Formacin del Patrn Corporal en Drosophila melanogaster

1
Formación del Patrón Corporal en Drosophila
melanogaster

• - Mas compleja que el gusano C. elegans
• - Mas paralelismos con el plan corporal en
  humanos
• - 14.000 genes (19.000 en C. elegans)

- Mas DNA no codificante por gen - Muchos de
los genes que especifican el plan corporal
en D.m son los mismos en animales superiores,
incluyendo humanos
2
SINCISIO

• - Final
• Gastrulacion
• Inicia
• Segmentación

- Segmentación completa
Patrones de Expresión Génica

• 3 Segmentos toráxicos
• 8-9 segmentos abdominales

3
SINCISIO ? ? ?
BLASTODERMO CELULAR
Desarrollo depende de productos génicos
maternales

• Genes de Polaridad ANTERO-POSTERIOR en el huevo
  (maternales) Morfogenos (regulan expresión
  génica de acuerdo a la concentración)
• Bicoid anterior
• Nanos Posterior
• Torso Cabeza y Cola
• ?
• Posicionamiento depende de la localización de las
  células germinales

posterior
4
2. Genes de Segmentación(Primeros genes que
expresa el zigoto)?
CONTROL AMPLIO
i) Genes gap (6) ii) Genes pair-rule
(parejas) iii) Genes de polaridad SEGMENTAL
(10)
LOCAL
5
MECANISMO
6
Control de un GEN Mecanismo LOGICO Entradas
INPUTS ? Salida OUTPUT Depende de la
combinación de FTs en la secuencia reguladora de
cada gen o promotor Promotor
MODULAR permite patrones ajustables de expresión
génica
7
EJEMPLO Gen pair-rule eve 15, 2, 37, 46
Eve-ftz 7 Bandas transitorias
8
Engrailed gen de polaridad segmental
14 bandas no transitorias Contexto celular
9
3. Genes Hox Memoria Celular Definen y
mantienen las diferencias entre segmentos

• FT con HOMEODOMINIO reconoce HOMEOBOX en DNA
  regulador promotor de otro gen
• Genes que mutados causan la aparición de ciertas
  estructuras en diferentes posiciones. Ejemplo
  gen Antenapedia expresado en la cabeza
• 8 en Drosophila
• 2 Grupos Presentes en casi todos los animales

• Complejo ANTENAPEDIA Cabeza y Tórax
• Complejo BITORAX Tórax y Abdomen

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8 Genes Homeoticos en Drosophila Orden en el
cromosoma corresponde al orden de expresión a
lo largo del eje corporal ? Activación gradual
de los genes Conservada durante la
evolución Mecanismo aun desconocido ? Patrón de
expresión constante EPIGENESIS Acetilacion de
Histonas 5 horas después de
fertilización
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Los genes HOMEOTICOS se encuentran en todo el
reino animal
Se conserva el orden en el cromosoma con el
orden de expresión génica ? Representan valores
de POCISIONAMIENTO Especifico que controlan el
patrón de expresión génica a lo largo de la vida
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EL PARADIGMA DE LA SEGMENTACIÓN ANIMAL

• Cual patron fue primero???
• 1. Segmentacion secuencial
• en un contexto celular
• 2. Segmentacion simultanea en sincisio,
• en un contexto no celular
• REACCION-DIFUSION
• ?
• Modelo
• Formacion de patrones

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outline

• Segmentación en artrópodos (invertebrados) y en
  vertebrados
• Reloj de segmentación celular
• El paradigma de la segmentación
• Modelo reacción-difusión 2 topologías de redes
  génicas emergentes y jerárquicas
• Implicaciones evolutivas
• Hipótesis el reloj de segmentación Notch al
  operar en sincisio permitió la transición hacia
  redes jerárquicas

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SEGMENTACION EN ARTROPODOS (INVERTEBRADOS)
BANDA GERMINAL LARGA Drosophila
melanogaster Segmentación simultanea en el
sincisio No hay células BANDA GERMINAL
INTERMEDIA Strigamia maritima (cienpies) Segmentac
ión anterior simultanea Posterior secuencial
(células) BANDA GERMINAL CORTA Malacostracan
crustacean Segmentación secuencial a partir de
zona proliferativa posterior y celularizada
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Drosophila melanogasterSegmentación
rápidaBanda Germinal LargaDistribución
ESPACIO-TEMPORAL de Factores de Trascripción
(FT) en un sincisioSTRIPES
16
CONSERVADO EN ARTROPODOS
17
SEGMENTACION EN VERTEBRADOS SOMITOGENESIS
SOMITAS Tejido Epitelial CELULAS
DETERMINADAS Pre-somitas -V Frente de
Determinación Se activa el programa de
segmentación CELULAS INDETERMINADAS Mesodermo
presomitico PSM - P Tejido Mesenquimatico
En PSM-P las células oscilan entre estados
permisivos y no permisivos de formación de somita
control del Reloj ??? Inhibicion lateral
de Notch
18
Genes cuya expresión oscila en el PSM-P
c-hairy1, l-fng, delta1, fgf8
Frente de Onda Organización celular Expresión
del morfogeno fgf8 (azul)
Reloj de Segmentación Expresión secuencial del
mRNA de lunatic fringe (l-fng)
fgf8 ?
Formación de somita cuando células en PSM-A
están en estado permisivo y son golpeadas por un
frente de onda de maduración fgf8? , se
interrumpe la inhibicion de la somitogenesis,
c-hairy1 y l-fng dejan de oscilar ??? Asimetria
de la inhibicion lateral mediada por Notch
19
VIA DE TRANSDUCCION DE SENALES DEL RECEPTOR NOTCH
Expresión cíclica de Lunatic fringe
(LFNG) Delta c- hairy1 (HES)
20
Modelo Reloj de Segmentación y Frente de Onda
VERTEBRADOS (ave)
1 celula en PSM 12 oscilaciones c-hairy1 on -
c-hairy1 off c/oscilacion
21

• En PSM-P las células oscilan entre estados
  permisivos y no permisivos de formación de somita
  control del Reloj ??? Inhibicion lateral
  de Notch
• Formación de somita cuando células en PSM-A
  están en estado permisivo y son golpeadas por un
  frente de onda de maduración fgf8? , se
  interrumpe la inhibicion de la somitogenesis,
• c-hairy1 deja de oscilar ??? Asimetria durante la
  inhibicion lateral mediada por Notch
• El tiempo de segmentación esta fijo
  intrínsicamente en el PSM no migración, ni
  propagación de alguna señal extrínseca
• Existe un patrón de expresión segmental de
  Delta1 (aun cuando PSM esta aislado ? No requiere
  de senales extrinsicas de otras estructuras)
• Genes que ciclan c-hairy1, l-fng, fgf8
• Expresión de genes en PSM-P fgf8, caudal, evx,
  brachyury, mesogenin/mespo MESENQUIMA
• Expresión de genes en PSM-A fobronectina,
  laminina, N-caderinas EPITELIO

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El Paradigma de la Segmentación Animal (???)

• Segmentación secuencial es un carácter ancestral
• ?
• Banda germinal corta/intermedia
• Somitogenesis

Drosophila melanogaster Banda germinal larga ?
Caracter derivado
Notch, Delta, hairy -Tienen expresion SEGMENTAL
en Quelicerados y Miriápodos (no evidencia de
oscilacion) -Mut. en Psn, Su(H) altera
segmentacion -Tambien se expresa caudal
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Banda corta/intermedia
Banda larga en Dipteros?Los
factores de transcripción Ancestrales, regulados
por factores paracrinos y receptores, se
convirtieron en morfógenos que se difundieron en
el sinsicio?Poco probable..requeriria muchas
mutaciones probablemente deletereas, y mucho
tiempo ?Pequenas mutaciones en la RG de banda
germinal intermedia puede generar difusión de
morfógenos en un sinsicio Modelación de la
difusión de Factores de Transcripción en un
sinsicio
? ? ?
? ? ?
24

EL PARADIGMA DE LA SEGMENTACIÓN ANIMAL

• Cual patrón fue primero???
• 1. Segmentacion en un contexto celular
• 2. Segmentacion en contexto no celular
• sinsicio
• REACCION-
• DIFUSION
• ?
• Modelo
• Formacion de patrones

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Evidencia molecular sugiere que ancestro tenia
segmentación intermedia

• - Expresión de
• genes paired-rule
• Expresión de en
• (Gen de polaridad segmental)

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MODELO de Reacción Difusión explica como se dio
la transición
CELULAS
CELULAS Y SINSICIO
SINSICIO
?
?
27
Modelación de la difusión de Factores de
Trascripción en un sinsicio
Nc células o núcleos c/u con Ng genes,
h Hormona o morfogeno
r Receptor
f Factor de trascripción
Salazar-Ciudad et al, EVOLUTION DEVELOPMENT
32, 95103 (2001)
28
Red Genica
GENES 1-2 Paracrinos
3,4,5 No Paracrinos
Ng 5 Np 2
29
Sistema de Ecuaciones Diferenciales que rigen la
interacción entre genes en 1 núcleo
gij expresión del gen j en célula (o núcleo) i
(25 núcleos en total) ?(hij) funcion Heaviside
interacciones de inhibicion no dan
concentraciones negativas Wjk valor de afinidad
del FT k con el promotor del gen j kM Constante
de afinidad (iguales) µ tasa de degradación
(iguales) Ng todos los genes Np genes
paracrinos
gil expresión del gen paracrino l Dl
Coeficiente de difusión del producto
gl ?2Laplaciano de gil Cambio de l en el
espacio
30
MATRIZ WJK
1 2 3 4 5

• Wjk Afinidad del factor de trascripción k con
  el promotor del gen j
• t 0 ? Todos los valores W0. Excepto W33 y W32
  en nucleo 3
• ?
• Se genera un gradiente

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PATRON en un sinsicio cuando en los 25 núcleos
el mismo gen gen PATRON tenga ? niveles
expresión 2 PATRONES DIFERENTES Comparación
entre estados de núcleos análogos ? j (i)
Estado del nucleo i en sincisio j? de núcleos
en j que tienen un valor del gen PATRON igual o
menor al valor de este gen en el núcleo i Ej.
Para 1 sinsicio con 3 nucleosValores del gen
PATRON g110.1, g12 0.9, g13 0.1 ? 1 (1)2,
? 1 (2)3, ? 1 (3)2 - PATRONES IGUALES Si
núcleos en pocisiones análogas de ambos sinsicios
tienen igual valor de ? ? 1 (i) ? 2 (i) ?i
32
Protocolo de Evolución Artificial generar
cambios en la matriz Wjk

• Wjk permite
• Mutaciones Puntuales ? Cambio valor Wjk
• Duplicaciones, recombinaciones ? Intercambio
  valor Wjk entre genes
• Nuevas interacciones ? Un Wjk0 gana valor o

• Población de 100 sincisios, c/u 25 núcleos, 1O
  genes
• t0 igual matriz Wjk
• 1) En c/generación se midió el fitness de
  c/sincisio respecto a un patrón optimo de stripes

?j( i ) Estado del nucleo i en sincisio j
2) Probabilidad de sinsicio generado ( de
descendientes) proporcional al fitness de
c/sincisio, dividido por la suma de los Nc
sincisios
33
3) 2 Tipos de redes génicas que produjeron
patrones durante las generaciones 1) Redes
EMERGENTES Al menos 2 genes paracrinos 1 gen
incrementa los niveles de ambos genes, el otro
gen inhibe la expresión del primero 2)
Redes JERARQUICAS No efectos recíprocos entre
productos de genes paracrinos bucles de
retroalimentación
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Frecuencia de PATRONES ( franjas) para cada tipo
de red
JERARQUICA
JERARQUICA
EMERGENTE

• Red Jerárquica limitado de FRANJAS (2, 3) ?
  menor variación morfológica. robusta
• - Red Emergente amplio de FRANJAS ? variación
  morfológica mas amplia

35
Patrón Optimo lt 4 stripes ? Redes jerarquicas
Patron Optimo gt 4 stripes ? Redes emergentes
36
Capacidad de ambos tipos de redes para generar
PATRONES SIMILARES al ORIGINAL

• 100.000 RGs al azar para c/mecanismo (Emergente o
  Jerárquico) ? MUTACIONES
• Cambios en valores Wjk maximo 0.33
• ?
• Midieron d Para c/patrón que arrojaba la red
  mutada respecto a la Red Original (no mutada)

Redes Jerárquicas tienen menor distancia
? Descendientes mas similares a los ancestros
37
1) Redes Emergentes primeras en surgir-
Molecularmente mas simples, genera mas
variabilidad morfológica- Redes jerarquicas
requieren mas genes para producir el mismo de
franjas, mas complejas, requieren mas pasos para
formarse2) La transición de redes EMERGENTES a
JERARQUICAS tiene ventajas evolutivas (para un
mismo proceso biológico)- Mecanismo jerárquico
produce descendencia mas similar a la parental,
menor variación morfológica ? se adapta mas
rápidamente a pequeños cambios mutacionales o del
ambiente - Como el mecanismo jerárquico produce
cambios mas finos explora un espacio fenotípico
mas amplio en la evolución- Las franjas en las
Redes jerárquicas se pueden regular
independientemente para dar lugar a patrón de
franjas como en la segmentación en sinsicio en
Drosophila
CONCLUSIONES DEL MODELO Como surgen los
mecanismos del desarrollo? Ej. Segmentación
sinsicial o celular
38
APLICACION A LA EVOLUCION DEL MECANISMO DE
SEGMENTACION ANIMAL
CELULAS
CELULAS Y SINSICIO
SINSICIO
?
?
39
Mecanismo en un contexto celular
FORMACION DE PATRON
1) RELOJ Expresión periódica de genes, con
periodo diferente al del ciclo celular 0Expres
ión máxima del gen GRIS 1 Expresión mínima del
gen GRIS CLARO 2) DIFUSION DE MORFOGENO Frente
de onda con información posicional
40
MODELO DEMUESTRA que patrones de oscilación en el
tiempo pueden producir un patrón de oscilación en
el espacio cuando operan en un sinsicio
SINSICIO
CONTEXTO CELULAR
Niveles de Expresión del gen 2
Depende mas de las condiciones iniciales
41
Hay efectos recíprocos entre morfogenos (h) que
afectan el patrón general no hay regulación
independiente de cada franja
RED JERARQUICA
Morfogenos no interactúan recíprocamente ? cada
franja es regulada independientemente
1) Inicial/ las franjas de segmentación eran
generadas por un reloj intracelular acoplado al
ciclo celular Contexto celular 2) Cuando emerge
el sincisio el reloj de segmentación dio lugar a
mecanismos de reacción-difusión No hay
células 3) Cada segmento del sinsicio es
producido por una RED JERÁRQUICA que reemplaza a
la RED EMERGENTE