3.1: Виникає цікавий випадок бікоїда: Моделі для створення моделі градієнта-А

Моделі для створення градієнта

Морфогенні градієнти неймовірно важливі в розробці для малювання тканин. Якщо тканина повністю однорідна (кожна клітина виконує одне і те ж завдання), вона не може бути складною і часто не стійка до коливань навколишнього середовища. У випадку з бікоїдом у дрозофіли ми розглядаємо морфогенний градієнт, який малює переднезадню вісь - як згадувалося у Вступі, занадто багато бікоїду дає нам гігантську голову і занадто мало взагалі не дає нам голови. Існує десь близько 60 різних генів, які реагують на різні рівні бікоїдного білка, і одним з найбільш ранніх, які можна виявити, є Горбун. Горбун дає позиційну інформацію ембріону мухи, він загострює межу між передньою і задньою частиною мухи. Хоча бікоїдний білок градієнт дуже широкий і нагадує градієнт дифузії, градієнт Горбуна різкий, зі значно різними рівнями білка в межах 10 мкм, або близько 2 ядер ¹.

Малюнок 1: Градієнт бікоїдів (Bcd) неглибокий, концентрація бікоїдів (вісь y) погіршується приблизно на 1/2 загальної довжини ембріона (вісь x). Однак цей неглибокий градієнт надає позиційну інформацію для Горбуна (Hb), яка перекладається до тих пір, поки є навіть низький рівень бікоїдного білка 1,2. Цей гострий градієнт Горбуна акуратно розщеплює ембріон на передню і задню половини. Пізніше в процесі розвитку наявність високого Hb + високого Bcd, високого Hb, низького Bcd та низького Hb + низького Bcd буде зчитуватися різними факторами транскрипції для отримання широких смуг у ембріона (див Регіоналізація та Організатори для отримання додаткової інформації).

Очевидно, що рівні бікоїду повинні мати величезне значення, оскільки бікоїдний градієнт та його зчитування (наприклад, рівні Горбуна) неймовірно точні. Ранньою моделлю для спостережуваного бікоїдного градієнта в дрозофілах є модель SSD (Synthesis, Solute, Diffusion), де точкове джерело бікоїдного білка (в перекладі з передньої бікоїдної мРНК) встановлює градієнт концентрації. Пов'язана модель SDD (синтез, дифузія, деградація) включає деградацію з часом бікоїдного білка, зберігаючи градієнт від досягнення заднього кінця ембріона. Було запропоновано кілька інших моделей, які дозволять коливання розміру ембріона, але все ж призводять до правильного показання бікоїдів:

1. Більше МРНК/білка у більших ембріонів: Це збільшило б градієнт далі у більших ембріонів.
2. Ядерний шаттл: Те саме, що і модель SDD, але бікоїдний білок засвоюється ядрами, коли він дифузує ними. За цією моделлю, чим щільніше упаковані ядра (менший ембріон), тим швидше бікоїдний білок витягується з синцитіальної цитоплазми. У більших ембріонів білок може дифузувати далі.
3. Модель ARTS (активна мРНК, Транспорт, Синтез): Цитоскелет активно транспортує бікоїдну мРНК, утворюючи градієнт мРНК, який зчитується як градієнт білка під час перекладу. У більших ембріонів цитоскелет може транспортувати мРНК далі.
4. Дифузія та деградація мРНК: Це схоже на модель ARTS, за винятком того, що в цій моделі бікоїдна мРНК з часом деградує для підтримки градієнта мРНК. Більші мухи можуть мати нижчі темпи деградації бікоїдної мРНК або більш швидкий транспорт.
5. Полегшена дифузія білка. Це схоже на модель ARTS, тільки вона передбачає транспортування бікоїдного білка цитоскелетом. У цьому випадку більші мухи могли б швидше транспортувати бікоїдний білок.

Існують деякі докази для і проти кожної з цих моделей, що свідчить про те, що бікоїдний білок градієнт, ймовірно, підтримується комбінацією цих моделей. Крім того, зчитування бікоїдного білка може бути більш складним, ніж ми думаємо - кілька білків можуть впливати на те, як бікоїд взаємодіє зі своїми цілями.

Докази за і проти моделей

Дані як від дрозофіл, так і інших, більших, двокрилих надали докази, що підтверджують кожну з перерахованих вище моделей. Додаткове тестування сфальсифікувало прогнози деяких моделей, і це є предметом цього розділу. Нижче я описую кожну модель і тест цієї моделі, я також включаю цифру, яка ілюструє, що модель очікує і що насправді спостерігалося. Я рекомендую цей тип супер-редукціоністської фігури, щоб допомогти узагальнити великий набір даних, але нам завжди потрібно пам'ятати, що він не розповідає всю історію.

1. Більше білкової моделі. Ембріон може отримати більше білка, збільшуючи кількість мРНК, збільшуючи швидкість трансляції цієї мРНК або зменшуючи швидкість деградації білка. Підтримує це висновок, що введення додаткових копій бікоїдів (більше мРНК і більше білка) у плодову муху збільшує бікоїдний градієнт і розмір голови. Щоб побачити, чи це те, що роблять мухи з більшими ембріонами, щоб зробити більший градієнт, дослідники ставлять бікоїдну ДНК, в комплекті з цис-регуляторними сайтами та УТР, від великих ембріонів мух (Calliphora) у дрозофіли. Вони виявили, що ген бікоїдів з великих ембріонів не робив більш тривалого градієнта у дрозофіл. Тому, якщо є якісь фактори, що впливають на стабільність мРНК або деградацію білка, вони повинні бути специфічними для більших мух ³.

2. Ядерний шаттл. Ранні експерименти з цього приводу припускали, що додавання сигналу ядерної локалізації до бікоїдного білка зробило менший градієнт ³. Пізніші експерименти перевірили це, зробивши дрозофіли з мутантною версією бікоїду, яка не накопичувалася в ядрах. Якби ядерний імпорт зробив бікоїдний білок градієнт крутішим, то вони побачили б більш широкий градієнт після гальмування ядерного імпорту. Однак вони побачили досить нормальний на вигляд бікоїдний білок градієнт, рішуче аргументуючи цю модель ⁴.

3 і 4. градієнтні моделі мРНК. В обох моделям 3 і 4 мРНК активно транспортується навколо клітини цитоскелетом. Це знаходиться в прямій протистоянні моделі SDD, де бікоїдний білок перекладається з передньої прив'язки бікоїдної мРНК. У цих двох моделей градієнта мРНК градієнт білка є просто «зчитуванням» градієнта мРНК. Докази для цих двох моделей є ретельне вимірювання бікоїдної мРНК у ембріонів, що розвиваються (рис. 2). Ці ретельні вимірювання показують, що бікоїдна мРНК сама по собі утворює градієнт, а не є просто точковим джерелом ⁵. Його рух залежить від цитоскелета, якщо порушений цитоскелет, порушується і градієнт мРНК ⁶. Докази проти цієї моделі походять від висновку, що бікоїдний білок на задній частині ембріона старше бікоїдного білка спереду. Якщо бікоїдна мРНК дифундує до задньої частини, щоб зробити градієнт, то бікоїдний білок виготовляється з цієї мРНК, ми очікуємо побачити молодший бікоїдний білок у задньому та змішаному віці Бікоїдний білок на передньому кінці. Однак Durrieu et al виявили протилежне, припускаючи, що навіть незважаючи на те, що бікоїдна мРНК може утворювати градієнт, це не є основним визначальним фактором градієнта білка ⁷.

5. Полегшена дифузія білка. Порушення цитоскелета шляхом лікування ембріона дрозофіли антиактиновими або антимікротрубочними препаратами призводить до порушення білкового градієнта. Оскільки прив'язка мРНК на передньому полюсі також залежить від мікротрубочок, просто порушення цитоскелета не скаже вам, чи це транспорт мРНК або транспорт білка, що призводить до градієнта білка. В одному дослідженні використовувався кумедний трюк - якщо підняти ембріони дрозофіли в умовах низького кисню (гіпоксичних), бікоїдна мРНК залишиться на передньому кінці, навіть якщо мікротрубочки порушені. Це дослідження показало, що бікоїдний білок все ще утворює градієнт, навіть якщо бікоїдна мРНК цього не робить, і що цей градієнт залежить від цитоскелета ⁸.

Малюнок 2: Докази для та проти градієнтних моделей Bcd ^3,4,5,6,7,8. Показано чотири основні моделі генерації бікоїдних градієнтів. Експеримент, який підтримує або фальсифікує кожен, обводиться жовтим кольором. Очікувані градієнти концентрації бікоїдів після експериментального втручання знаходяться зліва, спостерігаються градієнти концентрації - справа.

Виникає модель

Незважаючи на всі, здавалося б, суперечливі дані, починає з'являтися модель, яка пояснює надійність бікоїдного білка градієнта та пояснює, як сам градієнт може масштабуватися до більших або менших тіл. По-перше, бікоїдна мРНК в основному секвестується на передньому кінці ембріона, але також подорожує по корі (зовнішньому краю) ембріона через мікротрубочки. Бікоїдний білок перекладається з бікоїдної мРНК, причому більша кількість трансляції відбувається на передньому кінці, де концентрація бікоїдної мРНК вище. Деякий бікоїдний білок, ймовірно, також перекладається з нижчої концентрації бікоїдної мРНК, яка рухалася назад через мікротрубочки. Це призводить до градієнта бікоїдного білка, який трохи ширший, ніж ми очікували, якби існувало просте точкове джерело бікоїдного білка (тобто переклад з бікоїдної мРНК переднього полюса).

Цей градієнт білка також модифікується, оскільки бікоїдний білок транспортується навколо ембріона цитоскелетом (через актинові нитки та мікротрубочки). Таким чином, існує контроль над градієнтом цитоскелетом та білками, які опосередковують взаємодію між бікоїдом (білком та мРНК) та цитоскелетом. Ці опосередковуючі білки можуть бути чутливими до місцевих рівнів бікоїдів і можуть дозволити бікоїду рухатися швидше або повільніше залежно від переднезаднього положення та рівня градієнта. Наприклад, велика муха може мати менше бікоїдного білка шляхом дифузії на 15% його довжини (EL), ніж маленька муха робить на 15% його довжини. Однак весь бікоїдний білок при 15% EL у великій мусі може бути прийнятий опосередкованими білками і переміщатися назад, щоб розширити градієнт. З іншого боку, у маленької мухи більша кількість бікоїдного білка при 15% EL може перенасичувати протеїн-посередник і транспортуватися менш ефективно.

Крім того, бікоїдні білки різних видів мух, як відомо, мають дещо різні властивості, наприклад, бікоїди з більших видів мух, таких як Calliphora vicinia та Lucilia sericata, не здатні повністю врятувати. Дрозофіли Бікоїдні мутанти ³. Ці різні властивості також можуть відігравати певну роль у білково-білкових взаємодіях за участю цитоскелета. Нарешті, опосередковуючі білки між видами також можуть відрізнятися, деякі можуть більш ефективно зв'язуватися з бікоїдом та/або рухатися по цитоскелету більш ефективно.