Ontwikkelingsbiologie Deeltentamen 2 – 2020
HC 2.1 development of Drosophila
Life cyclus
De levenscyclus is maar ongeveer 10 dagen,
daarom zijn ze erg geschikt voor onderzoek.
Hierdoor komen er ook snel nakomelingen
Veel genen zijn ook al bekend
Early embryo
Het vroege embryo is een syncytium
Syncytium
o Snelle mitose met alleen kerndeling
o Kernen migreren naar de buitenkant en
vormen het syncytial blastoderm
Morphogen gradient
o Tussen de kernen heb je signaleringsmoleculen
o Geven positionele informatie
o In het begin zijn dit transcriptiefactoren, hoeven nog geen transmembraan
moleculen te zijn aangezien het een groot cytoplasma is
Gastrulatie (zie COO)
Zorgt voor positionering van de drie kiemlagen
o Ectoderm, mesoderm en endoderm
Cellen van het zenuwstelsel bewegen aan de ventrale kant naar binnen
Endoderm en mesoderm bewegen ook naar binnen
Foregut en de hindgut groeien ook naar binnen
Germ band extension and segmentation
Het embryo vouwt dubbel tijdens de gastrulatie door germ band
extension. De yolk gaat het embryo niet uit doordat het
amnioserosa dit voorkomt
Er ontstaan inkepingen in het embryo waardoor er 14
parasegmenten ontstaan
o 3 monddelen en hoofd
o 3 thorax delen
o 8 abdomen (buik) delen
Vervolgens ontvouwt het embro weer germ band retracts
Vervolgens is er sprake van dorsal closure, weefsel van de zijkant
groeit over de yolk en vervangt amnioserosa
,From larva to fly
Larve heeft aan de onderkant Denticles haartjes om te bewegen. De
larve vervelt elke keer om verder te groeien totdat hij een pop vormt.
Dan ondergaat hij metamorphose en vormt het een vlieg.
Hoofd heet acron
Staart heet telson
Patterning of the embryo
Anterior-posterior as
Hoofd
Thorax
Abdomen
Dorsaal-ventraal as
Mesoderm
Ventraal ectoderm
/neuroectoderm
Dorsaal ectoderm
Amnioserosa
Anterior-posterior en dorsaal-ventraal patterning in het embryo
Van anterior naar posterior is er al een verschil in de expressie van eiwitten, de cellen zijn dus al
vroeg gespecificeerd dit gebeurd al in de oocyt dit komt door maternal products, eiwitten
afkomstig van de moeder
Drosophila oogenesis
Eicellen zitten als een ketting aan elkaar en rijpen
Stam cellen delen in andere stamcellen en een cystoblast
De cystoblast verdeelt zich in 16 onderling verbonden cellen
o Vormt door 4 mitotische delingen de germline cyst
Deze germline cyst vormt vervolgens de egg chamber
Een van de 16 cellen wordt een oocyt, de andere veranderen in nurse cells
o Nurse cells geven maternele producten (mRNAs) aan de oocyt en gaan uiteindelijk
dood
Somatische follikel cellen omgeven de 16 cellen en vormen de buitenkant van de egg
chamber
,Anterior-posterior polarisatie van Dropsophila oocyt
De oocyt beweegt naar de posterior as door signalering van de voorliggende oudere egg
chambers, dit gebeurt door signalering routes
Er is ook cell fate specificatie van bepaalde follikel cellen, zo heb je anterior en posterior
follikel cellen
pathway
De nurse cellen van de oudere egg chamber produceren delta, dit
interacteert met Notch en polariseren de anterior follikel cellen (rood)
De polaire follikel cellen (rood) produceren een ligand voor de JAK/STAT
route en die induceren de stalk cellen (groen)
De Stalk cellen produceren cadherine en binden aan posterior kant van
de jongere oocyt
De kern van de oocyt beweegt vervolgens ook naar de posterior kant
waar de stalk cellen hechten
Aan de posterior kant van de linker oocyt wordt gurken mRNA
getransleerd. Dit wordt gesecreteerd en gaat een interactie aan met
Torpedo. Dit polariseert follikel cellen tot posterior follikel cellen.
Posterior follikel cellen reorganiseren de microtubuli van het cytoskelet
waardoor de kern weer naar anterior kant wordt geduwd door het
centrosoom.
Waar de kern eindigt (rechts of links) vormt ook de dorsale kant. Dorsale
follikel cellen worden geinduceerd door gurken, gaat mee met de kern.
,HC 2.2 development of Drosophila
Localisatie maternal mRNA
Maternele mRNA’s en eiwitten worden specifiek gelokaliseerd in de oocyt door microtubuli.
o Dynein motoreiwit loopt naar de min kant
o Kinesin motoreiwit loopt naar de plus kant
Bijvoorbeeld
o Bicoid - gaat naar anterior (-), zorgt daar voor patroonvorming
o oskar + gaat naar posterior(+), zorgt voor vorming toekomstige geslachtscellen en
lokaliseert nanos mRNA
Nurse cells, Oocyte and Follicle cels
nurse cells
o geven maternaal mRNA en eiwitten aan oocyte
follikel cellen
o zitten rondom oocyte en nurse cellen
o hebben verschillende cel “fates” in verschillende regio’s
o determineren de A-P as en de D-V as
De A-P as
eiwit synthese start pas na bevruchting, behalve gurken
de A-P as wordt opgezet door maternale genen en zygotische genen (zie hieronder)
o gap genen
als het er niet is mist een deel van de larve
o pair rule genen
vormen segmenten
o segment polariteits genen
o selector genen bepalen
identiteit
Opeenvolgende expressie van genen
Temporele volgorde:
eerst maternale genen
o door moeder in het ei
gelegd, diffunderen in
syncytium
dan zygotische genen
o uitgegeven door embryo
selector genen
o homeobox genen
drie klassen maternale genen
anterior
o bicoid, hunchback
posterior
o nanos, caudal
Terminal (bepaalde de eindes, de kleine uitsteeksels)
o Torso, trunk
,Anterior maternale genen (zie samenvatting volgende pagina voor korte functie genen)
Bicoid is nodig voor anterior structuren
Na injectie van wild type cytoplasma bij bicoid mutant ontstaan er toch nog een soort anterior
structuren. Als je bicoid in het midden van het lichaam van de mutant plaatst ontstaan daar anterior
structuren.
Bicoid is een morphogen, aangezien de cellen anders worden afhankelijk van concentratie
bicoid (gradient belangrijk)
Bicoid is een homeobox achtig gen
Het is een transcriptie factor
Het activeert zygotische genen
Kan RNA binden
Het eiwit heeft een korte levensduur om een gradient te vormen
Bicoid nuclear gradient
In een onbevrucht ei zit het bicoid mRNA anterior. Er zijn eiwitten die het mRNA localiseren.
Na bevruchting
o Eiwit wordt aangemaakt en zie je in de kernen, hier heeft het ook zijn functie
o Gradient van het eiwit is het hoogst aan de anterior kant
Bicoid activeert hunchback aan de anterior kant, zit anterior vast aan het cytoskelet
Bicoid homeodomein bind ook aan caudal mRNA
o Het voorkomt binding van het cap-binding complex en onderdrukt hiermee de
initiatie en translatie van caudal aan de anterior kant, waardoor hier geen caudal
aanwezig is
Bicoid functies samengevat
Transcriptie factor
o Het activeert hunchback transcriptie aan de anterior kant
RNA-binding eiwit
o Onderdrukt caudal translatie aan de anterior kant
Hunchback
Geactiveerd door bicoid
Zn (zink) finger eiwit, eiwit dat gevouwen een soort vingers vormt waaraan Zn bindt
Is een transcriptie factor
beperkt tot de anterior zijde
,Posterior maternale genen
Caudal
De caudal gradient is het hoogst aan de posterior zijde
Het is een homeodomein transcriptie factor
Het zorgt voor de ontwikkeling van abdominale segmenten
Nanos
Nanos mRNA aan posterior kant gelocaliseerd en verankerd aan het cytoskelet. Het mRNA
wordt getransleerd na bevruchting
het vormt een gradient en is ook een Zn finger eiwit
het kan RNA binden
het heeft een onderdrukkende werking op de translatie van hunchback!!
Nanos vormt samen met Pumilio een complex en inhiberen samen de translatie, dus niet Nanos
alleen. Pumilio bind aan de NRE op de 3’ kant van het mRNA, aan Pumilio bind vervolgens Nanos.
Samenvatting belangrijkste maternale genen op de A-P as
Bicoid en Nanos niet door het hele embryo verspreid aangezien
ze verankerd zijn aan het cytoskelet, hunchback en caudal zijn
niet verankerd. Figuur voor translatie
Bicoid en Nanos gradient na translatie stijl, door korte levensduur
kunnen ze niet helemaal diffunderen naar de andere kant. Figuur
na translatie
Hunchback (getransleerd door Bicoid) wordt posterior
onderdrukt door Nanos
Caudal wordt anterior onderdrukt door Bicoid
Bicoid
Homeobox domein eiwit
TF: activeert hunchback
Onderdrukt caudal
RNA binding/ translationele regulator
Hunchback
Zn finger
TF
Nanos
Onderdrukt Hunchback
Zn finger en RNA binding/translationele regulator
Caudal
Homeobox domein eiwit
TF
HC 2.3 development of drosophilla
,Drie klassen maternal genes
Anterior
o Bicoid, hunchback
Posterior
o Nanos, caudal
Terminal
o Torso, trunk
Torso specificeerd de terminale regios
Torso is een receptor waarvan het mRNA na de bevruchting wordt getransleerd. Het eiwit is
verspreid over het hele membraan maar is verantwoordelijk voor de uiteinden van het embryo. Het
moet dus geactiveerd worden aan de uiteindes door een ligand. Trunk is een ligand voor Torso.
Trunk wordt uitgescheiden in de perivitelline ruimte (ruimte tussen oocyt en buitenkant). Toch is het
ligand ook verspreid door het hele embryo, maar dan in inactieve vorm. Het moet dus actief gemaakt
worden. Dit gebeurd door Torso-like, dit wordt geproduceerd door de follikel cellen bij de polen.
Hierdoor is Torso alleen daar actief. Doordat er maar een kleine hoeveelheid actief ligand is en het
gelijk bind aan Torso is het niet verspreid door het hele embryo.
Torso
Getransleerd na bevruchting
Transmembraan receptor voor tyrosine kinase
Actief aan polen
Uniform verspreid door embryo plasma
Trunk
Ligand voor Torso
uitgescheiden in perivitelline ruimte
Uniform verspreid door embryo maar inactief
Torso-like
Geproduceerd door follikel cellen bij polen
Maakt het ligand Trunk actief
Actief Trunk
In de perivitelline ruimte
Kleine hoeveelheden
Bind gelijk aan Torso en activeert tyrosine kinase kettingreactie
Tyrosine kinase
Torso is een tyrosine kinase. Het vormt een dimeer en kan zichzelf fosforyleren. Op deze
fosforilerings plekken binden eiwitten die op hun beurt weer gefosforyleerd worden, dit veroorzaakt
een hele cascade.
Dorsal-ventral polariteit
, Wordt gespecificeerd door maternale genen. Toll is zo’n gen. Toll specificeert verschillende “cel
fates” van dorsaal naar ventraal. Ventrale follikel cellen scheiden eiwitten (proteasen) uit die het
ligand Spätzle verwerken en actief maken. Deze eiwitten worden door Pipe gelokaliseerd en aan de
ventrale kant waardoor alleen daar het gen Toll actief wordt. Zodra Toll actief is bind het aan het
Tube eiwit, Tube activeert weer Pelle. Samen breken Tube en Pelle het eiwit Cactus af waardoor
Dorsal de kern in kan. Follikel cellen zijn dus belangrijk voor patroonformatie en lokale activatie van
receptors van het embryo.
Toll
Receptor (ook tyrosine kinase)
Getransleerd na bevruchting
Uniform verspreid over hele embryo
Spätzle
Ligand voor Toll
Uitgescheiden in perivitelline ruimte
Uniform verspreid over hele embryo
Inactief ligand
Pipe
Heparan sulfate sulfotransferase suikerketen
Lokaliseerd Spätzle protease activiteit
Activatie van Toll lijdt tot lokalisatie van dorsal in kern
Toll heeft de cactus Dorsal pathway. Dorsal is een transcriptie factor die verantwoordelijk is voor de
Ventrale “cel fate”. Dorsal is uniform over het hele embryo verspreid, maar zit alleen in de ventrale
kant in de kern. Als er geen Toll signalering is zit Dorsal in het cytoplasma, Dorsal wordt namelijk
verankerd door cactus en kan dan niet de kern in. Als er wel Toll signalering is dan wordt cactus
afgebroken en komt Dorsal in de kern. Hier activeert het ventrale genen. Als Dorsal dus niet in de
kern komt krijgt je een gedorsaliseerd fenotype
Dorsal
Transcriptie factor
Uniform verspreid over embryo
Gradient van dorsal specificeert D-V as
Toll signaling
Cactus afgebroken
Dorsal in kern
Activatie ventrale genen
Dorsal binding sites
Mesoderm
o Lage affiniteit voor dorsal, hoge hoeveelheid dorsal aanwezig
Mesectoderm en neuroectoderm
o Gemiddelde affiniteit en hoeveelheid dorsal aanwezig
Dorsal ectoderm, amnioserosa
o Hoge affiniteit, lage hoeveelheid dorsal aanwezig
