Centres organitzadors i morfogens (2017)

Apunte Catalán
Universidad Universidad de Barcelona (UB)
Grado Biología - 3º curso
Asignatura Biologia del desenvolupament
Año del apunte 2017
Páginas 8
Fecha de subida 28/06/2017
Descargas 1
Subido por

Vista previa del texto

Tema 4: Els centres organitzadors Els centres organitzadors són les estructures claus que estableixen els eixos del organisme, que són essencial per la correcta distribució dels òrgans, i del funcionament del organisme. Podem distingir tres eixos principals, l’anteroposterior, del cap a la cua; l’eix dorsiventral, del llom al ventre; i l’eix medial/lateral, que permet distingir la part central del individu de la lateral (esquerra/dreta). A la vegada dins de cada extremitat trobem l’eix proximal distal.
Demostració de l’existència del centre organitzador El centre organitzador, és el llavi dorsal del blastòpor i els seus derivats o sigui la notocorda i l’endomesoderm que indueix l’ectoderm dorsal a fer el tub neural.
Expermients d’Spemann Utilitzant cabells de la seva filla, escanyava els ous en diferents plans, simulant el clivellament de Xenopus, basant-se en el creixent gris. Quan separava els dos primers blastòmers amb un pla de divisió pel mig creixent gris aquests esdevenien dos embrions normals, en canvi quan alterava el primer pla de divisió i el feia a 90º del pla normal, obtenint un blastòmer amb creixent gris i un sense, de manera que un era un embrió normal i l’altre era una estructura ventralitzada.
Un altre experiment va consistir en l’inducció embriònica primària, que consisteix en el transplant del llavi dorsal a una regió ectòpica d’una altra gàstrula, aquesta desenvolupava una segona notocorda, per tant acababen donant dos embrions siamessos, amb una part ventral comuna. Aquests experiments van demostrat que existeixia en aquests estadis una comunicacó cel·lular, que comportava una interacció cel·lular, que conduia a una inducció a un reclutament o a una reprogramació cel·lular.
Demostració de l’existència del centre de Nieuwkoop Perquè es formin els eixos de manera correcta es necessita que es formin de manera correcta l’organitzador. L’organitzador es formarà quan les cèl·lules reben a la vegada la senyal de ser mesoderm i la senyal de ser dorsal.
El mesoderm deriva a partir de les cèl·lules ectodèrmiques que reben una senyal d’inducció per part de les cèl·lules més dorsals del pol vegetal, el que s’anomena centre de Nieuwkoop. El centre organitzador es formarà en el punt contrari de l’entrada del espermatozou, en la part dorsal de l’embrió.
L’experiment que va provar que eren les cèl·lules vegetals les que induïen a la formació del mesoderm va consistir en agafar blàstules i eliminar les cèl·lules equatorials que donarien el mesoderm, i s’ajuntaven els dos pols animals s’originava teixit mesodèrmic. A la vegada si es cultivaven aquests fragments per separat les cèl·lules animals donaven ectoderm, les cèl·lules del pol vegetal es mantenien indiferenciades; i després les cèl·lules dorsals mesodèrmiques donaven múscul i tub neural; mentre que les altres donaven teixits mesenquimàtics ventrals com el hematopoètic.
En un altre experiment es va posar en contacte diferents regions del pol vegetal amb l’ectoderm i es va observar com més pròxims eren al creixent gris més mesoderm induïen.
Finalment l’experiment que va delimitar la zona inductora, és el que actualment es coneix com a centre de Nieuwkoop va consistir en irradiar certs ous de manera que van desestabilitzar el citosquelet i impedient la mobilitat dels factors materns. Aquests embrions donaven embrions ventrals amorfs, però si abans se’ls trasplantava les cèl·lules del pol vegetal més dorsal d’una blàstula molt primerenca, aquests ous irradiats donaven lloc a embrions normals. A la vegada si a un embrió normal se li trasplantava la mateixa regió en una altra posició aquest esdevenia siamès, com en l’experiment de Spemann.
Vies moleculars inductores dels centres organitzadors La via WNT és la via que inicia tota la formació dels centres organitzadors. Quan aquesta via està inactivada, diverses molècules, entre elles GSK3, formen un complex de destrucció amb la βcatenina i així aquesta no arriba al nucli. Quan el receptor Frizzled rep el lligand WNT s’activa i Disheveled atreu a la membrana diverses molècules d’aquest complex de destrucció, com la mateixa GSK3 cosa que permet que els nivells de β-catenina augmentin i puguin anar al nucli i modificar l’expressió gènica.
Aquesta via es dóna en la part dorsal, i això s’aconsegueix perquè amb la rotació cortical es dóna una reorganització del citosquelet, entre elles Dsh i GBP, una proteïna que s’uneix a GSK3, i les transporta a la zona dorsal. A la vegada WNT11 depèn de la rotació del citoplasma i també acaben en la part dorsal. Amb això s’aconsegueix que GSK3 sempre sigui activa en la part ventral i no en la dorsal.
La via BMP4 promou la formació de mesoderm ventral, però dins de la mateixa superfamília, les TGF-β hi ha altres vies que donarà lloc a mesoderm dorsal, com la TFG-b RII. Aquesta superfamília fa servir les proteïnes Smad en la seva via de senyalització. Les R-Smad, tenen domini d’unió amb DNA i amb altres proteïnes; Co-Smad s’uneixen a les R-Smads per fer dímers funcionals; i les I-Smads que actuen sobre altres Smad regulant-les.
La BMP-4 activa les R-Smad 1, 5 i 8, en canvi TGF- β la 2 i la 3. Ambdues vies a part dels lligands extracel·lulars presenten antagonistes que s’uneixen als lligands o als receptors hi ha de competir per unir-s’hi, a la vegada que els seus receptors formen dímers en presencia del lligand i en funció de les subunitats que formin el dímer s’activarà un Smad diferent.
Integració de les vies moleculars Els factors VegT i Veg1 s’acumulen en la part vegetal i promouen la vegetalització de la zona.
VegT promou l’expressió de Sox17 que promou la diferenciació a endoderm. A la vegada, VegT promou l’alliberament de Nodal, un cop Veg1 ha promogut la seva expressió. Totes les cèl·lules ectodèrmiques expressen Brachyruy que s’encarrega de captar els Nodal, però només les més pròximes a la regió vegetal podran fer-ho i es diferenciaran en mesoderm. A la vegada la presència de β-catenina en aquesta zona promou també a Nodal, cosa que augmentarà molt la concentració i com a conseqüència, l’augment de concentració promourà l’expressió de Goosecoid, que és el gen clau per la diferenciació en organitzador. Això el que provoca és un gradient en la concentració de Nodal en l’eix dorsal-ventral, fent que les parts amb menys Nodal, per tant amb menys β-catenina, es diferenciïn en mesoderm ventral. Cal tenir en ment que l’organitzador es formarà allà on es solapin les senyals de ser dorsal i de ser mesoderm.
En les cèl·lules del organitzador a la vegada s’expressen inhibidors de BMP-4 com Chordin, Noggin o Follistatin, i per tant BMP-4 no interferirà en el destí del ectoderm a convertir-se a tub neural. En la regió ventral, com que no hi hauran inhibidors, BMP4 promourà la diferenciació a epidermis; cosa que ens permet concloure que en veritat la naturalesa del ectoderm es ser tub neural i no epidermis.
Aquests gens s’expressen gràcies a l’expressió del gen siamois (per β-catenina), que promou juntament amb Smad2 la expressió d’aquestes proteïnes típiques del centre organitzador, com Goodsecoid.
BLOC III: Control genètic del desenvolupament Tema 5: Gradients de morfògens a l’eix anteroposterior Els morfògens són els components materns que tenen els ous abans de la fecundació, per tant són fruit de l’expressió dels gens materns i solen tenir un model d’herència d’efecte matern. Per estudiar-los s’ha utilitzat com a organisme model principalment a Drosophila.
Experiments de Sander i model de la bandera francesa Aquests experiments no estan basats en Drosophila sinó en Euscelis sp., un hemípter cicàdid, que es caracteritza per tenir ous allargats amb una taca negra en el pol posterior, produït per un simbiont bacterià. Els seus experiments, inspirats en els de Spemann, van consistir en diferents lligacions dels ous per veure com afectava al seu desenvolupament.
Si feia la lligació abans de la fertilització, l’embrió que es desenvolupava tenia part anterior i part posterior però faltava la part central, i si la mateixa lligació es feia en blastoderm (estadi equivalent a la blàstula), trobàvem que hi havia part de la regió central, però no tota estava formada. L’últim experiment va consistir en fer una lligació abans de la fecundació i trasplantar la part posterior just abans de realitzar la lligació, trobava que en la part anterior es desenvolupava un embrió normal, i en la part posterior es desenvolupava de manera invertida part de la regió central i la regió posterior. Aquest últim fet l’explicava perquè la lligació no era perfecta.
Ell va concloure que la polaritat del ou es determina abans de la fecundació del ou, i que la posició dels components materns es troba completament determinada. Va suggerir que la mare difonia una substància a la part posterior que difonia de manera lenta fins la part anterior i això és el que provoca la diferenciació. Més tard Kathoff i Wolpert van provar que aquest mecanisme era fals i el correcte era que l’ou tenia determinat abans de la posta l’eix anteroposterior i que des de la part posterior i de la part anterior s’emetien diferents molècules generant diferents gradients de morfògens i en funció en la posició del eix les cèl·lules, i per tant de les diferents concentracions de morfògens, això promovia la diferenciació dels diferents tipus cel·lulars. Aquest model s’anomena model de la bandera francesa, i deriva de la definició de morfogen, és a dir, una substància difusible que indueix una resposta, proporcional a la concentració de morfogen que la cèl·lula rebi.
Desenvolupament de Drosophila Drosophila, és un insecte que posa ous centrolecítics, i presenta un embrió seguit per tres estadis larvaris, un estadi de pupa i un estadi adult. El seu clivellament és meroblàstic, ja que al inici hi ha tanta divisió i a tanta velocitat que els nuclis no es separen amb membranes i formen una estructura anomenada sinciti, que consisteix en una sola cèl·lula amb múltiples nuclis. Aquests nuclis es troben en el centre de la cèl·lula fins la novena divisió que viatgen a la perifèria del ou passant al estadi de blastoderm sinsicial. En aquesta fase només hi ha unes poques cèl·lules en un pol del ou que ja presenten membrana, que són les cèl·lules de donaran lloc a la línia germinal. A les tres hores de desenvolupament ja tots els nuclis estan envoltats de membrana en el que s’anomena blastoderm cel·lular.
En aquest punt si realitzem un mapa de destins ens trobaríem que l’endoderm es troba en els extrems polars del blastoderm, en la part ventral central el mesoderm, i en la resta del espai podem diferenciar 4 zones cel·lulars més. La més dorsal és l’amnioserosa, que recobrirà la part dorsal de l’embrió; després l’ectoderm dorsal i l’ectoderm lateral i en contacte amb el mesoderm trobarem l’ectoderm neurogènic.
La gastrulació comença la invaginació del mesoderm, formant el solc ventral, que posteriorment, un cop s’hagi interioritzat tot el mesoderm es tancarà i formarà un tub. A la vegada es forma un solc, de manera transversal al ventral que s’anomena solc cefàlic que separa la regió del cap, i l’endoderm dels dos pols s’invaginen cap a l’interior, arrossegant en el cas del posterior les cèl·lules polars. Les cèl·lules ectodèrmiques de la superfície i el mesoderm experimenten una convergència i una extensió migrant fins la línia mitja ventral formant la banda germinal, que s’estendrà a la part posterior fins arribar al solc cefàlic. Això vol dir que les estructures ées posteriors de l’animal ara es troben darrere del futur cap. És en aquest moment és quan l’embrió estableix els segments corporals, i un cop estan establerts la banda germinal es retreu i torna a la posició inicial, a la regió posterior del individu. El neuroectoderm entrarà de manera individualitzada a dins de l’embrió per formar el teixit nerviós, i es quedarà en posició ventral, a la vegada que la resta del ectoderm donarà lloc al epiteli.
Un cop s’ha acabat tot el procés, acabem amb un embrió amb una regió anomenada àcron, que donarà lloc al cap, seguit per tres segments que donaran lloc al tòrax i vuit segments que es desenvoluparan en l’abdomen. Al final trobem el tèlson.
Efecte dels gens d’efecte matern: definició dels eixos del ou Els gens d’efecte matern són expressats per la mare però el seu fenotip el trobem en el fill.
Aquests solen activar a gens que s’encarreguen de dividir l’embrió en regions grans i que a la vegada activen a altres gens, que realitzaran la divisió en tòrax i abdomen i permetran l’expressió d’un altres que formaran els segments més petits.
Els tres gens mes importants per definir les cinc regions de l’embrió que hem vist són bicoid, nanos i torso. En mutants d’aquests gens s’ha pogut comprovar que bicoid defineix el cap i el torax, nanos la regió del abdomen, i torso les regions del tèlson i l’àcron.
Bicoid és un factor de transcripció que presenta el seu missatger en la regió anterior del ou, i el seu producte proteic disminueix de manera exponencial a mesura que s’avança cap a la regió posterior, generant un gradient, i per això té una vida mitjana curta, perquè sinó el gradient no es mantindria. Tot aquests fets es van demostrar en els experiments de C. NüssleinVolhard, com es veu en el dibuix.
Nanos es troba en la part posterior i també presenta un gradient de manera similar a Bicoid, però aquest actua com a repressor de hunchback, una proteïna que es troba en tot l’ou de manera homogènia però que en presència de nanos és degradada, a la vegada l’expressió de hunchback es veu motivada per la presència de bicoid, per tant generem un altre gradient.
De manera similar succeeix amb caudal, que bicoid s’uneix a la regió 3’ UTR del seu mRNA per evitar la seva traducció en la regió anterior, però en la regió posterior si que es podrà expressar i donarà lloc a l’abdomen.
Generació dels gradients dels morfògens La disposició dels mRNA de la mare es dóna durant la oogènesi, en l’ovariola, que és la unitat funcional del ovari en Drosophila. L’oogoni es dividirà per mitosi fins a 16 cèl·lules però la citocinesi no serà completa, i es mantindran unides per ponts citoplasmàtics. Una d’aquestes cèl·lules serà l’oòcit (només la cèl·lula 1 o la 2) i les altres 15 seran cèl·lules nodridores o nurse cells. Aquesta estructura estarà recoberta per cèl·lules somàtiques que formaran el fol·licle.
L’oòcit poc a poc anirà augmentant de mida i rebrà el citoplasma de la resta de cèl·lules de tal manera que acabaran les 15 arraconades a la part anterior i l’oòcit a la part posterior.
El nucli del oòcit sintetitza la proteïna Gurken, que és lligand del receptor Torpedo que presenten totes les cèl·lules fol·liculars, però només captaran les cèl·lules de la part posterior d’aquest, cosa que intracel·lularment provoca l’activació de la PKA, que acabarà produint un feedback en l’oòcit, que comportarà el reclutament de Par-1, que podrà reorganitzar els microtúbuls, de tal manera que el pol positiu es quedi a la part posterior. Els mRNA són produïts per les nurse cells, de tal manera que les quinesines transportaran cap al pol posterior Nanos (mediat per Oskar), i les dineïnes cap al pol anterior a Bicoid.
A la vegada el nucli es transportat fins la part dorsal del oòcit, i com que segueix sintetitzant Gurken hi haurà una resposta similar que permetrà la formació del eix dorsiventral.
Activació dels gens zigòtics La formació dels segments de Drosophila va ser estudiada per Heidelberg, en els seus experiments que es coneixen com screening de Heildelberg. Un screening consisteix en la mutació al atzar dels gens de Drosophila, i seleccionar aquelles línies mutants que afecten al procés que s’està estudiant. En el cas de Heidelberg va triar mutants amb un defecte en la segmentació o que presentaven un desenvolupament precoç.
Un dels principals problemes d’estudiar amb aquest tipus de mutants es que solen ser letals per tant requereixen un estudi minuciós en els primers estadis del desenvolupament.
Per estudiar-ho de manera fàcil van triar fixar-se en el patró de denticles que presenten les larves, que és diferent per a cada segment, cosa que permetia una ràpida identificació dels segments. A partir d’aquestes investigacions va poder establir tres grans grups en funció de les mutacions trobades. Els gens GAP, els gens pair-rule i els gens de segment polarity.
Els mutants per GAP no presentaven segments contigus de la part mitjana del embrió, els pairrule regulen els segments parells o els senars, i els seus mutants només tenen o senars o parells; i els de segment polarity, que donen polaritat al segment, i que els seus mutants presentaven els segments alterats parcialment.
Els gens d’efecte matern tenen com a paper principal l’activació dels gens zigòtics, primerament activant els gens GAP, que procediran després a activar els gens pair-rule; que quan s’activin promouran l’activació dels gens de segment polarity. Per tant hi ha una cascada de gens.
...

Tags: