POMERIGGIO DI AGGIORNAMENTO 23.03.2011PROF. M.A. ZORDAN, Ph.D

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

I MOTORI DELL’EVOLUZIONE

PT6

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EFFETTO MATERNO

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• Si definisce effetto materno la modalità di trasmissione ereditaria di alcuni geni nucleari per i quali il genotipo materno determina direttamente il fenotipo della progenie

• Sorprendentemente il genotipo paterno e quello della progenie stessa non influenzano il fenotipo

• Questo fenomeno si deve all’accumulo di prodotti genici che il parentale femminile fornisce all’uovo in sviluppo

Effetto materno

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• I geni a effetto materno codificano RNA e proteine con un ruolo importante nelle prime fasi dell’embriogenesi– Divisione cellulare, segmentazione, determinazione

dell’asse corporeo

• L’accumulo di questi prodotti genici prima della fecondazione consente allo sviluppo embrionale di procedere rapidamente

• Gli alleli mutanti dei geni a effetto materno hanno perciò effetti fenotipici molto negativi – In Drosophila, sono stati identificati decine di geni a

effetto materno• Essi hanno effetti importanti nelle prime fasi dello sviluppo

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• Gli organismi pluricellulari iniziano il loro sviluppo da un uovo fecondato– A partire da questa semplice organizzazione procedono

passo dopo passo fino a un’organizzazione molto più complessa

• Quando ciò avviene, le cellule si dividono, migrano, e cambiano le loro caratteristiche– Esse diventano unità altamente specializzate all’interno di

organismi pluricellulari

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L’INFORMAZIONE POSIZIONALE

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• Consideriamo anzitutto un concetto centrale della biologia dello sviluppo: l’informazione posizionale– In un organismo che si sviluppa secondo

un’organizzazione segmentata, ogni cellula deve divenire il tipo appropriato• Sulla base della sua posizione relativa rispetto alle

altre cellule

La definizione del piano corporeo dipende dall’informazione posizionale

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• I morfogeni sono molecole che trasmettono l’informazione posizionale e promuovono i cambiamenti legati allo sviluppo– Un morfogeno influenza il destino della cellula

• Nell’oocita e nel corso dello sviluppo embrionale i morfogeni sono distribuiti in gradienti di concentrazione– Una caratteristica fondamentale dei morfogeni è che

essi agiscono in modo dipendente dalla concentrazione– Spesso agiscono in base a una concentrazione soglia

• Al di sopra della quale esercitano il loro effetto e indirizzano la cellula in un particolare percorso dello sviluppo

• Sotto la quale, essi non sono efficaci

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I GENI CHE CONTROLLANO LO

SVILUPPO

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• Le mutazioni in organismi quali la Drosophila hanno permesso di comprendere i principi dello sviluppo– La mutazione del gene bithorax produce la

formazione di moscerini con 4 ali• Il terzo segmento toracico forma strutture

identiche al secondo – I geni che specificano l’identità finale di una

regione corporea si chiamano geni omeotici– La definizione degli assi corporei e la

suddivisione in segmenti coinvolge alcune dozzine di geni

I geni che controllano lo sviluppo

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• Bicoid è un allele con ereditarietà a effetto materno– Considera un moscerino femmina che è

• Fenotipicamente normale (poiché generata da una femmina eterozigote per la variante normale dell’allele bicoid)

• Genotipicamente omozigote per l’allele inattivo bicoid (poiché ne ha ereditato una copia da ciascun parentale)

– Questo moscerino produce il 100% di progenie affetta anche se viene accoppiato con un maschio omozigote per l’allele normale

– In altre parole il genotipo materno determina il fenotipo della progenie• Ciò avviene perché il prodotto del gene bicoid viene

fornito all’oocita attraverso le cellule nutrici

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• 1. I prodotti genici a effetto materno, come l’mRNA di bicoid vengono depositati nell’oocita in maniera asimmetrica– Questi formeranno un gradiente che quindi

influenzeranno la formazione degli assi

• 2. Dopo la fecondazione i geni a effetto materno attivano i geni zigotici – Il primo set di geni attivati dopo i geni gap

L’espressione sequenziale dei geni divide l’embrione in segmenti

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• 3. I geni gap e i geni a effetto materno attivano i geni pair-rule

• 4. I geni pair-rule attivano quindi i geni segment polarity– Ogni segmento avrà specifiche caratteristiche

morfologiche

L’espressione sequenziale dei geni divide l’embrione in segmenti

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Even Skipped

Engrailed

Kruppel

Hunchback

Bicoid

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• Il termine destino cellulare descrive le caratteristiche morfologiche definitive di una cellula o un gruppo di cellule– In Drosophila, il destino delle cellule di ciascun segmento

corporeo viene determinato molto precocemente durante lo sviluppo embrionale, molto prima che le caratteristiche morfologiche diventino visibili

• Il termine omeotico si riferisce agli alleli mutanti che causano la sostituzione di parte del corpo con un’altra– Questa definizione è stata coniata dallo zoologo inglese

William Bateson

I geni omeotici e il fenotipo della segmentazione

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• Drosophila possiede due gruppi (cluster) di geni omeotici– Il complesso Antennapedia– Il complesso Bithorax– Entrambi i complessi sono localizzati sul cromosoma 3,

separati da un grande segmento di DNA (Figura 23.10)

• Il complesso antennapedia comprende cinque geni– lab (labial)– pb (proboscipedia)– dfd (deformed)– scr (sex combs reduced)– antp (antennapedia)

• Il complesso bithorax comprende tre geni– ubx (ultrabithorax)– abdA (abdominal A)– abdB (abdominal B)

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Il profilo di espressione di quattro geni

nell’embrione (lab, dfd, antp, abd)

La disposizione spaziale con cui sono espressi i

geni nell’embrione coincide con il loro ordine sul

cromosoma

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• Il ruolo dei geni omeotici è stato compreso dalle mutazioni che ne alterano la funzione

• Per esempio vediamo la mutazione antennapedia di Drosophila

• Si tratta di una mutazione per acquisto di funzione nel gene antp–Che se mutato viene espresso in posizioni

aggiuntive dell’embrione – In particolare, viene espresso nel segmento

anteriore che normalmente dà origine all’antenna – In conseguenza dell’espressione anomala del

gene antp si ha la formazione di una zampa al posto dell’antenna!

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• I fattori di trascrizione codificati dai geni omeotici attivano i geni del successivo passaggio– che producono le caratteristiche morfologiche

di ciascun segmento– Si tratta di:• 1. Fattori di trascrizione• 2. Proteine coinvolte nelle vie di segnalazione

cellulare

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I geni omeotici esistono anche nei vertebrati

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Cromosoma 6

Cromosoma 11

Cromosoma 15

Cromosoma 2

Geni ortologhi

Ciò suggerisce l’esistenza di un piano di sviluppo

corporeo “universale” tra gli animali

• Nel topo sono stati trovati tredici tipi diversi di geni omeotici • Però nessuno dei quattro complessi Hox li contiene tutti

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• La disposizione dei geni Hox nel cromosoma del topo riflette la loro modalità di espressione antero-posteriore

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Confini anteriori dell’espressione di Ubx e Abd A

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