Cosa determina la specificita’
nell’espressione genica?
Il caso degli HOMEOBOX
Abbiamo visto finora esempi di Combinazioni fattori
di trascrizione e dei loro di RESPONSIVEELEMENTS
(modularieta’)
accoppiata
alla
cooperativita’ e promiscuita’ nelle interazioni fra
diversi attivatori, rende conto della plasticita’ e
varieta’ nei programmi di espressione eucariotici
In ultima analisi e' il pattern di espressione o di
attivita’ di un certo set di fattori di trascrizione, e dei
loro coattivatori e co-repressori a determinare
l'attivazione di un programma genico in una cellula o
l'altra oppure durante stadi di sviluppo embrionale e
malattia
Il caso dei Geni Omeotici e’ paradigmatico di
come una cascata di fattori di trascrizione
agisca in modo combinatoriale per definire dei
segmenti corporei distinti.
Costituiscono anche un esempio di relazione tra
struttura di un locus genico (nel cromosoma) e
sua coordinata regolazione trascrizionale.
Gli homeobox sono un esempio di fattore di
tracrizione la cui attivita’ e’ costitutiva, per cui il
maggiore regolatore e’ l’espressione localizzata
di un certo gene hox
Un gruppo di geni contenente
l’omeodominio sono i gruppi di geni Hox,
un paradigma per lo sviluppo, l’evoluzione
delle specie e modi per coordinare la
trascrizione di famiglie geniche
I geni HOX in azione….
Con lo sviluppo dei somiti, il patterning antero posteriore e’ un
fenomeno diverso dal differenziamento per se: si sta qui parlando di
cellule mesodermiche che acquisiscono “la loro positional
information” lungo l’asse A-P e cio’ determina il loro destino
futuro (ripassare embriologia-Bressan)
positional information= un gruppo
di cellule si sviluppa/acquisisce
uno stato unico, in fx della sua
posizione. Cio’ e’, ultimamente,
dettato dalla gastrulazione
Istologicamente tutte uguali ;
anatomicamente ben diverse;
Ed IN PIU’ In un ben preciso ordine
spaziale e temporale!!!!
Questa informazione e’ dettata dal set di geni HOX
Inizialmente studiati e scoperti in Drosophila,
sono oggi universalmente noti
Un modo per visualizzare l’effetto di
mutazioni in geni omeotici e’ di
pensare che ci sia un codice di attivita’
genica per ogni segmento, per es 4
segmenti = 000, 001, 011, 111
Homeotic transformations in Drosophila and humans.
A human cervical vertebra transformed
into a thoracic one with ribs.
Mutations in selector genes often cause transformation of one body part
into another (homeosis), providing particularly vivid evidence of the role
of genes in regional specification. For instance, misexpression of Antp in
the primordium of the antenna results in its development into a leg rather
than an antenna. Conversely, loss of Ubx leads to development of a
pair of wings in place of other organs on the third thoracic segment.
Genes in which mutations have such effects are referred to as homeotic
genes. =trasformano un segmento di corpo in un altro
Un fenomeno interessante…
Transdifferenziamento: e’ la
conversione di un tessuto da un
precedente stato differenziativo in
un’altro. I meccanismi molecolari e
cellulari (stem cells?) non si conoscono
quasi mai. Detto questo, ci sono alcune
evidenze che si possa trattare di una
trasformazione omeotica, in cui anche
nello stato adulto c’e una riespressione
di programmi genici embrionali, pero’ di
di tessuti (embriologicamente e
anatomicamente) adiacenti. Cio’
avviene I seguito a fenomeni di
rigenerazione/riparo indotta da danno.
Raramente queste rigenerazioni
ripristinano l’organo danneggiato.
Esempio: Esofago di Barrett.
In anatomia patologica…
Metaplasia is a term belonging to human pathology. It
is not infrequent to find foci of a particular tissue in the
wrong place (Willis, 1962). Examples are the occurrence of
bone in the soft connective tissue, or the occurrence of
squamous patches in an epithelium that is normally
glandular in histology. Particularly significant from a
theoretical standpoint are the glandular metaplasias where
patches of one tissue are found in the epithelium of
another. These occur particularly in the gut and in the
female reproductive system, perhaps because both these
two systems consist of a series of organs arranged in a
tube, with each organ lined with a different epithelium
(Slack, 1985, 1986). Metaplasias usually arise in tissues
subject to chronic trauma or infection, hence undergoing
continuous regeneration. Some examples of metaplasia
are now understood in molecular terms, for example
patches of intestinal epithelium in the stomach can be
produced by ectopic expression of the transcription factor
Cdx2 (Silberg, 2002). Some metaplasias have a clinical
significance because they predispose to development of
cancer, for example squamous metaplasia of the bronchus
or intestinal metaplasia of the stomach.In all these
examples the transformation occurs in the course of
regeneration, which somehow destabilises the
differentiated or committed cell types. In most cases the
original and final tissue type are developmentally related in
some way
Il transdifferenziamento e’ un
fenomeno osservato in alcune
patologie
Il transdifferenziamento non ha solo una accezione
negativa: regenerazione terapeutica per la cura del
diabete??
Many common diseases such as cancer, heart disease or stroke, cause
damage to specific structures and organs within the body. To repair the
organs requires being able to regenerate the correct types of cell in the
damaged areas. One possible method is to graft in stem cells, which may be
able to replace any type of cell.
Another possiblilty is to replace the missing function by causing
transdifferentiation (or conversion) of existing cells. This strategy is likely to
work best in the case of endocrine organs whose function is to secrete
hormones into the blood. This is because the exact location of an endocrine
gland within the body does not matter, and, so long as it has access to the
bloodstream, a replacement organ could be successfully created by
transdifferentiation in an unusual position
Tornando alle radici teoriche…
utilizzo della Drosophila come
organismo modello da cui abbiamo
derivato alcune “principi guida” universali
per il funzionamento dei geni omeotici e,
piu’ in generale, per la specificazione di
diversi segmenti corporei
ANTERIORE
-,-,-
+,-,-
+,+,-
3’
POSTERIORE dell’
Embrione di
Drosophila
the BX-C complex
includes three genes.
BX-C represses
parasegment 4 (T2)
identity and allows the
more posterior
parasegments to be
specified. 4 is “default”
Genes that are
expressed more
posteriorly suppress
the action of genes that
are expressed more
anteriorly.= Posterior
prevalence rule
5’
Esempio di posterior prevalence in mammiferi
Knock-out di Hoxc8
(espresso in regione
toraciche e lombari),
trasforma un
segmento posteriore
in anteriore= cioe’
esso serve per
istruire un destino
posteriore, altrimenti
le cellule
adotterebbero una
identita’ piu’
anteriore
Bitorax complex= addome e torace
antennapedia complex= testa e torace
Cloning of the homeobox
(nucleic acid). Homeodomain
refers to protein.
The homeodomain is a 60
Define
Hox, homeobox
aa DNA-binding
domain
that is very conserved
during evolution. It fits
into the major groove of
the DNA.
The term homeobox is reserved for the nucleic acid
sequences that encode homeodomains. Since they are
highly conserved, they can be detected by lowstringency hybridization across species.
Fig. 13
Nel topo esistono 4 cluster di HOX
Regole di espressione: NB regolazione nel tempo e nello spazio
I geni HOX sono espressi a stadi precoci (gastrulazione, quando cellule
mesodermiche lasciano la PS)
L’ordine temporale di accensione riflette l’ordine spaziale di espressione
CIOE’ geni espressi prima sono i geni Anteriori
E, all’opposto, i geni espressi DOPO sono geni POSTERIORI
COLINEARITA’: e’ la corrispondenza tra l’ORDINE dei geni nei
cromosomi (nel cluster) ed il loro ordine (spaziale e temporale) di
espressione; gene (A) al 3’= gene espresso prima del gene (B) locato un po’
piu’ in 5’che e’ espresso un po’ dopo. I piu’ in 3’ precedono in espressione
quelli piu’ in 5’.
Via via che la gastrulazione procede distinti geni Hox vengono accesi.
Esiste un bordo ANTERIORE (sharp) e POSTERIORE (piu’ sfumato)
di espressione
C’e’ una parziale sovrapposizione in espressione per ogni “segmento”
corporeo che e’ cosi’ caratterizzato da un certo tipo di hox cluster. Per es
Hoxa1 e b1 dicono “fai un atlante”
N.B questa non e’ una “ foto” della espressione in un dato istante ma e’ la SOMMA di tutte le
espressioni che si manifestano nel tempo: i geni espressi prima sono poi repressi
Chi regola l’espressione dei
geni Hox ?
….resta in gran parte un
enigma…. MA la
regolazione degli HOX da
parte dell’acido retinoico e’
un problema medico
interessante
2b) Retinoic acid activates HOX genes
sequentially in cultured human
teratocarcinoma cells
Fig.
21
SOMMARIO….
Vertebrates have four Hox complexes, with
about 10 genes each. They can be aligned in
13 groups of paralogues.
They display colinearity:
a) Temporal colinearity: genes on one end of
the complex are expressed first, those on the
other (posterior) end are turned on last.
b) Spatial colinearity: the more anteriorly
expressed genes are in one end, the more
posterior ones at the other end of the gene
complex.
c) Anterior Hox genes are activated
sequentially by retinoic acid.
Fig.
16
