I geni omeotici e il loro ruolo nello sviluppo, Sbobinature di Biologia Dello Sviluppo

Scarica I geni omeotici e il loro ruolo nello sviluppo e più Sbobinature in PDF di Biologia Dello Sviluppo solo su Docsity! LEZIONE N.24 DEL 4 GIUGNO 2020 I GENI OMEOTICI Sono geni che regolano lo sviluppo antero-posteriore dell'embrione. Nella Drosophila i geni omeotici sono organizzati in un singolo locus chiamato Hom-c. Nei mammiferi l'organizzazione segmentale del corpo dell'embrione è simile a quella di Drosophila, ma è meno visibile dall'esterno; i geni omeotici sono distribuiti su quattro diversi locus che prendono il nome di Hox-A, Hox-B, Hox-C ed Hox-D. Nei mammiferi i geni omeotici sono assortiti in vario modo grazie alla duplicazione di un gene ancestore, che si è duplicato sia in cis (sullo stesso cromosoma) sia in trans (ha ricombinato il locus su cromosomi diversi). Le funzioni di alcuni geni sono simili tra loro: ad esempio il gene A1 è funzionalmente e strutturalmente simile ai geni B1 e D1; A2 è strutturalmente simile a D2, ecc (similitudini in verticale tra i singoli geni dei singoli locus, guarda slide n.1, Settimana 9). I geni omeotici strutturalmente e funzionalmente simili sono tra loro paraloghi. Se i geni sono espressi secondo un ordine preciso in direzione 3'-5' lungo il genoma, vengono anche espressi in modo spazialmente coerente lungo l'asse antero-posteriore: ad esempio i geni A1, A2,A3 e A4 sono espressi nei tessuti relativi alle porzioni anteriori dell'embrione; via via che ci si sposta verso destra sul genoma i geni sono espressi spazialmente in direzione antero-posteriore: ad esempio il gene A13 è espresso nella regione posteriore dell'embrione, A11 è espresso in una regione più anteriore di quella di A13 e così via fino ad A1, quello espresso più anteriormente. I geni omeotici sono ordinati nel locus anche in base alla loro espressione temporale: se i geni A1, 2,3 e 4 sono espressi nelle regioni più anteriori dell'embrione, allora dovranno essere espressi prima di A11 e A13 (che invece sono espressi nelle regioni posteriori). Locus Hom-C di Drosophila: ci sono 8 geni omeotici allineati in ordine; i geni a sinistra vengono espressi prima di quelli a destra; inoltre l'ordine con cui vengono espressi coincide con l'ordine con cui compaiono lungo l'asse antero-posteriore dell'embrione. Il gene A13 nei mammiferi può essere espresso in direzione 5'-3': l'ordine di espressione 5'-3' vale per tutti i geni di Hox-A tranne che per A1. Poiché i geni devono essere espressi con uno specifico ordine spaziale e temporale e poiché esiste un fenomeno tipico delle RNA-pol che possono commettere l'errore di trascrivere troppo a lungo, la trascrizione 5'-3' è fondamentale per impedire errori nella morfogenesi. Esempio: il gene A1 viene espresso per primo e in un segmento molto anteriore; il gene A2 viene espresso dopo e in un segmento più posteriore di A1, ma se per errore la polimerasi trascrive anche A1 non fa niente: il gene A1 è espresso con un gradiente di concentrazione. L'elemento che attiva l'espressione differenziale nel tempo e nello spazio dei geni omeotici è l'acido retinoico: questo composto è espresso secondo un gradiente postero-anteriore (molto concentrato nelle regioni posteriori). I promotori dei geni omeotici hanno una capacità di risposta all'acido retinoico inversamente proporzionale alla concentrazione di questo composto: i geni che si trovano espressi nella regione anteriore dell'embrione (i geni espressi precocemente) hanno un'alta affinità per l'acido retinoico (possono percepire anche piccole concentrazioni di questo composto), mentre i geni tardivi espressi posteriormente hanno dei promotori meno sensibili all'acido retinoico. Parabola dell'ubriacone (è tutta un'idea del prof): un astemio può ubriacarsi anche con un dito di vino, mentre ad un alcolista ne serve una quantità più grande. I promotori dei geni omeotici che si esprimono precocemente e nelle regioni più anteriori sono "astemi", quindi rispondono anche a piccolissime concentrazioni di acido retinoico; al contrario, i promotori dei geni espressi tardivamente nelle regioni posteriori hanno bisogno dd alte concentrazioni di acido retinoico. Esempio: i geni paraloghi B8, C8 e D8 vengono espressi nello stesso momento dello sviluppo e nella stessa regione segmentale del corpo in risposta di una specifica concentrazione di acido retinoico. Tuttavia l'espressione dei geni omeotici è mantenuta lungo l'asse antero-posteriore secondo un gradiente di espressione: quindi nel segmento del corpo preso in esame verranno espressi ad alte concentrazioni i geni B8,C8 e D8, non ci sarà espressione del gene del segmento 9 (viene espresso più tardivamente) ma c'è una medio-alta concentrazione del gene B7, poi una concentrazione più bassa di B6 e così via fino ad una minima concentrazione del gene B1 che viene espresso nella regione anteriore. In sintesi, nel segmento 8 i singoli geni sono tutti espressi ma ciascuno con una sua particolare concentrazione e con una sua particolare compagnia di geni paraloghi. Il quadro di cascata genica che si attiva è quello che da il via alla specifica morfogenesi di un segmento. Immagine destra, slide n.1, Settimana 9: è un knock-out, un topolino senza il gene Hoxa 3. Nel segmento 3 dovrebbero essere espressi ad alte concentrazioni i paraloghi A3, B3 e D3, i geni A2 e B2 espressi in minor quantità e i geni A1, B1 e D1 espressi in quantità minime. Se blocchiamo l'espressione del gene A3, il fenotipo può essere mantenuto grazie ai paraloghi B3 e D3 e vengono espressi anche gli altri geni che abbiamo nominato; sapendo questo possiamo immaginare quale fenotipo si mostra in un animale in cui è stata fatta la deplezione di un singolo gene. Nell'immagine possiamo vedere i 4 archi branchiali del wild type, mentre nel knock-out si formano 3 archi di cui il terzo è allargato: questo dimostrò che l'espressione del gene A3 è fondamentale per una corretta morfogenesi dell'arco branchiale numero 4; il segmento 4 non scompare ma diventa simile al segmento precedente. slide n.3: ogni rettangolo rappresenta un segmento dell'embrione; questi rettangoli sono disposti in ordine antero-posteriore. nel segmento 1, quello più anteriore, viene espresso A1 (il promotore di questo gene è molto sensibile a piccole concentrazioni di acido retinoico presenti nella regione). L'espressione di A1 perdura anche nei segmenti 2 e 3 ma in concentrazioni più basse. Nel segmento 2 non c'è espressione del gene A3, c'è una bassa espressione di A1 ed un'alta espressione di A2. Infine nel segmento 3 c'è un'alta espressione di A3, una moderata espressione di A2 e una bassa espressione di A1. Se eliminiamo il gene A2 cosa succede: il segmento 2 che viene a formarsi sarà fenotipicamente simile al segmento 1 (non è identico perché c'è l'espressione dei paraloghi di A2). Se facciamo il KO di un singolo gene omeotico otteniamo un fenotipo anteriorizzante.