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Em Drosophila 24 genes determinam as estruturas terminais 18 genes determinam o eixo D-V 50 genes determinam o eixo A-P e o padrão de segmentação

Estágio sincicial: difusão (proteínas e mRNAs) Determinação inicial de eixos ântero-posterior e dorso-ventral no blastoderme 3ª dimensão após gastrulação

Informação posicional: gradiente de fatores

Fatores maternos

~50 genes maternos +

Genes zigóticos

Proteínas ou mRNAs

Iniciado o desenvolvimento as

mensagens maternas são traduzidas e as proteínas ativam ou

modulam a transcrição zigótica

Estes genes agem seqüencialmente em uma ordem temporalmente regulada e respeitando uma hierarquia de atividade (cascata).

Descobertos a partir de mutações 3 classes determinam o A-P

Anteriores e posteriores: bicoid, nanos, hunchback e caudal Terminal: torso

Modulação da transcrição, tradução e atividade protéica

bicoid Gradiente A/P mRNA localizado na porção anterior Tradução após a fecundação Difusão da proteína Bicoid Mutantes sem bicoid sem cabeça/tórax ou até com télson no lugar do ácron 1º gradiente morfogênico detectado Difusão e degradação de bicoid para formar o gradiente correto ½ vida de 30 min Fator de transcrição Ativa genes em limiares de []

Experimentos de extravasamento e transferência

citoplasmática

caudal, hunchback e nanos

bicoid padroniza somente porção anterior Posterior é padronizada por pelo menos 9 genes Mutações larvas curtas, abdome anormal. oskar localiza nanos mRNA + plasma germinativo nanos é traduzido após fecundação nanos não é um morfógeno direto Inibição gradiente da tradução de hunchback caudal distribuição uniforme Tradução inibida por bicoid

(A) Oocyte mRNAs

c o

hunchback mRNA ~---------7-------------~

-bicoid mRNA

\ Anterior

~caudal j' mRNA

nanos­mRNA

Posterior

(B) Early cleavage embryo proteins

c o ·-.... e<:$ ;...... .... c: v u c o u

Anterior

/ Hunchback

Caudal ____

Posterior

(C)

ANTERIOR

bicoid mRNA

Cortex, Grauzone, Staufen caudalmRNA

I Bicoid protein ~-I ----~

POSTERIOR

I nanos mRNA I ! Oskar

I Caudal proteinf

hunchback mRNA

I Nanos ~----------~ protein Pumilio

p55 Hunchback protein

torso

Mutações levam a defeitos nas duas extremidades

Codifica um receptor transmembrânico TK

mRNA materno transcrito após fecundação

Uniformemente distribuído na membrana do ovo

Seu ligante é um fragmento de Trunk (Ou Torso-like)

>[ ] de ligante nos pólos

Ligados ao ligante tem sua atividade de quinase

acionada

Fosforilando proteínas citoplasmáticas e ativando a

transcrição zigótica relacionada às extremidades

Huckebein Tailless

Eixo dorso-ventral Proteínas maternas na membrana vitelínica do ovo

toll: mRNA materno traduzido depois da fecundação Receptor transmembrânico Ligante: fragmento de Spätzle Produzido por Pipe Heparan-sulfato-sulfotransf. Dorsal: fator de transcrição (materno)

Spätzle Spätzle fragmento Toll Dorsal

Pipe

Ativada na região ventral

limiar de concentração acima do qual o gene decapentaplegic é reprimido

o

Tipo selvagem

o

v

limiar de concentração acima do qual o gene twist é ativado

, , , ,

-­v -----

, , ,

v

• I

I , I ,

proteína Dorsal no núdeo

limiar de concentração acima do qual o gene decapentaplegic é reprimido

o

Ventralizado

o

v

limiar de concentração acima do qual o gene twist é ativado

, , , ,

v -----

, ,

v

• I

proteína Dorsal no núdeo

Decapentaplegic é expressa na região dorsal, onde a Dorsal não está presente nos núcleos

• Proteína Dorsal D decapentaplegic, tolloid D sog

A atividade da Dpp é impedida de estender-se ventralmente pela Sog

Dpp, Sog e Tld interagem resultando em um pico pronunciado da atividade da Dpp nas células mais dorsais

, ______ Atividade da

Ãmnio-serosa

Ectoderme dorsa(

Dpp

Sog liga-se à Dpp e à Tld na região de sobreposição de gradientes

Drosophil I

A

NE

• I 1'1 G~h • ~

~~t2 • md

Verte rra e

Oogênese e os fatores maternos

Ao sair do ovário o ovo é muito bem organizado (programado)

Divisões assimétricas das células-tronco

1 célula-tronco

Citoblasto

1 oócito

15 células nutridoras (unidas por junções comunicantes)

Células foliculares : componentes da membrana vitelínica e do córion

Posicionamento posterior do oócito Delta-notch Caderinas E

Propagação ???? Como o primeiro oócito polariza-se???

•Gurken: fator de crescimento

•mRNA traduzido na

extremidade posterior e

secretado

•Indução de células foliculares

posteriores

•Produção de um sinal (?) que

re-organiza os microtúbulos e

posiciona nanos e bicoid

(originários das nutridoras).

localização do mRNA de gurken localização do mRNA de bicoid localização do mRNA de oskar

Torso Torso

Pipe

Anterior

Uncommitted polar follicle cells

(B)

(C)

(D)

Anterior

bicoidmRNA

Nucleus Gurken

bicoid mRNA

Microtubules

association with kinesin I

association with Oskar protein

Posterior

Terminal foi lide cells

Gurken protein

Sinais intercelulares comuns utilizados na Drosophila

Família e exemplos Receptores Exemplos de funções no desenvolvimento

Família Hedgehog

Hedgehog Patched Padronização de segmentos de insetos Sinalização posicional em discos de pata

e de asa de insetos

Família Wingless (Wnt)

Wingless e outras proteínas Wnt Friuled Especificação de segmentos e e de discos imaginais de insetos (Wingless)

Outras Wnts têm funções no desenvolvimento

Delta e Serrate

Proteínas transmembrânicas Notch Funções em muitos estágios do desenvolvimento de sinalização Especificação da polaridade do oócito

Família do fator de crescimento transformante a (TGF-a)

Gurken, Spitz, Vein Receptor EGF (tirosino-quinase receptora) Polarização do oócito Somente um na Drosophila conhecido Desenvolvimento do olho, diferenciação como DER ou Torpedo de veias da asa (ver Capítulo 9)

Família do fator de crescimento transformante Jl. (TGF-(3)

Decapentaplegic Receptores atuam como heterodímeros Padronização do eixo dorsoventral de subunidades de tipo I (p. ex., e de discos imaginais Thick veins) e tipo 11 (p. ex., Punt) Serino/treonino-quinases

Família do fator de crescimento de fibroblastos (FGF)

Um pequeno número de Receptores FGF (tirosino-quinases receptoras) Migração de células traqueais homólogos de FGF Dois na Drosophila, por exemplo, Breathless (ver Capítulo 9) (p. ex., Branchless)

Segmentação: Genes Gap Pair-Rule Genes de segmentação

Genes Gap

Forte interação repressora mútua

Genes Pair-Rule

(A) lnitiation by products o f pair-rule genes

Eve

Anterior

Cells:

(B) lnteraction berween engrailed and wingless

Eve

- - ----- - One segment--------: Anterior Posterior

• Ftz

engrailed competent

wingless competent

wgrailed competent

Diffusion o f Wingless protein

• •

Posterior

( Armadillo)

Transcription ~ of nrgrai/ed, hedgthog

. . .

Genes de segmentação

Anterior

3'

complexo Antennapedia

lab labial pb proboscidea Dfd deformed Ser Sex combs reduced Anrp Antennapedia

complexo bithorax

Ubx Ultrabithorax abd-A abdominal-A Abd-8 Abdominal-8

Posterior

s

~blJb~rn cortiplt-Â

Ubx nbdA AbdB

Parassegmento

5

n T2 n Segmentos

Tipo selvagem

A2 A3 A4 AS

Abdominal-8 abdominal-A

Ultrabíthorax

Ultrabíthorax, abdominal-A, e Abdominal-8 ausentes

4 4 4

J2 n T2

............. . . t··················: . . . .

r· ••• ···-,;.__,--~--~ . . . : . •. •.... . .... . •......•...•.•....•.••..•••

Ultrabithorax reposto

6 6 6 6 6 14

A1 A1 A1 • A1 "A1 .. A1 A9

, ..... -- ...................... : . . . .

Ultrabithorax e abdominal-A repostos

,. ............................... ·: . .

--- :---li Somente Ultrabithorax ausente

4 7 8 9 10 11 12 13 14 ~

A2 A3 A4 AS A6 A7

I ...----.---,1 , •••••.•. .L_ ______ ~

. . : ....... -- .. ........................ . ........... ----....... .. ... .

FGF8 + Ácido Retinóico regulam padronização e propagação Padronização ântero-posterior precoce Valor posicional (Identidade Posicional) Adquirido precocemente também!!

Genes Hox Superfamília Homeobox Fatores de transcrição 4 agrupamentos em vertebrados

a4

genes Hox a9 b9

aJO a11 b4

d4 c5 c6 cB c9 elO c11

d71d12 mesoderme --,....-- d9d10 C1 T1 DDDDDDDDDDDDDD······

b4 a4 =======::j

c4 c5 c6

•••••••••• bl

cB dB

a9

c9

genes Hox

C=cervical T=torácica L=lombar S=sacral Ca=caudal

51 Ca1 ••••••• •• vértebras

somitos

vértebras Ca1

d9 d10 d11d12 =======~ mesoderme

Chick Mo use

Transformação homeótica

Tipo selvagem

T2

T3 balanóm

~: Mutante bithorax

T2 asa

T3 compartimento anterior transformado

Diferenças na determinação de eixos entre insetos

Germe Longo vs. Germe curto

Insetos parasitas (Himenóptera, Encyrtidae, Dryinidae, Platygasteridae e Braconidae) Poliembrionia ~400 células Padronização de eixos autônoma

The evolution of dorsal-ventral patterning mechanisms in insects Jeremy A. Lynch and Siegfried Roth

Genes Dev. 2011 25: 107-118 Access the most recent version at doi:10.1101/gad.2010711