Genetyczna regulacja rozwoju

drosophila melanogaster

Szymon Madej grupa 16

Drosophila melanogaster – organizm modelowy

* Rozwój trwa 9 dni (w ciągu 20 h opuszczenie
kapsuły jajowej przez larwę, 8 dni do
przepoczwarzenia)

* ciało dorosłego osobnika składa się z
czternastu segmentów:
- trzech segmentów głowy (C1 – C3)
- trzech segmentów tułowia (T1 – T3)
- ośmiu segmentów odwłoka (A1- A8)

* Drosophila Melanogaster jest źródłem
informacji na temat natury i działania genów
regulujących rozwój

* wiedza oparta na badaniu mutacji owada

Hierarchiczny układ genów

* geny regulatorowe tworzą ścisły
układ hierarchiczny

* Geny wyższej kategorii regulują
ekspresją (aktywność) genów
należących do grup podrzędnych

* Wzajemne oddziaływanie na siebie
genów należących do jednej grupy

*Geny nie mają wpływu na aktywność
genów zlokalizowanych na wyższych
piętrach hierarchicznych

Ogólny podział genów regulujących

rozwój Drosophila Melanogaster- trzy klasy,
podane w kolejności hierarchicznej, różniące
się między sobą organizacją molekularną,
funkcją oraz sposobem działania:

* Geny matczyne (mateczne)

* Geny segmentacji

* Geny homeotyczne

Geny matczyne

* Najwyższa pozycja w układzie
hierarchicznym

*główne zadania:
- wyznaczenie głównych osi jaja
- wykształcenie gradientów wzdłuż osi przód-
-tył oraz góra- dół (wstępny wzór rozwoju)

* Dzieje się to w oogenezie

* Geny te rozpoczynają swoje działanie jeszcze przed zapłodnieniem.

Ich transkrypcja ma miejsce w organizmie samicy, następnie
mRNA zostaje zdeponowane w oocycie

*najważniejsze geny matczyne:

- gen bicoid- wyznacza przedni koniec ciała, jego stężenie

maleje ku tyłowi. Warunkuje prawidłowy rozwój głowy i tułowia

- gen nanos- wyznacza tylną część jaja, stężenie maleje ku

przodowi. Wpływa na poprawny rozwój odwłoku

- gen dorsal- wyznacza część grzbietową jaja

- gen cactus- ustala część brzuszną

- Gen torso- determinuje powstawanie struktur końcowych:

akronu i telsonu

Mutacje genów matczynych

Przykład:
Mutacja genu bicoid powoduje, iż larwa

Drosophila pozbawiona jest części głowowej i
tułowiowej.

Mutacji tej można zaradzić, wstrzykując do

przedniej części zarodka prawidłowego mRNA tego
genu.

Wstrzyknięcie zaś mRNA genu bicoid do tylnej

części zarodka prowadzi do powstania organizmów o
podwójnej zawiązce głowy – z przodu i tyłu.

Geny segmentacji

* Jest ich ponad 20
* Ulegają ekspresji po zapłodnieniu, pod wpływem genów matecznych
* Decydują one o podziale zygoty na szereg powtarzających się

segmentów

* Jak działają?
Najpierw działają geny powodujące podział na 3 duże rejony,

następnie kaskada genów o coraz to bardziej lokalnym, a tym
samym dokładniejszym działaniu.

Geny segmentacji dzielimy na 3 grupy:
- geny ubytku (geny gap)
- geny reguły parzystej (pair rule)
- geny polarności segmentów

Geny ubytku (geny gap)

* jest ich 6: giant, tailless, huckebein, Kruppel, knirps, hunchback

* Nazwa pochodzi od skutków ich mutacji, które powodują

powstawanie „przerwy” (ang. gap) w organizacji larwy

* Ich rolą jest określenie szerokich okolic w organiźmie tj. głowy,

tułowia i odwłoku

* Są aktywowane przez białka syntetyzowane dzięki obecności

genów matecznych
np. gen hunchback jest regulowany
dodatnio przez białko bicoid, tak więc ekspresja tego genu ma
miejsce z przodu jaja i maleje ku tyłowi.

* Wpływają nawzajem na swoją ekspresję poprzez białka,

wyznaczając granice regionów ekspresji
np. białko hunchback
wyznacza terytorium, na którym transkrybowane są inne białka
gap(giant, Kruppel i knirps), a ich rozmieszczenie zależy od jego
stężenia

Geny reguły parzystej (pair rule)

* Jest ich w sumie 8

* dzielimy je na :
- pierwotne geny pair rule – czyli takie, które są pod

kontrolą białek kodowanych przez geny gap (even skipped,
hairy, runt)

- wtórne geny pair rule- będące pod kontrolą trzech

pierwotnych. Należą do nich: fushi-tarazu, odd-paired, odd-
skipped, sloppy-paired, paired

* geny pair rule ulegają ekspresji periodycznie tzn. w strefach

odpowiadających co drugiemu parasegmentowi – jedne w
obszarach parasegmentów parzystych, inne nieparzystych,
skąd wywodzi się ich nazwa

Geny polarności segmentów

* jest ich osiem: engrailed, wingless, cubitus

interrutus, hedgehog, fused, armandillo, patched,
gooseberry

* W tym stadium z syncytium powstają komórki

* odpowiadają za polaryzację 14 segmentów u

Drosophila Melanogaster

* to, gdzie są aktywowane poszczególne geny

polarności segmentów określają białka kodowane
przez geny pair- rule

Mutacje genów segmentacji

Mutacje w obrębie genów:
*

Krüppel- brak wszystkich segmentów głowowych i

tułowiowych 1-5

Even- skipped- brak wszystkich segmentów

parzystych

Knirps – brak parasegmentów 10- 14

Fushi –tarazu – zbyt mała liczba segmentów

Geny homeotyczne

najniższa, choć równie ważna pozycja w układzie

hierarchicznym genów regulujących rozwój Drosophila
Melanogaster

* odpowiadają za specjalizację segmentów i wykształcenie w ich

obrębie charakterystycznych dla nich narządów

* kontrolują tożsamość i położenie segmentów, ale nie wpływają

na ich liczbę, wielkość lub orientację

* u D. Melanogaster zlokalizowane na trzecim chromosomie
* podział na 2 grupy:
- kompleks Antennapedia (ANT- C)
- kompeks bithorax (BX- C)

Charakterystyczne cechy genów homeotycznych

* Zasada kolinearności – zbieżność między kolejnością ułożenia

genów homeotycznych na terenie chromosomu i porządkiem ich
ekspresji w obrębie stref umieszczonych kolejno wzdłuż przednio-
tylnej osi zarodka

* dominacja tylna (supresja fenotypowa)- mechanizm wzajemnej

regulacji ekspresji (hamowanie ekspresji genów aktywnych bliżej
przedniego obszaru zarodka przez produkty genów ulegających
ekspresji w strefach położonych bardziej z tyłu)

* wszystkie g. homeotyczne zawierają sekwencję 180 par zasad –

homeoboks kodujący peptyd zbudowany z 60 aminokwasów

* ekspresja regulowana przez białka kodowane przez geny gap i pair-

rule

Kompleks antennapedia (ANT- C)

obejmuje 5 genów: labial, Deformed, proboscipedia, Sex combs
reduced, Antennapedia

* Ich ekspresja określa przebieg morfogenezy przednich

parasegmentów- do piątego włącznie , determinując struktury
głowy i tułowia

Przykład mutacji w obrębie kompleksu

-mutacja Antennapedia- powoduje , że w zamiast
czułek, na głowie owada wyrastają odnóża

Kompleks bithorax (bx- c)

* tworza go geny: abdominal A, abdominal B
i Ultrabithorax
* komples ten odpowiada za determinację struktury
trzeciego segmentu tułowiowego oraz odwłoka

Przykłady mutacji w obrębie kompleksu:

- Mutacja Bithorax -powoduje powstanie
dodatkowego segmentu tułowiowego zaopatrzonego w

całkowicie

rozwinięte skrzydła