding genes were found
      in the ge-­ nomes of Parazoa (Trichoplax), sponges
      (Oscarella, Amphimedon), or choanoflagellates (Salpingoeca),
      Sprouties might have occurred in the Cnidaria first -­ or
      been lost from the early derived taxa. Tissue dynamics and
      the spatiotemporal expression pattern of FGFRa, dof and
      spry2, reveals (a) spry2 and FGFRa are present in the same
      cells at the bud base, (b) co-­expression of FGFRa (weakly)
      and dof (strongly) in the head region. In summary, data
      suggest the existence of two FGFR pathways. The first path-­
      way functions in bud detachment, as shown previously, and
      potentially links FGFRa to a negative feedback loop
      activating Spry2. A second pathway function for FGFR
      signaling in Hydra might be at the bud and at the adult head
      – in a zone, where the mRNA encoding the docking protein Dof
      is expressed at a high level, and where the two FGFRs are
      transcribed at a low level. Here, FGFR might func-­ tion to
      control or modulate cell migration towards the head and/or
      cell differentia-­ tion necessary to form and maintain a
      fully functional head. Further elucidation of these potential
      functions and the molecular network, in which Hydra FGFRs
      act, is a very interesting task for the future.