SVILUPPO di Drosophila melanogaster

PERCHE’ DROSOPHILA? Ciclo riproduttivo breve: Embriogenesi rapida Prolificità Facilità di mantenimento: Piccole dimensioni Resistenza a condizioni diverse Possibilità di seguire le mutazioni nelle generazioni successive Conoscenza approfondita della genetica Lo studio dell’embriologia presenta però alcuni svantaggi: Embrioni piccoli, non trasparenti e inadatti a manipolazioni

CICLO VITALE Uovo fecondato Larva mobile autonoma Larva immobile (prepupa) Pupa metamorfosi Adulto

Segmentazione superficiale 1 mitosi ogni 10’, per 2h) Mancano le fasi G1 e G2 del ciclo cellulare fino alla “transizione di medio-blastula” S M Uovo centrolecitico Segmentazione superficiale

SEGMENTAZIONE SUPERFICIALE

SEGMENTAZIONE SUPERFICIALE RUOLO DEL CITOSCHELETRO

SEGMENTAZIONE SUPERFICIALE Divisioni nucleari non seguite da citocinesi nella porzione centrale dell’uovo (T dip., 1h30’) Migrazione dei nuclei circondati da masserelle di citoplasma (energidi) alla periferia, con mitosi rallentate BLASTODERMA SINCIZIALE Separazione cellule somatiche/cellule germinali (formazione al polo posteriore delle cellule polari) Cellularizzazione delle cellule somatiche (invaginazioni membrana dell’oocita, complessi actina-membrana al polo basale) BLASTODERMA CELLULARE Aumento trascrizione (ciclo 14)

GASTRULAZIONE mappa di prelocalizzazione

GASTRULAZIONE Mesoderma presuntivo: Endoderma presuntivo: solco ventrale tubo ventrale appiattimento Endoderma presuntivo: tasca anteriore tasca posteriore Ectoderma presuntivo: convergenza, estensione banderella germinale espansione posteriore e dorsale retrazione

GASTRULAZIONE

PROCESSI MORFOGENETICI Avvengono principalmente allo stadio della max estensione della banderella germinale Comprendono: formazione di segmenti e parasegmenti segregazione dei dischi imaginali differenziamento del sistema nervoso inizio dell’organogenesi Le cellule polari raggiungono le gonadi mediante: ingressione a livello della tasca posteriore movimento passivo fino all’intestino medio-posteriore migrazione per diapedesi attraverso la parete intestinale separazione in due gruppi fino alle gonadi

PATTERNING

SCHIUSA

PATTERNING

DETERMINAZIONE DEGLI ASSI ANTERO-POSTERIORE E DORSO-VENTRALE Schema corporeo Testa (acron) Coda (telson) Segmenti intermedi dotati di una precisa identità Come si genera questo piano? Embriologia Genetica Biologia molecolare Modello dettagliato che descrive come viene prodotto un piano segmentario lungo l’asse A/P e come ciascun segmento di differenzia dagli altri

DETERMINAZIONE DELL’ASSE A/P La determinazione è controllata in tempi successivi dalle interazioni tra: Uovo-ovario materno Materiale citoplasmatico del blastoderma sinciziale Cellule del blastoderma cellulare e di stadi successivi MODELLO GENERALE Geni ad effetto materno: entrano in azione per primi. I loro prodotti stabiliscono gradienti A/P e comprendono fattori di regolazione della trascrizione e della traduzione Geni della segmentazione: entrano in azione dopo la fecondazione e determinano la formazione dei segmenti nel corretto numero e ordine. Geni omeotici: entrano in azione per ultimi e controllano l’identità dei singoli segmenti. Codificano per fattori trascrizionali e hanno effetto su geni effettori citodifferenziativi. …allora dobbiamo ripartire dall’uovo…

Oogenesi meroistica mitosi meiosi

Oogenesi meroistica Si crea un flusso unidirezionale di materiale (proteine, RNA etc.) dalle cellule nutrici verso l’oocita L’accrescimento dell’oocita avviene anche per trasferimento di sostanze (vitellogenine) dalle cellule follicolari che le prelevano dall’emolinfa

DETERMINAZIONE DELL’ ASSE A/P CASCATA GENICA Bicoid Hb, Kr Ftz En Ridondanza dei sistemi di controllo della polarità Dovuta all’evoluzione in tempi diversi: prima quello dei geni anteriori, poi di quello dei geni posteriori Permette una regolazione fine degli effetti dei singoli geni

DETERMINAZIONE DELL’ ASSE ANTERO-POSTERIORE Per formulare lo schema generale sono stati effettuati: Esperimenti di manipolazione di uova o embrioni selvatici (trapianto, iniezione di sostanze etc.) Studi su mutanti semplici, doppi o tripli Isolamento di geni (clonaggio) Studi di localizzazione (ISH, IHC)

Geni ad effetto materno Dimostrazione dell’esistenza nell’oocita di sostanze anteriorizzanti e posteriorizzanti (ipotesi dei gradienti) Studio di embrioni di madri mutanti  danni strutturali e funzionali  morte precoce.

Geni ad effetto materno 3 gruppi di geni: Anteriori: i mutanti mancano di testa e torace (2 telson + addome) Posteriori: i mutanti mancano di addome Terminali: i mutanti mancano di acron e telson

Geni ad effetto materno Bicoid: mRNA interagisce con una dineina del centro organizzatore dei microtubuli (-), che lo confina al polo anteriore Nanos: l’mRNA nanos interagisce con una chinesina dell’estremo in accrescimento (+) dei microtubuli, che lo confina al polo posteriore

Geni ad effetto materno geni anteriori: Bicoid

Funzioni di Bicoid Morfogeno anteriorizzante: repressore della formazione di strutture posteriori (omeodominio che lega la regione 3’ di RNA caudal sopprime la traduzione) attivatore trascrizionale (attiva gene hunchback: 5 siti nella regione promotrice) N.B. la localizzazione IHC nucleare conferma il ruolo di regolatore trascrizionale attribuito alla proteina

Geni ad effetto materno geni posteriori: Nanos Tradotto subito dopo la fecondazione (come bicoid): Nell’oocita è quiescente Dopo la fecondazione viene attivato Morfogeno posteriorizzante: reprime la traduzione di mRNA hunchback

Geni ad effetto materno

Geni ad effetto materno mRNA Bicoid (ant.) Hunchback (ubiq.) Caudal (ubiq.) Nanos (post.) Proteina Bicoid (grad. A/P) Hunchback (grad. A/P) Caudal (grad. P/A) Nanos (grad. P/A) fecondazione

Geni ad effetto materno geni terminali Esistenza di mutanti doppi (per geni anteriori e posteriori) con due telson Esistenza di mutanti tripli (per geni anteriori, posteriori e terminali) con strutture assenti

Geni della segmentazione Geni “Gap” I mutanti mancano di gruppi di segmenti consecutivi Agiscono all’interno di un sincizio Geni “Pair-rule” I mutanti mancano di segmenti alternati Agiscono allo stadio di blastoderma sinciziale (primari) e cellulare (secondari) Geni “Segment polarity” I mutanti hanno compartimenti alterati Agiscono a cellularizzazione avvenuta

Geni omeotici Prendono il nome dalle mutazioni omeotiche (“omeo”=simile), in cui una struttura è sostituita da un’altra (Bateson, 1894): Drosofila: modifica del tipo di appendice Rana: modifica del tipo di vertebra I geni Hox sono necessari per la specificazione dell’identità del segmento, ma non per la sua formazione (in assenza del gene Hox l’arto si sviluppa, ma con l’identità di antenna)

Geni omeotici Espressi durante la gastrulazione nelle cellule del blastoderma che hanno già ricevuto le informazioni di posizione rispetto all’asse A/P Confine di espressione anteriore molto netto e posteriore “sfumato” Pattern di espressione raggiunto attraverso un processo dinamico, corrispondente alle fasi di espansione e retrazione della stria germinativa (Es: Antp espresso in: ps4, poi ps4-5, poi ps4-12, infine in ps4-5) Espressione mantenuta mediante modificazioni conformazionali della cromatina anche in porzioni dei dischi imaginali Proteine Polycomb mantengono lo stato “chiuso” Proteine Trithorax mantengono lo stato “aperto”