Identification of mechanisms that govern regeneration initiation, using the planarian Schmidtea mediterranea as a model

Abstract

Regeneration requires signaling from a wound site for detection of the wound, and a mechanism that determines the nature of the injury to specify the appropriate regenerative response. Schmidtea mediterranea planarians are able to regenerate from essentially any type of injury. They represent an emerging model organism for the study of regeneration and stem cell regulation. The first part of my thesis focuses on identification of cellular changes in planarian stem cells—neoblasts—during regeneration initiation. Neoblasts divide during two spatially and temporally distinct mitotic waves following tissue removal. Prior to the second mitotic wave, neoblasts were recruited to wound sites, and subsequently induced to differentiate, but only at wounds that were associated with loss of tissue. This indicates that separate stem cell responses exist following wounding that distinguish between simple injury and loss of tissue. The second part of my thesis identifies a transcriptional network that is associated with regeneration initiation in planarians. Wounding induces two temporally and functionally distinct waves of immediate early gene expression that do not require de novo protein synthesis. Some of the products from the first immediate early gene wave, such as c-fos, then act to induce genes of the late, translation-sensitive wave of wound-induced gene expresseion, some of which are required for patterning during regeneration. A homolog of Serum response factor (SRF) is required for wound-induced induction of genes that are specifically expressed in neoblasts, which is consistent with findings in mouse models during liver regeneration, suggesting that conserved mechanisms may exist to induce regenerative events in different species. Smed-runt1, a planarian homolog of Runt transcription factors, which have a evolutionary conserved role in cell fate specification, is expressed specifically in planarian neoblasts following wounding. Inhibition of Smed- runt1 function, using RNA interference, leads to aberrant nervous system regeneration. Gene expression analysis on such animals indicates that Smed- runt1 acts early following wounding in neoblasts to regulate expression of genes that encode developmentally important factors relevant to nervous system formation in other organisms.

Zur Regeneration benötigt es Signale, die von der Wunde ausgesendet werden und die der Erkennung der Wundstelle dienen. Ausserdem bedarf es eines Mechanismus, der die Art der Verwundung identifiziert, um die angebrachten regenerativen Schritte einzuleiten. Planarien der Gattung Schmidtea mediterranea, können sich von nahezu jeglicher Art der Verwundung regenerieren und sind ein zunehmend anerkannter Modelorganismus zur Erforschung von Regeneration und Stammzellregulation. Der erste Teil meiner Doktorarbeit konzentriert sich auf die Charakterisierung der zellbiologischen Veränderungen, die in den Neoblasten, den Stammzellen von Planarien, während der ersten regenerativen Ereignisse vorgehen. Nach der Entfernung von Gewebe, findet die Zellteilung der Neoblasten in zwei zeitlich und räumlich unterschiedlichen Wellen statt. Vor Beginn der zweiten Teilungswelle, werden Neoblasten zur Stelle der Verwundung rekrutiert und anschliessend ihre Differenzierung induziert. Dies geschieht jedoch nur, wenn die Verwundung Entfernung von Gewebe involvierte. Dies weist darauf hin, dass unterschiedliche Wundantworten der Stammzellen existieren, die zwischen einfacher Verwundung und Gewebsverlust unterscheiden. Der zweite Teil meiner Doktorarbeit, charakterisiert ein transkriptionelles Netzwerk, das mit den ersten regenerativen Ereignissen verknüpft ist. Verwundung induziert die Expression von zwei zeitlich und funktionell unterschiedlichen Wellen von “immediate early” Genen. Ein Vorgang, der unabhängig von de novo Proteinsynthese ist. Einige der Produkte der ersten “immediate early” Genexpressionswelle, zum Beispiel c-fos, aktivieren die Expression der späten Gene. Expression der späten Gene ist abhänging von de novo Proteinsynthese. Einige Vertreter dieser Gruppe spielen eine wichtige Rolle in der Regeneration der korrekten Strukturen. Ein Homolog von Serum response factor (SRF) wird für die wund-induzierte Genexpression in Neoblasten benötigt; ein ähnlicher Effekt, der auch während der Leberregeneration von Mäusen beobachtet wurde, was darauf hindeutet, dass konservierte Mechanismen existieren könnten, die Regenerationsvorgänge in verschiedenen Spezies induzieren. Smed-runt1, ist ein Homolog von Runt Transkriptionsfaktoren in Planarien, die eine evolutionär konservierte Rolle in der Spezifizierung von Zellschicksalen spielen. Nach Verwundung wird Smed-runt1 ausschliesslich in Neoblasten exprimiert. Inhibierung der Funktion von Smedrunt1 durch RNA Interferenz, führt zur abnormalen Regeneration von neuronalen Strukturen. Genexpressionsanalyse solcher Tiere deutet darauf hin, dass Smed-runt1 zu einem frühen Zeitpunkt nach Verwundung in Neoblasten aktiv ist, und die Expression von Genen reguliert, die wichtig für die Entwicklung neuronaler Strukturen in anderen Organismen sind.