The formation of the forebrain is a very complex developmental process that is highly dependent on proper orchestration and integration of various signaling pathways. The WNT signaling pathway is one of the key regulators for establishing regional identity during early forebrain development. For proper WNT signal transduction the highly homologous low density lipoprotein receptor-related proteins LRP5 and LRP6 (LRP5/6) are required as co-receptors of the Frizzled receptor complex. Recently, LRP4 has been shown to act on LRP5/6 function to modulate WNT signal transduction during the development of various non-neuronal tissues. My aim was to shed light on common and distinct functions of LRP4 and LRP5/6 regarding their role of transducing and integrating WNT signaling during early forebrain development. I could show that all three LRP candidates are expressed during critical developmental stages of the mouse forebrain. From E9.5 onwards, Lrp4 and Lrp5/6 are co- expressed in the dorsolateral domain of the developing Telencephalon. To investigate gene interactions that contribute to the integration of WNT signal transduction, I generated and analyzed Lrp4; Lrp5 and Lrp4; Lrp6 compound mouse mutants, respectively. I could reveal distinct functions of LRP5 and LRP6 in interplay with LRP4, since Lrp4; Lrp5 compound mutant embryos but not Lrp4; Lrp6 compound mutants develop embryonic lethality at E10.5. Regarding WNT dependent forebrain development, my results deliver lines of evidence that LRP6 is essential for WNT signal transduction in neural progenitor cells (NPCs) during early forebrain development. WNT downstream targets are markedly downregulated in Lrp6 single mutant embryos at E9.5 and E10.5. Intriguingly, this reduction in WNT target gene expression was partially reversed in the dorsolateral domain of the prospective forebrain of Lrp4; Lrp6 compound mutant embryos. The impact on the WNT pathway mediated by LRP4/LRP6 deficiency was also reflected by reporter activity in NPCs on a TCF/Lef:H2B-GFP reporter background. Furthermore, I could show for the first time that Lrp4; Lrp6 compound mutants develop excrescences in the neuroepithelium that result from locally increased neural progenitor proliferation. These neuroepithelial excrescences displayed elevated levels of WNT downstream target gene expression compared to Lrp6 single mutant embryos. In addition, I could reveal that WNT3a uptake in NPCs of the forebrain of Lrp6 single mutant embryos was markedly reduced at E9.5, whereas Lrp4; Lrp6 compound mutants showed increased WNT3a uptake at sites where neuroepithelial excrescences were located. Thus, I conclude that LRP4 and LRP6 are crucial components of the canonical WNT pathway in respect of balancing the proliferative activity of neuronal progenitor cells in the developing forebrain. Moreover, it shows that a cell- specific receptorsome is essential for NPCs to interpret the diverse extracellular signals and ensure fine-tuned spatial and temporal control of morphogen signals during early forebrain formation.
Die Entwicklung des Vorderhirns ist einer der komplexesten Vorgänge während der Embryogenese. Jede neuronale Progenitorzelle (NPZ) des Neuroepithels muss dabei Signale verschiedener Signaltransduktionswege erkennen und korrekt interpretieren. Der WNT Signalweg ist von entscheidender Bedeutung für die Festlegung regionaler Zellspezifizierung während der frühen Vorderhirnentwicklung. Für die korrekte Weiterleitung von WNT Signalen agieren die sehr ähnlichen Low Density Lipoprotein Receptor-related Proteine LRP5 und LRP6 (LRP5/6) als Co-Rezeptoren des Frizzled-Rezeptorkomplexes. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass bei der Entwicklung nicht neuronalen Gewebes LRP4 auf die Funktion von LRP5/6 einwirken und somit die WNT-Signaltransduktion modulieren kann. Mein Ziel bestand darin gemeinsame und unterschiedliche Funktionen von LRP4 und LRP5/6 in Bezug auf ihre Rolle in der WNT- Signalkaskade während der frühen Vorderhirnentwicklung zu untersuchen. Ich konnte nachweisen, dass alle drei LRP Kandidaten während der entscheidenden Entwicklungsphase des frühen Telencephalons der Maus ab E9.5 koexprimiert werden. Um mögliche Geninteraktionen untersuchen zu können, welche ausschlaggebend für die Interpretation der WNT-Signale sein kann, habe ich doppeldefiziente Mäuse für Lrp4; Lrp5 und Lrp4; Lrp6 generiert und analysiert. Darüber hinaus konnte ich eine distinkte Rolle von LRP5 und LRP6 im Zusammenspiel mit LRP4 aufdecken, da Lrp4; Lrp5 Doppelmutanten eine embryonale Letalität bei E10.5 entwickelten, Lrp4; Lrp6 Doppelmutanten hingegen nicht. Bezüglich WNT abhängiger Vorderhirnentwicklung konnte ich belegen, dass LRP6 ein essentieller Bestandteil der WNT-Signaltransduktion in neuronalen Vorläuferzellen des Vorderhirns ist. In Lrp6 Einzelmutanten war die Expression von WNT Zielgenen in NPZ deutlich reduziert bei E9.5 und E10.5. Interessanterweise konnte diese verminderte Expression im Vorderhirn von Lrp4; Lrp6 Doppelmutanten teilweise aufgehoben werden, so dass WNT Zielgene im dorsolateralen Bereich des Telencephalons wieder detektierbar waren. Dieser Einfluss auf die Vermittlung von WNT Signalen in Lrp4; Lrp6 Doppelmutanten konnte durch Einkreuzen der TCF/Lef:H2B-GFP Reportermaus-Linie verifiziert werden. Des Weiteren konnte ich erstmals zeigen, dass Lrp4; Lrp6 Doppelmutanten auf Grund von lokal erhöhter NPZ Proliferation neuroepitheliale Auswüchse entwickelten. Diese Wucherungen wiesen eine erhöhte Expression von WNT Zielgenen auf. Mit Hilfe von WNT3a Aufnahme-Assays war ich in der Lage nachzuweisen, dass die Aufnahme von WNT3a in LRP6 defizienten NPZ des Vorderhirns massiv reduziert war, jedoch in den neuroepithelialen Auswüchsen der Lrp4; Lrp6 Doppelmutanten wiederum erhöht. Daher folgere ich, dass LRP4 und LRP6 essenzielle Bestandteile des WNT-Signalweges darstellen, die benötigt werden, um die Balance der NPZ Proliferation im sich entwickelnden Vorderhirn zu gewährleisten. Darüber hinaus wird deutlich wie wichtig eine zellspezifische Rezeptorzusammensetzung ist, wenn es um die zeitliche und räumliche Interpretation von Signalen während der Hirnentwicklung geht.
