dc.contributor.author
Ullrich-Lüter, Esther
dc.date.accessioned
2018-06-07T18:37:34Z
dc.date.available
2011-06-27T13:01:44.384Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/5229
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-9428
dc.description
Table of contents 1\. Introduction 1 1.1. Photoreceptors 1 1.2. Opsins 2 1.3.
Photoreception in echinoderms 3 1.3.1. Photobehavior and proposed
photoreceptive mechanisms 3 1.3.2. Photic reactions in respect to involved
organs/body regions 5 1.4. Expression of opsins and other “eye-relevant” genes
in S. purpuratus 6 1.5. Aims of the present study 7 2\. Materials and Methods
8 3\. Results 14 3.1. Photoreceptors in Echinoidea 14 3.1.1. New evidence for
an echinoid visual response 14 3.1.2. R-opsin positive PRCs in tube feet of
Strongylocentrotus purpuratus 14 3.1.3. Structural examination of the r-opsin
positive PRC type 18 3.1.4. Sp-Opsin4 protein localization in juvenile S.
purpuratus 25 3.1.5. Basal r-opsin positive PRC cluster in echinoid tube feet
27 3.1.6. Tube foot photoreceptors and the echinoid skeleton 27 3.1.7. X-ray
microtomography (µCT) of the S. purpuratus skeleton 32 3.1.8. R-opsin positive
PRCs in other Echinoidea 34 3.1.9. Detection of c-opsin in S. purpuratus and
Echinus melo 35 3.2. Photoreceptors in Asteroidea 44 3.2.1. R-opsin positive
PRCs in asteroid optic cushions and other cells 44 3.2.2. C-opsin positive
PRCs in Asterias rubens 48 3.3. Photoreceptors in Ophiuroidea 49 3.3.1.
R-opsin positive PRCs in Amphiura filifomis 49 3.3.2. C-opsin localization in
A. filiformis 52 3.4. Photoreceptors in Crinoidea 54 4\. Discussion 55 4.1.
Expression of opsins and other “eye-relevant” genes in echinoids 55 4.2.
Morphological structure of r-opsin positive PRCs 57 4.3. R-opsin positive PRCs
in optic cushions of A. rubens 59 4.4 Echinoid PRCs and their connection to
the nervous system 61 4.5 An alternative PRC shielding mechanism in echinoids
63 4.6 The visual PRC system- a resulting model for echinoid phototaxis 66
4.7. A different “compound eye” model in echinoids 66 4.8. R-opsin protein
localization in ophiuroid tube feet 69 4.9. C-opsin protein localization in
echinoid pedicellaria and tube feet 71 4.10. Presence of c-opsin in the
echinoid radial nerve 73 4.11. C-opsin protein localization in ophiuroid and
asteroid spines 74 4.12. Evolutionary implications within Echinodermata 75
4.13. Evolutionary implications within Deuterostomia 76 5\. References 78 6\.
Summary 90 7\. Zusammenfassung 91
dc.description.abstract
Echinodermata (Stachelhäuter) sind eine ausschließlich marine Gruppe
wirbelloser Deuterostomia. Im Gegensatz zu den Chordaten besitzen sie als
Adulti einen stark abgewandelten, pentameren Körperbau. Photosensitivität in
Echinodermen ist seit über 150 Jahren gut dokumentiert, aber die
korrespondierenden Augenorgane bzw. Photorezeptorzellen blieben bis heute in
den meisten Fällen unbekannt. Dies trifft insbesondere auf Seeigel zu, bei
denen trotz einer Vielzahl verschiedener Verhaltensreaktionen auf Lichtreize
kein verantwortlicher Photorezeptor gefunden werden konnte. Die Sequenzierung
des Genoms von Strongylocentrotus purpuratus und anschließende
Expressionsanalysen von Genen, die an der Entwicklung und Differenzierung von
Photorezeptoren beteiligt sind, bot daher erstmals die Gelegenheit, diese
Sinneszellen von Echinodermen mittels molekularbiologischer Methoden zu
untersuchen. Das Ziel dieser Arbeit ist dabei, mit Hilfe molekularer und
morphologischer Methoden, Photorezeptoren von Echinoiden und anderen
Echinodermen zu lokalisieren und zu charakterisieren. Die Protein- und RNA-
Lokalisierung eines rhabdomerischen Opsins (r-Opsin: Sp-Opsin4), welches eine
essentielle Komponente der Phototrans-duktion darstellt und in S. purpuratus
nachweislich exprimiert wird, führte zur Identifi-zierung zweier Ansammlungen
von Photorezeptoren in den Ambulacralfüßchen dieses Seeigels. Mittels raster-
und transmissionselektronenmikroskopischer Untersuchungen, sowie
Immunfärbungen mit Goldpartikel-konjugierten Antikörpern gegen Sp-Opsin4 auf
Ultradünnschnitten, konnte der Photorezeptortyp als microvillär/rhabdomerisch
klassifiziert werden. Mittels weiterer Antikörperfärbungen des Nervensystems
konnte eine Anbindung der Photorezeptoren an das Nervensystem dokumentiert
werden. Die Photorezeptoren besitzen kein assoziiertes Pigment zur gerichteten
Abschattung ihrer lichtsensitiven Membranen, stattdessen liegen die Rezeptoren
im basalen Teil des Ambulacralfüßchens eingesenkt in eine Vertiefung des
Skeletts, für das eine Beschattungsfunktion hypothe-tisiert wird. Basierend
auf Untersuchungen der Morphologie dieser Skelettvertiefung mittels Micro-
Computertomographie, sowie dem Nachweis von r-Opsin in den Ocelli von
nachgewiesen phototaktisch aktiven Seesternen und der Tatsache, dass der
Beginn der Phototaxis in juvenilen Seeigeln mit der vollständigen
Skelettbildung korreliert, wird hier ein Modell zum Sehvermögen von Seeigeln
postuliert. Das gesamte Tier funktioniert im Kontext von Photosensitivität wie
ein großes „Komplexauge“. Das Skelett schattet die Photorezeptoren an der
Basis der Ambulacralfüßchen dahingehend ab, dass sich für diese
Lichtsinneszellen ein eingeschränkter möglicher Lichteinfallswinkel ergibt.
Indem die Information über (unterschiedlich starke) Beleuchtung jeder
einzelnen Ansammlung von Sinneszellen über die Oberfläche des gesamten Tieres
verrechnet wird, ist der Seeigel in der Lage, die Richtung der Lichtquelle zu
ermitteln und entsprechend Phototaxis auszu-führen. Die vorliegende
Untersuchung erbringt den ersten Nachweis distinkter Photozep-toren bei einem
Seeigel und stellt damit den seit langem postulierten, diffusen dermalen
Lichtsinn in Frage, bei dem unspezialisierte Neurone des epineuralen
Nervennetzes als Photorezeptoren vermutet wurden. Da der untersuchte, r-Opsin
exprimierende Photore-zeptorzelltyp in den Ambulacralfüßchen sowohl von
Echinoidea, als auch von Asteroidea und Ophiuroidea nachgewiesen wurde, liegt
eine Homologie dieses Zelltyps bei diesen Echinodermengruppen nahe. Die
Untersuchung zeigt, dass sowohl Asteroiden als auch sehr wahrscheinlich
Echinoiden einen microvillären, r-Opsin exprimierenden Photorezep-torzelltyp
zur gerichteten Lichtwahrnehmung nutzen, wie dies die meisten Protostomia tun.
Im Gegensatz dazu wurde innerhalb der Deuterostomia Richtungssehen nur über
ciliäre, c-Opsin exprimierende Photorezeptoren nachgewiesen. Der
Funktionswechsel von microvillären zu ciliären Photorezeptoren im Zusammenhang
mit gerichtetem Sehen hat daher wahrscheinlich erst innerhalb der Stammlinie
der Chordaten stattgefunden.
de
dc.description.abstract
Echinodermata is a group of marine non-chordate Deuterostomia with an unusual
pentameric adult body plan. Photosensitivity within many species of
echinoderms has been documented over the last 150 years but corresponding
photoreceptor cells (PRCs) or organs in most cases remained enigmatic.
Especially in the case of Echinoidea, which display a huge variety of photo
elicited behaviors, no distinct PRC was ever identified. The genome sequencing
of the echinoid Strongylocentrotus purpuratus and subsequent ex-pression
analyses of genes known to be involved in PRC development and differentiation,
provided the first time opportunity to investigate echinoid PRCs deploying a
new molecu-lar approach. The aim of this study is to localize and characterize
PRCs within echinoids and other echinoderms using a combined molecular and
morphological approach. Protein and RNA localization of a rhabdomeric opsin
(r-opsin), which comprises an essential component in phototransduction and
which is expressed in S. purpuratus (Sp-opsin4), led to the discovery of two
disctinct PRC clusters in the tube feet of this echinoid. Using scanning
electron microscopy, transmission electron microscopy plus deployment of anti-
Sp-Opsin4 immunogold labeling, the PRC type could be classified as
microvillar/ rhabdomeric. Antibody labelings against nervous system (NS)
components demonstrated connection of the two echinoid tube foot PRC clusters
to the animal's NS. The PRCs lack any associated shielding pigment, but one of
the two PRC clusters is embedded in a depression of the echinoid's opaque
skeleton that is hypothesized to act as a shielding device for these PRCs.
Based on (i) a detailed examination of this skeletal depression deploying
x-ray microtomography, (ii) immunoreaction of the echinoid specific r-opsin
anti-body in asteroid optic cushions known to function in phototaxis, and
(iii) onset of photo-taxis in S. purpuratus juveniles depending on complete
skeletogenesis, a model of echi-noid vision is proposed, in which the animal
functions as a huge “compound eye”. The skeleton shielding the PRCs arranged
at the base of tube feet all around the echinoid body causes a limited
illumination angle of each PRC cluster. Processing the different photic input
of each PRC cluster thus enables the animal to detect the direction of in-
coming light and perform phototaxis. This study provides first evidence of
distinct PRCs in an echinoid and thus challenges the long proposed diffuse
“dermal light sense” that was hypothesized to deploy unspecialized neurons of
the echinoderm epidermal nerve net. The finding of r-opsins in tube feet PRCs
of echinoids, asteroids and ophiuroids indicates homology of the r-opsin
positive PRC type throughout these echinoderm groups. Asteroids and most
certainly echinoids deploying a microvillar, r-opsin expressing PRC type for
vision (phototaxis) as usually realized in protostomes thus contrast to most
other deuterostomes in which visional functions are based on ciliary, c-opsin
expressing PRCs. The findings of this study thus suggest that the functional
shift from rhabdomeric to ciliary PRC systems might have happened as late as
in the chordate stemline.
en
dc.format.extent
V, 92 S.
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
Compound Eye Model
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.title
Morphological and molecular studies on photoreceptors in echinodermata
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Klaus Hausmann
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Thomas Bartolomaeus
dc.date.accepted
2011-04-15
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000023249-7
dc.title.translated
Morphologische und molekulare Untersuchungen an Photorezeptoren bei
Echinodermata
en
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000023249
refubium.mycore.derivateId
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open access