Le basi genetiche dello sviluppo Il problema centrale

Le basi genetiche dello sviluppo Il problema centrale della biologia: Ricostruire gli eventi genetico-molecolari che determinano lo sviluppo embrionale controllando il destino delle cellule e la loro organizzazione in strutture specializzate L’informazione genetica trasmessa di generazione in generazione contiene un preciso programma che determina l’ontogenesi (le varie fasi dello sviluppo di un organismo). Il programma di sviluppo consiste di tre tipi principali di fenomeni: 1) Proliferazione cellulare 2) Differenziamento cellulare 3) Morfogenesi Oggi sappiamo che lo sviluppo è il risultato dell’espressione differenziale dei geni nello spazio e nel tempo.

Le basi genetiche dello sviluppo Nell’uovo fecondato esistono tre sistemi diversi di informazione che interagiscono durante lo sviluppo 1) Il DNA (i geni) 2) Le macromolecole informazionali regionalizzate (RNA tradotti in proteine) codificate da geni materni (informazione posizionale; determinanti citoplasmatici) che attivano specifici geni zigotici 3) La matrice del citoscheletro che governa la localizzazione dei determinanti citoplasmatici e degli eventi di attivazione

I geni dello sviluppo in Drosophila Nobel 1995 Ed Lewis, Christiane Nusslein-Volhard e Eric Wieshaus hanno compiuto un’analisi genetica dello sviluppo di Drosophila identificando numerosi geni materni e zigotici coinvolti nella determinazione del numero, posizione, polarità e identità dei segmenti del corpo. Il loro lavoro ha aperto la strada allo studio dei processi di regolazione dell’espressione genica nello sviluppo negli eucarioti

Le macromolecole informazionali Il citoscheletro funge da grande sistema di comunicazione, che controlla la localizzazione di molecole informazionali (RNA e proteine) vimentina tubulina actina

Le tappe fondamentali dello sviluppo • Proliferazione cellulare • Determinazione e differenziamento • Morfogenesi • Durante le fasi iniziali, le cellule devono essere capaci di identificare la propria localizzazione spaziale e di prendere decisioni inerenti al loro destino • A mano a mano che le cellule di organismo in via di sviluppo proliferano, vengono effettuate scelte che determinano sempre meglio il destino di una data linea cellulare

Le tappe fondamentali dello sviluppo Scelte principali nella costruzione dell’embrione • Separazione della linea germinale dalla linea somatica • Definizione del sesso • Informazione per generare gli assi AP e DV • Formazione di segmenti dall’asse AP • Formazione foglietti embrionali (endoderma, mesoderma, ectoderma) • Organogenesi

Drosophila melanogaster

Le tappe dello sviluppo di Drosophila melanogaster

Le scelte binarie del destino cellulare: la linea germinale e la linea somatica in Drosophila • Localizzazione di determinanti mediante le asimmetrie del citoscheletro: la linea germinale Le cellule polari in Drosophila melanogaster

L’esperimento di Illmensee e Mahowald (1974) Il plasma polare determina differenziamento delle cellule della linea germinale

Analisi mutazionale dello sviluppo precoce di Drosophila: geni materni e geni zigotici I geni che controllano la formazione dei segmenti (posizione, numero, identità) sono divisi in due classi principali che codificano fattori di trascrizione GENI MATERNI Espressi durante l’oogenesi Determinano la formazione della “informazione posizionale” presente nell’oocita maturo GENI ZIGOTICI Espressi durante l’embriogenesi e richiesti per l’interpretazione dell’informazione posizionale Mutazione con effetto materno es: bicoid numero e posizione dei segmenti gap, pair rule e segment polarity identità dei segmenti geni omeotici

Differenza tra geni materni e geni zigotici I geni materni si esprimono nella linea germinale femminile durante l’oogenesi e i loro prodotti si depositano nell’oocita. I geni zigotici si esprimono dalle prime fasi dello sviluppo dello zigote. I fenotipi prodotti da mutazioni in geni materni dipendono soltanto dal genotipo della madre I fenotipi prodotti da mutazioni in geni zigotici dipendono solo dal genotipo dello zigote

Geni materni che determinano l’asse antero-posteriore dell’embrione

Effetti della mutazione nel gene materno bicoid+

Il gene bicoid+ determina la formazione delle strutture anteriori della Drosophila

I geni materni: bicoid e nanos Gli stadi più precoci dello sviluppo di Drosophila sono guidati dai prodotti (m. RNA e proteine) codificati da geni materni espressi durante l’oogenesi (nei tessuti ovarici della madre) e non nell'embrione precoce. I prodotti materni si localizzano nell’oocita e rappresentano i cosiddetti determinanti citoplasmatici (informazione posizionale) il cui gradiente determina l’asse anteroposteriore dell’embrione.

Gradiente della proteina Bicoid–GFP nei nuclei di un embrione precoce bicoid m. RNA BICOID-GFP

Come viene realizzata la localizzazione degli m. RNA materni nell’oocita?

L’ancoraggio del 3’ UTR dell’m. RNA al citoscheletro permette la localizzazione

L’informazione posizionale lungo l’asse A-P in Drosophila è generata da gradienti di proteine. La formazione di questi gradienti dipende dalla diffusione di proteine tradotte in specifiche localizzazioni a partire da m. RNA ancorati per mezzo dei loro 3’-UTR ai microtubuli del citoscheletro

Il gradiente della proteina e la formazione della asse dorso -ventrale

Geni zigotici della segmentazione

I geni zigotici gap, pair-rule e segment polarity Determinano il numero, posizione e polarità dei segmenti

Espressione di geni gap responsabili dei segmenti della testa (otd, ems e btd) e del torace (hb) attivati dalla proteina bicoid.

Espressione dei geni gap e pair rule nelle fasi embrionali precoci hb-z Kr kni ftz eve

Controllo dell’espressione della seconda striscia del gene pair rule eve da parte dei geni gap hunchback, kruppel e giant Hunchback Giant eve due dosi di Kruppel una dose di Kruppel Mutante Giant Kruppel

Una cascata di eventi regolativi gerarchici • I geni materni attivano i geni gap determinano l’asse principale del corpo • I geni gap attivano i geni pair-rule la cui attività si manifesta secondo uno schema modulare ripetitivo in sette strisce alternate e definiscono il numero dei segmenti • I geni pair rule primari sono regolati dai geni gap; i pair rule secondari sono attivati dai primari • I geni pair rule regolano i geni segment polarity espressi in 14 strisce e determinano la polarità (anteriore posteriore) dei segmenti • I geni segment polarity isieme ai pair-rule regolano i geni omeotici che determinano l’identità dei singoli segmenti

I geni zigotici codificano fattori di trascrizione

Geni omeotici e omeodominio I geni omeotici (HOX) codificano i fattori di trascrizione HOX e sono accomunati dalla presenza dell’omeobox, una sequenza di DNA di 180 bp molto conservata evolutivamente, individuata per la prima volta nel 1984 all’interno dei geni Antp e Ubx di D. melanogaster. La sequenza dell’omeobox corrisponde all’omeodominio dei fattori di trascrizione HOX, una regione di 60 aminoacidi che lega il DNA, regolando l’espressione genica. In molti organismi questi fattori di trascrizione sono essenziali per specificare, il destino differenziativo delle cellule durante il differenziamento e lo sviluppo embrionale, A livello molecolare, l’’omeodominio possiede una struttura secondaria definita da tre alfaeliche (elica-giro-elica). Una proteina che possiede un omeodominio è quasi certamente un fattore trascrizionale.

L’informazione posizionale porta alla formazione del numero corretto e dell’identità di segmenti, attraverso una gerarchia di eventi regolativi mediata da fattori di trascrizione. In questo processo, i fattori di trascrizione agiscono in maniera combinatoria

La scoperta delle trasformazioni omeotiche Alla fine del 1800, Bateson identificò negli artropodi delle varianti strutturali in cui una parte del corpo veniva sostituita da un’altra. Denomino queste “stranezze” trasformazioni omeotiche

Le trasformazioni omeotiche in Drosophila: Il lavoro pionieristico di Ed Lewis

Trasformazioni omeotiche nelle piante a, b Lo stesso fiore dall'alto e dal basso mostra stami petaloidi e sepali persistenti fogliari. c Gli organi petaloidi occupano il centro del fiore. d - f Gemme floreali con calici fogliari. L'interruzione del bordo floreale è indicata dalle frecce

Il complesso bithorax e gli effetti delle mutazioni

I fenotipi delle mutazioni nei geni Ubx, abd-A e abd-B

L’analisi molecolare ha dimostrato che le mutazioni del complesso bithorax mappano in tre soli geni

L’espressione spaziale dei geni omeotici

L’espressione del gene Ubx Espresso nel T 3 (bilanceri) e non nel T 2 (ala)

Colinerarità tra localizzazione cromosomica ed espressione nei segmenti L’ordine dei geni sul cromosoma corrisponde all’ordine in cui i geni sono espressi nei vari segmenti

Modello di regolazione

Conservazione dell’organizzazione geni omeotici tra insetti e mammiferi

E non solo!

Similitudini tra i pattern di espressione dei geni omeotici nei vertebrati e negli insetti

Le mutazioni nel gene umano HOX D 13

L’evoluzione della metameria

MESSAGGIO Le strategie di sviluppo nelle diverse classi di animali sono piuttosto antiche e altamente conservate. Un mammifero, un nematode e un moscerino sono costruiti a partire dalle stesse unità costitutive e con strumenti di regolazione conservati “Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution” (T. Dobzhansky)

Ernst Haeckel: l’ontogenesi ricapitola la filogenesi Analogia nelle diverse fasi embrionali di varie classi di organismi