Декапентаплегия - Decapentaplegic

Decapentaplegic (ДПП) является одним из ключевых морфогеном участвует в развитии дрозофилы дрозофилы и является первым подтверждено секретируемый морфогеном. Известно, что это необходимо для правильного формирования паттерна и развития ранних эмбрионов дрозофилы и пятнадцати имагинальных дисков , которые представляют собой ткани, которые станут конечностями и другими органами и структурами взрослой мухи. Также было высказано предположение, что Dpp играет роль в регулировании роста и размера тканей. Мухи с мутациями в decapentaplegic не могут правильно формировать эти структуры, отсюда и название ( decapenta -, пятнадцать, - plegic , паралич). Dpp является у дрозофилы гомологом морфогенетических белков костей позвоночных (BMP), которые являются членами суперсемейства TGF-β , класса белков, которые часто связаны со своим собственным специфическим сигнальным путем. Исследования Dpp у Drosophila привели к большему пониманию функции и важности их гомологов у позвоночных, таких как люди.

Функция у дрозофилы

Концентрация морфогена как функция расстояния от источника (обычно называемая «моделью французского флага»). Концентрация Dpp в определенных границах и выше определенных пороговых значений приводит к различным судьбам клеток. Экспоненциальное затухание градиента позволяет не влиять на пороговые значения из-за разницы в длине ткани. Например, при одном наборе параметров 80% -ное падение концентрации всегда будет происходить на расстоянии 1/3 длины ткани, независимо от размера ткани.

Dpp является классическим морфогеном, что означает, что он присутствует в пространственном градиенте концентрации в тканях, где он обнаружен, и его присутствие в виде градиента придает ему функциональное значение в том, как он влияет на развитие. Наиболее изученными тканями, в которых обнаруживается Dpp, являются ранний зародыш и имагинальные крылатые диски, которые позже образуют крылья мухи. Во время эмбрионального развития Dpp равномерно экспрессируется на дорсальной стороне эмбриона, создавая резкий градиент концентрации. В имагинальных дисках Dpp сильно экспрессируется в узкой полосе клеток посередине диска, где ткань отмечает границу между передней и задней сторонами. Dpp диффундирует от этой полосы к краям ткани, образуя градиент, как и ожидалось от морфогена. Однако, хотя клетки в домене Dpp у эмбриона не пролиферируют, клетки имагинального крылового диска сильно пролиферируют, вызывая рост ткани. Хотя формирование градиента у ранних эмбрионов хорошо известно, то, как градиент морфогена Dpp формируется в имагинальном диске крыльев, остается спорным.

Роль и формирование в эмбриональном развитии

На ранней стадии бластодермы передача сигналов Dpp равномерна и низка вдоль дорсальной стороны. Резкий профиль передачи сигналов возникает на дорсальной средней линии эмбриона во время клеточного развития, с высокими уровнями Dpp, определяющими внеэмбриональную амниосерозу, и низкими уровнями, определяющими дорсальную эктодерму . Передача сигналов Dpp также включает механизм положительной обратной связи , который способствует будущему связыванию Dpp. Градиент морфогена у эмбрионов устанавливается посредством известного активного транспортного механизма. Формирование градиента зависит от ингибиторов BMP короткой гаструляции (Sog) и витой гаструляции (Tsg) и других внеклеточных белков, таких как Tolloid (Tld) и Screw (Scw). Sog продуцируется в вентрально-латеральной области эмбриона (перпендикулярно градиенту Dpp) и образует градиент ингибирования BMP, который предотвращает связывание Dpp с его рецептором. Sog и Tsg образуют комплекс с Dpp и активно транспортируются к дорсальной средней линии (середина эмбриона), следуя градиенту концентрации Sog. Tld, металлопротеаза , высвобождает Dpp из комплекса, опосредуя процессинг Sog, активируя передачу сигналов Dpp по средней линии. После гаструляции эмбриона градиент Dpp вызывает формирование сердечной и висцеральной мезодермы .

Сигнальный путь

Dpp, как и его гомологи позвоночных, является сигнальной молекулой. У дрозофилы рецептор Dpp образован двумя белками: Thickveins (Tkv) и Punt. Как и сам Dpp, Tkv и Punt очень похожи на гомологов других видов. Когда клетка получает сигнал Dpp, рецепторы способны активировать внутриклеточный белок, называемый материнским, против Dpp (mad) путем фосфорилирования. Первоначальное открытие mad у Drosophila проложило путь для более поздних экспериментов, которые идентифицировали ответчика на передачу сигналов TGF-β у позвоночных, названного SMAD . Activated Mad может связываться с ДНК и действовать как фактор транскрипции, влияя на экспрессию различных генов в ответ на передачу сигналов Dpp. Гены, активируемые передачей сигналов Dpp, включают оптомоторный слепой (omb) и spalt, и активность этих генов часто используется в качестве индикаторов передачи сигналов Dpp в экспериментах. Другой ген с более сложным регуляторным взаимодействием с Dpp - brinker. Brinker - это фактор транскрипции, который репрессирует мишени активации Dpp, поэтому для включения этих генов Dpp должен репрессировать brinker, а также активировать другие мишени.

Роль в Imaginal Wing Disc

Картинка, иллюстрирующая распределение Dpp, показанная красным, в диске крыла. Dpp образуется полосой перед передней / задней границей и распространяется к краям ткани.

В крыле мухи задняя и передняя половины ткани населены разными типами клеток, которые экспрессируют разные гены. Клетки в задней части, но не в передней, экспрессируют транскрипционный фактор Engrailed (En). Один из генов, активируемых En, - это сигнальный фактор hedgehog (hh). Передача сигналов Hedgehog инструктирует соседние клетки экспрессировать Dpp, но экспрессия Dpp также подавляется En. В результате Dpp продуцируется только в узкой полосе клеток, непосредственно прилегающих к задней половине ткани, но не внутри нее. Dpp, продуцируемый на этой передней / задней границе, затем диффундирует к краям ткани, образуя пространственный градиент концентрации.

Считывая свое положение вдоль градиента Dpp, клетки в крыле могут определять свое положение относительно передней / задней границы, и они ведут себя и развиваются соответственно.

Возможно, что на самом деле это не диффузия и градиент Dpp, которые формируют структуру тканей, а вместо этого клетки, которые получают сигнал Dpp, инструктируют своих соседей о том, что им быть, и эти клетки, в свою очередь, сигнализируют своим соседям в каскаде через ткань. Было проведено несколько экспериментов, чтобы опровергнуть эту гипотезу и установить, что именно градиент реальных молекул Dpp ответственен за формирование паттерна.

Существуют мутантные формы рецептора Dpp Tkv, которые ведут себя так, как если бы они получали большое количество сигнала Dpp даже в отсутствие Dpp. Клетки, которые содержат этот мутантный рецептор, ведут себя так, как если бы они находились в среде с высоким Dpp, такой как область рядом с полосой клеток, продуцирующих Dpp. Создавая небольшие участки этих клеток в разных частях ткани крыла, исследователи смогли различить, как Dpp действует, формируя структуру ткани. Если клетки, которые получают сигнал Dpp, инструктируют своих соседей в каскаде, то дополнительные центры формирования паттерна ткани должны появиться в местах мутантных клеток, которые, по-видимому, получают высокую передачу сигналов Dpp, но сами не продуцируют Dpp. Однако, если физическое присутствие Dpp необходимо, то клетки рядом с мутантами вообще не должны быть затронуты. Эксперименты подтвердили второй случай, указывая на то, что Dpp действует как морфоген.

Обычный способ оценки различий в структуре ткани крыла мухи - это посмотреть на рисунок жилок на крыле. У мух, у которых нарушена способность Dpp диффундировать через ткань, расположение вен смещено по сравнению с нормальными мухами, и крыло, как правило, меньше.

Dpp также был предложен в качестве регулятора роста и размера тканей, что является классической проблемой в развитии. Проблема, общая для организмов с многоклеточными органами, которые должны расти от первоначального размера, заключается в том, как узнать, когда прекратить рост после достижения подходящего размера. Поскольку Dpp присутствует в градиенте, можно предположить, что наклон градиента может быть мерой, с помощью которой ткань определяет, насколько она велика. Если количество Dpp в источнике фиксировано, а количество на краю ткани равно нулю, то крутизна градиента будет уменьшаться по мере увеличения размера ткани и расстояния между источником и краем. Эксперименты, в которых искусственно крутой градиент Dpp индуцируется в ткани крыла, привели к значительному увеличению количества пролиферации клеток, что подтверждает гипотезу крутизны.

Формирование градиента Dpp в диске воображаемого крыла.

Форма градиента Dpp определяется четырьмя кинетическими параметрами лиганда, на которые влияют биологические параметры:

1. Эффективный коэффициент диффузии , который зависит от внеклеточной диффузии, скорости внутриклеточного транспорта и кинетики связывания / разрыва рецептора .
2. Эффективные скорости внеклеточной и внутриклеточной деградации.
3. Скорость продукции зависит от пути продукции Dpp.
4. Неподвижная фракция (параметр, связанный с методом измерения кинетики Dpp, FRAP ).

Важно отметить, что один биологический параметр может влиять на несколько кинетических параметров. Например, уровни рецепторов будут влиять как на коэффициент диффузии, так и на скорость разложения.

Однако механизм, с помощью которого формируется градиент Dpp, все еще остается спорным, и полное объяснение не было предложено или доказано. Четыре основных категории теорий, лежащих в основе формирования градиента, - это свободная диффузия, ограниченная диффузия, трансцитоз и транспорт с помощью цитонемы.

Иллюстрация допущений, сделанных каждой моделью образования градиента Dpp. A) Модель свободной диффузии: Dpp свободно распространяется через ECM. Б) Модель ограниченной диффузии: Dpp диффундирует через ЕСМ и взаимодействует с протеогликанами и рецепторами. C) Модель трансцитоза: Dpp проходит через клетки посредством эндоцитоза. D) Модель транспорта, опосредованного цитонемой: Dpp напрямую направляется к клеткам-мишеням через цитонемы на основе актина.

Модель свободной / ограниченной диффузии

Модель свободной диффузии предполагает, что Dpp свободно диффундирует через внеклеточный матрикс, деградируя посредством событий деградации, опосредованной рецептором. Анализы FRAP выступили против этой модели, отметив, что диффузия GFP-Dpp не соответствует ожидаемой от молекулы аналогичного размера. Однако другие утверждали, что ограничивающий скорость медленный шаг далее по ходу процесса, такой как медленная иммобилизация и / или медленная деградация самого Dpp, может объяснять наблюдаемые различия в диффузии. Одиночные молекулы Dpp были отслежены с помощью флуоресцентной корреляционной спектроскопии (FCS), показав, что 65% молекул Dpp диффундируют быстро (в соответствии с моделью свободной диффузии) и 35% диффундируют медленно (в соответствии с Dpp, связанным с рецепторами или глипиканами ).

Ограничено диффузионная модель включает в себя эффекты клеточной геометрии упаковки и взаимодействие с внеклеточным матриксом посредством связывания с рецепторами события , такие как TKV и сульфатом гепарина протеогликанов носиться и носиться-подобными .

Модель трансцитоза

Модель трансцитоза предполагает, что Dpp транспортируется посредством повторяющихся циклов эндоцитоза, опосредованного внутриклеточными рецепторами, при этом тяжесть градиента определяется эндоцитотической сортировкой Dpp в сторону рециклинга через клетки по сравнению с деградацией. Эта модель изначально была основана на первоначальном наблюдении, что Dpp не может накапливаться в клонах, в которых критический белок, называемый динамином, необходимый для эндоцитоза, был мутирован в фенотип шибире ( ши ). Однако другие эксперименты показали, что Dpp способен накапливаться в ши- клонах, что противоречит модели трансцитоза. Пересмотр теории, лежащей в основе модели, предполагает, что эндоцитоз не важен для движения Dpp, но участвует в передаче сигналов Dpp. Dpp не может перемещаться по клеткам с мутированными dally и dally-подобными , двумя гепаринсульфатными протеогликанами (HSPG), обычно обнаруживаемыми во внеклеточном матриксе. В результате эти результаты предполагают, что Dpp перемещается по поверхности клетки посредством ограниченной внеклеточной диффузии с участием dally и dally-like , но транспорт Dpp сам по себе не зависит от трансцитоза.

Цитонема-опосредованная транспортная модель

Cytoneme -опосредованная модель предполагает , что Dpp непосредственно транспортируется в клетки - мишени с помощью актина основанного филоподий называется cytonemes , которые простираются от апикальной поверхности ДПП-клеток в ответ на ДППЫ-продуцирующие исходные клетки. Эти цитонемы наблюдались, но зависимость градиента Dpp от цитонем не была окончательно доказана в имагинальных крыльевых дисках. Однако известно, что Dpp необходим и достаточен для расширения и поддержания цитонем. Эксперименты по анализу динамики между Dpp и цитонемами были проведены в зачатке воздушного мешка, где было обнаружено, что передача сигналов Dpp имеет функциональную связь с цитонемами. Однако эти эксперименты не были воспроизведены на имагинальных крыльевых дисках.

Роль в моллюсках

Dpp также встречается у моллюсков, где он играет ключевую роль в формировании раковины, контролируя форму раковины. У двустворчатых моллюсков он экспрессируется до тех пор, пока протоконх не приобретает необходимую форму, после чего его экспрессия прекращается. Это также связано с образованием раковины у брюхоногих моллюсков с асимметричным распределением, которое может быть связано с их свертыванием: рост раковины, по-видимому, ингибируется там, где экспрессируется Dpp .

Рекомендации

Внешние ссылки

• Drosophila decapentaplegic - Интерактивная муха
• decapentaplegic + белок, + Drosophila в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)