lu.se

Experimentell medicinsk vetenskap

Medicinska fakulteten | Lunds universitet

Drosophila utvecklingsbiologi grupp Baumgartner

 Hur   bicoid   mRNA gradienten bildas hos bananflugan   Drosophila  

Morfogenetiska gradienter bildar ett centralt och mer än hundraårigt koncept inom utvecklingsbiologin. Redan 1905 hävdade den berömde embryologen och senare genetikern Thomas Hunt Morgan (Nobelpris 1933) att gradienter av formativa substanser („formative substances“) kan förklara regenerationsförmågan i tubularier, d.v.s. Hydra-liknande polyper. Senare började man att definera gradienter lite mer exakt: Det handlar om substanser vars koncentration minskar kontinuerligt utifrån en referenspunkt eller -linje, och som har förmågan att aktivera gener enligt sin koncentration. Således kommer t.ex. en morfogengradient att fastställa positionerna för embryots axel.

Första gången en morfogenetisk gradient påvisades var så sent som 1986 av Christiane Nüsslein-Volhard (Nobelpris 1995) och hennes kolleger. Det rörde sig om produkten av bicoid-genen, som med en anterior-posterior (från framdel till bakdel) gradient bestämmer cellernas öde och framtvingar bildandet av huvud, thorax och vissa abdominalsegment i bananflugan Drosophila. De tyska forskarna postulerade existensen av gradienten genom genetiska och utvecklingbiologiska experiment. Samtidigt lyckades en schweizisk forskargrupp, ledd av Markus Noll, att visualisera gradienten genom att analysera uttrycksmönstret för bicoid-mRNA. På så vis sågs gradienten för första gången i mikroskopet. Två år senare visade Nüsslein-Volhard och kolleger att en gradient av Bicoid-proteinet finns. I detta sammanhang hävdade de att bicoid-mRNA skulle vara strikt lokaliserat till den anteriora polen av ägget, fastän detta gick emot resultaten av gruppen kring Noll, publicerade i samma tidskrift (Cell) två år tidigare. Enligt Nüsslein-Volhards föreställning skulle gradienten uppstå genom att bicoid-mRNA (som sitter fast på den anteriora polen) translateras till Bicoid-protein, som sedan diffunderar bakåt och på så sätt bildar en koncentrationsgradient. Sedan dess lärs denna modell ut i läroböcker som en dogm.

I den välrenommerade vetenskapliga tidsskriften „Development“, har vi tillsammans med Nolls grupp bekräftat vår resultat från 1986 med moderna och högupplösande metoder, och visar att mRNA-gradienten är nästan identisk med proteingradienten. Detta innebär den definitiva vederläggningen av den modell som Nüsslein-Volhards postulerat och som beskrivs i läroböckerna. Den morfogenetiska gradienten bildas således helt enkelt av att det är bicoid-mRNA som föreligger som gradient. En viktig fråga nu är naturligtvis hur denna mRNA-gradient i sig själv uppkommer utifrån det bicoid-mRNA som är lokaliserat till den anteriora polen i det obefruktade ägget, något som också visades för första gången 1986 av oss. I vår senaste publikation föreslår därför vi en modell för detta: efter befruktningen frigör sig bicoid-mRNA från den anteriora polen och transporteras, med hjälp av Staufen-proteinet och kända proteinmotorer som Dynein och Kinesin, längs ett mikrotubuli-nätverk i ägget. Nyheten innefattar således också att det finns en aktiv mRNA-transport och inte en passiv diffusion av proteinet. Etableringen av mRNA-gradienten är också avstämd med äggets utveckling, där ägget bryter ner sitt mikrotubuli-nätverk efter 90 minuter, d.v.s. efter det att gradienten har bildats.

 

jamfoerelse bicoid mrna gradient protein gradient

 

Bild: Vederläggandet av en dogm:  bicoid mRNA (överst) bildar en gradient som liknar den som proteinet (nederst) uppvisar i ett ägg hos bananflugan Drosophila. En färgskala visar koncentrationerna som i båda fallen är högst vid främre änden av ägget.

Två relaterade filmer på YouTube (klick på filmerna, titta i HD!):

 

youtube film 1

  

 

youtube film 2

  

 Originalartikel: 

Alexander Spirov, Khalid Fahmy, Martina Schneider, Erich Frei, Markus Noll and Stefan Baumgartner: Formation of the bicoid morphogen gradient: an mRNA gradient dictates the protein gradient. (2009) In: Development, Volume 136, pp. 605-614.

Prospective MSc and PhD students:  To discuss possibilities to join the lab, please contact Stefan Baumgartner here

bicoid mRNA gradient

 a bicoid mRNA gradient dictates the Bicoid protein gradient  
 The Bicoid (Bcd) protein gradient is generally believed to be established in the pre-blastoderm Drosophila embryo by the diffusion of Bicoid after translation of its maternal mRNA, which serves as a strictly localized source of Bicoid at the anterior pole (SDD model). However, already when proposed in 1988, this model ignored previous conflicting results (Frigerio et al., Cell 47, 735-746 (1986), which demonstrated that the Bicoid protein gradient is preceded by a bicoid mRNA gradient.
 

Recently, the SDD model, whose name refers to the localized synthesis , diffusion , and spatially uniform degradation of the Bicoid protein, has been subjected to a critical test (Gregor et al., Cell 130, 141-152 (2007) . A series of ingenious experiments, measuring the diffusion constant of Bicoid in the cortex of embryos, uncovered a serious difficulty of the model: the diffusion constant was too low by two orders of magnitude to explain the observation that the steady state of the Bicoid gradient profile is reached within 1.5 hours (Gregor et al., 2007).

We extended our old results from 1986 by showing that the bicoid mRNA and protein gradient profiles are virtually identical at all times, which confirms our previous conclusion that the Bicoid gradient is produced by its mRNA rather than by diffusion (Spirov et al., (2009). Based on our observation that bicoid mRNA colocalizes with Staufen (Stau), we conclude that the bicoid mRNA gradient is formed by a novel mechanism of a quasi-random active transport of a Staufen- bicoid mRNA complex through a non-polar microtubular network, which confines the bicoid mRNA to the cortex of the embryo.