Organizzatori in Drosophila PDF

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Appunti di lezione integrati con slide e libro...

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ORGANIZZATORI IN DROSOPHILA (11) In Drosophila sono presenti 3 organizzatori: 1) Bicoid + hunchback → della parte anteriore 2) Nanos + caudal → della parte posteriore 3) Torso → delle due estremità Gli organizzatori utilizzano anche altri geni, tutti ad effetto materno (prodotti durante l’ovogenesi e rilasciati nel citoplasma). Bicoid, Nanos e Torso sono fondamentali per il corretto sviluppo. Mutazioni di Bicoid portano alla formazione di un embrione con addome e due parti terminali (telson) e assenza della parte anteriore, con mutazioni di Nanos si forma un embrione con acron, torace e telson ma manca tutta la parte posteriore e, infine, con mutazioni di Torso si ha la formazione di testa, torace e addome e non di acron e telson.

BICOID:ORGANIZZATORE ANTERIORE Bicoid è localizzato all’interno del citoplasma e in posizione anteriore. Si trova all’interno del citoplasma perchè, essendo ad effetto materno, il suo gene è trascritto a livello delle cellule nutrici e il suo mRNA viene rilasciato a livello del citoplasma. E’, inoltre, in posizione anteriore perchè, in seguito al differenziamento della parte posteriore grazie a Gerken e Torpedo, vengono rilasciati una serie di segnali responsabili di un’inversione di polarità del citoscheletro e quindi dei microtubuli che prima avevano il polo negativo rivolto verso l’estremità posteriore e il polo positivo verso l’estremità anteriore. Questa nuova organizzazione fa si che le proteine trasportatrici lungo i microtubuli si spostano in maniera contraria rispetto alle condizioni normali. Le proteine trasportatrici sono, nel caso di drosophila, dineina e chinesina. In seguito all’inversione di polarità dei microtubuli, la dineina sposta le molecole in corrispondenza della parte anteriore, la chinesina in corrispondenza della parte posteriore. Ritornando a Bicoid, il suo mRNA lega 2 proteine (Exuperantia e Swallow) che a loro volta si legano alla dineina che trasporta il tutto nella parte anteriore, causando l’accumulo di mRNA di Bicoid. Tutto questo processo avviene alla fine dell’ovogenesi. In seguito alla fecondazione, a livello del blastoderma si ha la traduzione dell’mRNA di Bicoid e la formazione della proteina Bicoid. La proteina ha una diffusione maggiore rispetto al suo messaggero (mRNA) e arriva fino a circa il 50% di Drosophila (lunghezza dell’embrione espressa in %, totale=100%) con gradiente di concentrazione (maggiore al polo anteriore, diminuisce avvicinandosi al 50%).

Esperimenti per dimostrare la funzione di organizzatore anteriore di Bicoid: Bicoid iniettato in punti diversi di un embrione mutato (non presenta testa segmentata, torace e acron, ma 2 telson e addome). Se inietto Bicoid in posizione anteriore, si ha la formazione di un embrione uguale al fenotipo selvatico (recupero delle funzionalità). Bicoid iniettato in posizione dorsale porta alla formazione della testa segmentata nel punto in cui è avvenuta l’iniezione e dove in condizioni normali dovrebbe essere presente il torace, iniettando bicoid in posizione posteriore ottengo un embrione con 2 teste, 2 toraci e 2 porzioni posteriori. NANOS:ORGANIZZATORE POSTERIORE Nanos è un gene ad effetto materno, è quindi prodotti dalle cellule nutrici e il suo mRNA è rilasciato nel citoplasma. E’ localizzato nella parte posteriore grazie al legame con la chinesina. Interagisce, inoltre, con le molecole responsabili dell’ancoraggio del plasma germinale al polo posteriore (in particolare Oskar e Staufen) che contribuiscono alla sua localizzazione. Per il coinvolgimento in processi completamente diversi e separati si parla di effetto pleiotropico di Nanos. Altri due geni ad effetto materno responsabili del differenziamento in parte anteriore e posteriore, insieme a Bicoid e Nanos sono hunchback e caudal. I loro mRNA non sono distribuiti solo al polo anteriore o posteriore (come accade per Bicoid e Nanos), ma sono distribuiti in tutto il 100% dell’embrione. Nonostante questo però, le proteine hunchback sono distribuite solo fino al primo 50% e le caudal dal 100% al 50% dell’embrione. Questo si verifica in quanto la traduzione dell’mRNA di hunchback nella parte posteriore è impedita da Nanos, mentre nella parte anteriore bicoid inibisce la traduzione dell’mRNA di caudal. Bicoid, hunchback e caudal sono proteine con ruolo di fattore di trascrizione per cui hanno la capacità di attivare la trascrizione di una serie di geni GAP. Nanos, invece, non è un fattore di trascrizione ma è comunque in grado di inibire hunchback grazie al legame con un’altra molecola, Pumilio (= fattore di trascrizione che lega l’mRNA di hunchback causando l’adenilazione che provoca la produzione della proteina). Nella parte posteriore l’inibizione di Nanos è dovuta al legame con Pumilio che causa la perdita della coda di poli A (deadenilazione) e la proteina non può essere tradotta.

Tutto questo si verifica durante l’ovogenesi. Dopo la fecondazione, nello zigote Nanos e bicoid possono attivare la prima delle famiglie di geni della segmentalità, i geni GAP. TORSO Torso è responsabile della formazione della parte più anteriore (=acron) e più posteriore (=telson). E’ presente lungo tutto l’ovocita, ma, nonostante sia uniformemente distribuito, è responsabile del solo differenziamento delle due estremità. Per svolgere il suo ruolo, deve prima essere, infatti, attivato dalla proteina torsolike presente solo nelle cellule follicolari situate alle due estremità. L’attivazione di torso tramite torsolike avviene in quanto quest’ultima è in grado di interagire con la proteina trunk (presente ovunque nello spazio perivitellino) attivandola e permettendone il legame con torso, che così viene a sua volta attivato. A questo punto, torso, essendo un recettore tirosinchinasico attiva una serie di segnali che portano all’attivazione di 2 geni GAP (tailles e huckbein) fondamentali per la formazione di acron e telson. Torso con la sua attivazione, è in grado di inibire Groucho (o NTF1) che quindi risulterà presente in maggiore concentrazione dove si formano torace e addome e in minore concentrazione alle due estremità, favorendo tailles e huckbein. Per far si che in posizione anteriore si formi l’acron è necessario che tailles e huckbein interagiscano con bicoid. Poichè Bicoid non è presente al polo posteriore, qui si formerà telson. GENI DELLA SEGMENTAZIONE GENI GAP:Quando la polarità del citoplasma è regolata da geni ad effetto materno, si ha la formazione di due macroaree con distinzione tra parte anteriore e posteriore. Con l’attivazione dei geni GAP si iniziano a delineare aree di espressione più piccole, fino ad arrivare ai geni segment polarity il cui il dominio di espressione è il più piccolo.

Tra i vari geni GAP alcuni sono espressi in 2 zone diverse dell’embrione (anteriore e posteriore), altri in una sola fascia e altri ancora alle estremità.

La loro distribuzione è sotto il controllo dei geni ad effetto materno. Ci sono zone in cui si ha la sovrapposizione di espressione di questi mRNA ma comunque la localizzazione è specificata. Hunchback è l’unico gene sia ad effetto materno che zigotico. Inizialmente si ha solo la traduzione a livello materno, dopo la fecondazione e il passaggio al controllo zigotico si ha l’espressione anche a livello zigotico.

In base alla sua concentrazione, il gene bicoid è in grado di attivare una serie di geni GAP tra cui orthodenticle, empty spiracles, hunchback

GENI PAIR RULE: la loro trascrizione è attivata dai prodotti proteici che derivano dai geni GAP. La loro caratteristica principale è di essere espressi con una periodicità bisegmentale (ogni 2 parasegmenti) ovvero a segmenti alterni. Dove sono espressi questi geni si parla di striscia di espressione, dove non sono espressi si ha una interstriscia. Alcuni geni pair rule sono espressi solo in parasegmenti pari (es. fushi tarazu) altri solo in parasegmenti dispari (es. even skipped). I geni pair rule si dividono in primari e secondari. I geni primari sono attivati direttamente dal prodotto proteico dei geni GAP, quelli secondari si esprimono successivamente e sono attivati dal prodotto proteico dei pair rule primari. Dal punto di vista morfologico, mentre nelle fasi avanzate di sviluppo è possibile distinguere i diversi segmenti che lo cosituiranno, in fase precoce (fino a quando non si arriva all’espressione dei segment polarity) si parla di parasegmenti. Non c’è corrispondenza tra parasegmenti e segmenti. Ogni segmento è formato dalla parte posteriore di un parasegmento e la parte anteriore del parasegmento successivo. Se ho una mutazione di un gene pair rule, si forma un embrione vitale ma di dimensioni minori in quanto manca il parasegmento espresso da quel segnale.

L’embrione è stato immunocolorato per le proteine even skipped e fushi tarazu. Ogni striscia colorata è una striscia di espressione ed è formata da 3 o 4 file di cellule. Se ne colorano 2 perchè l’espressione del segnale non è costante in tutta la striscia ma è maggiore nella parte anteriore del parasegmento e minore nella parte posteriore. Uno stesso gene pair rule può esprimersi in segmenti diversi ed essere attivato da diversi geni GAP perchè il promotore è modulare e presenta zone enhancer, ognuna della quali è relativa all’espressione in una striscia. Le proteine dei geni GAP si legano a livello dei diversi enhancer e uno stesso segnale può funzionare come repressore o attivatore. L’espressione dei geni pair rule è resa possibile perchè questi geni sono attivati dalle proteine che derivano dai geni GAP. Il promotore è modulare e ogni modulo è responsabile per l’espressione di quel determinato gene nella striscia. Ogni modulo lega le proteine dei geni GAP in maniera diversa SEGMENT POLARITY: vengono attivati dai prodotti proteici dei pair rule e sono responsabili del differenziamento del segmento in parte anteriore e posteriore. La loro espressione è resa possibile dal fatto che nella parte posteriore del parasegmento vi è una diminuzione di espressione dei geni pair rule. Esempi di segment polarity sono engrailed e wingless. Wingless si può esprimere solo con bassi livelli di even skipped e fushi tarazu, engrailed se ho concentrazioni maggiori di even skipped e fushi tarazu. Engrailed e wingless sono espressi sempre all’inizio e alla fine del parasegmento e contemporaneamente sono associati ed espressi alla fine del segmento. Come funziona la cascata di segnali? Ho due cellule adiacenti con wingless e engrailed. Consideriamo la cellula che presenta livelli di trascrizione di wingless. La proteina wingless viene rilasciata e si lega al suo recettore (frizzled) presente sulla cellula vicina. Frizzled attiva una cascata di segnali in cui sono presenti anche dishelled e una forma di catenina della drosophila (armadillo) (via WNT) e fa si che l’armadillo si lega, essendo un fattore di trascrizione, attiva la trascrizione di engrailed e hedgehog. Hedgehog viene rilasciato e trova il suo recettore sulla cellula vicina (cellula in cui viene trascritto wingless). La diffusione dei due segnali permette alle cellule di acquisire la loro identità all’interno dei parasegmenti. Con l’espressione dei segment polarity siamo vicini alla fine dello sviluppo embrionali. Si hanno quindi blastomeri divisi, centralizzati e già dotati di una loro identità che possono esprimere segnali

diversi e i geni determinano la polarità del segmento e la loro concentrazione fa si che vi sia il differenziamento morfologico delle cellule che presentano. GENI OMEOTICI Codificano per proteine con struttura elica-giro-elica e vanno ad interagire con il solco maggiore del DNA. La funzione principale dei geni omeotici è di specificare le differenze tra i vari segmenti lungo l’asse antero-posteriore. La caratteristica principale di questi geni è la colinearità, ciò significa che l’ordine con cui i geni omeotici sono distribuiti lungo il cromosoma 3 è lo stesso con cui vengono trascritti lungo l’asse antero-posteriore. I geni di Drosophila sono raggruppati in due regioni del terzo cromosoma: complesso Antennapedia espressa nella parte di testa e torace e il complesso Bithorax nella parte addominale. In seguito a mutazioni, si ha la formazione di una parte del corpo in una regione diversa da quella in cui questa normalmente si forma. Es. nel caso di ultrabithorax, il metatorace è trasformato in mesotorace e il moscerino ha due paia di ali e non un paio di ali e uno di bilancieri. Nel caso di Antennapedia, il mutante presenta nella testa le zampe al posto delle antenne. I geni omeotici sono sotto il controllo dei geni della segmentalità . GAP:

PAIR RULE:

Altra caratteristica dei geni omeotici è la dominanza posteriore. L’espressione dei geni riguarda, infatti, generalmente 1 o 2 parasegmenti. Se viene a mancare uno dei geni, quello successivo riesce comunque a diffondere fino al precedente. Alla fine della cascata genica, i geni omeotici attivano o reprimono i geni realizzatori e insieme permettono la formazione delle diverse appendici. Quindi, il gene omeotico getta le basi per il differenziamento finale del segmento e le appendici compaiono grazie alla capacità di attivare o reprimere i geni realizzatori. La colinearità si verifica anche nei mammiferi ma è più complessa in quanto i geni omeotici sono espressi su 4 diversi cromosomi. Nei mammiferi i geni omeotici sono molto importanti per il differenziamento del tubo neurale e delle vertebre. L’espressione dei geni omeotici è regolata e attivata da acido retinoico (=morfogeno) situato all’interno del nodo di Hensen. Durante la gastrulazione, quando le cellule che formeranno il mesoderma passano attraverso il nodo di Hansen attivano l’espressione dei geni omeotici in concentrazioni variabili. Concentrazioni basse permettono il differenziamento delle vertebre occipitali, andando avanti con la gastrulazione e aumentando la concentrazione di acido retinoico a livello del nodo di Hensen, vengono attivati gli altri geni omeotici che portano al differenziamento delle altre vertebre. Il problema relativo all’acido retinoico è che se si ha un aumento improvviso della sua concentrazione, tale da determinare lo sviluppo di vertebre che non dovrebbero ancora essere presenti, tutte quelle precedenti non si formano, per cui l’embrione presenterà diverse malformazioni....