343o Axial Em Drosophila

8/8/2019 343o Axial Em Drosophila

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A gentica de especificao axial emA gentica de especificao axial emDrosophilaDrosophila

Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia Campus Jequi

Departamento de Cincias BiolgicasBiologia Molecular

Ana Karina de Francisco1


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INCIO DO DESENVOLVIMENTO

Drosophila inicia seu desenvolvimento por um sinccio (uma srie de divisesnucleares, sem diviso celular) at o ciclo 13 da divises.

Aps ciclo 14 aumenta taxa de transcrio e comea gastrulao.

Primeira 9 divises

13 divises forma o das

membranas plasmticas


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Na gastrulao clulas do interior se dobram para formar o intestino, musculatura

e tecidos internos associados. Mais tarde, clulas do exterior se invaginam para

formar sistema nervoso central.



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At 2 horas blastoderma sincicial, semdiviso visvel, mas com futuras regies de

segmentao

5-8 horas

gastrulao,

segmentao

comea a ser

visvel

10 horas eixoe segmentos

definidos


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VISO PANORMICA

Comparao entre

segmentao larval eadulta

em Drosophila. Os trs

segmentos torcicos

podem ser distinguidos

por seus apndices: T1(protorcico) somente

tem patas; T2

(mesotorcico)

tem asas e patas; T3

(metatorcico) temhalteres e patas.


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Cascata de eventos regulatrios no

desenvolvimento embrionrio deDrosophila


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MORFGENOS

so indutores de longo alcance que exercem efeitosgraduados

Fatores de transcrio ou protenas sinalizadoras, cujo gradiente deconcentrao afeta o desenvolvimento da regio ao redor.

Mecanismo geral de diversidade celular no desenvolvimento animal. Os gradientes do morfgeno geram tipos celulares diferentes em

ordem espacial distinta.

expresso de diferentes genes de acordo com as concentraes domorfgeno.

As clulas longe da origem do morfgeno vo expressar genesestimulados por nveis baixos de concentrao enquanto as clulasprximas estaro expostas a altas concentraes e expressaro genessensveis a nveis altos de morfgenos.

Tipos celulares distintos surgem em conseqncia de combinaesdiferentes de expresso de certos genes.

Relacionam-se ao efeito materno.


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Como o gradiente de concentrao estabelecido?

1. Localizao especfica do RNAm no ovo abundncia relativa de protenas na regio

MORFGENOS

2. Distribuio assimtrica da protena transporte para regies especficas da clulaou remoo em outras regies por degradaoseletiva


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O padro dos eixos de Drosophila so definidos antes da fertilizao por troca

de sinais entre ocitos e clulas no fertilizadas do ovrio

ORIGENS DA POLARIDADE ANTERO-POSTERIOR

O padro estabelecido porgenes de efeito

materno que formam gradientes e regies de

protenas morfognicas. Esses determinantes

morfognicos criam um gradiente da protena

Hunchback que ativa diferencialmente os

genes gap que e nem err r os amp os o

embrio. Os genes gap permitem a expresso

de genes pair-rule cada qual dividindo o

embrio em regies de largura aproximada

equivalente a dois segmentos primordiais. Os

genes da polaridade segmentar dividem o

embrio em unidades de tamanho segmentar

ao longo do eixo ntero-posterior. A

combinao desses genes define os domnios

espaciais dos genes hometicos que definem

as identidades de cada segmento


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Padro de segmentao A/P Efeito materno: RNAm bicoid(bcd) no plo anterior e

RNAm do nanos (nos) e de caudalno posterior;

Cascata de eventos regulatrios no

desenvolvimento embrionrio de Drosophila

Traduo na embriognese inicial = gradiente A/P daprotena bcd;

Bicoid estimula traduo do RNAm hb-m (hunchback

materno); nos reprime a traduo do HBM;

Hunchback leva ao desenvolvimento da cabea e

trax.


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Os genes de efeito materno

Modelo Molecular: Gradientes Proticos no Embrio Precoce

Produto de expresso dos genes exuperatina e swallow formam microtbulos onde

mRNA bicoidfica amarrado.

Gene bicoid no traduzido porque possui cauda poli (A) pequena, na fecundao, 3

protenas estendem esta cauda.

protena Bicoid se liga a intensificadores do genes hunchbackestimulando suatranscrio.


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Traduo do gene nanos suprimida por Smaug que se liga na 5 UTR, na fertilizao

Oskar ativa traduo de nanos.

Protena Nanos e Pumilo impedem traduo do gene hunchback no plo posterior


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Os genes de efeito materno:

Protena Bicoid Constitui o Centro de Organizao Anterior

RNAm de bicoide nanos ficam ancorados ao citoesqueleto por suas 3 UTR.


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Protena Bicoid Constitui o Centro de Organizao Anterior

Como o gradiente da protenaComo o gradiente da protena BicoidBicoid determina o eixodetermina o eixo anteroantero--posteriorposterior??

1. Homeodomnio de Bicoid se liga a 3UTR do gene caudal, impedindo suatraduo. Caudal no permite a formao de cabea e trax, assim

Bicoid reprime a formao de partes posteriores no plo anterior.

2. Bicoid se liga 5 stios do promotor do gene hunchbackcom consenso

TCTAATCC e ativa sua transcrio, quando est em baixas

concentraes. Protena Hunchback reprime traduo de genes

abdominais.

3. Altas concentraes de Bicoid ativam genes gap de cabea (possuemstio de ligao de baixa afinidade a Bicoid, por isso necessita de grandes

quantidades da protena para ser ativado). Esse genes so: buttonhead

bth, empty espiracles sem, orthodenticle otd. Hunchback atua

sinergisticamente com Bicoid para ativar esses genes.


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O Centro de Organizao Posterior

Protenas Nanos e Caudal iniciam determinao do plo posterior

RNAm de nanos , porduzido por clulas do ovrio, se liga regio

posterior do ocito pela ao dos produtos gncios de oskar, valois,

vasa, satufen e tudor.

Nanos bloqueia a expresso do gene hunchback, os quais, se

presentes, suprimem a expresso dos genes gap de abdmem.

Para reprimir a expresso de hb Nanos se liga protena Pumilo, a

qual est ligada regio 3 UTR do gene hb.


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O Grupo Gene Terminal

criam as extremidades (ncron e

telson.

Gene torso, secretado por clulasovarianas, ativado pela protena

Torsolike, produzida por clulas

foliculares.

Gene torso codifica tirosinaquinase, a qual ativa as protenas

Ras e Raf, que ativam a cascata

MAP, que produz fatores de

transcrio para os gene gap:

tailles e huckebein, os quaisespecificam as regies terminais.

Na ausncia de BC h

especificao de telson e , na

presena, de ncron.


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Os genes da segmentao:

Viso panormica

A especificao do destino celular responde

sinais ambientais. Aps a especificao, as

clulas sofrem determinao, um passoirreversvel, mediado pelos genes degenes de

segmentao.segmentao.

com os parassegmentosparassegmentos (anterior de umsegmento e posterior de outro segmento)

No embrio de 9 horas cada limite de

segmento representa o centro de um

parassegmento (pares P-A emparassegmentos). Mais tarde, formam pares

A-P em segmentos.


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So os primeiros genes de efeito zigtico que atuam no embrio.

Os genes de segmentao dividem o embrio em primrdios segmentares e esto

divididos em trs classes:

GenesGenes gapgap realiza transio de gradiente de morfgenos para embrio com unidades

(formao dos principais segmentos corporais no refinados e estrutura da cabea e


Viso panormica

cauda); so ativados ou reprimidos por genes de efeito materno.

GenesGenes PairPair--rulerule subdivide domnios dos genes gap em parasegmentos (7),

determinando periodicidade dos segmentos; so controlados pela interao de

protenas Gap;

GenesGenes dede polaridadepolaridade segmentarsegmentar - manuteno de estruturas repetitivas dentro de

cada segmento (14), so controlados pelos pair-rule


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Padro de segmentao A/P (cerca de 25 genes)

Genes cardinais: Gap ativados em partes diferentes do embrio emresposta ao gradiente A/P dos fatores BCD e HBM;

Genespair-rule ativados em resposta aos Gap;


Viso panormica

Os pair-rule ativam genes de polarizao do segmento (refinamento);

Mutaes em Gap = ausncia de segmentos inteiros

Mutaes em pair-rule = ausncia de segmentos pares ou mpares

Mutaes em genes de polaridade de segmento deletam parte do

segmento e o substituem por uma imagem em espelho de parte ou todo o

segmento


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Viso panormica

Estes genes se expressam um aps o outro.

Interao de gap e pair-rule regula genes hometicos ea constelao nica dos produtos destes trs genes

determina identidade individual dos segmentos.


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Viso panormica


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Genes gap (protenas reguladoras de transcrio)

Uma combinao de protenas regulatrias

maternas, gap epair-rule fazem associaes

combinatrias para especificar o padro de

expresso em uma determinada regio do embrio.

Ao final do ciclo 12 h altos nveis de expresso de

Hunchback somente na parte anterior. Forma um

gra en e por n c eos. oncen ra o e unc ac

e de Bicoid ativam transcrio dos genes gap.

No embrio dividido em 4 bandas, na primeira temos

Hunchback que foi ativada por Bicoid e Giant

ativada por Hunchback. Na prxima, temos Krppel

ativada por baixos nveis de Hunchbak e, nas outrasduas, temos Knirps e Giant que so reprimidas por

Hunchback, mas nessa regio no tem Hunchback

porque sua expresso foi reprimida por Nanos.


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Genes gap

Altos nveis da protena Hunchback induzem a

expresso de giant. Krppel regulada

negativamente no anterior por Hunchback, e noposterior por Knirps e Tailless. Assim tambm

Krppel pode determinar os limites posteriores da

transcrio de giant e hunchback.

Krppel liga-se regio promotora do genehunchback (que ele inibe) e regio promotora do

gene knirps (que ele estimula). A regio promotora

de knirps tambm reconhecida Tailless, que inibe

a transcrio de knirps. A protena Hunchback

(alm de reconhecer o promotor de krppel)tambm reconhece seu prprio promotor,

sugerindo que hunchback est envolvido na

regulao de sua prpria expresso


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Genes pair-rule

Determinam um padro faixa de zebra com 15 subunidades (parassegmentos),

sendo cada um determinado por um grupo de pair-rule que se distingue do outro.

genes pair-rule primrios: hairy, even-skipped e runt so essenciais para a

formao do padro peridico e so diretamente controlados pelas protenas Gap.

- -

contm seis stios para a protena Krppel, trs para Hunchback e cinco para Bicoid.

A segunda faixa even-skipped reprimida tanto pelas protenas Giant como Krppel

e ativada pela protena Hunchback, em baixas concentraes de Bicoid. A regio

responsvel pela terceira faixa de transcrio even-skipped contm 20 stios de

ligao Hunchback e nenhum stio para a protena Krppel


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Genes pair-rule


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Genes pair-rule

H uma combinao diferente de protenas para a ativar a transcrio de even

em cada faixa de segmento e outra combinao para reprimir.


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Genes pair-rule

A expresso dos genes primrios inibem ou reprimem a expresso dos genes

secundrios pair-rule.

fushi tarazuest em toda regio segmentada de blastoderma at gstrula.

No entanto medida ue as rotenas dos enes air-rule rimrios come am a

interagir com o promotorftz, o gene ftz reprimido em certas faixas de ncleos para

criar as regies inter-faixas. Nesse perodo, a protena Ftz interage com seu prprio

promotor para estimular mais transcrio do gene ftz.


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Genes pair-rule


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Genes de polaridade segmentar

At aqui aconteceram interaes moleculares no embrio sincicial. Agora

sero interaes celulares mediadas pelos genes de polaridade segmentar, os

quais reforam a periodicidade segmentar e determinam os destinos celulares


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Genes de polaridade segmentar

Padro de expresso de engrailedse mantm

at o adulto


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Genes de seleo hometica

Genes hometicos determinam a especificao dos segmentos e so

expressos de uma maneira restrita aos parassegmentos.

Esto em duas regies do cromossomo 3 da Drosophila:

1. o complexo Antennapedia, contm os genes hometicos labial (lab) e

Deformed (Dfd) que especificam os segmentos da cabea, Antennapedia

(Antp) e Sex comb reduced (Scr) que contribuem para dar identidade aos

, ,

palpos labiais da boca em patas.

2. complexo bithorax, Ultrabithorax (Ubx), que necessrio para a

identidade do terceiro segmento torcico, e abdominal A (abdA) e

Abdominal B (AbdB), que so responsveis pelas identidades dos

segmentos abdominais.

A regio do cromossomo contendo tanto o complexo Antennapedia como o

complexo bithorax freqentemente referida como o complexo

hometico (Hom-C).


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Os 8 genes hometicos possuem uma

regio de similaridade no DNA

denominada homeobox que codifica o

homeodomnio de 60 aa.



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H relao entre a ordem

gentica e a posio

onde os genes so

expressos no corpo.

A formao de um

compartimento requer os

produtos gnicos do

compartimento anterior.

Mutaes de perda de

funo determinam que

um compartimento tenha

o fentipo do

compartimento anterior



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Complexo BX-C

apresenta um padro

complexo de interaes

cis- atuantes.

Ubx possui padres

alternativos de splicing

concentrao em T3 e A1e em menor concetrao

no segmentos

subsequentes. Ubx e

abdA determinam de A2 a

A4 e Ubx, abdA e abdBdeterminam A5 a A8.


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Ultrabithorax (Btx) homeotic

mutant in Drosophila -

terceiro segmento torcico

(T3) transformado em cpia

do segundo segmento torcico(T2)

Mutantes de Drosophila

Antennapedia (Ant) homeoticmutant in Drosophila -

converso de antenas em patas

Padres de expresso dos genes Hometicos


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Padres de expresso dos genes Hometicos

A iniciao influenciada pelos genes gap e pair-rule p. ex.1. a expresso dos genes abdA e AbdB reprimida pelas protenas Hunchback e

Krppel, impedindo ativao desses genes de abdomem na cabea e no trax

2. o gene Ultrabithorax ativado por certos nveis da protena Hunchback, fazendo

com que seja originalmente transcrito em uma larga banda no meio do embrio

3. a protena Gap Krppel ativa a transcrio de Antennapedia

A manuteno influenciada pelos prprios genes hometicos, a expresso de cada

um regulada negativamente por todos os produtos de genes hometicos posteriores a

, . .

1. cada um dos genes do complexo bithorax reprime a expresso de Antennapedia, seUltrabithoraxfor deletado, Antp se estende atravs da regio que normalmente teria

expresso Ubx e pra onde a regio Abd comea, permitindo que o terceiro

segmento torcico forme asas tal como o segundo segmento torcico

As protenas Gap e Pair-rule so transitrias, assim, uma vez que os padres detranscrio dos genes hometicos estiverem estabilizados, eles so presos nos seus

lugares por alteraes na conformao da cromatina nesses genes. A represso dos

genes hometicos parece ser mantida pela famlia de protenas Polycomb, enquanto a

estrutura ativa da cromatina parece ser mantida pela protena trithorax.

Silenciamento de Hox genes - Polycomb


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No ncio do desenvolvimento embrionrio de Drosophila,

repressores da transcrio codificados por genes Gap previnem a

expresso de certas combinaes dos genes Hox em cada

segmento.

Durante o restante do desenvolvimento, aqueles genes Hox que

Silenciamento de Hox genes Polycomb

foram reprimidos em cada segmento permanecem desligados nasclulas descendentes, embora os repressores Gap j no estejam

presentes.

Esse fenmeno de silenciamento herdado depende de protenas dogrupo Polycomb (PcG) e de cis-elementos responsivos Polycomb

(PREs) nos locos do gene Hox.

Silenciamento de Hox genes - Polycomb


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As protenas Polycomb controlam a expresso dos genes Hoxpormeio de alterao na conformao da cromatina, bloqueando a

ligao dos fatores de transcrio. Elas se renem no nos stios de

um gene e forma complexos multiproteicos que modificam a

cromatina e promovem o silenciamento gnico.

As funes das protenas Pc-G no esto associadas com o DNA

mas com outras protenas, especialmente histonas. O silenciamento

Silenciamento de Hox genes Polycomb

da expresso gnica mudou da abordagem DNA-protena para uma

nfase na interao protena-protena e modificaes da estrutura

da cromatina.

As protenas Trithorax atuam como ativadores de transcrio e

revertem os bloqueios inativando protenas Polycomb. Elasremovem o bloco colocado por uma srie de protenas inativadoras

sobre a regio de expresso do gene).

Genes realizadores


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Genes realizadores

Os produtos dos genes homeoboxhomeobox (protenas homeodomnios) regulam a

expresso de outros genes ligando-se aos elementos intensificadores dos

mesmos, p. ex.

1. Antennapedia reprime a expresso do gene salm que pode ser crtica para a

formao de tecido das patas, em lugar de tecido antenal, dos discosimaginais torcicos.

2. o gene Distal-less necessrio para o desenvolvimento dos membros e

ativo somente no trax; sua expresso reprimida no abdomem, por uma

-

e bloquear a transcrio.

Isso apresenta um paradoxo, j que ambos, o parasegmento 5 (inteiramente

torcico e produtor de patas) e o parasegmento 6 (que inclui a maior parte do

primeiro segmento abdominal livre de patas) expressam Ultrabithorax.

Como podemComo podem dois segmentos to diferentes serem especificados pelodois segmentos to diferentes serem especificados pelo

mesmo gene?mesmo gene?

Genes realizadores


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Genes realizadores

Os Elementos Cis-Reguladores e o Complexo Bithorax


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g p

As diferenas temporais e espaciais na expresso de Ubxentre os parasegmentos 5

e 6 sugerem que Ubx regulado por diferentes elementos reguladores.

O elemento

regulador

bithorax para

Ubx, contm um

intensificador

que liga as

protenas

codificadas

pelos genes de

segmentao:

tailless, fushi

tarazu e

hunchback


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Homologia da funo dos Homeobox


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Grupos ortlogos de Hox

Homeodomnios


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Homeodomnios

Co-fatores para os Genes Hom-C


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Co fatores para os Genes Hom C

Os genes hoemticos podem requerer alguma ajuda para especificar o

destino segmentar. Os stios ligantes de DNA reconhecveis pelos

homeodomnios das protenas Hom-C so muito semelhantes, e h alguma

superposio em suas especificidades de ligao. O produto de alguns genes

interage com vrias protenas Hom-C e pode ajudar na especificao de

identidades segmentais. Por exemplo, a protena Ubx responsvel pelaespecificao da identidade do primeiro segmento abdominal (A1); sem a

protena Extradenticle, ela ir transformar esse segmento em A3. Parece que

a protena Extradenticle pode dimerizar com a protena Ubx no intensificador

de um gene de alvo.

A GERAO DA POLARIDADE DORSOVENTRAL EM


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Mecanismo diferente do A/P

Gene dorsal (dl) codifica um nico morfgeno (protena DL = FT)

cujo gradiente forma-se sobre um campo de clulas e no sinccio;

RNAm de dlest distribudo uniformemente no embrio inicial;

RNAm de dl produzido por clulas ovarianas e s traduzido

DROSOPHILA

aps 90 minutos da fecundao

RNAm de dlmigra do citoplasma para o ncleo somente das

clulas da superfcie ventral. Essa especificidade mantida por

genes de efeito materno como cactus.

RNAm de dlpenetra no ncleo e ativa genes ventralizantes (snail e

twisted) e reprime genes dorsalizantes (decapentaplegic e zerknllt)

sem Dorsal todas as clulas so especificadas como dorsais



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DROSOPHILA



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Por que a polaridade dos microtbulos no sentiido A/P?

Por que o ligante SPZ s produzido na regio ventral?

RNAm do gene grk codificado somente pelo ncleo do ovcito

determina os eixos A/P e D/V das clulas

DROSOPHILA

Ovcito migra para um dos lados do embrio e determina umgradiente de GRK;

GRK se liga EGFR (membrana celular de cls. foliculares)

reorientao dos microtbulos e deslocamento do ncleo do ovcito

para o plo anterior

Cls. Foliculares anteriores expostas a altos nveis de EGF tornam-

se dorsais e impedem a ativao de SPZ.



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Como produzido o gradiente de DL ativa?

A DL inativa est ligada CACT (gene cactus) no citoplasma;

Na poro ventral, outros genes D/V de efeito materno (ovcito e

folculos) se expressam e ativam o ligante SPZ (produto do gene

DROSOPHILA

spaetzle regio ventral);

SPZ se liga ao TOLL (gene Toll) presente em todo o citoplasma do

ovcito;

Complexo SPZ-TOLL age como transdutor de sinal, fosforilando a

DL inativa e liberando-a do CACT;

A DL ativa atua como FT sobre genes cardinais D/V = determinam o

ventre.



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DROSOPHILA

twist, snail e rhomboid so transcritos somente nos

ncleos da clulas ventrais que receberam altas

concentraes da protena Dorsal, pois esses

intensificadores no se ligam protena Dorsal com altaafinidade.

A protena Twist ativa genes mesodrmicos, enquanto a protena Snail reprime genes

no-mesodrmicos. O gene rhomboid ativado por Dorsal mas reprimido por Snail.

Rhomboid no encontrada nas clulas mais ventrais (mesoderma), mas expressanas clulas adjacentes ao mesoderma que formam o neuroectoderma presuntivo

A GERAO DA POLARIDADE DORSOVENTRAL EM DROSOPHILA


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A GERAO DA POLARIDADE DORSOVENTRAL EMDROSOPHILA


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DROSOPHILA

Em embries tipo selvagem, os

precursores mesodrmicos

expressam twisttwist ee snailsnail (mas no zen

e dpp); precursores da epiderme

dorsal e da amnioserosa expressam

zenzen ee dppdpp, mas no twist ou snail;

expressam somente snail; enquanto

os precursores neuroectodrmicos

laterais no expressam qualquer um

desses quatro genes.

Em conseqncia das respostas ao

gradiente da protena Dorsal, o eixofica subdividido em mesoderma,

mesectoderma, ectoderma

neurognico, epiderme e

amnioserosa.

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