Investigating the transcriptional regulation of midkine a during adult neurogenesis in zebrafish

Zebrafische haben eine bemerkenswerte Fähigkeit, Teile ihres Gehirns zu regenerieren. Um die molekularen Mechanismen hinter diesem Prozess zu verstehen, untersucht meine Dissertation, wie das Gen midkine a (mdka), das hauptsächlich in den ruhenden neuralen Stammzellen (NSCs) des Telencephalons erwachsener Zebrafische exprimiert wird, auf transkriptioneller Ebene reguliert wird, insbesondere als Reaktion auf Gehirnverletzungen. Diese Studie zielt darauf ab, die Regulation von mdka sowohl in der konstitutiven als auch in der regenerativen Neurogenese im Erwachsenenalter zu untersuchen, indem die cis-regulatorischen Module (CRMs), insbesondere Enhancer, identifiziert und validiert werden. ... mehrMithilfe von ATAC-Sequenzierungen zur Identifizierung regulatorischer Regionen haben wir zebrafischspezifische epigenomische Daten durch das DANIO-CODE Track Hub (integriert im UCSC Genome Browser) sowie Sequenzen mit hohen Konservierungsscores analysiert. Dieser Ansatz führte zur Identifikation von acht potenziellen mdka-Enhancern (mdkaEnh0 bis mdkaEnh7) und einem Promoter-Kandidaten (mdkaPR).

In vivo-Tests durch Transgenese zeigten, dass bestimmte Enhancer, insbesondere mdkaEnh3 und mdkaEnh4, eigenständig EGFP-Reporter Expressionsmuster steuern können, die den endogenen räumlich-zeitlichen mdka-Expressionsmustern während der frühen Entwicklung des Zebrafisches ähneln. Meine Ergebnisse deuten außerdem darauf hin, dass mdka durch mehrere Enhancer reguliert wird, anstatt durch nur einen einzigen. So steuern mdkaEnh2, mdkaEnh3 und mdkaEnh4 die mdka-Expression in Embryonen, während mdkaEnh2, mdkaEnh4 und mdkaEnh7 die Expression im Telencephalon adulter Zebrafische koordinieren und die Neurogenese aus NSCs regulieren.

Zusammenfassend beleuchtet diese Dissertation die komplexe Regulation der mdka-Expression im Zebrafisch, die durch mehrere Enhancer-Sequenzen gesteuert wird, welche mit verschiedenen Basalpromotoren aus unterschiedlichen Genen über Entwicklungsstadien hinweg interagieren. Eine weiterführende Charakterisierung dieser CRMs, insbesondere durch die Identifizierung von Transkriptionsfaktor-Bindungsstellen (TFBS), die an die Enhancer-Regionen binden könnten, wird das Verständnis der molekularen Mechanismen und Signalwege vertiefen, die die Aktivität von NSCs steuern.

Zebrafish have a remarkable ability to regenerate parts of their brain. To understand the molecular mechanisms behind this process, my thesis investigates how the gene midkine a (mdka), mainly expressed in the quiescent neural stem cells (NSCs) of the adult zebrafish telencephalon, is regulated at the transcriptional level, particularly in response to brain injury. This study aims to examine mdka regulation both in adult constitutive and regenerative neurogenesis by identifying and validating its cis-regulatory modules (CRMs), especially enhancers. Using ATAC-sequencing to pinpoint regulatory regions, we analyzed zebrafish-specific epigenomic data via the DANIO-CODE track hub (integrated into the UCSC Genome Browser), along with sequences showing high conservation scores. ... mehrThis approach led to the identification of eight potential mdka enhancers (mdkaEnh0 to mdkaEnh7) and a promoter candidate (mdkaPR).

In vivo testing through transgenesis showed that certain enhancers, particularly mdkaEnh3 and mdkaEnh4, can independently drive EGFP reporter expression patterns that closely resemble the endogenous spatial expression of mdka during early zebrafish development. Additionally, my findings suggest that mdka is regulated by multiple enhancers rather than a single one. For example, mdkaEnh2, mdkaEnh3, and mdkaEnh4 control mdka expression in embryos, while mdkaEnh2, mdkaEnh4, and mdkaEnh7 coordinate expression in the adult telencephalon, regulating neurogenesis from NSCs.

In summary, this thesis sheds light on the complex regulation of mdka expression in zebrafish, driven by multiple enhancer sequences working with various basal promoters from different genes across developmental stages. Further characterization of these CRMs, particularly by identifying transcription factor binding sites (TFBS) that may bind to the enhancer regions, will deepen our understanding of the molecular mechanism and signaling pathways that control NSC activity.