Ενορχηστρώνοντας την ανάπτυξη σε έμβρυο δροσόφιλας

στις

Αρχική δημοσίευση: Caltech
Επιμέλεια-Μετάφραση: Πυθεύς

Η πλειοψηφία των πολυκύτταρων οργανισμών πάνω στη γη —εσάς συμπεριλαμβανομένου— αρχίζουν σαν ένα μόνο γονιμοποιημένο ωάριο και στη συνέχεια υποβάλλονται σε πολύπλοκη χορογραφία κυτταρικής ανάπτυξης για να γίνουν ενήλικοι αποτελούμενοι από αμέτρητα κύτταρα. Η κατανόηση αυτής της διαδικασίας είναι βασικός στόχος στο πεδίο της αναπτυξιακής βιολογίας. Σήμερα, χρησιμοποιώντας ως μοντέλο συστήματος την δροσόφιλα (Drosophila melanogaster) μια νέα μελέτη εικονογραφεί τον τρόπο με τον οποίο δύο πρωτεΐνες λειτουργούν σαν μαέστροι δίνοντας συνθήματα κατά τη διάρκεια των πολύ πρώιμων σταδίων της ανάπτυξης της φρουτόμυγας.

  • Ταινία δυναμικής γονιδιακής έκφρασης σε δράση στο αναπτυσσόμενο έμβρυο δροσόφιλας. Μεμονωμένοι πυρήνες εμφανίζονται κόκκινοι, ενώ ορισμένες μεταγραφές γονιδίων εμφανίζονται μπλέ._ Credit: Caltech

Η Δροσόφιλα ή μύγα του ξιδιού ή φρουτόμυγα, είναι το μικρό μυγάκι που μπορούμε να προσελκύσουμε αν αφήσουμε έξω ένα ποτήρι κρασί. Σε αντίθεση με τη συγγενή της Μεσογειακή μύγα, δεν αποτελεί απειλή για τις καλλιέργειες γιατί γεννάει αυγά μόνο σε φρούτα που έχουν ήδη αρχίσει να σαπίζουν. Όμως από το 1900 περίπου η Δροσόφιλα έχει εισαχθεί στα ερευνητικά εργαστήρια και σταδιακά έγινε ένας από τους δημοφιλέστερους πειραματικούς οργανισμούς λόγω της γρήγορης αναπαραγωγής της και εύκολου (και φτηνού) χειρισμού της σε σύγκριση με πειραματόζωα όπως το ποντίκι. Σήμερα αποτελεί το αντικείμενο μελέτης μερικών χιλιάδων εργαστηρίων ανά τον κόσμο και μας έχει προσφέρει πολύτιμη γνώση για τη λειτουργία πολλών ζωικών συστημάτων με σημαντικές προεκτάσεις στη Βιολογία των θηλαστικών και σε ιατρικές εφαρμογές.©

Η εργασία έγινε στο εργαστήριο της καθηγήτριας βιολογίας Angelike Stathopoulos και η αναφορά δημοσιεύθηκε στα επιστημονικά πρακτικά Cell Reports στις 23 Ιουλίου 2019.

Παρότι ενδεχομένως φαίνονται πολύ διαφορετικές από τους ανθρώπους, οι φρουτόμυγες χρησιμοποιούνται συχνά σαν οργανισμοί-μοντέλα για την κατανόηση της βασικής βιολογίας που υπόκειται της ανάπτυξής μας. Μεγάλο μέρος της έρευνας του εργαστηρίου της Stathopoulos, εστιάζει στην απάντηση αυτής της ερώτησης: Πώς τα εμβρυονικά κύτταρα της φρουτόμυγας αποφασίζουν ποιά γονίδια να εκφράσουν ακριβώς τη στιγμή που πρέπει ώστε να εξελιχθούν σε κατάλληλα μέρη του σώματος;

Το κλειδί των διαδικασιών της κυτταρικής διαφοροποίησης —η ικανότητα των κυττάρων να αναπτύσσουν εξειδικευμένες λειτουργίες σε συγκεκριμένες θέσεις— σχετίζεται με τη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης. Αν και κάθε κύτταρο σε μύγα έχει το ίδιο αντίγραφο του γονιδιώματος της μύγας, τα μεμονωμένα κύτταρα εκφράζουν διαφορετικά τα γονίδια με την πάροδο του χρόνου. Σαν αναλογία, μπορεί κανείς να σκεφτεί μια μουσική συμφωνία: όλοι οι μουσικοί μιας ορχήστρας έχουν μπροστά τους την ίδια ολοκληρωμένη παρτιτούρα αλλά κάθε μουσικός παίζει μόνο το δικό του μέρος.

Στα πρώτα στάδια ανάπτυξης της δρόσοφιλας, το έμβρυο έχει σχήμα μπάλας αμερικάνικου ποδοσφαίρου. Μερικά από τα 5.000 κύτταρα που συνθέτουν το έμβρυο, τοποθετημένα μαζί μέσα σε μια λωρίδα ευθυγραμμισμένη κατά μήκος της μέσης του σχήματος της μπάλας (εκεί που θα βρίσκονταν τα ράμματα) προορίζονται να δημιουργήσουν συγκεκριμένους τύπους κυττάρων, όπως νευρώνες. Για να υποστηρίξουν αυτή τη διαφοροποίηση, τα κύτταρα στη λωρίδα λαμβάνουν αποφάσεις για να εκφράσουν συγκεκριμένα γονίδια που δεν φτιάχνονται από τα κύτταρα που εντοπίζονται εκτός αυτού του τομέα. Αυτή η χωρική διαφορά στην έκφραση γονιδίου είναι ένα βασικό μέρος της διατήρησης του προτύπου λωρίδας.

Οι διαφορές στην κυτταρική γονιδιακή έκφραση καθίστανται δυνατές από πρωτεΐνες που ονομάζονται ενεργοποιητές (οι οποίοι αυξάνουν την έκφραση γονιδίων) και καταστολείς (οι οποίοι μειώνουν την έκφραση γονιδίων). Οι πιο συχνά μελετημένοι καταστολείς εντοπίζονται χωρικά, δηλαδή περιορίζονται σε κύτταρα σε συγκεκριμένες θέσεις. Ωστόσο, η Stathopoulos και η μεταδιδακτορική φοιτήτρια Theodora Koromila σκόπευαν να μελετήσουν δύο καταστολείς, που ονομάζονται Runt και Suppressor of Hairless [Su (H)], οι οποίοι εκφράζονται ευρέως, πράγμα που σημαίνει ότι βρίσκονται σε κύτταρα σε όλο το έμβρυο.

«Αρχικά, υποθέσαμε ότι οι ευρέως εκφρασμένοι καταστολείς θα έχουν σταθερές δραστηριότητες καθόλη την ανάπτυξη, αλλά ήταν έκπληξη το γεγονός ότι διαδραματίζουν χρονικά διαφορετικούς ρόλους στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης. Αλλάζουν ακόμα και συμπεριφορά στο χρόνο, από καταστολέα σε ενεργοποιητή, το οποίο μας λέει ότι αυτές οι πρωτεΐνες έχουν πολύπλοκες λειτουργίες,» αναφέρει η Koromila.

Η ομάδα διαπίστωσε ότι ο (καταστολέας) Runt ενορχηστρώνει τον χρονισμό της γονιδιακής έκφρασης στο έμβρυο. Όπως ένας μαέστρος μπορεί να συγκρατήσει με το χέρι του μια ομάδα οργάνων για να μην αρχίσει να παίζει πολύ νωρίς, οι καταστολείς Runt καταστέλλουν ορισμένη γονιδιακή έκφραση μέχρι να έρθει η κατάλληλη στιγμή στην εμβρυϊκή ανάπτυξη. Ο (καταστολέας) Su (H), από την άλλη πλευρά, ελέγχει τα επίπεδα έκφρασης γονιδίων, όπως ένας μαέστρος χειρονομεί προς μια ομάδα μουσικών για να παίζει πιο έντονα ή πιο ήπια.

Για την έρευνα αυτή, η Koromila χρησιμοποίησε μια τεχνική ζωντανής απεικόνισης στην οποία έφτιαξε ταινίες του εμβρύου της δροσόφιλας καθώς αναπτυσσόταν σε πραγματικό χρόνο για να μελετήσει πού και πότε ενεργούσαν οι καταστολείς. Στη συνέχεια, σε περαιτέρω πειράματα, η Koromila τροποποίησε γενετικά αλληλουχίες DNA για να εξαλείψει την είσοδο των πρωτεϊνών Runt και Hairless ώστε να εξετάσει απευθείας τον τρόπο με τον οποίο επηρεάστηκε η ανάπτυξη του εμβρύου. Οι προηγούμενες εργασίες σε αυτόν τον τομέα είχαν επικεντρωθεί μόνο σε μικρά τμήματα του εμβρύου μύγας, αλλά η απεικονιστική προσέγγιση της Koromila της επέτρεψε να εξετάσει ταυτόχρονα ολόκληρο το έμβρυο.

«Τα έμβρυα αναπτύσσονται γρήγορα και η έκφραση των γονιδίων είναι δυναμική. Ως εκ τούτου είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πώς εξελίσσεται η ανάπτυξη με την πάροδο του χρόνου. Στο παρελθόν έχουμε πάρει μια στατική εικόνα, εστιασμένη σε ακίνητα έμβρυα αλλά τώρα έχουμε τη συναρπαστική δυνατότητα να παρακολουθήσουμε την εξέλιξη ζωντανά κάνοντας λήψη ταινιών. Αυτό μας επιτρέπει να αποκαλύψουμε νέες γνώσεις, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο οι μεταγραφικοί παράγοντες λειτουργούν στη συνέχεια του χρόνου», αναφέρει η Stathopoulos. «Περισσότερα από τα μισά γονίδια μιας φρουτόμυγας εργάζονται και στον άνθρωπο, οπότε η κατανόηση της ανάπτυξης μιας απλής μύγας φρούτων σχετίζεται πολύ με εμάς».




Orchestrating Development in the Fly Embryo

Most multicellular organisms on Earth—including you—begin as a single fertilized egg and then undergo a complex choreography of cellular growth to become a functioning adult composed of countless cells. Understanding this process is a major goal in the field of developmental biology. Now, using the fruit fly Drosophila melanogaster as a model system, a new study illustrates how two proteins act like conductors, giving cues during the very earliest stages of a fruit fly’s development.

The work was done in the laboratory of Angelike Stathopoulos, professor of biology, and appeared in a paper in the journal Cell Reports on July 23.

Though they may seem very different from humans, fruit flies are often used as a model organism to understand the basic biology that underlies our development. A large part of the Stathopoulos lab’s research focuses on answering the question: How does an embryonic fruit fly’s cells make decisions about which genes to express at the right times in order to develop into the right body parts?

The key to the processes of cellular differentiation—the ability of cells to develop specialized functions at specific locations—involves the regulation of gene expression. Though every cell in a fly has the same copy of the fly’s genome, individual cells express genes differently over time. As an analogy, one can think of a symphony: all of the musicians in an orchestra receive the same, complete score, but each musician only plays their own part.

At the earliest stages of Drosophila development, the embryo is shaped like an American football. Some of the 5,000 cells that make up the embryo, localized together within a stripe aligned lengthwise down the middle of the football shape (where the stitches would be on the ball), are destined to make specific types of cells, such as neurons. To support this differentiation, the cells in the stripe make decisions to express particular genes that are not made by the cells localized outside this domain. This spatial difference in gene expression is a key part of maintaining the stripe pattern.

The differences in cellular gene expression are made possible by proteins called activators (which increase expression of genes) and repressors (which decrease expression of genes). The most commonly studied repressors are spatially localized, meaning they are confined to cells in specific locations. However, Stathopoulos and postdoctoral scholar Theodora Koromila aimed to study two repressors, called Runt and Suppressor of Hairless [Su(H)], that are broadly expressed, meaning that they are found in cells throughout the whole embryo.

«Initially, we had assumed that broadly expressed repressors would have consistent activities throughout development, but it was a surprise to find that they play temporally distinct roles in regulating gene expression. They even switch behavior in time, from repressor to activator, which tells us that these proteins have complex functions,» says Koromila.

The team found that Runt actually orchestrates the timing of gene expression in the embryo. Like an orchestral conductor might hold up a hand to ensure that an instrumental section does not come in too early, the Runt repressors suppress certain gene expression until the time is right in embryonic development. Su(H), on the other hand, controls the levels of gene expression, similar to a conductor gesturing for a section to play louder or softer.

For this research, Koromila used a live imaging technique in which she made movies of the Drosophila embryo as it developed in real time to study where and when the repressors were acting. Then, in further experiments, Koromila genetically mutated DNA sequences to eliminate input by the Runt and Hairless proteins to examine live how the embryo’s development was consequently affected. Previous work in this field had focused only on small sections of the fly embryo, but Koromila’s imaging approach allowed her to examine the entire embryo at once.

«Embryos develop quickly, and gene expression is dynamic. Therefore, it is important to understand how development proceeds over time. In the past, we’ve taken a static view, focusing on fixed embryos, but now we have the exciting capability to look at development live by taking movies. This allows us to uncover new insights, including how transcription factors work over time,» says Stathopoulos. «More than half of the genes in a fruit fly also work in humans, so understanding how a simple fruit fly develops is very relevant to us.»

Provided by

Αναφορά

Distinct Roles of Broadly Expressed Repressors Support Dynamic Enhancer Action and Change in Time
Theodora Koromila and Angelike Stathopoulos
Cell Reports (2019)

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2019.06.063

Εικόνα εξωφύλλου

Επισκόπηση DNA / Wikimedia Commons