Genetica molecolare della Drosophila melanogaster per l'Università

DROSOPHILA MELANOGASTER

Grazie al suo tempo di sviluppo molto breve, Drosophila melanogaster è uno degli organismi modello più apprezzati in biologia; il tempo di sviluppo da zigote ad adulto sessualmente attivo è di circa 10 giorni, tempo ottimale per la formazione di più generazioni successive. Ha inoltre permesso di rilevare la genetica dello sviluppo, tramite l'osservazione di geni, ereditati e mutanti che selezionano negativamente lo sviluppo, ancora prima dell'arrivo dell'era molecolare in cui si comprese a pieno la struttura del gene e della sequenziazione del DNA.

Fasi di vita

1. EMBRIONE - fecondazione, segmentazione, gastrulazione, organogenesi
2. FASE LARVALE - termina con la metamorfosi
3. FASE ADULTA - si sviluppa un moscerino alato

Ovari di Drosophila

L'ovario è quella regione dell'apparato riproduttore femminile dove vengono formati gli ovociti; ve ne è uno per lato, connesso con un ovidotto che permette l'uscita dell'ovocita stesso. Ogni vario è formato da fasci di ovarioli uniti insieme; questa struttura permette di osservare i diversi stadi di maturazione della cellula uovo e delle cellule ad essa connesse. Si parte dalle cellule staminali germinali dell'ovario, che via via aumentano di numero fino a che, nella camera ovarica, non si osservano cellule di dimensioni maggiori rispetto a quelle che rivestono la camera ovarica.

follicle cell follicle cell Germarium Egg chamber stem cells oocyte nurse cell oocyte oocyte

La camera è circondata da epitelio cilindrico, formato da cellule follicolari; queste sono cellule della linea somatica (e non germinale) e derivano dal mesoderma. Le cellule della linea germinale danno origine alle cellule germinali, ossia gli ovociti e gli spermatozoi, mentre le cellule della linea somatica originano la struttura corporea dell'adulto. Le cellule germinali all'interno della camera ovarica continuano ad aumentare di volume, proseguendo nella formazione dell'ovocita. Ad un certo punto però si osserva l'accrescimento esponenziale di una cellula della parte posteriore, che si distingue dalle altre, che prenderanno il nome di cellule nutrici.

Organizzazione degli ovarioli e oogenesi

L'oogenesi è un processo che avviene circa in 12 giorni La cellula staminale primordiale (germinale) perde la sua potenzialità andando avanti con le divisioni; da una divisione asimmetrica verranno generate una cellula staminale ed una cellula formatrice dei cistociti, da cui si formeranno 16 cellule della camera ovarica, per mezzo di 4 divisioni mitotiche. Durante queste divisioni le cellule risulteranno connesse da ponti citoplasmatici, ossia dei grandi "canali" che permettono il passaggio di materiale. Delle 16 cellule, solamente le due centrali saranno connesse alle circostanti da quattro ponti citoplasmatici. 25Queste avranno entrambe la capacità di diventare ovocita, caratteristica che dipende dalla specifica disposizione lungo la camera ovarica; delle due, solamente quella più posteriore differenzia in ovocita, probabilmente grazie alla recezione di segnali provenienti dalle cellule follicolari.

(B) Stem cell Cystocyte- forming cell Stem cell cellule del follicolo che forniscono un segnale terminale Oocyte cellule del follicolo che forniscono un segnale ventrale

Questa cellula accresce grazie alle nutrici circostanti, che pompano materiale (vitello, mRNA, proteine e subunità ribosomiali) all'interno della cellula grazie ad un contributo del citoscheletro; secernono inoltre i materiali della membrana vitellina e del guscio. Le cellule nutrici sono talmente tanto specializzate nel loro ruolo, che hanno adottato una strategia particolare per massimizzare la loro produttività. Alla 9º replicazione del DNA avranno 512 copie di ciascun cromosoma (invece che due), senza essere arrivate a divisione cellulare.

SEGMENTAZIONE (CLEVAGE in inglese)

Le uova di Drosophila, centrolecitiche, sono molto ricche di vitello e faranno perciò segmentazione superficiale (il vitello ostacola le divisioni cellulari). Nell'uovo di Drosophila, inizialmente la cariocinesi (formazione del nucleo) avviene senza la citocinesi (divisione cellulare), così da formare un sincizio, quindi una singola cellula dotata di più nuclei in un citoplasma comune. Inizialmente, i nuclei si dividono nella zona centrale senza arrivare a divisione cellulare; questo processo prosegue fino alla 9° divisione, in cui si osservano 512 nuclei. Alcuni di questi inizieranno a migrare verso la periferia (la parte più posteriore) per formare le cellule polari, mentre altre non si sposteranno in periferia e andranno a formare cellule vere e proprie, rivestite da membrana, generando il blastoderma sinciziale. Qui si osserva la separazione della linea somatica dalla linea germinale; le cellule polari sono quindi germinali, e андranno a formare i gameti dell'individuo adulto. Già durante l'ovogenesi, quindi prima ancora della fecondazione, si riescono a distinguere un asse antero-posteriore ed uno dorso-ventrale, che si stabilisce in base alla posizione dell'ovocita e all'interazione con le cellule follicolari. Alla 13° divisione avviene la mid-blastula transition, fenomeno per cui tutti i nuclei periferici iniziano a cellularizzare rivestendosi da membrane, rallenta la divisione cellulare e aumenta la trascrizione di RNA.

10 18 27 36 45 54 72 ... 1 2 4 16 32 64 Nuclei (energids) 81 340 256 Energids migrate to periphery Cellular blastoderm Pole cells cells cellula del follicolo cellula nutrice oocita Ring canal 15 nurse cells ..... 26Formazione del blastoderma sinciziale e cellulare

• In una cellula sinciziale i nuclei condividono il citoplasma Tuttavia, grazie al riarrangiamento di membrana ed il contributo del citoscheletro cominciano a formarsi strati di membrana che vanno a suddividere i singoli nuclei, i quali si allungano fino ad arrivare ad una situazione di blastoderma cellulare.
• Questo processo può essere bloccato da inibitori della polimerizzazione dei microtubuli; Nel blastoderma cellulare tutte le cellule sono disposte in modo da formare un rivestimento monostratificato attorno al tuorlo, che forma il centro dell'uovo.
• Anche allo stato di blastoderma sinciziale si ha una sorta di compartimentalizzazione, in quanto l'actina va a delimitare i nuclei e la tubulina circonda i fusi mitotici in divisione.
• Questo si può osservare al microscopio grazie a tecniche di colorazione immuniostochimica, che permette di colorare in fluorescenza gli elementi cellulari; in rosso la tubulina ed in giallo l'actina.

Egg surface -Mitotic spindle (B -Cleavage furrow Aster Nucleus Yolk membrane -Furrow canal Microtubules

Le isole citoplasmatiche, ossia il territorio citoplasmatico suddiviso da porzioni particolari di citoscheletro, contenenti i nuclei prendono il nome di energidi Tagliando trasversalmente si riesce ad osservare come l'actina si approfondisce verso l'interno, a testimoniare un primo tentativo di separazione dei vari territori.

Segmentazione e formazione delle cellule polari

Fino all'8° divisione si osservano rapide serie di divisioni, permesse dall'assenza delle fasi G1 e G1 e la presenza di cicli alternativi di fasi S ed M. Dalla 10° divisione, i tempi di ciascuna divisione allungano perché si aggiungono le fasi gap G1 e G2 del ciclo cellulare. Alla 13° divisione, quando avviene la mid-blastula transition, si ha l'attivazione del genoma zigotico e la degradazione degli mRNA materni.

• Prima di questa attivazione le cellule si accrescevano grazie agli mRNA e alle proteine prodotte dai geni materni. Quando si attiva trascrizionalmente il genoma zigotico, tutti i nuclei iniziano a trascrivere e produrre mRNA zigotici.
• L'attivazione è legata al rapporto citoplasma-cromatina - embrioni aploidi attivano il genoma zigotico alla 14° divisone; Nel citoplasma dell'ovocita possono essere presenti molecole, solitamente proteine, in grado di inibire la trascrizione e mantenere la cromatina compattata. 27GASTRULAZIONE
• Comincia poco dopo la mid-blastula transition Grazie alla mappa del destino si riescono ad evidenziare i vari territori presuntivi e a identificare il tipo di tessuto in cui si svilupperanno. Il sistema nervoso è schematicamente rappresentato a strisce, questo perché quelle blu rappresentano cellule che diventeranno neuroni frammisti alle cellule grigie, che andranno a formare l'epidermide. Più generalmente, la gastrulazione internalizza mesoderma ed endoderma, lasciando fuori l'esoderma.

PRIMO MOVIMENTO DI GASTRULAZIONE

I primi movimenti separano i tre foglietti embrionali.

1. Il mesoderma presuntivo si ripiega verso l'interno formando il solco ventrale. Nel territorio mesodermico si osserva la presenza di una lieve invaginazione che procede in direzione antero-posteriore in modo dal formare il solco ventrale. Questa diventa man mano più profonda e andando a flettersi, successivamente poi si chiuderà all'interno dell'embrione, generando il tubo mesodermico.

1 V solco cefalico mesoderm nervous system amnioserosa gut yoll epidermis . germ line

1. Il futuro endoderma si invagina formando due tasche situate alle estremità anteriore e posteriore del solco ventrale. Le cellule polari sono portate all'interno insieme all'endoderma e, quando le due fossette si uniscono, si forma il tubo digerente.
2. A questo punto l'embrione si incurva, formando il solco cefalico. Le cellule ectodermiche della superficie e il mesoderma vanno incontro a un processo di estensione convergente, migrando verso la linea mediana ventrale per formare la banda germinativa, un addensamento cellulare lungo la linea mediana ventrale che comprende tutte le cellule che formeranno il tronco dell'embrione.
3. La banda germinativa si allunga in direzione posteriore e, probabilmente a causa dell'involucro (o guscio) dell'uovo, si avvolge attorno alla superficie dorsale dell'embrione. In tal modo, alla fine della formazione della banda germinativa, le cellule destinate a formare le strutture poste all'estremità posteriore della larva si trovano immediatamente dietro la futura regione del capo.
4. A questo punto cominciano a comparire i segmenti del corpo, che suddividono l'ectoderma e il mesoderma. La banda germinativa poi si ritrae, posizionando i futuri segmenti posteriori all'estremità posteriore dell'embrione. Sulla superficie dorsale i due lati dell'epidermide vengono congiunti mediante un processo definito chiusura dorsale. L'amniosierosa (lo strato extraembrionale che circonda l'embrione), che era stata la struttura più dorsale, interagisce con le cellule dell'epidermide per favorire e stimolare la loro migrazione.
• Questa è una membrana extracellulare che non fa parte dell'embrione vero e proprio, è presente nella parte dorsale ed è utilizzata dagli embriologi come marcatore morfologico. Mentre la banda germinativa è ancora estesa, avvengono diversi processi morfogenetici fondamentali
• l'organogenesi
• la formazione dei segmenti
• la segregazione dei dischi immaginali 28