Decapentaplegia - Decapentaplegic

Decapentaplegic (Dpp) jest kluczowym morfogenem biorącym udział w rozwoju muszki owocowej Drosophila melanogaster i jest pierwszym zatwierdzonym morfogenem wydzielanym. Wiadomo, że jest to konieczne do prawidłowego ukształtowania i rozwoju wczesnego zarodka Drosophila i piętnastu dysków wyobrażeniowych , które są tkankami, które u dorosłej muchy staną się kończynami oraz innymi narządami i strukturami. Sugerowano również, że Dpp odgrywa rolę w regulacji wzrostu i wielkości tkanek. Muchy z mutacjami w stanie dekapentaplegicznym nie tworzą prawidłowo tych struktur, stąd nazwa ( decapenta -, piętnaście, - plegic , paraliż). Dpp jest homologiem Drosophila białek morfogenetycznych kości kręgowców (BMP), które są członkami nadrodziny TGF-β , klasy białek, które są często związane z ich własnym specyficznym szlakiem sygnałowym. Badania Dpp u Drosophila doprowadziły do ​​lepszego zrozumienia funkcji i znaczenia ich homologów u kręgowców, takich jak ludzie.

Funkcja w Drosophila

Stężenie morfogenu jako funkcja odległości od źródła (powszechnie określane jako „francuski model flagi”). Stężenie Dpp w pewnych granicach i powyżej pewnych progów prowadzi do różnych losów komórek. Wykładniczy zanik gradientu sprawia, że ​​na progi nie mają wpływu różnice w długości tkanki. Na przykład, przy jednym zestawie parametrów, 80% spadek stężenia będzie zawsze występować w odległości 1/3 długości tkanki, niezależnie od jej wielkości.

Dpp jest klasycznym morfogenem, co oznacza, że ​​występuje w przestrzennym gradiencie stężeń w tkankach, w których się znajduje, a jego obecność w postaci gradientu nadaje mu funkcjonalne znaczenie w tym, jak wpływa na rozwój. Najbardziej zbadanymi tkankami, w których znajduje się Dpp, są wczesne embriony i wyimaginowane dyski skrzydeł, które później tworzą skrzydła muchy. Podczas rozwoju embrionalnego Dpp ulega jednorodnej ekspresji po grzbietowej stronie zarodka, tworząc ostry gradient stężenia. W wyobrażonych krążkach Dpp jest silnie wyrażany w wąskim pasku komórek w środku krążka, gdzie tkanka wyznacza granicę między przednią i tylną stroną. Dpp dyfunduje z tego paska w kierunku krawędzi tkanki, tworząc gradient zgodnie z oczekiwaniami morfogenu. Jednakże, chociaż komórki w domenie Dpp w zarodku nie proliferują, komórki w wyobrażonym krążku skrzydłowym proliferują silnie, powodując wzrost tkanki. Chociaż tworzenie gradientu we wczesnym zarodku jest dobrze poznane, sposób, w jaki gradient morfogenu Dpp tworzy się w wyobrażonym dysku skrzydła, pozostaje kontrowersyjny.

Rola i formacja w rozwoju embrionalnym

We wczesnym stadium blastodermy sygnalizacja Dpp jest jednolita i niska wzdłuż strony grzbietowej. Ostry profil sygnalizacyjny pojawia się w grzbietowej linii środkowej zarodka podczas celularyzacji, z wysokimi poziomami Dpp wskazującymi na owodnicę pozapłodową i niskimi poziomami wskazującymi na ektodermę grzbietową . Sygnalizacja Dpp obejmuje również mechanizm pozytywnego sprzężenia zwrotnego , który promuje przyszłe wiązanie Dpp. Gradient morfogenu w zarodkach ustalany jest poprzez znany mechanizm aktywnego transportu. Tworzenie gradientu zależy od inhibitorów BMP Short gastrulation (Sog) i Twisted gastrulation (Tsg) oraz innych białek zewnątrzkomórkowych, takich jak Tolloid (Tld) i Screw (Scw). Sog jest wytwarzana w brzuszno-bocznym regionie zarodka (prostopadle do gradientu Dpp) i tworzy gradient hamujący BMP, który zapobiega wiązaniu się Dpp z jego receptorem. Sog i Tsg tworzą kompleks z Dpp i są aktywnie transportowane w kierunku grzbietowej linii środkowej (środek zarodka), zgodnie z gradientem stężenia Sog. Tld, metaloproteaza , uwalnia Dpp z kompleksu poprzez pośredniczenie w przetwarzaniu Sog, aktywując sygnalizację Dpp w linii środkowej. Po gastrulacji zarodka gradient Dpp indukuje tworzenie mezodermy sercowej i trzewnej .

Szlak sygnałowy

Dpp, podobnie jak jego homologi kręgowców, jest cząsteczką sygnalizacyjną. W Drosophila receptor dla Dpp tworzą dwa białka: Thickveins (Tkv) i Punt. Podobnie jak sam Dpp, Tkv i Punt są bardzo podobne do homologów u innych gatunków. Kiedy komórka otrzymuje sygnał Dpp, receptory są w stanie aktywować wewnątrzkomórkowe białko zwane matkami przeciwko Dpp (mad) poprzez fosforylację. Wstępne odkrycie mad u Drosophila utorowało drogę do późniejszych eksperymentów, które zidentyfikowały odpowiedź na sygnalizację TGF-β u kręgowców, zwanych SMAD . Aktywowany Mad jest w stanie wiązać się z DNA i działać jako czynnik transkrypcyjny, który wpływa na ekspresję różnych genów w odpowiedzi na sygnalizację Dpp. Geny aktywowane przez sygnalizację Dpp obejmują ślepotę optomotoryczną (omb) i spalt, a aktywność tych genów jest często wykorzystywana jako wskaźniki sygnalizacji Dpp w eksperymentach. Innym genem o bardziej skomplikowanej interakcji regulacyjnej z Dpp jest brinker. Brinker jest czynnikiem transkrypcyjnym, który hamuje aktywację celów Dpp, więc aby włączyć te geny, Dpp musi tłumić brinkera, jak również aktywować inne cele.

Rola w wyimaginowanym skrzydle dysku

Zdjęcie ilustrujące rozkład Dpp, zaznaczone na czerwono, w tarczy skrzydła. Dpp jest wytwarzany w postaci paska tuż przed przednią/tylną granicą i dyfunduje do krawędzi tkanki.

W skrzydle muchowym tylne i przednie połówki tkanki są zasiedlone przez różne rodzaje komórek, które wyrażają różne geny. Komórki w tylnej, ale nie przedniej, wyrażają czynnik transkrypcyjny Engrailed (En). Jednym z genów aktywowanych przez En jest jeż (hh), czynnik sygnalizacyjny. Sygnalizacja Hedgehog nakazuje sąsiadującym komórkom ekspresję Dpp, ale ekspresja Dpp jest również hamowana przez En. W rezultacie Dpp jest wytwarzany tylko w wąskim pasku komórek bezpośrednio sąsiadujących z tylną połową tkanki, ale nie w jej obrębie. Dpp wytwarzany na tej przedniej/tylnej granicy dyfunduje następnie do krawędzi tkanki, tworząc przestrzenny gradient stężenia.

Odczytując swoją pozycję wzdłuż gradientu Dpp, komórki w skrzydle są w stanie określić swoje położenie względem przedniej/tylnej granicy i odpowiednio się zachowują i rozwijają.

Możliwe, że to nie dyfuzja i gradient Dpp wyznaczają tkankę, ale zamiast tego komórki, które otrzymują sygnał Dpp, instruują swoich sąsiadów, co mają być, a te komórki z kolei sygnalizują sąsiadom kaskadowo przez tkankę. Przeprowadzono kilka eksperymentów, aby obalić tę hipotezę i ustalić, że to właśnie gradient rzeczywistych cząsteczek Dpp jest odpowiedzialny za tworzenie wzorców.

Istnieją zmutowane formy receptora Dpp Tkv, które zachowują się tak, jakby odbierały duże ilości sygnału Dpp nawet przy braku Dpp. Komórki zawierające ten zmutowany receptor zachowują się tak, jakby znajdowały się w środowisku o wysokim Dpp, takim jak obszar w pobliżu paska komórek wytwarzających Dpp. Generując małe plamki tych komórek w różnych częściach tkanki skrzydełkowej, badacze byli w stanie rozróżnić, w jaki sposób Dpp działa na wzór tkanki. Jeśli komórki, które otrzymują sygnał Dpp, instruują swoich sąsiadów kaskadowo, wtedy dodatkowe centra modelowania tkanek powinny pojawić się w miejscach zmutowanych komórek, które wydają się otrzymywać wysoką sygnalizację Dpp, ale same nie wytwarzają żadnego Dpp. Jednakże, jeśli fizyczna obecność Dpp jest konieczna, to komórki w pobliżu mutantów nie powinny być w ogóle naruszone. Eksperymenty wykazały, że drugi przypadek jest prawdziwy, wskazując, że Dpp działa jak morfogen.

Powszechnym sposobem oceny różnic we wzorach tkanek w skrzydle muchowym jest przyjrzenie się wzorowi żył w skrzydle. U much, w których zdolność Dpp do dyfuzji przez tkankę jest osłabiona, położenie żył jest przesunięte w porównaniu z normalnymi muchami, a skrzydło jest ogólnie mniejsze.

Dpp został również zaproponowany jako regulator wzrostu i wielkości tkanek, co jest klasycznym problemem w rozwoju. Problemem powszechnym dla organizmów z narządami wielokomórkowymi, które muszą rosnąć od początkowego rozmiaru, jest to, jak wiedzieć, kiedy przestać rosnąć po osiągnięciu odpowiedniego rozmiaru. Ponieważ Dpp występuje w gradiencie, można sobie wyobrazić, że nachylenie gradientu może być miarą, za pomocą której tkanka określa jej wielkość. Jeśli ilość Dpp w źródle jest stała, a ilość na krawędzi tkanki wynosi zero, wówczas nachylenie gradientu zmniejszy się wraz ze wzrostem rozmiaru tkanki i odległości między źródłem a krawędzią. Eksperymenty, w których sztucznie stromy gradient Dpp jest indukowany w tkance skrzydeł, skutkowały znacznie zwiększonymi ilościami proliferacji komórek, wspierając hipotezę stromości.

Tworzenie gradientu Dpp w dysku ze skrzydłami wyobraźni

Kształt gradientu Dpp jest determinowany przez cztery parametry kinetyczne ligandu, na które mają wpływ parametry biologiczne:

1. Efektywny współczynnik dyfuzji , który zależy od dyfuzji zewnątrzkomórkowej, szybkości transportu wewnątrzkomórkowego i kinetyki wiązania/rozwiązania receptora .
2. Efektywne szybkości degradacji zewnątrzkomórkowej i wewnątrzkomórkowej.
3. Szybkość produkcji, zależna od ścieżki produkcji Dpp.
4. Frakcja nieruchoma (parametr związany z metodą stosowaną do pomiaru kinetyki Dpp, FRAP ).

Należy zauważyć, że pojedynczy parametr biologiczny może wpływać na wiele parametrów kinetycznych. Na przykład poziomy receptorów będą miały wpływ zarówno na współczynnik dyfuzji, jak i na szybkości degradacji.

Jednak mechanizm powstawania gradientu Dpp jest nadal kontrowersyjny i nie zaproponowano ani nie udowodniono pełnego wyjaśnienia. Cztery główne kategorie teorii stojących za tworzeniem się gradientu to swobodna dyfuzja, ograniczona dyfuzja, transcytoza i transport wspomagany cytonemem.

Ilustracja założeń przyjętych przez każdy model formowania gradientu Dpp. A) Model swobodnej dyfuzji: Dpp swobodnie dyfunduje przez ECM. B) Model ograniczonej dyfuzji: Dpp dyfunduje przez ECM i oddziałuje z proteoglikanami i receptorami. C) Model transcytozy: Dpp przechodzi przez komórki na drodze endocytozy. D) Model transportu za pośrednictwem cytonemów: Dpp jest bezpośrednio kierowany do komórek docelowych przez cytonemy oparte na aktynie.

Model z dyfuzją swobodną/ograniczoną

Model swobodnej dyfuzji zakłada, że ​​Dpp swobodnie dyfunduje przez macierz zewnątrzkomórkową, degradując poprzez zdarzenia degradacji za pośrednictwem receptorów. Testy FRAP argumentowały przeciwko temu modelowi, zauważając, że dyfuzja GFP-Dpp nie odpowiada oczekiwaniu dla cząsteczki o podobnej wielkości. Jednak inni argumentowali, że powolny krok ograniczający szybkość, znajdujący się dalej w dół procesu, taki jak powolna immobilizacja i/lub powolna degradacja samego Dpp, może wyjaśniać obserwowane różnice w dyfuzji. Pojedyncze cząsteczki Dpp śledzono za pomocą spektroskopii korelacji fluorescencyjnej (FCS), wykazując, że 65% cząsteczek Dpp dyfunduje szybko (zgodnie z modelem swobodnej dyfuzji), a 35% dyfunduje powoli (zgodnie z Dpp związanym z receptorami lub glipikanami ).

Model ograniczonej dyfuzji obejmuje wpływ geometrii upakowania komórek i interakcji z macierzą pozakomórkową poprzez zdarzenia wiązania z receptorami, takimi jak Tkv i proteoglikany siarczanu heparyny dally i dally-like .

Model transcytozy

Model transcytozy zakłada, że ​​Dpp jest transportowany przez powtarzające się rundy endocytozy za pośrednictwem receptorów wewnątrzkomórkowych, z nasileniem gradientu określonym przez sortowanie endocytotyczne Dpp w kierunku recyklingu przez komórki w porównaniu z degradacją. Model ten był początkowo oparty na wstępnej obserwacji, że Dpp nie może akumulować się między klonami, w których kluczowe białko zwane dynaminą niezbędne do endocytozy zostało zmutowane do fenotypu shibire ( shi ). Jednak inne eksperymenty wykazały, że Dpp był w stanie akumulować się w klonach shi , kwestionując model transcytozy. Rewizja teorii stojącej za modelem sugeruje, że endocytoza nie jest niezbędna dla ruchu Dpp, ale jest zaangażowana w sygnalizację Dpp. Dpp nie przechodzi przez komórki ze zmutowanymi dally i dally-podobnymi , dwoma proteoglikanami siarczanu heparyny (HSPG) powszechnie występującymi w macierzy zewnątrzkomórkowej. W rezultacie wyniki te sugerują, że Dpp przemieszcza się wzdłuż powierzchni komórki poprzez ograniczoną dyfuzję zewnątrzkomórkową obejmującą dally i dally-like , ale sam transport Dpp nie zależy od transcytozy.

Model transportu za pośrednictwem cytonem

Model, w którym pośredniczą cytonemy, sugeruje, że Dpp jest bezpośrednio transportowany do komórek docelowych przez filopodia oparte na aktynie zwane cytonemami, które rozciągają się od wierzchołkowej powierzchni komórek odpowiadających na Dpp do komórek źródłowych wytwarzających Dpp. Te cytonemy zostały zaobserwowane, ale zależność gradientu Dpp od cytonemów nie została ostatecznie udowodniona w wyobrażonych krążkach skrzydłowych. Wiadomo jednak, że Dpp jest wymagany i wystarczający do rozszerzenia i utrzymania cytonemów. Eksperymenty analizujące dynamikę między Dpp a cytonemami przeprowadzono w primordium worka powietrznego, gdzie odkryto, że sygnalizacja Dpp ma funkcjonalne powiązanie z cytonemami. Jednak te eksperymenty nie zostały powtórzone w wyimaginowanych dyskach skrzydłowych.

Rola w mięczakach

Dpp występuje również w mięczakach, gdzie odgrywa kluczową rolę w tworzeniu muszli, kontrolując kształt muszli. U małży wyraża się do momentu, gdy protokoncha przybierze wymagany kształt, po czym ustaje jego ekspresja. Jest to również związane z tworzeniem muszli u ślimaków, z asymetrycznym rozkładem, który może być związany z ich zwijaniem się: wzrost muszli wydaje się być zahamowany w przypadku ekspresji Dpp .

Bibliografia

Linki zewnętrzne

• Drosophila decapentaplegic - Interaktywna mucha
• dekapentaplegia + białko + Drosophila w amerykańskiej National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)