Desenvolupament del eix AP en morfogens, discs imaginals i somitogenesi (2017)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Barcelona (UB)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Biologia del desenvolupament
Año del apunte 2017
Páginas 11
Fecha de subida 28/06/2017
Descargas 2
Subido por

Vista previa del texto

Tema 6: Desenvolupament del eix anteroposterior El desenvolupament del eix anteroposterior acaba donant lloc a una larva segmentada, però aquests segments no són els segments originaris formats per els gradients de morfògens, sinó que es deriven d’aquests.
Origen embriològic de la segmentació Els primers segments que es generen es denominen parasegments, en són 14, i els segments es generen a partir de la part posterior d’un parasegment i de la part anterior del segment consecutiu, i s’originen per l’expressió dels gens pair-rule: even-skipped i fushi tarazu. El que s’aconsegueix amb aquest procediment és que el sistema nerviós pugui innervar la musculatura de dos segments diferents, ja que en un primer moment es trobaven en el mateix parasegment; cosa que permet coordinar millor els moviments larvaris. Els parasegements s’originen abans de la retracció de la banda germinal, i els segments es formen després d’aquesta retracció.
Expressió dels gens GAP El eix anterioposterior és dividit en diferents regions pels gens GAP, que actuen com a factors de transcripció, i la seva expressió depèn dels gradients de morfògens materns, i són el punt clau per passar la informació continua que implica al gradient a una informació discontinua. L’inici es dóna per bicoid en el blastoderm sincitial, a la vegada que hunchback actua iniciant altres GAP. La vida mitja d’aquestes proteïnes és curta i tenen una difusió molt pobre, així que es delimitaran a la zona on s’expressen. Un mutant pels gens GAP presentarà grans regions del cos sense definir.
Hunchback juga un paper important, ja que necessita una certa concentració de bicoid per actuar i quan es perdi aquesta concentració, ja no promourà l’activació dels gens GAP. Això succeeix perquè aquets gen té diferents regions on bicoid es pot unir, la majoria no són bones promotores però hi ha alguna que si, i es necessita molta concentració de bicoid per una correcta expressió de Hunchback, cosa que amb el temps s’anirà perdent. Quan Hunchback es troba en un interval de concentracions concret promou l’activitat de Krüppel, cosa que permet expressar aquesta proteïna en una regió concreta del eix anteroposterior. En el cas d’un mutant per bicoid tindirme una dotació de Hunchback materna nomes que es mes petita i per tant més permissiba en la zona d’expressió de Krüppel.
Bicoid a la vegada activa a la part anterior a Giant, que a la vegada veu promoguda la seva expressió en la part posterior per caudal.
Les fronteres delimitades s’aconsegueixen perquè els gens inhibeixen a l’altres gen Gap dels dominis adjacent, per tant s’aconsegueixen zones perfectament delimitades. Per exemple Hunchback inhibeix a Krüpel en determinades concentracions, a la vegada que també inhibeix a knirps, un gen GAP que es veu inhibit per giant.
Expressió dels gens Pair-Rule Els gens pair-rule són els encarregats de delimitar els 14 parasegments, i s’expressen de manera alterna, uns en els parasgements parells i altres en els parasegements senars. Són activats pels gens GAP i pels gradients dels gens d’efecte matern, cosa que els permet tenir una expressió periòdica. Els dos principals gens són even-skipped (eve), que s’expressa en els imparells del 113, i fushi-tarazu que s’expressa en els parells del 2-14.
L’expressió d’aquests gens comença abans de la formació del blastoderm cel·lular, però amb la formació d’aquets blastoderm s’aconsegueix una correcta definició de les regions.
Per veure com funciona l’expressió d’aquests gens utilitzarem com a model la segona banda imparell, és a dir el futur parasegment 3. La segona franja requereix la presència de bicoid i Hunchback, a la vegada que troba delimitada per giant a la part anterior i Krüppel per la banda posterior, i que actuen com a repressors de l’expressió de eve. Per tant com que trobem en el promotor llocs d’unió tant per repressors com per activadors, dependrà de la concentració relativa de les molecules.
Per explcar com s’activa eve en les altres franges s’hauria de fer de manera exhaustiva i cada parasgement tindra el seu mecanisme. El que si que sabem d’aquest gen és que presenta multiples seuqencies enhancer especifiques pel segment. A la vegada hem de tenir en compte que els gens pair-rule es poden inhibir uns als altres i que són transients,e s a dir que s’activne durnat poc temps.
Expressió dels gens Segment Polarity Són els gens que es comencen a expressar un cop ja s’ha donat la cel·lularització i s’expressaran duran tota la vida.
Estan activats pels gens pair-rule i s’expressen en els 14 parasegments de manera diferencial dins del parasegment, en funció del gradient de eve/ftz que marquen l’inici i el final d’aquest i per tant la seva polaritat anteroposterior. Aquesta expressió diferencial és la que permetra la formació dels segments.
Engrailed, es un factor de transcripció que s’expressa en la part anterior de cada parasegment definint el marge anterior del parasegment i per tant la regió posterior del futur segment.
Wingless i Hedgehog (HH) codifiquen per proteïnes de transducció senyal al final del parasegment ja que esta inhibit tant per eve com per ftz, però promogut per altres gens pairrule com paired i odd-paired. Aquestes transduccions de senyal es fa per la via Wnt en el cas de wingless, explicada anteriorment, o per la via Hedgehog, en el cas de HH.
Aquesta via consisteix en un receptor anomenat patched, que en cas de no tenir lligand inhibeix a un altre proteïna de membrana anomenada Smoothened que captura a cubitus interruptus (Ci) i permet que sigui fosforilat i proteolitzat per diverses quinases com PKA o GSK-3, i viatgi al nucli i actuï com a repressor dels gens diana de la via. En canvi amb el lligand present es segresta el complex processador de Ci i aquest viatja fins al nucli i activa la expressió dels gens wingless.
Aquesta expressió de Engrailed en un pol del segment i de wingless i Hedgehog en l’altra delimita les fronteres del parasegment. Aquesta senyal es reforça per un sistema de feedback positiu, ja que un augment de wingless provoca un augment de la transcripció de engrailed i Hh a la cèl·lula més anterior del següent parasegment, cosa que provoca un augment en la expressió de wingless quan li arriba hedgehog, tal i com s’observa en el dibuix. Aquest sistema serveix per mantenir la definició dels parasegments un cop eve/ftz ja no s’expressen. Les cèl·lules que rebin poc wingless, es a dir, les de la part anterior formarant els denticles.
Expressió dels Gens Homeòtics Un gen homeòtic és aquell que transforma una part del cos en una altra. Els gens homeobox (HOX) són gens que contenen un homeodomini que es un domini proteic que els permet unir-se a DNA per actuar com a factor de transcripció.
Cada segment té una identitat única deguda a la combinació dels diferents gens. Trobem dos complexos dels gens HOX, el complex antennapedia que s’encarrega de la part anterior, i el complex bitorax, que s’encarrega de la regió posterior.
Aquests gens mantenen una colinearitat, ja que els gens que s’expressen primer es troben primer endreçats al cromosoma.
L’expressió dels gens homeòtics estan regulats pels gens GAP, per exemple, el complexe bitorax està inhibit per hunchback i antennapedia és activat per Krüppel. Per diferenciar els segments trobem que el primer gen homeòtic s’expressa però a segments més posteriors és inhibit per l’expressió del següent gen homeòtic. Es pot superposar els gradients dels gens gap i materns i veure com controlen l’expressió dels gens homeòtics.
L’expressió dels gens no és la mateixa en tots els parasegments i això serà la rao principal que l’expressió dels gens homeòtics normalment esta inhibida allà on s’expressi el següent gen homeòtic.
Des de els cnidaris que troben gens homeòtics, i a mesura que s’han anat acumulant mutacions s’han generat organismes més complexes. Cal destacar que en vertebrats els gens Hox no diferencien el cap.
Tema 7: Discs imaginals Un disc imaginal és un sac de cèl·lules que es forma a partir de l’ectoderm i que acabaran seguint una via independent en el desenvolupament per originar diferents parts de l’adult. En el cas de Drosophila, durant la metamorfosi, aquests disc imaginals es desenvolupen a partir dunes 20 cèl·lules inicials a mes de 1000 durant el desenvolupament larvari i donen origen les extremitats, els ulls, ales, etc.
Els sacs imaginals s’originen a partir de les invaginacions de l’epiteli embrionari, de molt poques cèl·lules i quedaran aturades en aquest estadi, fins a l’estadi de pupa on proliferaran i formaran realment els discs imaginals.
Els sacs imaginals estan dividits entre la part anterior i la part posterior, i això comportarà mes endavant en el desenvolupament la delimitació d’una zona respecte l’altra. En aquest tema només es veurà el desenvolupament de l’ala ja que és dels més simples, degut a que està format per dos capes de cèl·lules. La identitat d’aquests discs imaginals són determinades pels gens Hox.
L’ala està unida a la part dorsal del torax en una estructura que es diu nòtum, i l’ala i el notum estan en una regió anomenada hinge. La relació entre aquest tres elements tenen una correspondència en quin domini apareixen.
En la part anterior del disc trobarem més actiu wingless i en la posterior engrailed, que inhibeix a wingless i promou hedgehog. Les cèl·lules properes a engrailed expressen els receptors per hedgehog, i quan el reben aquest promou l’expressió del morfogen dpp. Quan la concentració de dpp es més alta s’expressarà sal i omb, i quan la concentració és intermèdia nomes omb.
Als extrems s’expressa brk, que és un inhibidor de sal i omb, i a la vegada dpp és un inhibidor de brk, ja que bloqueja els receptors de bkr, permetent l’acció Smads concrets (Mad i Medea) per inhibir a la proteïna Brinker.
Com a conseqüència de l’expressió de sal i omb, porta a l’expressió dels gens DSFR i EGFR en formant un patró, on es generaran les venes.
Tècnica de l’anàlisi clonal Per estudiar el desenvolupament de l’ala es va desenvolupar aquesta tècnica que consisteix en introduir una recombinació mitòtica provocant, que una cèl·lula heterozigota per una mutació esdevingui homozigòtica i per tant es podrà observar la seva proliferació.
En el seu moment es va fer servir el múltiple wing hair, que feia que cada cèl·lula tingués quatre pèls, tot i que desprès es va optar per els mutants minute, que en heterozigosi provoca una divisió més lenta.
Tema 8: Desenvolupament del mesoderm paraxial i somitogenèsi Com a organisme model farem servir el pollet, vertebrat amniota. Els amniotes inclouen tres classes de vertebrats, els rèptils les aus i els mamífers. Aquests últims han adaptat les característiques del ou amniota a un desenvolupament vivípar.
Ou amniota Una de les principals diferències amb tota la resta dels organismes que em vist és el tipus d’ou que tenen els amniotes. Aquests ous estan preparats pel desenvolupament en un medi terrestre, degut a una sèrie de membranes.
El sac vitel·li, conté els nutrients essencials pel desenvolupament del embrió, el còrion permet l’intercanvi de gasos amb l’exterior, l’al·lantoide serveix per emmagatzemar els residus tòxics produïts durant el metabolisme, l’amnion és una capa protectora que evita la dessecació de l’embrió. A més a més trobem una densa capa d’albúmina, que protegeix i cedeix aigua a l’embrió; i una closca que dona protecció i evita la dessecació.
Desenvolupament de pollet El desenvolupament dura 21 dies. Els ous són telolecítics, ocupat en gran part per el vitel, i nomes hi ha una petita part que no esta ocupada, que és el que s’anomena blastodisc i equivaldrà al pol animal. El clivellament s’inicia en l’oviducte quan es fecunda l’ou, es a dir, quan es pon l’ou el desenvolupament ja ha començat i sol coincidir amb la gastrulació.
La regió on es dóna la fecundació és l’infundíbul, on s’emmagatzema els ous i a mesura que es viatja per l’oviducte s’afegeixen l’albúmina i la closca.
Clivellament i gastrulació Com ja s’ha comentat el clivellament té lloc al blastodisc, seguint divisions meroblàstiques, fins arribar al estadi de blastoderm (equivalent a blàstula), on ja hi hauran unes cinc capes de cèl·lules i es generarà una cavitat entre el blastoderm i el vitel, anomenada espai subgerminal, degut a que els blastòmers absorbeixen aigua i la redirigeixen a aquesta zona. Aquest espai és equivalent al blastocel, i a mesura que la cavitat creix es formarà una xona més translúcida, anomenada àrea pel·lúcida, que correspon a la regió del blastoderm que queda per sobre de l’espai subgerminal i una regió més opaca al voltant, que és on hi haurà més acumulació de cèl·lules.
L’hipoblast és una capa que es genera alhora de la posta de l’ou de manera que tancarà la cavitat per la part del vitel de manera que l’espai subgerminal quedarà completament separat del vitel. La part superior, que està me allunyada del vitel s’anomenarà epiblast. Aquest hipoblast es forma per una migració de les cèl·lules cap abaixi i perquè les cèl·lules laterals empenyen a les altres. Aquesta capa només donarà lloc al sac vitel·lí, la resta de capes les generarà l’epiblast, que serà la part posterior i on es formarà l’organitzador, que en aquest cas la línia primitiva.
La gastrulació en pollet és diferent, ja que les cèl·lules convergeixen cap a la regió de Koller sickle i es van intercalant entre elles, fent que la línia primitiva avanci, de posterior en anterior. El solc que forma es equivalent al blastòporus, i es per on les cèl·lules del epiblast migraran per involució i amb una transició epiteli mesènquima, aniran a una altra part del embrió que definirà el seu destí.
Les que migrin fins al hipoblast i les vagin substituint, donaran lloc a l’endoderm, fent que l’hipoblast es traslladi a les parts laterals del embrió; les que migrin i es quedin en el blastocel donaran lloc al mesoderm, i les que no migrin i es quedin en el epiblast donaran lloc al ectoderm.
A la punta de línia primitiva torbem un engruiximent anomenat node de Hensen que és equivalent a l’organitzador, que avançarà fins a dos terços del blastoderm, i totes les cèl·lules que migrin a partir d’aquest punt endavant d’aquest donaran lloc a l’endoderm faríngic, al cordamesoderm, al cervell i la part anterior de la notocorda. Un cop ha completat aquest procés es donarà una regressió de la línia primitiva, per tant el node anirà cap enrere (anterior a posterior), però no deixen d’entrar cèl·lules, ja que a mesura que retrocedeix l’organitzador, serviran per formar la notocorda.
A la vegada que es dóna aquesta regressió, en les parts més anteriors ja comença la organogènesi; mentre que en la part posterior encara està gastrulant. Des de la notocorda i el node es secreten inhibidors de BMP, que fa que les cèl·lules del epiblast pròximes a la línia primitiva donin tub neural. Per altra banda les cèl·lules del mesoderm pròximes donaran lloc al mesoderm paraxial (somites), intermedi o de la placa lateral, en funció de la posició respecte la notocorda.
Somitogènesi La especificació dels diferents somites ve donada pels gradients de BMP. La quantitat de somites i l’interval d’aparició, que és regular, varia en funció de l’espècie. Aquests gradients es generen per la excreció per part de la notocorda de diferents inhibidors de BMP com noggin, chordin o follistatin.
Per saber el procés de somitogènesi, s’ha utilitzat pollet perquè té l’avantatja de que pot ser receptor de cèl·lules de guatlla, i aquestes s’integren de manera normal al desenvolupament; i per tant les podem diferenciar després per tècniques immunològiques o per sondes. Els experiments (que no explico perquè fa mandra i total haver escoltat a classe que pa eso està) van demostrar que es tractava de la via nocht.
Aquesta via presenta un receptor transmembrana (nocht) que és activat quan interactua amb una altra proteïna de membrana, per tant s’activa amb el contacte cèl·lula a cèl·lula. Quan la proteïna de membrana delta s’uneix a nocht, es produeix un canvi de conformació que desemboca en l’escissió del domini intracel·lular de nocht que actua com a activador dels gens.
Entre els gens diana de nocht està c-hairy-1 que presenta una expressió cíclica en 3 localitzacions diferents i és el que provoca la periodicitat, ja que s’autoinhibeixen.
El model del clock i el wavefront és la hipòtesi més acceptada sobre com es forma la somitogènesi. Aquest model consta de dos sistemes principals que han d’interactuar per definir, on apareix la frontera del somita, i quan passarà. El front avança d’anterior a posterior i a mesura que avança atura el rellotge de les cèl·lules més posteriors, i és aquesta aturada el que promou la formació del somita. Per respondre com es coordina, sincronitza i s’expressa aquest patró es va generar un model anomenat Three-Tier.
El primer nivell consisteix en la regulació a nivell cel·lular d’un gen oscil·lant. Com que té una autoregulació negativa, ell mateix genera les oscil·lacions, ja que quan estigui en nivells baixos, es produirà més, i quan hi hagi molt no es produirà. A més em de tenir en compte que quan dimeritza es degradat.
El segon nivell és la sincronització de les cèl·lules per una expressió coordinada.
Això es soluciona amb l’activació de chairy1, que reprimeix la formació de delta, però quan els nivells de hairy siguin baixos delta augmentarà i per tant podrà activar la via nocht de les altres cèl·lules, que transcriuran hairy.
El tercer nivell és la aturada de l’oscil·lació per generar el patró de la somitogènesi.
El front consta de dues molècules clau en la seva actuació de moviment, l’àcid retinoic i el factor Fgf8 i Wnt. Es genera un gradient d’anterior a posterior d’àcid retinoic, i un gradient del factor Fgf i Wnt de posterior a anterior. Quan convergeixen aquests dos gradients i les dues concentracions són 0 es produeix la fixació de l’expressió. Això es produeix perquè quan no hi ha tant Fgf8, la via Wnt s’expressa i promou nivell molt elevats de hairy, que provoca la síntesi d’ephinaA4, que provoca la repulsió cel·lular i la formació de la fissura. Al formar-se la fissura, la via nocht no es pot activar. A més Fgf8 el front avançarà més a poc a poc i per tant els somites seran més petits.
L’organització dels somites ja està predeterminada, es produeix per efecte dels gens Hox. En vertebrats hi ha quatre complexes Hox al llarg de l’eix anteroposterior, i importa la combinatòria de l’expressió dels diferents gens Hox per la diferenciació de les diferents regions Regionalització dorsiventral dels somites La regionalització depèn de la localització cel·lular respecte l’eix dorsiventral. En questa regionalització ens trobem transicions epiteli-mesènquima, on les cèl·lules migren perdent el contacte amb les veïnes; o transicions mesènquima-epiteli, que es just el contrari.
La notocorda envia una senyal per tal que la zona ventro-lateral mes pròxima a ella pateixi una transició epiteli mesènquima i esdevingui escleròtom. L’escleròtom es el precursor dels condròcits i per tant del que s’originarà el sistema ossi. La part més llunyana esdevindrà dermamiòtom, si esta a prop del epiteli, i donarà lloc a la dermis; o en miòtom, que donarà lloc a la musculatura vertebral, i les que no estiguin en contacte amb la dermis migraran per fer les cèl·lules musculars del cos i de les extremitats.
Tenim tres vies de senyalització importants, la via Sonic hedgehog, la via Wnt i la via BMP. La notocorda genera un gradient de Shh, i afecta a la part ventral del tub neural i del somita. La part ventral del somita activarà la transcripció del gen Pax1, que indueix l’expressió de gens de l’escleròtom i inhibeix la diferenciació a cèl·lules musculars.
L’epidermis a la vegada crea genera un gradient de BMP4, que afecta al tub neural i promou l’expressió de Wnt i Shh. Si al somita arriba molt Wnt i poc Shh s’indueix l’expressió de Myf5, que promou gens miogènics paraxials, i derivarà a múscul. En canvi si arriba una senyal de Wnt1 i NT3 trobarem que aquella part serà dermis. A més a més l’epidermis envia Wnt a la part més llunyana del somita que promou gens característics de miòtoms abaxial.
El mesoderm de la placa lateral crea un gradient BMP4, que inhibeix a Wnt, i es formarà esclerotom. En la part del miòtom abaxial, per evitar que interfereixi BMP4 s’activa noggin.
Diferenciació La conversió dels mioblast a cèl·lules musculars, es necessiten diferents factors de transcripció que es caracteritzen per tenir un domini hèlix-loop-hèlix. Per fer-ho en el laboratori es parteix de fibroblast i quan s’afegeixen els FT com Shh, Wnt, MyoD, i Myf5 s’afegeix FGF per promoure la proliferació, i autònomament, es diferencien a fibres musculars. S’alineen i formen les cèl·lules plurinucleades característiques amb la síntesi de diverses interleuquines i la meltrina.
Pel que fa a la formació de les vertebres, s’originen per l’escleròtom de dos somites diferents, d’aquesta manera els escleròtoms queden partits per la creació de les neurones del tub neural que surten per innervar a la musculatura.
El sindeton dorana lloc als tendons, i es troba entre l’esclerotom i el miòtom, i s’indueix per una senyal de Fgf8 des de el miòtom, i només s’especifiquen en els extrems anterior i posterior del somita, quedant al final de la organogènesi entre la costella i la musculatura. Com ja hem dit Fgf8 promou la formació de scleraxis en el sindeton, que farà el tendó. Les regions del esclerotom que no es facin sindeton expressaran Pax1 i faran cartílag.
...

Tags:
Comprar Previsualizar