معلومة

تنظيم Bicoid من الحدب


أنا أتعلم عن التنمية من خلال مثال ذبابة الفاكهة التطور الجنيني. أنا أفهم أن bicoid ينظم الحدب ، من بين جينات أخرى. سؤالي هل التنظيم مباشر أم غير مباشر؟ بمعنى آخر ، هل يتحكم مستوى bicoid بشكل مباشر في التعبير عن الحدب ، أم أن هناك خطوات بينهما؟


هاتين الورقتين[1] [2] يجادل بذلك بى سى دى هو المنشط المباشر هب، على الرغم من أن هذا لا يستبعد عودة الأحداث المتلقية إلى المزيد من التنشيط هب. (في الواقع ، نظرًا لتعقيد شبكة الجينات الجنينية ، فمن المحتمل أن يكون لكلتا الآليتين دور.)

  1. ز ستروهل ، ستروهل ك ، ماكدونالد بيإم. 1989. مورفوجين التدرج بيكويد هو منشط نسخي يعتمد على التركيز. الخلية ، 57 (7): 1259-1273 ، دوى: 10.1016 / 0092-8674 (89) 90062-7.
  2. Driever W، Nüsslein-Volhard C. 1989. إن بروتين bicoid هو منظم إيجابي لـ أحدب النسخ في وقت مبكر ذبابة الفاكهة الجنين. طبيعة 337: 138-143.

نموذج الكائن: ذبابة الفاكهة سوداء البطن

3 ساعات.
1) Mesoderm أشكال من الأنسجة البطنية.
2) المعى المتوسط ​​من الأديم الباطن في النهايتين الأمامية والخلفية.
3) إكتوديرم لا يزال في الخارج.

ذبابة الفاكهة سوداء البطن: المعدة
ال أنبوب الأديم المتوسط تتشكل من الأنسجة البطنية ثم تنفصل الخلايا وتنتقل إلى المواقع الداخلية تحت الأديم الظاهر.
يصبح الأديم المتوسط ​​عضلات وأنسجة متصلة.

في الحشرات الحبل العصبي تقع بطنيًا (الفقاريات: ظهري).
الخلايا العصبية تشكل طبقة بين الأديم المتوسط ​​والأديم الظاهر الخارجي.
ال المعى المتوسط (الأمامي والخلفي) تنمو من الخيوط والصمامات.
= المعى المتوسط ​​الأمامي والخلفي
إكتوديرم يصبح البشرة.
لا يوجد انقسام الخلية يحدث أثناء المعدة ولكن الانقسام يبدأ بعد ذلك.

ذبابة الفاكهة سوداء البطن: التجزئة
ال جرمباند (الأديم البطني) هي منطقة الجذع الرئيسية.
عملية تمديد الفرقة الجرثومية يدفع الطرف الخلفي على الجانب الظهري.
أولى بوادر أخاديد التجزئة يبدو أنه يحدد الخطوط العريضة للشرائح التي تؤدي إلى ظهور قطاعات.
تتشكل المقاطع من الجزء الخلفي للجزء الأمامي والأمامي للجزء التالي.
يوجد 14 شظية: 3 أفواه ، 3 صدر ، 8 بطن.

ذبابة الفاكهة سوداء البطن: يرقات
تفقس اليرقات بعد 24 ساعة من الإخصاب.
وتشمل التراكيب اليرقية من المذكرة.
النهاية الأمامية هي أكرون.
النهاية الخلفية هي تلسون.
إلى جانب الرأس ، تحتوي اليرقات على 3 أجزاء صدرية و 8 أجزاء بطنية.
الجانب البطني من اليرقات أحزمة الأسنان، بقع بالتناوب من الشعر السني والبشرة على كل جزء ، وتستخدم للتنقل.

ذبابة الفاكهة سوداء البطن: التحول
يتم فصل المراحل الثلاث العمرية من حياة اليرقات عن طريق الريش.

الطور الأول - (مولت) -> الطور الثاني - (مولت) -> المرحلة الثالثة

تشكل يرقات الطور الثالث الشرانق (التشرنق) للخضوع للتحول.
تنشأ الأنسجة البالغة من الأقراص التخيلية والأرومات النسيجية.
الأقراص التخيلية عبارة عن طبقات صغيرة من البشرة (

40 خلية من الأديم الخلوي الخلوي) والتي تنمو طوال حياة اليرقات.
6 أرجل ، 2 جناح ، 2 هالتر ، 2 عين-هوائي ، بالإضافة إلى أقراص الأعضاء التناسلية والرأس و

10 بانيات هيستوبلاستس (عش خلايا في البطن تؤدي إلى ظهور أجزاء البطن).

تطوير ذبابة الفاكهة: خطة الجسم
الجينات التي تتحكم في التطور في ذبابة الفاكهة تشبه إلى حد بعيد تلك التي تتحكم في التطور في الفقاريات.
ذبابة الفاكهة هو أفضل نظام تنموي مفهوم وله تأثير كبير على معرفتنا بكل التطورات. (على سبيل المثال ، تم العثور على جينات Hox لأول مرة في ذبابة الفاكهة).
يتم إنشاء التناظر الثنائي بواسطة محوري A / P و D / V.
تحتوي اليرقات على أكرون أمامي ، وثلاثة أجزاء صدرية وثمانية بطن و telson خلفي.
يحدث التنميط المبكر في الأديم الأرومي المخلوي ويصبح متعدد الخلايا في بداية الانقسام.
يمكن أن تنتشر تدرجات تركيز البروتينات (عوامل النسخ) ، وتدخل النوى ، وتوفر المعلومات الموضعية.

التقنية: الطفرات والفحص الجيني
على الرغم من أن الطفرات يمكن أن تنشأ بشكل عفوي ، فإن الطفرات المستحثة والفحص أصبحا الطريقة القياسية لتحديد الجينات المهمة في النمو.
لتوليد طفرات في جين معين ، يتم تغذية عدد كبير من ذكور الذباب بمطفر كيميائي ، مثل إيثيل ميثان سلفونات (EMS).
تتعرض خلايا الحيوانات المنوية لهؤلاء الذكور للمطفر.
يتم تربية الذكور للإناث التي تحمل كروموسوم موازن للجين المعني.
يتم عزل الأفراد الذين يحملون كروموسوم مطفّر ومُوازن.
يتم عبور هذه إلى الأفراد الذين يحملون كروموسوم الموازن.
في الجيل التالي ، يتم عبور النسل الذي يحمل كلاً من الكروموسوم المطفّر وكروموسوم الموازن (متغايرة الزيجوت المتوازنة).
يتم فحص ذرية متجانسة الزيجوت واختيار أشقاء متغاير الزيجوت للحفاظ على الخط.

تطور ذبابة الفاكهة: جينات الأم واللقاح
تحدد جينات الأم محاور الجسم.
يتم التعبير عن منتجات جينات الأم و mRNAs والبروتينات في المبيض.
يتم التعبير عن الجينات اللاقحة بواسطة الجنين.
قام حوالي خمسين جينًا أموميًا بإعداد محوري A / P و D / V: إطار عمل المعلومات الموضعية (التوزيعات المكانية للحمض النووي الريبي والبروتينات).
تستجيب الجينات اللاقحة للتعبير الجيني للأم.
يتم إنشاء مناطق عريضة أولاً ، ثم نطاقات أصغر (مع مجموعة فريدة من أنشطة الجينات اللاقحة) في التسلسل الهرمي للنشاط الجيني.

تطوير ذبابة الفاكهة: محور A / P
تقوم ثلاث فئات من جينات الأم بإعداد محور A / P
تميز الجينات المعبر عنها من الأم بين الأمامي والخلفي.
تؤدي طفرات تأثير الأمهات إلى إناث لا تستطيع إنتاج ذرية طبيعية.
ثلاث فئات متحولة هي 1) فصول أمامية ، 2) خلفية و 3) فصول طرفية.
الطبقة الأمامية: فقدان الرأس والصدر (يستبدل أحيانًا بالخلف).
الطبقة الخلفية: فقدان أجزاء البطن.
فئة المحطة الطرفية: فقدان أكرون وتلسون.
تعتبر bicoid و hunchback و nanos و caudal مفتاحًا لمحور A / P.

تطور ذبابة الفاكهة: جينات الأم
يتم عزل bicoid في البويضة أثناء oogensis.
يحدد bicoid تدرج A / P مورفوجينيك ويتحكم في الخطوات الأولى في تطور الجنين ، وبالتالي ، فهو ضروري للكائن الحي النامي.
يتم ترجمة bicoid mRNA إلى الطرف الأمامي من البويضة غير المخصبة.
بعد الإخصاب ، يتم ترجمة mRNA ويتم تكوين تدرج تركيز على طول محور A / P.
كان bicoid أول دليل على تدرج مورفوجين.

تطوير ذبابة الفاكهة: أدلة على دور bicoid
1) تضع الإناث bicoid (bcd) البيض الذي يؤدي إلى فقدان الأجنة للرأس والصدر (ولها تلسون أمامي).
2) الأجنة المفقودة السيتوبلازم الأمامي تشبه أعلاه.
3) أجنة bcd التي يتم إنقاذها عن طريق حقن السيتوبلازم الأمامي.
4) يمكن أن يحفز السيتوبلازم الأمامي مقاطع الرأس والصدر خارج الرحم عن طريق الحقن في منتصف بيضة ثنائية النواة.
5) يظهر التهجين في الموقع أن الحمض النووي الريبي bicoid موجود في الجزء الأمامي من البويضة غير المخصبة (مرتبط بالهيكل الخلوي).
6) البروتين غير الموجود في البويضة ، يشكل انحدار A / P بعد الإخصاب.
7) bicoid: عامل النسخ والمورفوجين أمبير.
8) تشارك جينات المجموعة الأمامية الأخرى (المجموعة 1) في توطين bicoid والتحكم الترجمي.

يتم التحكم في النمط الخلفي من خلال تدرجات البروتين الذيلية النانوية (المجموعة 2)
يتم ترجمة nanos mRNA إلى القطب الخلفي للبيضة.
nanos ليس مورفوجين مثل bicoid ولكنه يعمل على قمع ترجمة جين آخر للأم ، أحدب (hb).
أحدب هو أمومي (موجود عند مستويات منخفضة في الجنين) ولقحي (يتم تنشيط الأخير بمستويات عالية من bicoid).
nanos (و pumilio) تربط hb mRNA لمنع الترجمة.
يتم توزيع الرنا المرسال الذيلية بالتساوي.
يتم إنشاء تدرج P-A للذيلية عن طريق تثبيط تخليق البروتين الذيلية بواسطة bicoid.
[تشغيل bcd و hb في التدرجات من A إلى P & amp ؛ يدير الذيل من P إلى A.]
يتم تحديد الأطراف الأمامية والخلفية المتطرفة عن طريق تنشيط مستقبلات سطح الخلية

تحدد جينات الأم المجموعة 3 مناطق أكرون وتيلسون.
لا تطور المسوخات الجذعية مناطق أكرون ولا تلسون.
يقوم الجذع بتشفير بروتين مستقبلات موزعة بشكل موحد يتم تنشيطه بواسطة الترابط الموجود فقط في الأجزاء الأمامية والخلفية من الغشاء المحي.
يتم تحرير الليجند بعد الإخصاب.
إشارات الجذع (مستقبلات التيروزين كيناز) لتوجيه التعبير الجيني الطرفي.
ترجع قطبية D / V إلى بروتينات الغشاء المحي.
عند الإخصاب ، يبدأ البروتين المترسب على الغشاء المحي البطني سلسلة من التفاعلات التي تنشط (قطع) spatzle جزئيًا: يجند للمستقبل الموزع بشكل موحد Toll.

يوفر الظهرية معلومات الموقع على طول المحور D / V.
يوفر الظهرية معلومات الموقع على طول المحور D / V.
في الأديم المخليوي ، يتم تنشيط الظهر (عامل النسخ) ويدخل إلى نوى قريبة.
أعلى تركيز ظهرى فى النوى البطنية (يوجد القليل أو لا يوجد فى النواة الظهرية).
يشير Toll إلى تدهور صبار بروتين الأم.
بدون إشارة Toll ، يربط الصبار الظهرية لإبقائه في السيتوبلازم.
الظهر والصبار متماثلان للفقاريات NF-kappa-B و I-kappa-B.

استقطاب محاور الجسم أثناء تكون البويضات
استقطاب محاور الجسم أثناء تكون البويضات
في الجرثومة ، تنتج الخلية الجذعية 16 خلية من خلال أربعة انقسامات انقسامية والتي تصبح البويضة و 15 خلية ممرضة ، وكلها متصلة بواسطة جسور هيولي.
يحيط غمد من خلايا الجريب الجسدية بالخلايا الممرضة والبويضة لتشكيل حجرة البويضة التي تفرز الغشاء المحي وقشرة البيضة.
تعمل الإشارات الصادرة من غرف البيض الأكبر سنًا على استقطاب الأصغر سنًا.
بعض الإشارات الشائعة هنا.

يتم تحديد محاور A / P و D / V للبويضة من خلال التفاعلات مع خلايا الجريب
تحفز البويضة خلايا الجريب على تبني المصير الخلفي وتجعل خلايا الجريب الأمامية لا تتلامس مع البويضة.
الإشارة من البويضة إلى خلايا الجريب هي بروتين gurken ، وهو عضو في عائلة TGF-alpha.
يرتبط gurkin بالطوربيد ، وهو مستقبل التيروزين كيناز مشابه لمستقبل EGF.
تشير خلايا الجريب إلى إعادة تنظيم الهيكل الخلوي للبويضات الذي يوجه mRNA bicoid إلى الأمامي و oskar mRNA (الذي يحدد البلازما الجرثومية) و nanos mRNA إلى الخلف.
في وقت لاحق ، يتم إنشاء محور D / V بواسطة gurken (مرة أخرى) الذي يشير إلى إنشاء خلايا بصيلات الظهر (التي لا تنتج بروتينات خلية الجريب البطني اللازمة لتحديد مصير الجنين البطني).

ينقسم محور A / P إلى مناطق واسعة حسب جينات الفجوة
جينات الفجوة ، الجينات الأولى المعبر عنها على طول محور A / P هي عوامل النسخ.
تبدأ جينات الفجوة بواسطة bicoid في الأديم المخلي.
يعمل أحدب للمساعدة في تشغيل جينات الفجوة الأخرى (العملاقة ، Kruppel و Knirps).
تحتوي طفرات جينات الفجوة على أجزاء كبيرة من نمط الجسم مفقودة.
البروتينات الجينية الفجوة قصيرة العمر (نصف عمر دقائق) وتمتد قليلاً فقط خارج المكان الذي يتم فيه التعبير عن الجين (توزيع التركيز على شكل جرس).

يشير بروتين bicoid إلى تعبير الأحدب الأمامي
يظهر التعبير الحدب اللاقري في النصف الأمامي من الجنين.
يؤدي الكبت في النصف الخلفي إلى إنتاج تدرج لوني يمتد من A إلى P.
يتم تشغيل التعبير الأمامي بمستويات عالية من bicoid.
سيؤدي زيادة التعبير bicoid الأمامي إلى تمديد تدرج الحدبة نحو النصف الخلفي للجنين.
bicoid (عامل النسخ الداخلي) يربط مباشرة المروج الأحدب في عدة أماكن.

ينشط أحدب ويقمع جينات الفجوة الأخرى
يتم تنشيط Kruppel عن طريق مزيج من bicoid ومستويات منخفضة من الحدب ولكن يتم قمعه بمستويات عالية من الحدب.
هذا يحدد موقع تعبير كروبيل في مركز الجنين.
يتم قمع النيربس بمستويات عالية من الحدب.
وبهذه الطريقة ، يمكن أن تؤدي التدرجات الأولية للمورفوجينات إلى إنشاء مناطق داخل الأديم الأرومي المخلوي والتي تؤدي بدورها إلى بداية الانقسام.

التقنية: ذبابة الفاكهة المعدلة وراثيا
يتم تحقيق تحول عنصر P عن طريق استنساخ تسلسل الاهتمام (المنطقة الجينية ، cDNA أو منطقة التحكم / اندماج الجين المراسل) وجين العلامة (غالبًا الجين الأبيض) إلى عنصر P قابل للنقل مستنسخ.
يتم حقن الحمض النووي المستنسخ جنبًا إلى جنب مع مصدر transposase (البلازميد المساعد) في القطب البلازمي للجنين المبكر.
إذا تم دمجها في السلالة الجرثومية ، يمكن اختيار نسل الفرد المحقون الذي يعبر عن الجين الواسم.
هذه سوف تحمل أيضا الجينات المعدلة وراثيا.
يسمح التولد الجيني بمعالجة تجزئة العمليات التنموية: تنشيط الجين ذي القاعدة الزوجية

التقنية: التعبير الجيني المستهدف
تتمثل إحدى طرق التحكم في التعبير الجيني عن طريق دمج محفز الصدمة الحرارية في جين معين.
تتضمن الطريقة الأخرى نظام Gal4 / UAS المكون من جزأين.
يتم دمج Gal4 ، وهو عامل نسخ الخميرة ، في تسلسل التحكم في ذبابة الفاكهة بواسطة
1) استنساخ الحمض النووي المؤتلف (وصنع ذبابة الفاكهة المعدلة وراثيا)
و 2) فخ المحسن (تكامل / اختيار عشوائي)
لإنتاج عامل النسخ بالنمط التنموي المطلوب
وإنشاء خط سائق.
يتم إنشاء الخط المستجيب عن طريق استنساخ منطقة تشفير في اتجاه المصب لعدة نسخ من UAS (تسلسل تنشيط التيار العلوي) والتكوين.
من خلال تزاوج أفراد من هذه السلالات ، يتم التعبير عن الجين المستهدف في الأوقات والأماكن المختارة.

يتم التحكم في التعبير الجيني Zygotic على طول المحور D / V بواسطة البروتين الظهري
يدفع الظهرية التعبير الجيني لتنشيط وتعطيل عدد من الجينات من خلال الارتباط بالجينات التنظيمية للعديد من الجينات التي تتحكم فيها.
يحدد الظهرية أكثر الخلايا البطنية كأديم متوسط ​​محتمل.
تنشط المستويات العالية من الظهر الالتواء والحلزون (مطلوب للأديم المتوسط ​​وتكوين المعدة).
تنشط المستويات المنخفضة من الظهرية المعينية (التي يثبطها الحلزون) لتؤدي إلى ظهور الأديم الظهري العصبي.
يتم قمع decapentaplegic (dpp) و tlloid و zerknult بواسطة الظهر ويقتصر على معظم المناطق الظهرية.
zerknult يحدد amnioserosa.

تشكل الجينات اللاقحة الجنين المبكر
تصبح المنطقة الأكثر بطنية أديم متوسط ​​(عضلات ونسيج ضام).
يصبح الأديم الظاهر البطني أديمًا عصبيًا (بعض البشرة وجميع الأنسجة العصبية).
يصبح الأديم الظهري الظهري بشرة ظهرية و amnioserosa (غشاء خارج الجنين).
يؤدي الأديم الباطن من المناطق الطرفية إلى ظهور المعى المتوسط.

أنماط بروتين dpp في المنطقة الظهرية
dpp هو عضو في عائلة TGF-beta لعوامل النمو المفرزة.
بعد الخلوية ، يتم التعبير عن dpp في الخلايا التي لا تحتوي على ظهري في النواة.
إنه ينتج تدرجًا في النشاط عن طريق ربط سوج بروتين مثبط (معدة قصيرة).
sog يشبه إلى حد بعيد بروتين الفقاريات chordin.

Parasegments (PS) هي الوحدة الأساسية لتطوير الذباب
تنشأ الشظايا أولاً ويتكون كل جزء من الجزء الخلفي من PS واحد والجزء الأمامي من التالي.
يتم تحديد الأجزاء من خلال جينات التعبير الدوري الثنائي القاعدة (PR).
تحدد الأخاديد العابرة على سطح الجنين (بعد المعدة) 14 PS.
تعمل Parasegments كوحدات تنموية: "ذبابة الوجبة المقطوعة".

تحدد الجينات ذات القاعدة الزوجية الخطوط العريضة
تحدد الجينات ذات القاعدة الزوجية الحدود ويتم التعبير عنها في 7 خطوط عرضية (كل جزء ثانٍ).
يتم تحديد تعبير قاعدة الزوج من خلال نشاط فجوة الجين لتفسير سلسلة من أنماط التعبير العريض لعمل سلسلة متكررة من المشارب.

يضع نشاط جين الفجوة شرائط من تعبير القاعدة الزوجية
يتم التعبير عن جينات القاعدة الزوجية في فقرات بديلة.
يعرف الزوج المتخطي الطفيليات الفردية.
تحدد fushi-tarazu حتى الشوائب.
يبدأ نمط التعبير المخطط لجينات القاعدة الزوجية قبل الخلوية مباشرة.
بعد الخلوية ، يقتصر كل جين ذي قاعدة زوجية على عدد قليل من الخلايا في سبعة خطوط.
تحدد بعض جينات القواعد الزوجية حدود المقطع.
تظهر الخطوط ببطء ، في البداية تكون ضبابية ثم يتم تحديدها لاحقًا بشكل حاد.
يتم التعبير عن التخطي الزوجي أولاً عند مستوى منخفض في جميع النوى ولكن بعد ذلك يتم إعادة تعريفه إلى خطوط.

يتم تحديد كل شريط بشكل مستقل
يتطلب الشريط الثاني من (عشية) التخطي زوجي bicoid و amp hunchback.
عملاق القمع عشية لتشكيل حد أمامي حاد.
يقوم Kruppel بقمع عشية لتشكيل حد خلفي حاد.
نظرًا لأن كل شريط يتم التحكم فيه بشكل مستقل عن طريق مجموعات من عوامل النسخ (جينات الفجوة).
يحتوي كل جين ذو قاعدة زوجية على مناطق تحكم معقدة مع مواقع ربط متعددة لكل عامل من العوامل المختلفة.
بعض العوامل تنشط وأخرى غير نشطة.
يتطلب البعض نشاط جينات القاعدة الزوجية الأساسية (مثل حواء وشعر).

يتم توجيه الخطين الثالث والرابع من عشية بشكل كبير من خلال التدرج اللوني الأحدب.

قطبية القطعة (SP) (أو "التجزئة" _ الجينات والمقصورات
قطبية القطعة / جينات الفصل هي.
1) مجموعة متنوعة من الجينات (ليس فقط عوامل النسخ) ،
2) يتم التعبير عنها في 14 شريطًا ،
3) العمل بعد الخلوية و
4) بواسطة جينات القاعدة الزوجية.
يتم التعبير عن النقش (عامل النسخ) في الجزء الأمامي من كل جزء لتحديد حد تقييد نسب الخلية.
محفور هو أ محدد الجين الذي يمنح الهوية من خلال مدة التعبير.

التقنية: الفسيفساء الجينية
الفسيفساء الجينية هي فرد لديه بعض الأنسجة التي تحمل خلايا ذات تكوينات جينية مختلفة.
يتم إنجازه رسميًا عن طريق الأشعة السينية.
يمكن تحفيز الذباب الذي يحمل إعادة تركيب الخميرة (FLP) والتسلسل المستهدف (FRT) ، لتكوين استنساخ من الأنسجة الطافرة في فرد عادي.

التعبير عن النقش يحدد حدود سلالة الخلية ويحدد مقصورة
يتم التعبير عن النقش طوال حياة الذبابة (ليس عابرًا مثل جينات قاعدة الفجوة والزوج).
المظلة عبارة عن حجرة لا تتحرك الخلايا بينها (تقييد نسب الخلية).
مقصورات يمكن الكشف عنها عن طريق تعليم الخلايا ومتابعة مصير الحيوانات المستنسخة (أحفاد الخلية).
يعرّف النقش الهامش الأمامي للظلال وبالتالي الجزء الخلفي من المقطع.
حدود المقصورة يمكن دراستها في جناح البالغين الذي ينقسم عادة إلى مقصورات أمامية وخلفية.
في الفسيفساء ، لا تحترم الخلايا الطافرة المحفورة "حدود A / P" ولا يتم تقييد الأنساب.

تقوم جينات قطبية القطعة بتكوين المقاطع وتثبيت حدود الجزء والجزء
يحتوي كل جزء من اليرقات على نمط A / P: يحتوي الجزء الأمامي على أسنان بينما الجزء الخلفي به بشرة عارية.
في طفرات القنفذ وعديمة الأجنحة ، يتم تحويل البشرة العارية إلى نسخة طبق الأصل من الجزء الأمامي لإعطاء النمط الظاهري "عشب الأسنان".
يتم التعبير عن جينات قطبية القطعة في مجموعة فرعية مقيدة من خلايا كل جزء.
يشفر القنفذ عديم الأجنحة والبروتينات المحفوظة بشكل كبير ويشكلان جزءًا من عدد من أنظمة الإشارات.
تعتمد حدود Parasegment على الإشارة بين الخلايا بين الخلايا على جانبي حدود المقصورة التي تتضمن جينات قطبية القطعة.
تظهر عملية الزخرفة أيضًا على أجزاء البطن لدى البالغين.

الآليات المختلفة التي تستخدمها الحشرات الأخرى لخطة الجسم
يطور تطور النطاق الجرثومي الطويل جميع القطاعات دفعة واحدة (ذبابة الفاكهة).
تطوير عصابة جرثومية قصيرة (تريبوليوم ، خنفساء الدقيق) ، تتشكل الأجزاء الأمامية في الأديم الأُرَمي وتضاف الأجزاء الخلفية من خلال نمو الجزء الخلفي.
يبدو أن العصابات الجرثومية الناضجة متشابهة (مرحلة نمطية ، شائعة في الحشرات).
على الرغم من أن عمليات النمو المختلفة تنطوي على نفس الجينات (مثل Kruppel ، بدون أجنحة أو محفور) فقد حافظت على وظائف.

هوية القطاع: المحدد والجينات المثلية
كل جزء له هوية فريدة.
جينات منتقي المثلية حدد كل جزء للتحكم في الجينات الأخرى والحفاظ على هوية المقطع.
مجمعان [أو مجمع منقسم] (Bithorax و Antennapedia: جينات HOM) ، معًا متماثلان مع مجمعات الجين HOX للفقاريات.
تم تحديدها لأول مرة بواسطة الجينات المثلية ، والطفرات التي تسبب التماثل ، وتحول بنية واحدة إلى بنية أخرى.
هوائي للساق (Antennapedia) أو من الرسن إلى الجناح (Bithorax)

الجينات المتجانسة لمركب bithorax (BX-C) هي المسؤولة عن الأجزاء الخلفية
يتكون مجمع Bithorax (BX-C) من ثلاثة جينات homobox (Ubx و abd-A و amp Abd-B).
يتم التعبير عن Ubx من PS 5 واللاحقة.
يتم التعبير عن abd-A في PS 7 واللاحقة.
يتم التعبير عن Abd-B في PS 10 واللاحقة (ويمنع Ubx).
يتم التحكم في التعبير عن طريق الجينات ذات القاعدة الزوجية والفجوة.
تفتقد اليرقات إلى مجمع bithorax الكامل ، طورت PS 5-13 كـ PS4 ، وبالتالي فإن BX-C تنوع PS5-13 و PS4 هي الحالة الافتراضية المعدلة بواسطة بروتينات BX-C.
تفرض جينات BX-C هوية جديدة للقطاعات (جينات محددة).

التجربة: استبدال مكونات BX-C في الأجنة المفقودة من المركب.
غياب BX-C: PS1-4 ، بالإضافة إلى عشرة مقاطع أخرى مثل PS4.
تم استبدال مكونات BX-C بالتعبير الجيني المستهدف.
Ubx فقط (abd-A و Abd-B مفقودان): PS1-6 متبوعًا بسبعة مقاطع أخرى شبيهة بـ PS6.
Ubx plus abd-A (no Abd-B): PS1-9 بالإضافة إلى 4 مقاطع PS9.
يجب أن تتصرف Parasegments بطريقة اندماجية.
بينما تتحكم جينات الفجوة والقواعد الزوجية في النمط الأصلي للتعبير الجيني HOM ، تحافظ مجموعات الجينات polycomb و trithorax على التعبير الصحيح لهذه الجينات بعد الساعات الأربع الأولى.
تحافظ مجموعة polycomb على قمع نسخي للجينات المثلية.
تحافظ مجموعة trithorax على التعبير عن الجينات المثلية.

يتحكم مجمع Antennapedia في مواصفات المناطق الأمامية
يتكون مجمع Antennapedia (Antp-C) من 5 جينات homobox.
تعبير تحكم Antp-C عن المظلات الأمامية بطريقة مشابهة لـ BX-C في الأجزاء الخلفية (الموصوفة أعلاه).
تؤثر المسوخات المشوهة على PS0 و amp1.
تؤثر أمشاط الجنس على الطفرات المخفضة على PS2 و amp3.
تؤثر طفرات Antennapedia على PS4 و amp5.
كما هو الحال مع جينات HOX في الثدييات ، يتوافق ترتيب التعبير الجيني HOM مع ترتيب الجينات على الكروموسوم.


Nüsslein-Volhard، C.، Frohnhöfer، H.G & amp Lehmann، R. علم 238, 1675–1681 (1987).

Frohnhöfer ، H.G & amp Nüsslein-Volhard ، C. طبيعة سجية 324, 120–125 (1986).

بيرليث ، ت. وآخرون. EMBO J. 7, 1749–1756 (1988).

Frigerio، G.، Burri، M.، Bopp، D.، Baumgartner، S. & amp Noll، M. زنزانة 47, 735–746 (1986).

Driever، W. & amp Nüsslein-Volhard، C. زنزانة 54, 83–93 (1988).

Driever، W. & amp Nüsslein-Volhard، C. زنزانة 54, 95–104 (1988).

McGinnis، W.، Levine، M. S.، Hafen، E.، Kuroiwa، A. & amp Gehring، W. J. طبيعة سجية 308, 428–433 (1984).

لوغون ، إيه ، وأمبير سكوت ، إم ب. طبيعة سجية 310, 25–31 (1984).

ديسبلان ، سي ، تييس ، جيه & أمبير أوفاريل ، بي إتش. طبيعة سجية 318, 630–635 (1985).

Knipple ، D.C ، Seifert ، E. ، Rosenberg ، U. B. ، Preiss ، A. & amp Jäckle ، H. طبيعة سجية 317, 40–44 (1986).

Lehmann، R. & amp Nüsslein-Volhard، C. ديفل بيول. 119, 402–417 (1987).

توتز ، د. طبيعة سجية 332, 281–284 (1988).

توتز ، د. وآخرون. طبيعة سجية 327, 383–389 (1987).

شرودر ، سي. وآخرون. EMBO J. 7, 2881–2888 (1988).

ستودييه ، إف دبليو وأمب موفات ، بي إيه. J. جزيء. بيول. 189, 113–130 (1986).

جاي ، إن جيه ، بول ، إس جيه وأم كورنبرج ، ت. الدقة الأحماض النووية. 16, 6637–6647 (1988).

مكاي ، ر. J. جزيء. بيول. 145, 471–488 (1981).

Galas، D. & amp Schmitz، A. الدقة الأحماض النووية. 5, 3157–3170 (1978).

بتاشني ، م. مفتاح وراثي (سيل برس ، بالو ألتو / بلاكويل ، أكسفورد ، 1986).

Desplan ، C. ، Theis ، J. & amp O'Farrell ، P. زنزانة 54, 1081–1090 (1988).

Hoey، T. & amp Levine، M. طبيعة سجية 332, 858–861 (1988).

Pabo، C.O. & amp Sauer، R. T. أ. القس Biochem. 53, 293–321 (1984).

Griffith ، J. ، Hochschild ، A. & amp Ptashne ، M. طبيعة سجية 322, 750–752 (1986).

توماس ، جي إم وأمبير إلجين ، إس سي آر. EMBO J. 7, 2191–2201 (1988).

وينتروب ، هـ. الدقة الأحماض النووية. 8, 4745–4753 (1980).

Ma، J. & amp Ptashne، M. زنزانة 48, 847–853 (1987).

Kakidani ، H. & amp Ptashne ، M. زنزانة 52, 161–167 (1988).

بوند ، ب.ج. & أمبير ؛ ديفيدسون ، إن. جزيء. زنزانة. بيول. 6, 2080–2988 (1986).

Rio، D.C & amp Rubin، G. M. جزيء. زنزانة. بيول. 5, 1833–1838 (1985).

Cooper، J. A. & amp King، C. S. جزيء. زنزانة. بيول. 6, 4467–4477 (1986).

Heberlein، U.، England، B. & amp Tjian، R. زنزانة 41, 956–977 (1985).

Thummel، C. S.، Boulet، A. M. & amp Lipshitz، H. D. الجين (في الصحافة).

جورمان ، سي إم ، موفات ، إل إف وأمبير هوارد ، بي إتش. جزيء. زنزانة. بيول. 2, 1044–1051 (1982).


التعبير الجيني بوساطة متواليات تعمل من خلال رابطة الدول المستقلة لجين Kr & # x000fcppel ردا على ذبابة الفاكهة مورفوجينات bicoid و hunchback.

يحدث التعبير الأولي لجين الفجوة Kr & # x000fcppel (Kr) في منطقة مركزية محددة بدقة لجنين ذبابة الفاكهة. وفقًا للتحليل الجيني ، يتم التحكم في الحدود المكانية لمجال التعبير Kr من خلال الأنشطة المورفولوجية للجين المنظم الأمامي bicoid (bcd) والجين الأحدب للفجوة الأمامية (hb). باستخدام تحليل الانصهار الجيني ، قمنا بتقييم تسلسل المفعول cis للجين Kr الذي يتوسط التنشيط النسخي والتعبير الجيني المحلي استجابةً لعوامل التحويل. يقود عنصر التحكم 730 bp Kr التعبير الجيني بدلاً من المجال المركزي Kr الداخلي. يتكون هذا العنصر المفعول ، Kr730 ، من متواليات مستجيبة لـ bcd و hb. إنهم يرسمون مناطق متعددة من بروتين hb و bcd في مواقع الربط المختبرية. جزء أساسي من 142 نقطة أساس تحتوي على نسبة منخفضة من الهيموغلوبين منخفض التقارب وخمسة مواقع ربط بروتين bcd متوسطة إلى قوية تدفع التعبير الجيني في موقع يشبه Kr في وسط الجنين. تظهر نتائجنا أن هذا الجزء يمثل هدفًا لنظام المنشط / المثبط الزائد الذي يوفره المورفوجنس الأمامي bcd و hb.


Bicoid و nanos و bricolage

مبدعو التصميم الذكي مغرمون جدًا بالرسومات التخطيطية مثل تلك الموجودة على اليسار. يحبهم رسامو الكتب المدرسية لأنهم يبسطون ويجعلون التنظيم العام للمكونات واضحًا - تقليل البروتينات لتنعيم البويضات يزيل الانحرافات من النقاط الرئيسية - لكن الخلقيين يحبونهم لأسباب خاطئة. "انظر إلى هذا - إنه مهندسة! يبدو الأمر كما لو أن الله يستخدم برنامج CAD لتصميم أنظمة بيولوجية معقدة. يبدو أنها خرجت من متجر آلات عالي التقنية في معمل بوينج للطيران.

هذا ، بالطبع ، مضلل. العضيات الحقيقية في علم الأحياء لا تبدو لامعة وبارعة وميكانيكية تبدو جيدة ، عضوي، مع الغموض والتنوع ، والأهم من ذلك ، الأخطاء والانحدار. ما تبدو عليه هذه الآلات البيولوجية ليس ناتجًا هندسيًا دقيقًا لمتجر آلات حديث ، ولكن مثله bricolage. Bricolage هو مصطلح استخدمه فرانسوا جاكوب لمقارنة علم الأحياء الحقيقي مع الانطباع الخاطئ عن الطبيعة كمهندس. إنه مصطلح فني ، يشير إلى الإنشاءات المصنوعة من كل ما هو في متناول اليد ، وهو عبارة عن نقش لكل ما هو جيد بما فيه الكفاية أو قريب بدرجة كافية من النتيجة المرجوة للقيام بذلك. يغطي كل شيء من منحوتات ألكسندر كالدر إلى تلك الهدايا التذكارية المليئة بالحيوية المصنوعة من قطع غريبة من الأخشاب الطافية والأصداف الملصقة معًا والتي يمكنك العثور عليها في متاجر الهدايا على شاطئ البحر.

كلما نظرنا عن كثب إلى علم الأحياء التطوري للكائنات الحية ، كلما كانت الطبيعة المرتجلة والارتجالية لبنائها أكثر وضوحًا. هذا لا يعني أنهم لا يعملون بشكل جيد أو فعال ، ولكن هذا يعني فقط أن توقيع النية مفقود. ما نراه هو وظيفة مجمعة معًا من الخردة من ساحة الخردة. أحد الأمثلة الواضحة على هذه الخاصية هو الجين ، النانو، في ذبابة الفاكهة.

أولا ، مراجعة موجزة. في السابق ، كتبت عن جينات تأثير الأم. يتم التعبير عن بعض الجينات ، جينات تأثير الأم ، في جينوم الأم وهي ضرورية لتعبئة المعلومات في البويضة قبل وضعها. المثال الذي استخدمته كان بيكويد، وهو جين يتم التعبير عنه في مبيض ذبابة الأم والذي ينتج منتجًا جينيًا يتم تخزينه بتركيز عالٍ في الطرف الأمامي للبيضة ، وبتركيز منخفض في النهاية الخلفية. عندما يتطور الجنين ، يمكن للخلايا اكتشاف تركيز بيكويد ويقومون بتشغيل الجينات الملقحة الخاصة بهم وفقًا لذلك. تسمى الجينات الأولى في الذبابة جينات الفجوة ، وهي تعمل في نطاقات منفصلة بطول الجنين. على سبيل المثال ، يسمى جين فجوة واحد أحدب، ويتم تشغيله فقط حيث يكون ملف بيكويد يكون التركيز مرتفعًا عند الطرف الأمامي ولا يتم تشغيله على الإطلاق في النصف الخلفي من الجنين ، وهناك جينات أخرى تنشط فقط في النصف الخلفي ويتم إيقاف تشغيلها في المقدمة.

القصة أكثر تعقيدًا من ذلك بقليل. هناك هذا التدرج اللطيف لـ بيكويد المورفوجين الضروري لتحديد الواجهة الأمامية للحيوان يفقده عن طريق الطفرة ، ولا يمكن للجنين تكوين رأس. ومع ذلك ، هناك أيضًا تدرج خلفي ، وهو مادة ذات تركيز عالٍ في الخلف ومنخفض في المقدمة ، وهو أمر ضروري لتحديد الهياكل الخلفية. هذه المادة تسمى النانو، جين تأثير أمومي آخر. يطير مع متحولة النانو ينتج الجين أجنة تفتقر إلى البطن.

إذن ، لدى الذبابة في الواقع تدرجان متكاملان ، أحدهما بيكويد وآخر من النانو، كلاهما ضروري لتحديد التنظيم الأمامي الخلفي للحيوان. تستثمر الذبابة الكثير من الجهد في إنشاء هذه التدرجات يوجد جيش من الجينات (staufen, فالوا, اوسكار, فاسا, تيودور، على سبيل المثال لا الحصر) مكرسة للتأكد من أن ملف النانو تم إعداد التدرج بشكل صحيح ، وآخر ، سموغ، التي تعمل على منع أي النانو التي تتسرب إلى الأماكن الخطأ من التعبير عنها. بوضوح، النانو هي أشياء بالغة الأهمية للمهمة يجب أن تكون في المكان المناسب تمامًا وفي الوقت المناسب. ماذا تعمل، أو ماذا تفعل؟

سبق وشرحت ماذا بيكويد يفعل: إنه عامل نسخ يرتبط بالحمض النووي ويؤدي إلى إيقاف تشغيل الجينات. نانو غريب بعض الشيء. كل ما يفعله ، على حد علمنا ، ملزم به أحدب RNA وتعديله بحيث لا يمكن ترجمته. هذا كل شيء. إنه مثبط لـ أحدب نشاط.

سبب احتياج الذبابة كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه. هناك بيكويد عالية في النهاية الأمامية ، و النانو عالية في النهاية الخلفية ، و. أحدب في انحاء المكان. تذكر أنني أخبرتك بذلك أحدب هو اللاقحة الجين الذي يتم تشغيله في الجنين استجابةً له بيكويد؟ هذا صحيح ، لكن هناك تعقيدًا آخر: الذبابة الأم تحزم البيضة أيضًا بمستوى منخفض الأم أحدب RNA. لا نعرف لماذا. يبدو عديم الفائدة إلى حد ما ، ويتعارض في الواقع مع التطور الطبيعي. لو النانو غير موجود ، إنه المستويات المرتفعة لـ أحدب في النهاية الخلفية للجنين الذي يربك الخلايا هناك ، ويجعلها تتطور إلى المزيد من الهياكل الأمامية. ماذا النانو يتم توضيح البروتين هنا - إنه ببساطة يطهر أحدب من النهاية الخلفية للجنين.

هناك تجربة معبرة تكشف مدى تافهة وظيفة النانو يكون. يمكننا صنع ذباب في المختبر يفتقر إلى الأمهات النانو. يمكننا أن نصنع الذباب الذي يفتقر إلى الأمهات أحدب. يمكننا أن نجعل الذباب الذي يفتقر إليه على حد سواء الأم النانو والأم أحدب، وها هو الراكل ، ينتج هذا الذباب أجنة تتطور بشكل طبيعي تمامًا. الأم أحدب الحمض النووي الريبي هو خطأ ، جزء مهمل من الإفراز غير الضروري الذي لا يفعل شيئًا للجنين ، والأمهات النانو هي آلية Rube-Goldberg متقنة تم تصحيحها لتصحيح الخطأ الغبي.

الآن إذا كنت مصممًا ذكيًا أقوم ببناء ذبابة من الصفر ، ورأيت هذا العيب الصغير في التصميم ، فإن الطريقة التي سأصححها هي العيب الواضح: كنت أقوم بإصلاح مبيض الذباب بحيث لا يقطرون بروتينًا عديم الفائدة تمامًا في البيضة. لن أقوم بتجميع مركب من نصف دزينة من البروتينات التي تم دمجها في الهيكل الخلوي وضخ أحدب- داعم للمكان الصحيح ، مع بروتينات أخرى تطفو حولها لتتأكد أحدب-الداعم لم يلحق الضرر في الأماكن التي فيها أحدب من المفترض أن يتم تشغيله.

كما التصميم، ال النانو التدرج اللاحق ببساطة لا معنى له. كما bricolageومع ذلك ، فهو معقول تمامًا. لا يتطلب Evolution حلاً أفضل أو أنيقًا ، فقط حل يعمل بشكل جيد بما فيه الكفاية. نشك في أن الحشرات الأخرى لديها المزيد من التدرجات الأساسية للمعلومات الموضعية الخلفية ، وذلك ذبابة الفاكهة لقد ورث هذه الآلية من الأسلاف الذين اعتمدوا عليها أكثر. لدى الذباب بعض الشذوذ في نموهم ، ومع ذلك ، فقد أصبحوا يعتمدون أكثر فأكثر على بيكويد التدرج ، ونظام التدرج الخلفي آخذ في الانخفاض في الأهمية. نانو الترجمة هي وحدة كانت موجودة في ذبابة الفاكهة ساحة الخردة ، والآن تستمر في التعويض عن الركود البسيط في نظام تعبئة الرنا المرسال للمبايض.


تنظيم Bicoid من الحدب - علم الأحياء

تحدد جينات القطبية السيتوبلازمية على نطاق واسع المناطق الأمامية والخلفية والنهائية. تُستخدم المعلومات الواردة في تدرجات المورفوجين الواسعة هذه لتحديد مناطق أصغر من التعبير الجيني بواسطة جينات GAP. تم تصنيف الطفرات التي أدت إلى حذف عدة قطاعات متجاورة في فئة GAP. بشكل عام ، يتوافق مجال عمل الجين مع المقاطع & quotmissing & quot في الحيوان الطافرة. يظهر مثال على ذلك على اليمين. The GAP gene Kruppel is expressed in middle region of the developing embryo fated to give rise to the anterior segments. In Kruppel mutants these anterior segments are missing. This pattern of the region of gene expression correlating strongly with missing pattern elements is also see in Pair Rule and Segment Polarity genes. Below you can see examples of Pair rule gene expression in 7 stripes, ftz, and the resulting pattern defects seen in every other segment of the larval cuticle. Similarly, the segment polarity gene engrailed is expressed in the posterior compartment of each of the 14 segments and the resulting pattern defects are associated with the posterior part of each segment.

The cytoplasmic polarity and GAP gene morphogen gradients are used to specify the 7 stripes of pair rule gene expression (there are about 8 pair rule genes that are each expressed in 7 stripes across the future 14 segmental domains of the embryo. In the figure below and right you can see how the bicoid, giant, hunchback, and kruppel morphogen gradients can be used to specify even-skipped (eve) stripe 2 in parasegment 3. Just by seeing the location of the eve expression domain and knowing the shape and position of the cytoplasmic polartity and GAP morphogen gradients we can make reasonable predictions about gene interactions responsible for specifying the eve stripe 2.


Bicoid regulation of hunchback - Biology

Anterior-Posterior axis formation in Drosophila

The process of segmentation along the anterior-posterior axis of Drosophila is controlled by the hierarchical interaction between five sets of genes. These are the maternal-effect, gap, pair-rule, segment-polarity and the homeotic genes. We have briefly discussed these group of genes in class but it is my intention, in the next series of lectures, to teach you the molecular mechanisms involved in the generation of the anterior-posterior axis in the Drosophila embryo.

stripe 2 and of the four proteins that regulate its expression. The coordinated effect of the two repressors (↓) and two activators (↑) determine the precise boundaries of the second anterior Eve stripe. Expression of other stripes is regulated independently by other combinations of transcription factors encoded by maternal and gap genes. Below that is a simplified diagram of the 815-bp regulatory region controlling transcription of the stripe 2 of eve. This region contains binding sites for Bicoid and Hunchback proteins, which activate transcription of حواء, and for Giant and Kr ppel proteins, which repress transcription. [We will be discussing the experiments leading to these findings in the next lecture. See S. Small et al., 1991, Genes & Devel. 8:827.]

الصورة 2 . bicoid mRNA is stable for at least 12 days in retained oocytes and for at least 8 h in activated, unfertilized eggs. Polyadenylated mRNAs were prepared from ovaries of 3BA transgenic females that retained their oocytes for 0, 4, 8, or 12 days (A) and from laid (activated), unfertilized eggs from 3BA transgenic females, 0 to 2, 2 to 4, 4 to 6, or 6 to 8 h after oviposition (B), and analyzed on Northern blots with bicoid and rpA1 mRNA probes. Similar results were obtained in at least two independent experiments. Identical results were obtained for the 3BA hybrid mRNA (data not shown). rpA1 mRNA served as a loading control. mRNA sizes:bicoid mRNA, 2.6 kb rpA1 mRNA, 0.6 kb. تين. 3 . bicoid mRNA is stable during the first 2 h of embryogenesis and is rapidly degraded after this time. (A) Polyadenylated RNAs prepared from 0- to 1-, 1- to 2-, 2- to 3-, and 3- to 4-h-old embryos were analyzed on a Northern blot probed withbicoid and with rpA1 mRNA as a loading control. mRNA sizes are indicated in the legend to Fig. 2. (B) This histogram represents a quantitative analysis of data from seven independent experiments similar to the experiment presented in panel A. The intensity of thebicoid (bcd) mRNA signal (relative to the 0- to 1-h signal, given in arbitrary units) was plotted versus the time of development, in hours. ال bicoid mRNA signals were normalized to those of the rpA1 loading control. Error bars represent standard deviations.

أ bicoid mRNA destabilizing sequence is contained in the 3′ half of the message.

Fig. 4 . 5B mRNA is significantly more stable thanbicoid mRNA, while 3B and BBT mRNAs are unstable. Polyadenylated RNAs prepared from 0- to 1-, 1- to 2-, 2- to 3-, and 3- to 4-h-old embryos derived from 5B, 3B 5T, and BBT transgenic flies were analyzed on Northern blots hybridized with bicoid and rpA1 or tubulin mRNA probes. The rpA1 and tubulin signals served to quantify the amount of RNA analyzed in each lane. mRNA sizes:bicoid mRNA, 2.6 kb 5B mRNA, 1.5 kb 3B mRNA, 1.9 kb BBT mRNA, 2.2 kb and rpA1 mRNA, 0.6 kb. Fig. 5 . The 3′ half of bicoid mRNA contains the main destabilizing element. Each histogram represents the quantitative analysis of experiments such as those shown in Fig. 4 and combines data from at least three independent experiments. The intensities ofbicoid (bcd) mRNA signals (relative to the 0- to 1-h signal, given in arbitrary units) were plotted versus the time of development, in hours. The abundance of bicoid mRNA was normalized to rpA1 or tubulin loading controls. Error bars represent standard deviations. No standard deviation is shown for 3B, since the histogram shows the quantification of one experiment. However, the same result as for 3B was obtained for 5T, a fusion with the tubulin gene containing exactly the same bicoid تسلسل.

The main BIE is contained within the 92 nucleotides immediately following the translation termination codon.

Fig. 6 . 3BA and 3BD mRNAs are unstable, while 3BB and 3BC mRNAs are stable. Polyadenylated RNAs prepared from 0- to 1-, 1- to 2-, 2- to 3-, and 3- to 4-h-old embryos from 3BA, 3BB, 3BC, and 3BD transgenic flies were analyzed on Northern blots hybridized with bicoidand rpA1 mRNA probes. rpA1 mRNA served as a loading control. mRNA sizes: bicoid mRNA, 2.6 kb 3BA mRNA, 1.2 kb 3BB mRNA, 1.8 kb 3BC mRNA, 1.4 kb 3BD mRNA, 1.6 kb and rpA1 mRNA, 0.6 kb. Fig. 7 . The main bicoid mRNA destabilizing element is located within the first 43 nucleotides after the stop codon. Each histogram represents the quantitative analysis of experiments such as those shown in Fig. 8 and combines data from at least three independent experiments. The intensities of the bicoid (bcd) mRNA signals (relative to the 0- to 1-h signal, given in arbitrary units) were plotted versus the time of development, in hours. The abundance of bicoid mRNA was normalized to the rpA1 loading control. Error bars represent standard deviations.

The main instability element is distinct from the NRE.

Fig. 8 . Deletion of the NRE does not affect bicoidmRNA stability. The hollow arrow in the diagram at the top indicates the position of the NRE sequence that was deleted from thebicoid الجين. Polyadenylated RNAs were prepared from control (0- to 1-h-old untransformed embryos) and 0- to 1-, 1- to 2-, 2- to 3-, and 3- to 4-h-old embryos from ΔNRE transgenic flies. The RNAs were hybridized with an oligonucleotide (Table 1) complementary to a sequence missing in the ΔNRE construct and digested with RNase H. The RNAs were analyzed on a Northern blot hybridized with bicoid(bcd) and rpA1 mRNA probes. ال bicoid mRNA is cleaved into two fragments of 1.6 and 1.0 kb, while the ΔNRE mRNA is unaffected by the treatment. rpA1 mRNA served as a loading control. The control lane shows that wild-type bicoid mRNA is cleaved to completion by the RNase H treatment. mRNA sizes: ΔNRE mRNA, 2.6 kb, and rpA1 mRNA, 0.6 kb.

The BIE is sufficient to destabilize an otherwise-stable mRNA.

Fig. 9 . The BIE is sufficient to confer regulated instability on a heterologous mRNA. (Top) Schematic diagram of the constructs used to obtain transgenic flies. Stippled rectangles, rpA1 gene UTRs black rectangles, rpA1-coding regions white rectangles, 500-nucleotide-long fragments from the transferrin gene (3′ UTR TfR) inserted to tag the recombinant gene arrows, the 43-nucleotide BIE (BIES, right-pointing arrow BIEA, left-pointing arrow). (Middle) Representative Northern blots of total RNA extracted from synchronized embryos (ages are at the bottom of each lane) from transgenic flies carrying either the BIES or the BIEA construct. (Bottom) Graphs showing quantification of three independent experiments similar to those shown in the middle part. Error bars represent standard deviations.

مناقشة

Molecular Requirements for the Patterning Activity of the AncBcd HD in ذبابة الفاكهة

In this article, we used an in vivo ذبابة الفاكهة rescue assay to study the impact of the historical coding sequence changes on the evolution of Bcd HD’s developmental functions. By making chimeric HDs between the AncZB (no function) and the AncBcd (full function) HDs, we showed that the substitutions in at least three separate subdomains (NT, H1, and RH) must be combined for full patterning activity.

AncBcd evolved to suppress translation of Cad and activate transcription of a large number of target genes at different positions along the AP axis of the embryo. Our results shed light on the molecular requirements for both of these activities. The R54 residue in Bcd was previously shown to be required for Cad suppression ( Niessing et al. 2000), but our data suggest that it is not sufficient, even in combination with the other eight forward substitutions in the RH of AncBcd (AncZB_RH). However, by combining the RH substitutions with several different sets of substitution in the NT and/or H1 or substituting all diagnostic residues across all subdomains, variable levels of suppression were achieved ( supplementary fig. S4 , Supplementary Material online). The impact of the level of suppression on rescue potential and patterning is not known, and will be addressed by future experiments.

At the transcriptional level, it was previously shown that inserting K50 alone into the AncZB HD caused the activation of only three of eight tested target gene responses, whereas the double substitution (K50R54) increased that number to five ( Liu et al. 2018). In this article, we show that substituting all nine amino acids from the RH of AncBcd HD into AncZB resulted in the activation of all tested target genes except eve stripe 1 and the splitting of the anterior domain of gt into two stripes ( fig. 2P). Moreover, all activated Bcd-dependent expression patterns were anteriorly shifted. Combining substitutions in the RH with those in NT and/or H1 had major effects on the gene expression patterns: they led to the activation of حواء stripe 1, and extended or shifted critical expression patterns into more posterior positions, which might have allowed for splitting of the anterior gt نطاق.

The correlation between target gene expansion and rescue activity is most easily observed for the target gene هب, which encodes a critical cofactor for activation of all Bcd-dependent target genes ( Simpson-Brose et al. 1994 Ochoa-Espinosa et al. 2005 Porcher and Dostatni 2010 Schroeder et al. 2011), and functions as an important repressor to prevent posterior gap gene expression in anterior regions of the embryo ( Hülskamp et al. 1990 Struhl et al. 1992 Wu et al. 2001 Yu and Small 2008). In embryos carrying constructs that fail to fully rescue to adulthood, هب pbps are located between 82% and 67% EL, whereas embryos carrying constructs with full rescue activity form هب pbps at the posterior limit of this range (68% EL) or farther posterior. Interestingly, the CH(NT-H1-h2-RH) construct, which rescues to adulthood with a frequency similar to that observed for the AncBcd HD control, forms a هب pbp at 63%. We propose that the position of ∼65% EL establishes the minimal amount of embryonic space required for the correct placement of gap and pair-rule stripes, robust formation of cephalic structures, and ultimately survival to adulthood. The pbp at 65% EL is significantly more anterior than those directed by the control AncBcd construct (54% EL, fig. 4P) or wild-type embryos (54% Chen et al. 2012), but is very close to the هب pbp in embryos laid by heterozygous bcd females (∼61% EL), which survive with high penetrance ( Liu et al. 2013). How interactions between the RH and other HD subdomains cause posterior extensions of the zygotic هب domain is not clear they could indirectly modify the DNA-binding preferences of the HD or mediate interactions with maternal cofactors such as Hb or Zelda, both of which are critical for Bcd’s in vivo functions in ذبابة الفاكهة ( Simpson-Brose et al. 1994 Porcher and Dostatni 2010 Xu et al. 2014 Hannon et al. 2017 Mir et al. 2017 Datta et al. 2018).

Evolution of the AncBcd HD through Suboptimal Intermediate Steps

An ancient duplication of AncZB led to the evolution of the K50 HD protein Bcd as a key regulator of anterior development in the Cyclorrhaphan suborder of the Diptera ( Stauber et al. 1999). No other suborders of the Diptera or other insects contain Bcd in these insects, maternal Bcd’s roles in anterior patterning must be fulfilled by other gene(s). In the jewel wasp Nasonia, Bcd-like activity is provided by maternal Orthodenticle (Otd), another K50 HD protein. Unlike Bcd, Otd is highly conserved, and because it binds in vitro to DNA sequences similar to those bound by Bcd, it has been proposed that Bcd evolved to take over regulation of an ancestral Otd-dependent network ( Lynch and Desplan 2003). في ذبابة الفاكهة, otd became a Bcd target gene, and has maintained a critical role in the specification of head segments ( Gao and Finkelstein 1998 Datta et al. 2018).

Our data show that changes in the AncZB HD changed its DNA and RNA binding activities, and allowed it to bind RNA, gain new target genes, and acquire novel roles in patterning thoracic and abdominal segments. Importantly, the evolution of Bcd occurred specifically in the Cyclorrhaphan lineage. In other species, proteins unrelated to Bcd and Otd (e.g., a homolog of Odd-paired in the drain fly Clogmia, and a cysteine clamp protein in the midge Chironomus) have been proposed as important maternal factors involved in anterior embryo patterning ( Klomp et al. 2015 Yoon et al. 2019). Together these studies suggest that the earliest events of embryo patterning are dynamically changing during the process of evolution.

Our data show that robust patterning function of the AncBcd from AncZB is achieved by combining forward substitutions in three subdomains (RH, NT, and H1). It seems impossible that critical amino acid substitutions in all three subdomains occurred simultaneously at some point in the evolution of the AncBcd HD. However, we propose that critical substitutions in each of the three might have occurred in a specific temporal order, each of which endowed the protein with a novel property that could be positively selected in evolving flies ( fig. 5).

A proposed multistep pathway for the evolution of the AncBcd HD. Orange arrows represent amino acid substitutions in individual subdomains. In the first step, initial substitutions in the RH changed the DNA-binding preferences of the HD, and allowed it to bind to RNA. In a second step, these initial substitutions were followed by additional changes in either the NT or the H1 subdomain, each of which could have significantly augmented the in vivo activities of the evolving HD in a small percentage of embryos. In a third step, substitutions in the unchanged subdomain (H1 for RH+NT or NT for RH+H1) would further increase patterning activity and raise the survival rate to almost control levels.

A proposed multistep pathway for the evolution of the AncBcd HD. Orange arrows represent amino acid substitutions in individual subdomains. In the first step, initial substitutions in the RH changed the DNA-binding preferences of the HD, and allowed it to bind to RNA. In a second step, these initial substitutions were followed by additional changes in either the NT or the H1 subdomain, each of which could have significantly augmented the in vivo activities of the evolving HD in a small percentage of embryos. In a third step, substitutions in the unchanged subdomain (H1 for RH+NT or NT for RH+H1) would further increase patterning activity and raise the survival rate to almost control levels.

Assuming that the ancestral network was controlled by a K50 HD protein such as Otd ( Lynch and Desplan 2003), we propose that the first step involved multiple substitutions in the RH, including q50>K and m54>R. The codons for Q (Gln: CAA and CAG) and K (Lys: AAA and AAG) differ by only one base, so the q50>K transition involved only a single base-pair substitution that would have dramatically changed the evolving protein’s DNA-binding preference. Reverse substituting or mutating K50 completely abolishes AncBcd HD function ( Liu et al. 2018), which means that the effects of all other substitutions in the evolving HD were dependent on keeping the K50 residue intact. If this substitution occurred in an ancestral fly with an Otd-dependent anterior patterning network, the evolving protein would be immediately available to bind to many Otd-dependent target genes, which might have provided a selective advantage. The m54>R substitution, which also involves a single base change (AUG to AGG), might have refined DNA-binding specificity to increase the number of activated target genes, and set the stage for other substitutions that allowed the AncBcd HD to bind to RNA. K50 and R54 are present together only in Bcd HDs ( Noyes et al. 2008), consistent with the possibility that this combination might have been under positive selection. In addition to the q50>K and m54>R substitutions, there are seven other amino acid differences between the RH subdomains of AncZB and AncBcd. It is not clear which of these are required for AncBcd HD function, or when they appeared historically. However, one combination of six substitutions tested here (AncZB_RHdiag) reduced HD activity compared with the K50R54 double substitution. This result suggests that interactions between amino acids constrained the historical order of substitutions in the RH subdomain.

Although robust HD activity requires substitutions in three subdomains, forward substitutions in either NT or H1 substantially augment the rescue activity generated by changes in the RH alone. Specifically, AncZB HDs containing either combination (RH+NT or RH+H1) rescue a small percentage of embryos that survive to adulthood ( fig. 3J). We propose that the addition of substitutions in either NT or H1 represent alternative second steps in the historical evolution of AncZB HD ( fig. 5). Either combination (RH+NT or RH+H1) would have generated a suboptimal intermediate HD configuration that could have been positively selected for and stabilized, perhaps by increasing the fitness of a subpopulation in specific physical/environmental conditions. Once stabilized, in a third step, substitutions in the other critical subdomain (H1 for the NT+RH intermediate, for example) would further increase HD activity and robustness of the evolving HD.

Limitations and Challenges for the Future

Our results shed light on the mechanisms involved in the evolution of the AncBcd HD, but are limited by the fact that all chimeric HDs were inserted into the modern-day ذبابة الفاكهة Bcd protein. As such, these experiments do not take into account the evolution of other parts of the protein, which show even greater levels of amino acid sequence divergence. Further, all our experiments were performed in modern-day ذبابة الفاكهة embryos, and do not take into account changes in the cis-regulatory elements of target genes that coevolved with the AncBcd protein. However, as the genome sequences of more insects become available, it should be possible to use reconstruction strategies to define the ancestral sequences of the complete AncBcd protein and the regulatory regions it interacts with. Furthermore, the ever-increasing use of CRISPR/Cas9 techniques for gene editing in nonmodel organisms should allow for testing ancestral protein and regulatory sequences in multiple insect species. Although these methods cannot create the ancestral systems themselves, they should make it possible to discover general features that permit a transcription factor and its target regulatory sequences to coevolve.


Eve stripe 2

الجين even-skipped (حواء) is expressed in 7 bands or stripes corresponding to 7 of Drosophila's 14 segments (skipping the even-numbered ones). The photo (courtesy of Peter A. Lawrence and Blackwell Scientific Publications) shows the 7 stripes of حواء activation.

At first the gene is expressed in fairly broad zones, but in time its expression becomes restricted to ever-narrower stripes. The mechanism by which this occurs is known for the second stripe.

ال حواء promoter has binding sites for the proteins encoded by bicoid (bcd), hunchback (هب), giant (gt) و Krüppel (كر).

  • Binding of bicoid و hunchback البروتينات stimulates transcription of حواء.
  • Binding of giant و Krüppelrepresses النسخ.

Trapped in a valley between high levels of the giant and Krüppel proteins, expression of حواء in the second stripe finally becomes limited to a band of cells only one cell thick. (A different set of promoter sites is used in the third eve stripe so expression is not repressed there.)In principle, then, such a system of interacting gradients of transcription factors could act as on-off switches, which in time partition the embryo into its future segments.

Drosophila development (and probably that of animals in general) passes through three rather different (although often overlapping) phases:

  • establishing the main axes (dorsal-ventral anterior-posterior left-right). This is done by gradients of mRNAs and proteins encoded by the mother's genes and placed in the egg by her.
  • establishing the main body parts such as the notochord and central nervous system in vertebrates.and the segments in Drosophila (discussed here). These are run by genes of the zygote itself.
  • filling in the details that is, building the various organs of the animal. (Our example will include the wings, legs, and eyes of Drosophila.)


شاهد الفيديو: A Cortical Microtubular Network and Formation of the Bicoid mRNA Gradient in Drosophila: Video 1 (كانون الثاني 2022).