Entwicklung bei Drosophila

Zu Beginn der Entwicklung von Drosophila bilden sich innerhalb der Eizelle zwei Gradienten aus, die die anterior-posteriore und die dorsoventrale Achse definieren. Der Gradient für die Längsachse bildet sich bald nach der Befruchtung, der Gradient für die Querachse später.

Bei der Drosophila findet bilden sich im Larvenstadium teilweise Gewebe aus, die Vorläufer der adulten Regionen sind; teilweise werden die Gewebe allerdings auch nur in diesem Stadium ausgebildet.

Entlang der Längsachse von Drosophila bilden sich während der Entwicklung sogenannte Dentrikel (kleine Häarchen) in Form eines Streifenmusters. Anhand des Dentrikelmusters kann man häufig auch andere Mutationen des Phänotyps ablesen.

Nach der Befruchtung der Eizelle teilen sich die Kerne ohne dass eine Zellteilung stattfindet. Nach den ersten sieben Teilungen wandern einige Kerne in das Polplasma ein und bilden dort die Vorläufer der Keimzellen. Nach der neunten Teilung wandern die Kerne an die Peripherie und bilden dort eine Schicht, in der sie nach weiteren vier Teilungen von Membranen getrennt werden. Entsprechend seiner relativen Position gegenüber den beiden Gradienten definiert der Kern seine Position und ist nach dem zellulären Blastoderm determiniert.

Bei der Eientwicklung entstehen aus einer Vorläuferzelle durch mehrere mitotische Teilungen 16 Zellen, die über cytoplasmatische Brücken verbunden sind. Eine diese Zellen wird durch eine Meiose zur Eizelle. Aus den anderen entstehen Nährzellen.

Der erste Gradient wird durch maternale Gene geprägt. Wenn diese in den somatischen an der Eientwicklung beteiligten Zellen exprimiert werden, werden sie maternale somatische Gene, wenn die in der Keinmbahn exprimiert werden maternale Keimbahngene genannt. Durch diese Gene werden bestimmte Proteine über das Ei assymetrisch verteilt. Diese Proteine werden Morphogene genannt:

Das anteriore System definiert Kopf und Brust durch das am Vorderende exprimierte maternale Keimbahnprodukt bicoid. Dieses Gen kontrolliert die Transkription und die Expression von hunchback.
Das posteriore System definiert die Hinterleibsegmente.
Das terminale System sorgt für die Entwicklung spezieller Strukturen an den unsegmentierten Enden. Diese Entwicklung ist von den maternalen somatischen Einflüssen abhängig.
Das System für die dorsoventrale Entwicklung wird von den Follikelzellen der Bauchseite über Toll kontrolliert.

Es wurden bisher 30 maternale Kontrollgene identifiziert.

Zu meist wurden Transplantationsversuche verwendet, um die Wirkung eines Gens festzustellen. So konnte man z.B. feststellen, dass bicoid-Mutanten keinen Kopf haben. Nach Injektion von anteriorem Cytoplasma eines Wildtyps in die Mutante entwickeln sich dort anteriore Strukturen. bicoid entfaltet seine Wirkung auf Grund eines Gradienten, der seine höchste Konzentration am anterioren Ende hat. Es spielt eine instrukive Rolle, da es für die Expression von Genen (z.B. hunchback) benötigt wird.

Die posteriore Entwicklung ist durch eine grosse Gruppe von Genen gesteuert. Die von diesen Genen kontrollierten Proteine sind für den Nährstofftransport aus den Nährzellen und die Ausbildung des Abdomens verantwortlich. Die einzelnen Proteine sind immer für die Lokalisation des nächsten Proteins verantwortlich und bilden so über mehrere Stufen die posteriore Struktur aus. Eines der Endprodukte (Nanos) wirkt permissiv, indem es Gene (in dem fall hunchback) unterdrückt.

Das vom anterioren und posterioren System kontrollierte hunchback ist ein Repressor, der für die anterioren Strukturen benötigt wird und bei den posterioren nicht vorhanden sein darf. hunchback hemmt knirps und giant, die für die Ausbildung des Abdomen verantwortlich sind.

Bei der dorsoventralen Entwicklung spielt die Interaktion der Oocyte mit den Follikelzellen eine entscheidende Rolle. Zwei voneinandern unabhängige Prozesse spielen bei der Musterbildung anterios-posterior und dorsoventral eine Rolle. Beide beginnnen mit der Produktion von gurken-RNA.

Im posterioren Bereich führt die gurken-RNA dazu, dass die dortigen Follikelzellen zu posterioren Zellen werden. Damit sich die dorso-ventrale Achse ausbildet, lagert sich die gurken-RNA an der dorsalen Seite an. Diese Lokalisation und Verankerung ist von mehreren Proteinen abhängig. Das von gurken codierte Protein ähnelt TGF $\alpha$ , welches mit dem Torpedo-Rezeptor an den Follikelzellen interagiert. Dadurch werden die Follikelzellen an der Ausbildung ventraler Strukturen gehindert. Nach der Befruchtung ist vor allem Toll und eine dahinter geschaltete Signalkaskase für die Ausbildung der dorsoventralen Struktur verantwortlich. In letzter Konsequenz wird Dorsal aktiviert, das die Transkription im Kern reguliert.

Segmentierung

Neben der Ausbildung der Achsen stellt die Bildung der Segmente und die sich schon sehr früh ausbildenden Parasegmente einen Marker der Entwicklung da.

Die an dieser Entwicklung beteiligten Gene kann man an hand ihrer Mutationen in bestimmte Gruppen einteilen: Den gap-Mutanten fehlen mehrere benachbarte Segmente, den pair-rule Mutanten fehlen in jedem zweiten Segment ein Teil des Musters und die Sementpolaritätsmutanten weisen teilweise spiegelverkehrte Segement auf.

Die Entwicklung der Segmente verläuft in Form einer immer genauer werdenden Abstufung, bei der auf jeder Ebene einige wenige Kontrollgene das Muster der Genexpression festlegen.

Die gap-Gene können direkt auf Bicoid reagieren bilden zu Anfang der Eientwicklung vier Zonen aus. Der anteriore Pol kommt durch hunchback zu Stande, der darauf folgende durch krüppel und die beiden anderen Zonen durch knirps und giant.

Auf dieses Vierzonen- folgt ein Siebenstreifenstadium. Dieser Übergang ist durch die Interaktion der Gap-Proteine untereinander geregelt. Dabei unterdrücken sich die Signale an ihren Grenzen gegenseitig und erzeugen so ein scharf begrenztes Streifenmuster.

Die Gap-Proteine kontrollieren gleichzeitig neben ihrer eigenen auch die Transkription der pair-rule-Gene. Jedes dieser Gene bildet ein Muster aus sieben Streifen längs des Embryos. Die Gene sind entweder - wie eve - in den ungeradzahligen oder - wie im Fall von ftz - in den geradzahligen Segmenten exprimiert. Mutanten fehlt die Hälfte der Segmente.

Bei ftz wird das Gen zunächst gleichmässig exprimiert und dann zwischen den Banden gezielt abgebaut. Die Kontrolle von eve hingegen beruht auf einer Kontrolle durch Hunchback und Bicoid.

Die pair-rule-Gene kontrollieren ihrerseits wiederum die Expression der Segmentpolaritätsgene, die eine Muster von 14 Streifen bilden. Sie unterteilen die sieben Segmente in einen A- und einen P-Teil (Anterior und Posterior). Das Gen engrailed wird nur in den P-Feldern exprimiert. Zu Beginn ist sein Expressionsmuster eine Zelle breit und dehnt sich dann aus.

Homöotische Gene

Die Homöotischen Gene bestimmten, wie sich jedes Segment differenzieren soll. Diese Gene sind untereinander durch ein kompliziertes Netzwerk verbunden. Mutationen in den Genen führen dazu, dass sich z.B. an der Stelle der Antenne ein Bein entwickelt, etc.

Die homöotischen Gene sind in komplexen Loci arrangiert, die eine grosse Anzahl an Steuerelementen beeinhalten und so eine sehr schwer durchschaubare Antwort auf Mutationen zeigen.

Diese gene steuern vor allem die Entwicklung des adulten Insekts. Bei den homöotischen Genkomplexen ANT-C und BX-C korreliert die Reihnfolge der Gene mit der Position an der sie exprimiert werden.

Das klassische Beispiel ider das Bithorax-Komplex des BX-C-Locus. Mutationen in diesem Gen können dazu führen, dass die Fliege zwei flügeltragende Segmente ausbildet. Wenn der gesamte BX-C-Komplex fehlt, kann die Larve keine Segmente mehr ausbilden.

Das Modell der Funktion der beiden Komplexe geht davon aus, das in Richtung Posterior immer weitere Funktionen hinzugefügt werden, um das folgende Segemtn festzulegen.

In vielen homöotischen Genen findet man die konservierte Sequenz der Homöobox. Die Sequenz hat immer die gleiche Grösse und ist sehr basisch. Er befindet sich zumeist am 3'-Ende der homöotischen Loci. Die Homöodomänen der Antennapedia-Gruppe (ANT-C und BX-C) sind sich sehr ähnlich und befinden sich am C-terminalen Ende der Proteine. Die Gene mit Homöobox sind häufig in Clustern arrangiert.

Die beiden Komplexe ANT-C und BX-C werden häufig als HOM-C-Gene zusammengefasst. Man hat die Homöobox mittlerweile in sehr vielen Eukaryonten gefunden. Sie sind dort überall an der Steuerung der Embryogenese beteiligt.

Auch beim Menschen sind die Gene mit einer Homöobox in Clustern arrangiert. Ein einzelnes Gen aus dem Cluster wird als Hox-Gen bezeichnet. Man kann in diesen Clustern die Loci denen von Drosophila zuordnen. Die einander entsprechenden Loci werden als Paraloge bezeichnet. Man nimmt an, dass sich Mensch und Fliege demnach erst nach Entwicklung dieses Prinzips auseinander entwickelt haben.

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