Drosophila embriyogenezi - Drosophila embryogenesis
Drosophila embriyojenez , bir süreçtir , Drosophila (meyve sineği) embriyolar oluşmaya, favori bir model sistem için genetik ve gelişim biyolojisi . Embriyogenezinin incelenmesi, gelişimin nasıl kontrol edildiğine dair asırlık bilmecenin kilidini açarak evrimsel gelişim biyolojisi alanını yarattı . Küçük boyutu, kısa nesil süresi ve büyük kuluçka boyutu onu genetik araştırmalar için ideal kılar. Şeffaf embriyolar gelişim çalışmalarını kolaylaştırır. Drosophila melanogaster , 1909'da Thomas Hunt Morgan tarafından genetik deneyler alanına tanıtıldı .
Yaşam döngüsü
Drosophila , holometabol bir gelişim yöntemi sergiliyor , yani embriyonik yaşam döngülerinin her biri tamamen farklı bir vücut planına sahip üç farklı aşamaya sahipler: larva, pupa ve son olarak yetişkin. Bu üç faz arasında işlev ve sorunsuz geçiş için gerekli makine embriyojenez sırasında gelişir . Embriyogenez sırasında, larva dönemi sineği gelişecek ve hayatının ilk larva dönemi olarak bilinen bir aşamasında yumurtadan çıkacaktır. Yetişkin yapıları üretecek hücreler, hayali disklerde bir kenara bırakılır . Pupa aşamasında, larva gövdesi, hayali diskler büyüdükçe ve yetişkin bedeni ürettikçe parçalanır. Bu sürece tam metamorfoz denir . Döllenmeden yaklaşık 24 saat sonra, bir yumurta, yaklaşık 5.5 ila 6 gün süren üç mol geçiren bir larvaya açılır ve ardından buna pupa adı verilir. Pupa, yaklaşık 3,5 ila 4,5 gün süren yetişkin bir sineğe dönüşür. Yumurtadan erişkin sineğe kadar tüm büyüme sürecinin 25 ° C'de tamamlanması tahminen 10 ila 12 gün sürer.
Anne sinek, halihazırda maternal aktiviteler tarafından tanımlanan ön-arka ve dorsal-ventral eksenlere sahip oositler üretir .
Drosophila'daki embriyogenez , bölünmenin çok çekirdekli bir sinsityumda (kesinlikle bir koenosit ) meydana gelmesi açısından model organizmalar arasında benzersizdir . Önceleri, 256 çekirdek, sinsityal blastoderm oluşturarak yumurtanın çevresine göç eder. Germline oluşumu yoluyla somatik hücrelerden ayıran kutup hücrelerin embriyo arka ucunda. On üç mitotik bölünmeden ve döllenmeden yaklaşık 4 saat sonra, oositin ayrılmamış sitoplazmasında tahmini 6.000 çekirdek birikir ve bunlar yüzeye göç etmeden önce plazma zarlarıyla çevrelenerek yumurta sarısı kesesini çevreleyen hücreler oluşturarak hücresel bir blastoderm oluşturur.
Diğer gibi triploblastic metazoada , gastrulasyon üç oluşumuna yol açar germ : endoderm , mezoderm ve ektoderm . Mezoderm, orta bağırsağa yol açacak ektoderm gibi ventral karıktan (VF) yayılır. Kutup hücreleri farklı bir yolla içselleştirilir.
Germ bandı uzaması, hücrelerin birçok yeniden düzenlenmesini ve üç germ bandının hücrelerinde ve embriyonun çeşitli bölgelerinde belirgin farklılıkların ortaya çıkmasını içerir. Arka bölge (arka bağırsak dahil) genişler ve embriyonun dorsal tarafı boyunca ön kutba doğru uzanır. Bu sırada, embriyonun segmentleri görünür hale gelir ve ön-arka eksen boyunca çizgili bir düzenleme oluşturur. Segmentasyonun en erken belirtileri bu aşamada parasegmental olukların oluşumu ile ortaya çıkar . Bu aynı zamanda nefes almak için yapıların ilk belirtileri olan trakeal çukurların oluşmasıdır.
Germ bandı retraksiyonu, arka bağırsağı arka kutbun dorsal tarafına döndürür ve açık segmentasyonla çakışır . Kalan aşamalar, sinir sisteminin (ektoderm) içselleştirilmesini ve iç organların (esas olarak mezoderm) oluşumunu içerir.
Drosophila'da ön-arka eksen desenlemesi
Model oluşumunun en iyi anlaşılan örneklerinden biri, meyve sineği Drosophila melanogaster'in gelecekteki baştan kuyruğa (ön-arka) ekseni boyunca modellemedir . Sineğin gelişimsel yapısına yol açan üç temel gen türü vardır: maternal etki genleri, segmentasyon genleri ve homeotik genler. Drosophila'nın gelişimi özellikle iyi incelenmiştir ve büyük bir hayvan sınıfı olan böcekler veya insektanın temsilcisidir . Diğer çok hücreli organizmalar bazen eksen oluşumu için benzer mekanizmalar kullanır, ancak birçok gelişmekte olan organizmanın en erken hücreleri arasındaki sinyal aktarımının göreceli önemi, burada açıklanan örnekten daha büyüktür.
Maternal etki genleri
Drosophila'daki ön-arka eksen modellemesinin yapı taşları, yumurta oluşumu ( oogenez ) sırasında , yumurta döllenmeden ve biriktirilmeden çok önce yerleştirilir. Maternal etki genleri, yumurtanın ve embriyonun kutupluluğundan sorumludur. Gelişen yumurta ( oosit ), farklı şekilde lokalize edilmiş mRNA molekülleri tarafından polarize edilir .
Maternal etki genleri adı verilen bu mRNA'ları kodlayan genler , yumurtayı kaplayan konsantrasyon gradyanlarını oluşturmak için döllenme sırasında çevrilen proteinleri kodlar. Bicoid ve Hunchback , Drosophila embriyosunun ön kısımlarının (baş ve göğüs) biçimlendirilmesi için en önemli olan maternal etki genleridir . Nanolar ve Kaudal , Drosophila embriyosunun daha posterior abdominal segmentlerinin oluşumunda önemli olan maternal etki genleridir .
Bicoid mutant annelerden elde edilen embriyolarda , baş ve göğüs yapıları, her iki ucunda arka yapılara sahip embriyonun ölümcül bir fenotip haline gelmesini sağlayarak karına dönüştürülür.
Mikrotübüller gibi hücre iskeleti elemanları , oosit içinde polarize edilir ve mRNA moleküllerinin hücrenin belirli kısımlarına lokalizasyonuna izin vermek için kullanılabilir. Maternal olarak sentezlenen bicoid mRNA'lar, mikrotübüllere bağlanır ve Drosophila yumurtalarının ön uçlarında yoğunlaşır . Döllenmemiş yumurtalarda, transkriptler hala kesinlikle uçta lokalizedir, ancak döllenmeden hemen sonra, yumurtaların ön% 20'sinde küçük bir mRNA gradyanı oluşur. Başka bir rapor,% 40'a kadar bir mRNA gradyanını belgeliyor. nanos mRNA ayrıca bir Drosophila yumurtasının hücre iskeletine bağlanır ancak yumurtanın arka ucunda yoğunlaşır. kambur ve kaudal mRNA'lar özel konum kontrol sistemlerinden yoksundur ve yumurta hücrelerinin tüm iç kısmına oldukça eşit bir şekilde yayılmıştır.
DsRNA bağlayıcı protein STAUFEN'in ( STAU1 ), gradyan oluşturmak için ön-arka ekseni oluşturmada rol oynayan bicoid, nanolar ve diğer proteinleri embriyonun doğru bölgelerine yönlendirmekten sorumlu olduğu gösterilmiştir. Maternal etki genlerden mRNA'lar zaman tercüme protein, yumurta ön ucunda bir Bicoid proteini gradyan formlarına. Nano protein, arka uçta bir gradyan oluşturur. Bicoid proteini, kaudal mRNA'nın translasyonunu bloke eder, bu nedenle Kaudal proteini, embriyonun ön kısmında daha düşük konsantrasyonda ve embriyonun arka kısmında daha yüksek konsantrasyondadır. Bu, Bicoid proteininin ters yönüdür. Kaudal protein daha sonra, segmentasyon fazı sırasında arka yapıları oluşturmak için genleri açmak üzere aktive olur. Nano protein, arkadan öne eğim oluşturur ve karın oluşumuna yardımcı olan bir morfojendir . Nanos proteini, Pumilio proteini ile kompleks halinde, kambur mRNA'ya bağlanır ve Drosophila embriyolarının arka ucundaki çevirisini engeller .
Bicoid, Hunchback ve Caudal proteinleri transkripsiyon faktörleridir . Bicoid proteini aynı zamanda bir morfojendir. Nanos proteini, öteleme baskılayıcı bir proteindir. Bicoid, hem DNA'yı hem de nano mRNA'yı bağlayan bir DNA bağlayıcı homeodomain içerir . Bicoid , kaudal mRNA'nın Bicoid 3′-UTR düzenleyici öğesi olarak adlandırılan 3 'çevrilmemiş bölgesinde spesifik bir RNA sekansını bağlar ve translasyonu bloke eder.
Erken embriyodaki kambur protein seviyeleri, yeni kambur gen transkripsiyonu ve ortaya çıkan zigotik olarak üretilen mRNA'nın translasyonu ile önemli ölçüde artırılır . Erken Drosophila embriyogenezi sırasında , hücre bölünmesi olmayan nükleer bölünmeler vardır. Üretilen birçok çekirdek, hücre sitoplazmasının çevresi etrafında kendilerini dağıtır . Bu çekirdeklerdeki gen ekspresyonu Bicoid, Hunchback ve Caudal proteinleri tarafından düzenlenir. Örneğin, Bicoid, kambur gen transkripsiyonunun bir transkripsiyonel aktivatörü olarak hareket eder . Gelişimin devam etmesi için önden arkaya doğru miktarı azalan bir alanda kamburluğa ihtiyaç vardır. Bu, varlığı arkadan öne doğru azalan bir eğimde olan Nanos proteini tarafından yaratılır.
Boşluk genleri
Bicoid, Hunchback ve Caudal proteinlerinin gradyanlarının diğer önemli işlevi, diğer zigot olarak ifade edilen proteinlerin transkripsiyonel düzenlenmesidir. Bunların çoğu, gelişimsel kontrol genlerinin "boşluk" ailesinin üyelerinden türetilen protein ürünleridir. dev , huckebein , kambur , knirps , Krüppel ve kuyruksuz hepsi boşluk genleridir . Erken embriyodaki ifade kalıpları, maternal etki gen ürünleri tarafından belirlenir ve bu sayfanın sağ tarafındaki diyagramlarda gösterilir. Boşluk genleri, segmentasyon genleri adı verilen daha büyük bir ailenin parçasıdır . Bu genler, embriyonun ön-arka eksen boyunca bölümlere ayrılmış vücut planını oluşturur. Segmentasyon genleri , son anatomik segmentlerle yakından ilgili olan 14 parasegment belirtir . Boşluk genleri, bölümleme kontrol genlerinin hiyerarşik bir kademesinin ilk katmanıdır.
Ek segmentasyon genleri
Boşluk gen ürünlerinden sonra iki ek segmentasyon gen sınıfı ifade edilir. Çift-kural genleri ön-arka eksenine dik yedi bantların çizgili desen olarak ifade edilmiştir. Bu ifade kalıpları sinsityal blastoderm içinde oluşturulur. Bu ilk biçimlendirme olaylarından sonra, sinsityal blastoderm çekirdeğinin etrafında hücre zarları oluşur ve onu hücresel bir blastoderm'e dönüştürür.
Bölütleme genler, son sınıfının ekspresyon modelleri kademeli bir polarite gen , daha sonra örneğin genler ile bitişik parasegments hücreleri arasındaki etkileşimlerle ince ayarı yapılır engrailed . Engrailed proteini, her parasegment kenarında hücrelerinin bir satırda eksprese edilen bir transkripsiyon faktörüdür. Bu ifade modeli, sinsitiyal blastodermdeki engebeli genin transkripsiyonunu düzenleyen transkripsiyon faktörlerini kodlayan çift kurallı genler ( hatta atlanmış gibi ) tarafından başlatılır .
Engrailed yapan hücreler, hücreden hücreye sinyal veren protein Hedgehog'u yapabilir . Kirpi'nin hareketi, lipid modifikasyonu ile sınırlıdır ve bu nedenle Kirpi, Engrailed ifade eden hücrelerin önünde ince bir hücre şeridini etkinleştirir. Onlar reseptör proteinini çünkü engrailed salgılayan hücrelerin bir tarafa Sadece hücreler Hedgehog yanıt verdiklerini yetkili yamalı . Aktif Patched reseptörlü hücreler Wingless proteini yapar. Wingless, hücre yüzey reseptörü Frizzled'i aktive ederek bitişik hücre sıralarına etki eden salgılanan bir proteindir .
Wingless, hücresel blastoderm oluştuktan sonra Engrailed ifadeyi stabilize etmek için Engrailed ifade eden hücreler üzerinde etki eder. Çıplak kütikül proteini engrailed ifade eden hücrelerin satır sayısını sınırlamak için Kanatsız indüklenir. Yamalı ve Çıplak proteinler tarafından kontrol altında tutulan Hedgehog ve Wingless tarafından kısa menzilli, karşılıklı sinyalizasyon, her segment arasındaki sınırı sabitler. Wingless proteini, bazı kanatsız mutantların fenotipi nedeniyle "kanatsız" olarak adlandırılır . Wingless ve Hedgehog, daha sonra embriyogenezde ve ayrıca metamorfoz sırasında birden fazla dokuda da işlev görür .
Segmentasyon genleri tarafından kodlanan transkripsiyon faktörleri, homeotik seçici genler olan bir başka gelişimsel kontrol gen ailesini düzenler . Bu genler Drosophila kromozomu 3 üzerinde iki sıralı grup halinde bulunur. Kromozom üzerindeki genlerin sırası, gelişmekte olan embriyonun ön-arka ekseni boyunca ifade edilme sırasını yansıtır. Homeotik seçici genlerinin Antennapedia grubu içeren dudak , antenapedi , cinsiyet taraklar düşük , deforme ve proboscipedia . Labial ve Deformed proteinler, kafa özelliklerini tanımlayan genleri aktive ettikleri baş segmentlerinde ifade edilir. Cinsi tarakları azaltılmış ve Antennapedia, torasik segmentlerin özelliklerini belirtir. Homeotik seçici genlerin bithorax grubu, üçüncü torasik segment ve abdominal segmentlerin uzmanlıklarını kontrol eder. Bazı homeotik genlerdeki mutasyonlar genellikle ölümcül olabilir ve yaşam döngüsü embriyogenezde sona erer.
1995 yılında Nobel Fizyoloji veya Tıp Ödülü , erken embriyonik gelişimin genetik kontrolü ile ilgili çalışmalar için Christiane Nüsslein-Volhard , Edward B. Lewis ve Eric Wieschaus'a verildi . Embriyo modelleme mutantları için genetik tarama üzerine yaptıkları araştırmalar, bicoid gibi homeobox genlerinin erken embriyolojik gelişiminde oynadığı rolü ortaya çıkardı . Homeotik mutasyona bir örnek, Antennapedia mutasyonu adı verilen mutasyondur. In Drosophila , anten ve bacaklar aynı temel "programı" tarafından oluşturulur, bunlar sadece tek bir transkripsiyon faktörü farklıdır. Bu transkripsiyon faktörü zarar görürse, sinek anten yerine kafasında bacaklarını büyütür. FlyBase'de bu "antennapedia" mutantının ve diğerlerinin resimlerine bakın. Başka bir örnek, bithorax kompleksindedir. Bu komplekste ölümcül olmayan mutasyonlar meydana gelirse, sineğin uçuş sırasında dengeye yardımcı olan bir çift kanat ve bir çift halter yerine iki kanat kümesine sahip olmasına neden olabilir.
Sırt-ventral eksen
Dorsal-ventral eksenin oluşumu, Dorsal adı verilen maternal olarak sentezlenmiş bir transkripsiyon faktörünün ventral nükleer konsantrasyonuna bağlıdır. Embriyonun dorsal tarafının belirlenmesi , oosit çekirdeği mikrotübüller boyunca oositin posteriordan anterior-dorsal kenarına doğru hareket ettiğinde oogenez sırasında gerçekleşir . Çekirdek , lokal olarak salgılanan Gurken adlı bir proteini ifade eder ve bu nedenle Torpedo reseptörü ile etkileşime girerek sadece sırt bölgesindeki folikül hücrelerini aktive eder. Bu, Boru proteini üretimini engeller ve bu nedenle, Boru eksprese eden foliküler hücreler ventral taraftadır. Boru, folikül hücreleri ve yumurta arasındaki perivitellin boşlukta hücre dışı bir proteaz kaskadını aktive eder ve bu da Toll-ligand Spätzle'ın bölünmesine ve ventral tarafta Toll sinyalleme kaskadının aktivasyonuna neden olur. Dorsal protein, embriyonik sitoplazma boyunca mevcuttur, ancak Cactus'e bağlanarak çekirdeğe yer değiştirmesini önler. Toll sinyali, Dorsal'in blastodermin ventral tarafındaki çekirdeklere girmesine izin veren Cactus'un bozulmasına neden olur. Genel olarak, oosit çekirdeğinin lokalizasyonundaki bir farklılık, daha sonra ortaya çıkan blastoderm çekirdeklerine sinyal veren çevreleyen folikül hücrelerinin sinyalleme durumunda bir farklılık haline gelir.
Dorsal çekirdekte bir kez nükleer konsantrasyonuna bağlı olarak farklı genleri aktive eder. Bu süreç, farklı şekilde düzenlenen Dorsal hedef genlerin baskılanması veya indüksiyonu ile blastoderm embriyonunun ventral ve dorsal tarafı arasında bir gradyan oluşturur. Embriyonun ventral ucunda, yüksek dorsal protein konsantrasyonlarına maruz kalan blastoderm çekirdekleri, zerknüllt ve dekapentaplejik baskılayarak transkripsiyon faktörlerinin bükülmesini ve salyangozun transkripsiyonunu indükler . Bu, mezodermin oluşumuyla sonuçlanır. Embriyonun lateral bölgelerinde, Dorsal'in düşük nükleer konsantrasyonları, gelecekteki nöroektodermi tanımlayan eşkenar dörtgen ifadesine yol açar . Daha dorsal olarak, aktif Dpp sinyallemesi eşkenar dörtgeni baskılar ve böylece onu yanal blastoderm çekirdekleriyle sınırlar. Embriyonun dorsal tarafında, blastoderm çekirdekleri bu küçük olduğunu ya da hiç nükleer dorsal proteini ifade nereye zerknüllt , tolloid ve decapentaplegic (DPP). Bu, nöral olmayan ektoderm spesifikasyonuna ve daha sonra blastula aşamasında anmioserozaya yol açar. TGF-p ailesi sinyalleme proteini Dpp'nin ventral aktivitesi, nöroektodermde salgılanan Dpp-antagonisti Sog'un (kısa gastrulasyon) ekspresyonu ile korunur. Sog, Dpp'nin embriyonun ventral tarafına ve Sog'un Tolloid tarafından bölünmesi yoluyla bağlanması ve difüze olmasını önler, ayrıca dorsal taraftaki Dpp gradyanının keskinleşmesini sağlar. Drosophila'nın DV ekseni, iki gradyanın etkileşiminden kaynaklanır - bir ventral nükleer Dorsal konsantrasyonu ve bir dorsal Dpp aktivitesi konsantrasyonu.
Ayrıca bakınız
Referanslar
Kaynaklar
- Russell, PJ Genetics, moleküler bir yaklaşım. Üçüncü. San Francisco, CA: Benjamin-Cummings Pub Co., 2009.
- Rivera-Pomar, R .; Jackle, H. (1996). " Drosophilia embriyogenezinde gradyanlardan çizgilere : boşlukların doldurulması". Trends Genet . 12 (11): 478–483. doi : 10.1016 / 0168-9525 (96) 10044-5 . PMID 8973159 .