Biología del Desarrollo Developmental Biology

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Biología del Desarrollo Developmental Biology
A
Biología del Desarrollo
Developmental
Biology
A.1 Análisis Genético de
mecanismos morfogenéticos
en Drosophila
A.1 Genetic Analysis of
morphogenetic
mechanisms in Drosophila.
A.2 Mecanismos de señalización
en el desarrollo
A.2 Signalling mechanisms
in development
A.3 Biología molecular del
desarrollo de Drosophila
A.3 Molecular biology of
development in Drosophila
A.4 Control genético de la
morfogénesis
A.4 Genetic control of
morphogenesis
A.5 Comunicación intercelular en
el desarrollo de drosophila
A.5 Cell-cell signaling in
drosophila development
A.6 Control genético de la división
celular en drosophila
A.6 Genetic control of cell
division in drosophila
Biología del Desarrollo
Developmental Biology
A.1
Análisis Genético de mecanismos
morfogenéticos en Drosophila
Resumen de Investigación
proliferación y morfología clonal.
Jefe de Línea/Group Leader:
Antonio García-Bellido
E-cadherinas) en tamaño cellular, ritmo de
Señalización entre células de
proliferación
La fusión de los discos imaginales
contralaterales en la metamorfosis es un
Personal Científico/Scientific Staff:
Hemos continuado el estudio de la funcion
sistema modelo de alineación de epitelios,
Juan Fenández Santarén,
de Notch en el disco imaginal de ala.
aquí conectando niveles posicionales
José Félix de Celis,
Encontramos que Notch estimula la
homólogos. Hemos estudiado el proceso
Enrique Martín-Blanco
proliferación cellular y que colabora con
normal y el efecto de mutaciones en genes
extramacrochaetae (codifica una proteína
de la ruta Jun kinasa y de decapentaplegic
Técnicos de Investigación/
HLH – no básica) durante la diferenciación
sobre la morfología (citoesqueleto y
Technical Assistance:
de venas. Hemos estudiado diferentes
filapodios) y migración celulares y
Almudena Hernando Bellido,
aspectos de la formación del patrón de
reconocimento del sustrato cellular larvario
Mª Paloma Martín Fernández,
venación, incluyendo la caracterización
(sobre el que migran las células imaginales
functional del gen spalt y el análisis de las
del borde del disco).
Ana López Varea,
Rosario Hernández Baeza,
Carmen Alonso Barba.
rutas de señalización que afectan a la
diferenciación de venas.
Hemos continuado utilizando el banco de
datos de proteínas de disco imaginal de la
En colaboración con otros laboratorios
como referencia para detectar cambios
Becarios Postdoctorales/
hemos seleccionado y catalogado una serie
debidos a mutaciones, concretamente los
Postdoctoral Fellows:
de mutaciones letales asociada a elementos
asociados a mutaciones en genes
Antonio Baonza Cuenca,
P. Con ello se han visto las correlaciones
supresores de tumores (fat y l(2)gd). Se ha
Pedro Fernández Fúnez,
entre morfología de discos imaginales
iniciado igualmente la identificación
Cassandra Extavour.
mutantes y los efectos clonales de células
sistemática de polipéptidos del banco de
mutantes en mosaicos genéticos. De este
datos mediante electroforesis bidimensional
Becarios Predoctorales/
análisis de cambios en comportamiento
preparative seguida de técnicas de MALDI
Graduate Students:
cellular cabe destacar los efectos de varios
Jaime Resino de Castro
alelos del gen fat (que codifica para
Luis Alberto Baena López,
José Carlos Pastor Pareja.
Estudiantes/Students:
Mª Eugenia Villa Cuesta, Bruno
Contreras Moreira,
Patricia Salama Cohén,
David Juanas Melero,
Mª Dolores Morales García,
Marta Moral Jimémez,
Beatriz García Fernández.
El proceso de expansión y fusión de discos imaginales en Drosophila es dirigido por
filopodios ricos en actina (rojo) que se originan en las células del borde del epitelio que
expresan Puckered, una JNK fosfatasa (verde). Los nucleos están teñidos en azul.
Martín-Blanco et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 14, 7888-7893 (2000).
14
Genetic Analysis of morphogenetic
mechanisms in Drosophila
Research summary
Publicaciones/Publications:
The fusion of contralateral imaginal discs
García-Bellido, A. (1999). Los Genes del Cámbrico.
Discurso Inaugural del Año Académico 1999-2000. 27
de Octubre de 1999. Real Academia de Ciencas Exactas,
Físicas y Naturales.
during metamorphosis is a model system
Signalling during cell proliferation
of epithelial alignment, apposing
homologous positional levels. We have
We have continued the study of Notch
studied the normal process as well as
function in the wing imaginal disc. We
the effects of several mutations in genes
find that Notch stimulates cell proliferation
belonging to the Jun and
and collaborates with extramacrochaetae
decapentaplegic signalling pathways on
(encoding a non-basic HLH protein)
morphology (cytoskeleton and filepodia)
during the differentiation of the veins.
and cell migration and recognition of the
We have been studying several aspects
cellular larval substrate (used by the
of vein pattern formation, including the
edge imaginal disc cells to migrate upon).
De Celis, J.F., Barrio, R. and Kafatos, F.C. (1999).
Regulation of the splat/spalt-related gene complex and
its function during sensory organ development in the
Drosophila thorax. Development 126: 2653-2662.
De Celis J.F. (1999) The function of vestigial in Drosophila
wing development: How are tissue-specific responses
to signalling pathways specified? BioEssays 21: 542-545
Barrio, R., De Celis, J.F., Boshakov, S. and Kafatos, F.C.
(1999) Identification of regulatory regions driving the
expression of the Drosophila spalt complex at different
developmental stages. Dev. Biol. 215: 33-47.
functional characterisation of the spalt
gene and the analysis of signalling
We have used the wing imaginal disc
pathways affecting vein differentiation.
protein database as a reference to detect
Martín-Blanco, E., Roch, F., Noll, E., Baonza, A., Duffy,
J.B. and Perrimon, N. (1999). A temporal switch in DER
signaling controls the specification and differentiation of
veins and interveins in the Drosophila wing. Development
126, 5739-5747.
changes due to mutations, particularly
In collaboration with other laboratories
those specifically associated to mutations
we have selected and study a number
in tumor suppressor genes (fat and l(2)gd).
of lethal mutations associated to P
We have also initiated the systematic
elements. This has allowed to stablish
identification of polypeptides in the
a correlation between mutant imaginal
database by using preparative two-
disc morphology and the clonal effects
dimensional electrophoresis followed by
of mutant cells in genetic mosaics. From
MALDI techniques.
Baonza, A. and García-Bellido, A. (2000). Notch signaling
directly controls cell proliferation in the Drosophila wing
disc. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 97: 2609-2614.
Baonza, A, De Celis J.F. and García-Bellido, A. (2000).
Relationships between extramacrochaetae and Notch
signalling in Drosophila wing Development. Development,
127:2383-2395 .
this analysis of changes in cellular
behaviour, the effects of several alleles
of the gene fat (encoding an E-cadherin)
Garoia, F., Guerra, D. Pezzoli, M.C., López-Varea, A.,
Cavicchi, S. and García-Bellido, A. (2000). Cell Behaviour
of Drosophila ft cadherin Mutations in wings Developemnt.
Mechanism of Development. (In press).
in cell size, proliferation rate and clonal
morphology were studied in detail.
Martín-Blanco, E., Pastor-Pareja J.C. and García-Bellido,
A. (2000). JNK and decapentaplegic signaling control
adhesiveness and cytoskeleton dynamics during thorax
closure in Drosophila. PNAS, 97 no.14: 7667-8192.
De Celis, J.F. and Barrio, R. (2000) Function of the
spalt/spalt-related gene complex in positioning the veins
in the Drosophila wing. Mech. Dev. 91: 31-41.
De Celis, F.J. and Bray, S. (2000) The Abruptex domain
of Notch regulates negative interactions between Notch,
its ligands and Fringe. Development 127: 1291-1302
Otras actividades y reconocimientos cientificos relevantes
De Celis, J.F. and Dominguez, M. (2000). Mecanismos
genéticos de la polaridad ocular en la mosca del vinagre
Drosophila melanogaster. Investigación y Ciencia en
prensa.
Antonio García-Bellido: Presidente electo de la European Developmental
Biology Organization
(EDBO), 1999.
Tesis Doctorales/Doctoral Theses
Cassandra Extavour. Selección en la línea germinal de Drosophila
melanogaster. Universidad
Autónoma de Madrid, 2000.
Rodríguez, J., Agudo, M., Van Damme, J.,
Vandekerckhove, J. and Santarén, J.F. (2000).
Polipeptides differentially expressed in imaginable discs
define the peroxiredoxin family of genes in Drosophila.
Eur. J. Biochem. 267: 487-497.
Martín-Blanco, E. (2000). P38 MAPKs in Development:
ancient roles and new functions. Bioessays 22, 637-645.
Baonza, A., Roch, F. and Martín-Blanco, E. (2000). DER
signalling restricts the boundaries of the wing field during
Drosophila development. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97,
7331-7335.
The process of imaginal disc spreading in Drosophila is directed by long actin-rich filopodia (red) emitted
by leading edge cells expressing Puckered, a JNK phosphatase (green). Nuclei are stained blue.
Martín-Blanco et al, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 14, 7888-7893 (2000).
15
García-Bellido, A. y Martín-Blanco, E. (2000). Desarrollo
Embrionario y Morfogénesis. en “La Ciencia en tus
manos” Ed: P. García Barreno. Espasa-Calpe.
Biología del Desarrollo
Developmental Biology
A.2
Mecanismos de señalización en el desarrollo
Resumen de Investigación
Durante el desarrollo de los organismos
identificación y estudio de un nuevo alelo
de patched ptc (el receptor de HH) (Mullor
multicelulares, las células embrionarias
y Guerrero, 2000).
Jefe de Línea/Group Leader:
Isabel Guerrero
del gradiente de HH mediante la
eligen un programa de diferenciación.
Becarios Predoctorales/
La información para este programa es
Función de las señales morfogenéticas
Graduate Students:
suministrada mediante moléculas
Hedgehog, Wingless y Decapentaplegic
José Luis Mullor
señalizadoras extracelulares que se originan
en el desarrollo de la terminalia de
Carlos Torroja
en grupos de células especializadas
Drososphila.
denominadas organizadores. Una de estas
Becarios Postdoctoral/
moléculas señalizadoras es Hedgehog
El disco genital que da lugar a la genitalia
Postdoctoral Fellows:
(HH). Esta proteína y los componentes de
y a la analia de la mosca es por ahora el
Nicole Gorfinkiel
su vía de señalización, inicialmente
identificados en Drosophila, estan
menos estudiado. Sin embargo, desde el
conservados evolutivamente. Alteraciones
interesante ya que para su desarrollo es
en la vía de HH son la causa de varios
necesario por una parte la información dada
síndromes y malformaciones humanas tales
por los genes de formación de patrón y por
como la holoprosencefalia (HPC) y la
otra la suministrada por los genes de
polidactilia. También la activación
determinación sexual. Hemos visto que las
Carmen Ibañez
inadecuada de la vía de HH esta relacionada
respuestas a las vías de señalización de
María Sanz
con el desarrollo de carcinomas de células
HH, WG Y DPP están controladas
básales (BCC) y de meduloblastomas.
diferencialmente en el macho y en la hembra
Nuestros estudios pueden ayudar a
por los genes de determinación sexual.
entender el funcionamiento de la
Este control diferencial de las respuesta a
señalización por HH.
señales es clave para desarrollo de las
Graciela Carrillo
Veronica Martin
Técnico de Investigación/
Technical Assistance:
punto de vista morfogenético, es el mas
estructuras sexuales del macho y de la
Función del gradiente de HH en la
hembra (Sánchez, Gorfinkiel y Guerrero,
formación del patrón del ala.
Las estructuras adultas de Drosophila están
2001).
subdivididas en compartimentos y la
La terminalia de la mosca se considera
interacción entre estos induce la activación
de señales organizadoras. Así, en el borde
apéndice ventral y como tal, hemos visto
que expresa y requiere el gen Distal-less
del compartimento anterio-posterior, la señal
(Dll). Dll actúa de mediador de las señal de
de HH induce a su vez nuevas señales
HH en el desarrollo de la analia impidiendo
morfogenéticas, como son los factores de
el desarrollo de intestino, que no requiere
secreción Wingless (WG), homologo al
oncogen int-1, y Decapentablegic (DPP),
dicha señalización (Gorfinkiel, Sánchez y
Guerrero, 1999).
perteneciente a la familia de las proteínas
TGF-β. Esta cascada de inducción de
señales es fundamental para el desarrollo
de los apéndices. Sin embargo, habíamos
descrito que HH tiene además una función
morfogenética “per se”. Recientemente,
hemos podido diseccionar las respuestas
diferenciales a distintas concentraciones
Activación de los genes diana de la vía de Hedgehog en el límite de compartimento
(anterio/posterior) del disco imaginal de ala de drosophila melanogaster: patched (rojo), cubitus
(verde), decapentaplegic (azul).
16
Signalling mechanisms in development
Publicaciones/Publications:
Research summary
addition, we had demonstrated that HH
has a DPP-independent morphogenetic
During the development of multicellular
effect. Lately, we have dissected the
organisms, embryonic cells choose the
different responses to the HH gradient
appropriate differentiation program
by using a gain of function allele of
patched ptc (the HH receptor) (Mullor
and Guerrero, 2001)
based on positional information.
Extracellular signalling molecules from
Gorfinkiel, N., Sánchez, L. and Guerrero, I. (1999).
Drosophila terminalia as an appendage-like structure.
Mechanisms of Development 85: 1-11.
Mullor, J.L. and Guerrero, I. (2000). A gain-of-function
mutant of patched dissects different responses to the
Hedgehog gradient., Dev. Biol. 228, 211-224.
specialised groups of cells, termed
organisers, supply the information for
Role of the morphogenetic signals
these programs. Thus, the signalling
Hedgehog, Wingless and
molecule Hedgehog (HH) and the
Decapentaplegic in the development
components of its signal transduction
of the Drosophila terminalia.
pathway play an important role in the
Tesis Doctorales/Doctoral Theses
José Luis Mullor. «Estudio del papel de la vía de
development and morphogenesis of
The development of the genital disc,
adult structures both in vertebrates and
which gives rise to the genitalia and
invertebrates. These genes, which have
been previously identified in Drosophila,
analia of adult flies, requires the activity
patrón morfogenético del ala de Drosophila». Universidad
of both patterning and sex determination
Autónoma de Madrid. Calificaciòn Apto cum Laude.
are affected in different congenital
genes. We have found that the sex
Febrero de 1999.
malformations such as the
determination genes control the
prosencephaly and polydactily in
development of the genital discs
humans. Ectopic activation of the HH
modulating the responses to HH, WG,
pathway is also associated to basal cell
and DPP signals. This signalling
carcinomas (BCC) and
modulation is key for the determination
medullablastomas. Our studies should
of either male or female structures
contribute to the understanding of how
(Sánchez, Gorfinkiel and Guerrero,
HH signalling operates.
2001).
The role of the Hedgehog gradient in
As in other ventral appendages, the
wing patterning.
Drosophila adult structures are
morphogenetic signals HH, WG and
subdivided into compartments and it is
the interaction between these
terminalia by inducing target genes such
as Distal-less (Dll). The anal primordium
compartments at their boundaries, which
of the genital disc is subdivided into two
may induce the organising activity of the
territories, analia and hindgut. We have
signal molecules. Thus, at the
found that Dll is specifically required for
anterior/posterior compartment
analia formation versus hindgut
boundary, the HH signal induces new
(Gorfinkiel et al., 1999).
DPP control the development of the
morphogenetic signals such as Wingless
(WG), homologous to the oncogene
int-1, and Decapentablegic (DPP), a
member of the TGF-b family. This signal
induction cascade has a key role in the
development of the appendages. In
Activation of the HH target genes at the anterior and posterior compartment boundary of the
wing imaginal disc. It is shown the expression of Cubitus interruptus (green),Decapentaplegic
(blue) and Patched (red).
17
Señalización de Hedgehog en la determinación del
Colaboraciones con la Industria /
Collaborations with the Industry.
Proyecto de colaboracion con PHARMAMAR.
Biología del Desarrollo
Developmental Biology
A.3
Biología molecular del desarrollo de Drosophila
Resumen de Investigación
Jefe de Línea/Group Leader
Juan Modolell
Personal Científico/Scientific Staff
Sonsoles Campuzano,
Mar Ruiz Gómez,
Isabel Rodríguez,
José Luís Gómez Skarmeta
Becarios Postdoctorales/
Nuestra línea de investigación estudia la
traducción de la información genética en
patrones morfológicos. Una buena parte
de nuestro esfuerzo se ha dedicado a
esclarecer la función de los genes iroquois
(iro) de Drosophila y de sus homólogos
Xiro en Xenopus, aislados previamente en
nuestro laboratorio, como reguladores de
los genes proneurales en ambos
organismos.
La señalización por la via del EGFR es
esencial para generar las macroquetas
del notum de Drosophila. La señalización
ocurre entre las células de los grupos
proneurales y favorece la singularización
de la célula madre del órgano sensorial
estimulando el bucle de autoactivación de
los genes proneurales. Esta "estimulación
lateral" antagoniza la "inhibición lateral"
mediada por el receptor Notch y puede
favorecer la aparición de las macroquetas
en posiciones muy precisas.
Postdoctoral Fellows
Joaquím Culí,
Sol Sotillos,
Florencia Cavodeassi,
María Jesús García García
Becarios Predoctorales/
Graduate Students
Luis María Escudero,
Joaquín de Navascués,
María Eugenia Villa
Técnicos de Investigación/
Technical Assistance
Elisa de la Calle,
Eva Caminero,
Ruth Gutiérrez,
Andrew Ginzel
Científico Visitante/Visiting Scientist
Función de los genes iro en el desarrollo.
Hemos demostrado que, además de su
función como reguladores de los genes
proneurales, los genes iro tienen una función
más temprana consistente en especificar
grandes territorios del cuerpo de Drosophila
(mesotórax dorsal y mitad dorsal de la
cabeza y ojo) y del embrión de Xenopus
(placa neural). Su falta de función en
Drosophila transforma el mesotórax dorsal
en axila alar y las estructuras dorsales de
la cabeza en estructuras ventrales. iro
aparece como un gen selector para la región
dorsal de la cabeza de este insecto. En
Xenopus, Xiro1 y Xiro2 se inducen en el
ectodermo dorsal por la señalización de la
vía de Wnt. Las homeoproteínas Xiro actúan
como represores y antagonizan la expresión
de Bmp4, lo cual permite la neuralización
del ectodermo dorsal y la formación de la
placa neural.
Juan Riesgo (Univ. Nac. Autónoma de
México, Querétaro)
Control de los genes proneurales en
Drosophila. Se ha caracterizado el
enhancer DC del complejo achaete-scute,
responsable de la activación de estos genes
en el grupo proneural dorsocentral. pannier
es un activador directo y ayuda a definir la
localización y extensión de este grupo,
mientras que wingless solamente tiene un
caracter permisivo.
Función del gen DRacGAP. DRacGAP
regula negativamente a la GTPasa DRac
la cual colabora con la señal de EGFR/Ras
en la activación de la MAPK en el disco
imaginal de ala de Drosophila. A su vez, la
vía de EGFR/Ras reprime la expresión de
DRacGAP, estableciéndose un bucle de
autoestimulación de esta vía.
Búsqueda de genes de prepatrón.
Mediante abordajes genéticos y moleculares
hemos continuado la búsqueda de genes
de prepatrón en Drosophila y de genes
activados o reprimidos por Xiro en Xenopus.
Se están estudiando diversos candidatos.
Regulación de la miogénesis en
Drosophila. La formación de los músculos
se produce por fusión de dos poblaciones
de mioblastos: los fundadores y los
competentes. Estamos estudiando la
regulación del proceso de fusión y por tanto
de la formación del patrón muscular
mediante el aislamiento y caracterización
molecular y funcional de genes específicos
de subpoblaciones de mioblastos.
Imagen de un grupo de precursores de órganos sensoriales del presuntivo radio alar de Drosophila compuesta
por doce secciones ópticas confocales. Los precursores se identifican por la expresión del marcador neutralizedlacZ y están codificados en distintos colores de acuerdo con su posición en el eje z.
18
Molecular biology of development in Drosophila
Publicaciones/Publications:
Research Summary
Our work aims at clarifying the translation
of genetic information into morphological
patterns. A large part of our efforts have
been dedicated to clarify the function of
the iroquois (iro) genes of Drosophila
and of their homologs Xiro of Xenopus,
previously isolated by our group as
regulators of the proneural genes.
Function of the iro genes in
development. We have shown that, in
addition to their role as regulators of
proneural genes, the iro genes have an
earlier function in the specification of
large territories of the body of Drosophila
(dorsal mesothorax and dorsal half of
the head and eye) and of the Xenopus
embryo (neural plate). Their loss of
function in Drosophila transforms the
dorsal mesothorax into wing hinge and
the dorsal head structures into ventral
head structures. iro behaves as a
selector gene for the dorsal head of this
insect. In Xenopus, Xiro1 and Xiro2 are
induced by Wnt signaling. The Xiro
homeoproteins act as repressors and
antagonize Bmp4 expression, which
allows the neuralization of the dorsal
ectoderm and the formation of the neural
plate.
Control of proneural genes in
Drosophila. The DC enhancer of the
achaete-scute complex, responsible for
the activation of these genes in the DC
proneural cluster, has been
characterized. pannier is a direct activator
and helps to define the position and
extension of this cluster, while wingless
has only a permissive character.
EGFR signaling is essential for
development of the notum
macrochaetae of Drosophila. Signaling
occurs within the cells of proneural
clusters and promotes the singling out
of the sensory mother cell by stimulating
the self-activating loop of the proneural
genes. This "lateral stimulation"
antagonizes the "lateral inhibition"
mediated by the Notch receptor and may
enhance the precise positioning of
macrochaetae.
Cavodeassi, F., Diez del Corral, R., Campuzano, S. and
Domínguez, M. (1999). Compartments and organising
boundaries in the Drosophila eye: the role of the
homeodomain Iroquois proteins. Development 126,
4933-4942.
Diez del Corral, R., Aroca, P., Gómez-Skarmeta, J. L.,
Cavodeassi, F. and Modolell, J. (1999). The Iroquois
homeodomain proteins are required to specify body wall
identity in Drosophila. Genes Dev. 13, 1754-1761.
García-García, M. J., Ramain, P., Simpson, P. and
Modolell, J. (1999). Different contributions of pannier
Function of DRacGAP. DRacGAP
negatively regulates the DRac GTPase,
which collaborates with EGFR/Ras
signaling in the activation of the MAPK
in the wing imaginal disc of Drosophila.
In turn, the EGFR/Ras pathway
represses the expression of DRacGAP.
A loop of self-stimulation of this pathway
is established.
and wingless to the patterning of the dorsal mesothorax
of Drosophila. Development 126, 3523-3532.
Gómez-Skarmeta, J. L., de la Calle-Mustienes, E.,
Modolell, J. and Mayor, R. (1999). Xenopus brain factor-
2 controls mesoderm, forebrain and neural crest
development. Mech. Dev. 80, 15-27.
Cavodeassi, F., Modolell, J. and Campuzano, S. (2000).
The Iroquois homeobox genes function as dorsal
Search for prepattern genes. By means
of genetic and molecular approaches,
we have continued with the search for
new components of the Drosophila
prepattern and of genes activated or
repressed by Xiro in Xenopus. Several
candidates are being studied.
selectors in the Drosophila head. Development 127,
Regulation of myogenesis in
Drosophila. Muscle formation requires
the fusion of two cell populations:
founders and fusion-competent
myoblasts. We are studying the
regulation of fusion and, therefore, the
patterning of the muscles, by means of
the identification and molecular and
functional characterization of genes
specific for myoblast subpopulations.
Participación en la secuenciación del
genoma de Drosophila:
1921-1929.
Sotillos, S. and Campuzano, S. (2000). DRacGAP, a
novel Drosophila gene, inhibits EGFR/Ras signalling in
the developing imaginal wing disc. Development 127,
5427-5438.
Benos, P.V. et al.(2000) From sequence to chromosome:
the tip of the X
chromosome of D. melanogaster. Science 287, 22202222.
Adams, M.D. et al.(2000) The genome sequence of
Drosophila melanogaster.
Science 287, 2185-2195.
Tesis Doctorales/Doctoral Theses
García García, M.J.: "Especificación del patrón
morfogenético en la región
dorsocentral del tórax de Drosophila". Universidad
Autónoma de Madrid. 1999.
Cavodeassi, F.: "Función de los genes iroquois en el
desarrollo de la cabeza
de Drosophila". Universidad Autónoma de Madrid. 2000.
Distinciones/Distinctions
Composite image of twelve confocal sections encompasing the group of sense organ precursors at
the dorsal wing radius of the wing disc of Drosophila. Precursors are identified by the expression of
the neutralized-lacZ marker and are coded with different colors according to their z axis position.
J. Modolell:
Premio DuPont para el fomento de la investigación. Año
2000.
DuPont Prize for the promotion of research. Year 2000.
19
Biología del Desarrollo
Developmental Biology
A.4
Control genético de la morfogénesis
Resumen de investigación
Jefes de Linea/Group Leaders:
Ginés Morata,
Ernesto Sánchez-Herrero*
Personal Científico/Scientific
Personnel:
Natalia Azpiazu, Manuel Calleja,
Becarios Postdoctorales/
Postdoctoral fellows:
Eduardo Moreno,
Durante el bienio 1999-2000 hemos
desarrollado fundamentalmente tres lineas
de trabajo; a) búsqueda de nuevos genes
de expresion restringida en las estructuras
adultas de Drosophila mediante el método
“yellow” b) estudio de la función del complejo
Hox (bajo la dirección de E. SánchezHerrero) y c) estudio de los genes
extradenticle y homothorax, dos cofactores
generales de la funcion Hox en el Reino
Animal.
Magali Suzanne
Becarios Predoctorales/
Graduate Students:
Silvia Aldaz, Carlos Estella,
Beatriz Estrada, Héctor Herranz,
Francisco Martin, Luis de Navas,
Ainhoa Perez
Técnicos de Investigación/
Technical Assistance:
Angelica Cantarero,
Rosa González,
Cristina González
* Jefe de Linea asociado /
Associate Group Leader
El análisis de los genes de expresion
restringida ha permitido encontrar un nuevo
mechanismo de generar subdivisiones
genéticas que no se basa en establecer
restricciones de linaje celular sino en
interacciones antagonistas entre genes de
tipo selector. Los genes pannier e iroquois
son los que hemos utilizado para describir
este fenómeno. Cremos que la mayor parte
de la diversidad morfológica en Drosophila
se origina por este mecanismo. El método
yellow nos ha permitido además encontrar
un nuevo receptor del producto de gen
wingless y también identificar a caudal como
el gen Hox responsible del desarrollo de la
analia. Dada la gran efectividad del método
estamos realizando una búsqueda de todos
los genes de expresion adulta en
Drosophila, que esperamos terminar en 23 años. Hemos preparado el método para
clonar y secuenciar fragmentos de todos
estos genes y buscarlos en los genomas
de Drosophila y humanos. Esto nos
permitirá seleccionar para su estudio genes
altamente conservados en ambas especies.
Por lo que respecta a la función Hox, nos
hemos centrado en el estudio del gen
Abdominal-B (Abd-B), necesario para formar
la parte posterior del cuerpo de la mosca,
tratando de averiguar cómo genera
estructuras tan diferentes como el abdomen
posterior o la genitalia. Hemos observado
que en moscas que carecen de Abd-B la
genitalia se transforma en pata o antena.
Esta transformación viene acompañada de
cambios en la expresión de genes
requeridos para la formación de estos
apéndices, tales como Distal-less o
homothorax. Nuestro trabajo permite
concluir que Abd-B modifica una información
posicional común a patas, antenas y
genitalia proporcionada por genes como
decapentaplegic y wingless. La respuesta
a esta información posicional común,
modificada por Abd-B, hace que, en la
genitalia, se transcriban genes específicos
de la genitalia y se reprima la expresión de
genes requeridos en las patas o antenas.
Abd-B, sin embargo, codifica para dos
proteínas diferentes (aunque con una
extensa secuencia de aminoácidos
comunes), y con una distribución espacial
distinta. Nuestro trabajo se enfoca a elucidar
el papel de cada una de ellas en la
especificación de la genitalia y el abdomen
posterior. Para analizar la especificación
segmental conferida por genes Hox, nos
proponemos estudiar genes que se
expresan exclusivamente en determinados
segmentos durante el desarrollo. Con este
fin estamos analizando una serie de líneas
con elementos transponibles insertados al
azar en el genoma, y que dirigen la
expresión del gen lacZ bacteriano en
segmentos específicos. Estas líneas son
candidatas a estar insertadas cerca de
genes controlados de forma especifica por
genes Hox.
En cuanto a la función de los cofactores
hth y exd, hemos estudiado sus
interacciones con las vias de los morfógenos
Dpp y Wg en los discos de ala y pata.
Hemos demostrado que existe un
antagonismo entre hth/exd y las vias Dpp
y Wg que es el instrumento genético que
permite distinguir el desarrollo de los
apéndices y el tronco. La comparación con
los genes homólogos indica que el mismo
mecanismo opera en vertebrados. Asimismo
hemos identificado el gen teashirt como el
activador de hth en las regiones torácicas.
El papel de este último gen está siendo
estudiado en detalle.
Abdomen de Drosophila que muestra en su parte posterior un clon mutante para el
gen Abdominal-B que transforma la genitalia en pata.
Drosophile abdomen showing a Abd-B mutant clone that transforms genitalia
into leg.
20
Genetic control of morphogenesis
Publicaciones/Publications:
Research Summary
During the years 1999-2000 we have been
involved in three research lines:
a) the usage of the “yellow” method to seek
new genes defining restricted expression
domains in the adult cuticle, b) the study of
Hox function (under the supervision of E.
Sánchez-Herrero) and c) The study of the
developmental function of homothorax and
extradenticle two general co-factors of the
Hox genes.
The analysis of genes showing restricted
adult expression with the yellow method has
led to the discovery of a new mechanism to
generate genetic subdivisions during
development. It is not based on lineage
segregations but on antagonistic interactions
between selector-like genes. The model is
based on the results obtained with the genes
pannier and iroquois. We believe that much
of the morphological diversity in Drosophila
is originated by this mechanism. We have
also found a new Wingless receptor and have
identified caudal as the Hox gene responsible
for analia development. Given the efficiency
of the method, we are initiating a new screen
aimed at identifying all the Drosophila genes
expressed in imaginal cells, which we expect
to complete in 2-3 years. We plan to clone
and sequence fragments of all these genes
and subsequently identify those similar
sequences in the human genome. The genes
showing a high degree of conservation will
be selected for further study.
Regarding the Hox function, our work aims
at understanding the mechanisms whereby
the Hox genes specify different segments in
Drosophila.
We have
focussed on
Abdominal-B
(Abd-B), the
Hox gene
required to
determine the posterior part of the fly body,
analysing how Abd-B specifies structures so
different as the posterior abdomen and the
genitalia. We have observed that, in the
absence of Abd-B, the genitalia are
transformed into leg or antenna. This
transformation implies changes in the
expression of genes required to form these
appendages, such as Distal-less or
homothorax. Our studies led us to conclude
that Abd-B modifies a positional information
common to legs, antennae and genitalia
provided by genes like wingless and
decapentaplegic. The interpretation of this
positional information, modified by Abd-B,
results, in the genitalia, in the expression of
genitalia-specific genes and in the repression
of genes required to make legs or antennae.
The gene Abd-B, however, encodes two
different proteins (although they share an
long aminoacid sequence), and with different
spatial distribution. Our work aims at identifying
the specific role of each protein in the
determination of genitalia or posterior
abdomen. In order to unravel how Hox genes
confer segmental specification, we decided
to study genes that are expressed exclusively
in specific segments during development.
To this end, we are analysing several lines
with transposable elements, inserted at
random in the genome, which drive lacZ
expression in different parts of the body.
These lines are likely to be inserted in genes
controlled by Hox genes.
Morata, G. and Sanchez-Herrero, E. (1999) “Patterning
mechanisms in the body and the appendages of
Drosophila” Development 126, 2823-2828
Morata, G. (1999) “Biologia Molecular, Desarrollo y
Evolución de Reino Animal” Fundación Botin pp 257285
Morata, G. and Basler, K. (1999) “Cells in search of a
signal” Nature Cell Biology 1, 61-62
Estrada, B. y Sánchez-Herrero, E. (1999) “El gen caudal
y la región posterior de los organismos” Investigación
y Ciencia 285, 34
Moreno, E. and Morata, G. (1999) “caudal is the Hox
gene that specifies the most posterior Drosophila
segment” Nature 400, 873-877
Morata, G. (1999) “Drosophila polyclones” en
Encyclopedia of Molecular Biology (ed. Thomas
Creighton) John Wiley & Sons Inc. 1893-1894
Mercader, N., Leonardo, E., Azpiazu, N., Serrano, A.,
Morata, G., Martínez-A., C., and Torres, M. (1999)
“Conserved role of Meis1/Hth in specification of the
proximodistal limb axis” Nature 402, 425-429
Peiffer, S. Alexandre, C. Calleja, M and Vincent, J-P.
(2000) “The progeny of wingless-expressing cells deliver
the signal at a distance in Drosophila embryos”. Current
Biology 10, 321-324
Sivasankaranm R., Calleja, M., Morata, G. and Basler,
K. (2000) “Wingless target gene Dfz3 encodes a new
member of the Drosophila Frizzled family”. Mechanisms
of Development 91, 427-431
Azpiazu, N. and Morata, G. (2000) “Function and
regulation of homothorax in the wing imaginal disc of
Drosophila”. Development 127, 2685-2693
Calleja, M., Herranz, H., Estella, C. Casal, J., Lawrence,
P., Simpson, P. and Morata, G. (2000) “Generation of
medial and lateral dorsal body domains by the pannier
gene of Drosophila. Development 127, 3971-3980
Finally, we have studied the interactions
between hth/exd and the Dpp and Wg
pathways during the development of the wing
and leg discs. We have found that there is
an antagonism between hth/exd and Dpp/Wg
which is the key element to distinguish the
development of the appendages and the body
trunk. A similar mechanism appears to operate
in the vertebrate limb. We have identified the
gene teashirt as the activator of the hth/exd
function in the thoracic regions.
Mann, R. and Morata, G. (2000) “The developmental
and molecular biology of genes that subdivide the body
of Drosophila” Ann. Rev. Cell Dev. Biol. 16, 243-271
Premios y Distinciones
Prizes and Distinctions
Ginés Morata. Pan-American Molecular Biology Lecture
Award, Mendoza (Argentina), Noviembre 1999
Ginés Morata. Miembro de Jurado del Programa
“Dintinció de la Generalitat de Catalunya per la Promoció
de la Recerca Universitaria”, desde 2000
Drosophila adulta mostrando en azul (mediante tinción X-gal) la
expresión del gen pannier en un dominio dorsal de los segmentos
torácicos y abdominales
Adult Drosophile fly, showing in blue (x-gal staining) the expression
domain of the pannier gene. It defines a dorsal region in all thoracic
and abdominal segments.
21
Biología del Desarrollo
Developmental Biology
A.5
Comunicación intercelular en el desarrollo
de Drosophila
Resumen de Investigación
Jefes de Linea/Group Leaders:
Fernando Jiménez Díaz-Benjumea
Estudiantes
Undergraduate Student:
David del Alamo Rodríguez
La comunicación entre células media
muchos procesos en desarrollo. La
identificación y caracterización de rutas de
señalización es uno de los objetivos de la
biología del desarrollo. La mayoría de las
rutas de señalización que se han identificado
se usan de forma reiterada durante el
desarrollo en diferentes tiempos y tejidos.
En el estudio de la señalización entre células
uno de los principales aspectos es cómo
la activación de la ruta resulta en una
respuesta específica en células diana. En
este campo estamos enfocando nuestro
trabajo en dos aspectos del desarrollo de
los discos imaginales de Drosophila.
1. Especificación de las bracteas en la
epidermis de Drosophila.
Las bracteas son estructuras epidérmicas
de un sola célula que aparecen asociadas
con órganos mecanosensoriales en la
epidermis de Drosophila. Nuestros
resultados indican que la especificación de
las bracteas es un mecanismo inductivo
que está mediado por la ruta de RAS.
Hemos identificado a los genes spitz,
homólogo de TGFα, y torpedo, homólogo
de EGFr, como el ligando y el receptor de
esta señal inductiva. Nuestro objetivo es
caracterizar los componentes del fondo
genético que especifica la bractea como
resultado de la activación de esta ruta.
2. Morfogénesis de la articulación del ala
de Drosophila.
El gen wingless (wg), un miembro de la
familia WNT de glicoproteinas, se expresa
en un patrón complejo y dinámico en el
desarrollo del ala de Drosophila. Los
distintos componentes del patrón de
expresión de wg están bajo el control de
diferentes "enhancers". En la articulación
del ala wg se expresa en dos anillos que
rodean el ala. Nuestros resultados sugieren
que la activación de wg en el anillo mas
interno está mediada por la interacción
entre dos diferentes poblaciones de células
en el límite de expresión del gen vestigial,
el gen selector de ala. Nuestro objetivo en
este proyecto es identificar los componentes
de la ruta de señalización que media la
interacción entre estas dos poblaciones
celulares.
Quetas mecanoreceptoras con su bractea asociada en la pata de Drosophila.
La diferencia en pigmentación indica la pertenencia a diferentes linajes.
22
Cell-cell signaling in Drosophila development
Research Summary
Cell-cell communication mediates many
processes in development. The
identification and the characterization of
signaling pathways are main subjects in
developmental biology. The majority of
the identified signaling pathways are used
repeatedly in development at different
times and tissues, so in the field of cell
signaling one of the main subject is how
the activation of signaling pathways results
in specific responses by the target cells.
In this field we are focusing our works in
two aspect of the Drosophila imaginal
disc development:
1. The specification of the bract cells in
the Drosophila epidermis.
Bracts are single cells epidermal
structures, which appear associated with
mechanosensory organs in the Drosophila
epidermis. Our results indicate the
specification of bract cells is an inductive
mechanism mediated by the RAS
pathway. We have identified the gene
spitz, TGFα homologue, and torpedo,
EGFr homologue, as the ligand and the
receptor of this inductive signal. Now our
main goal is to characterize the
components of the genetic background
that specifies the bract cells as a result
of the activation of this signaling pathway.
2. The morphogenesis of the Drosophila
wing hinge.
The wingless (wg) gene, a member of
the WNT family of secreted glycoproteins,
is expressed in a complex and dynamic
pattern in the development of the
Drosophila wing. The different
components of the wg expression pattern
are under the control of different
enhancers. In the wing hinge wg is
expressed in two rings surrounding the
wing blade. Our results suggests the
activation of the inner ring enhancer is
mediated by the interaction between two
different populations of cells in the
boundary of the cells that express the
vestigial gene, the selector gene that
confers wing fate. Our goal in this project
is to identify the components of the
signaling pathway that mediates this cellcell interaction.
Mechanosensory organs with their bracts in the Drosophile leg. Different pigmentetion
indicates different lineage.
23
Biología del Desarrollo
Developmental Biology
A.6
Control genético de la división celular en
Drosophila
Resumen de Investigación
Jefe de Línea/Group Leader:
Pedro Ripoll
Personal Científico /
Scientific Personnel:
Isabel Molina
Becarios Posdoctorales/
Postdoctoral Fellows:
Giovanna Giovinazzo,
Yanina Panzera
Becarios Predoctorales/
Predoctoral Fellows:
Annalisa Letizia
Técnico de Investigación /
Techical Assistance:
Antonio Sánchez
en mitosis y meiosis porque en general uno
de los centrómeros no es activo o, si los
Utilizando un anticuerpo contra Bub1, una
dos son activos, la unión de uno de ellos a
proteína específica del cinetocoro activo,
los microtúbulos polares, aunque suficiente
hemos podido mostrar que durante la
prometafase mitótica de Drosophila
para formar puentes anafásicos, se resuelve
melanogaster hay varias regiones
pericéntricas, todas ricas en algún miembro
de la familia del DNA satélite 1.688, que se
tiñen con el anticuerpo. Durante la metafase
sólo una región en cada cromosoma, su
centrómero, permanece activada. En el
cromosoma Y, totalmente heterocromático,
tanto la región centromérica como al menos
algunas de las regiones que muestran
activación transitoria contienen satélites
derivados de las secuencias teloméricas
Het-A y TART. Hemos visto también que en
el cromosoma Sdi-d hay una translocación
a la región pericentromérica del cromosoma
2 de una pequeña región heterocromática
rica en sequencias derivadas de HeT-A que
a veces substtituyen en su función al
centrómero: en algunos cromosomas
metafásicos la immunolocalización de antiBub1 demuestra que la transposición realiza
la función centromérica. Por último, hemos
descrito que el cromosoma C(1)A es un
dicéntrico que se transmite normalmente
observaciones apuntan la existencia de un
sin roturas cromosómicas. Todas estas
mecanismo de activación-desactivación de
centrómeros que, como todo proceso
biológico, se puede diseccionar
genéticamente si se dispone de las
herramientas genéticas adecuadas. La
existencia de un cromosoma dicéntrico nos
ha permitido diseñar un esquema genético
que permite identificar mutaciones en genes
involucrados en el proceso de activacióninactivación centromérica. Nuestro objetivo
fundamental para el futuro es la inducción
de nuevas mutaciones y la caracterización
genética y molecular de estos genes tan
cruciales para la segregación cromosómica.
Anti-Bub 1 staining (red) of the dicentric chromosome C(1)A
24
Genetic control of cell division in Drosophila
Publicaciones/Publications:
Research Summary
Using an antibody against Bub1, a protein
specific of active kinetocores, we have
been able to show that during the mitotic
prometaphase in Drosophila
melanogaster there are several
pericentromeric regions rich in members
of the 1.688 satellite DNA family that stain
with the antibody. By metaphase only one
region per chromosome, its centromere,
remains active. In the fully
heterochromatic Y chromosome both the
centromeric region and at least some of
the regions showing transient centromeric
activation are rich in Het-A- and TARTrelated satellite sequences. We have also
found that in the chromosome Sdi-d a
heterochromatic region carrying Het-A
related sequences translocated to the
pericentric region of chromosome 2 can
substitute in its function the real
centromere: at metaphase, in a fraction
of the chromosomes the anti-Bub1
staining shows that it is the transposed
region the one acting as the functional
kinetocore. Finally, we have found that
the chromosome C(1)A is a dicentric
chromosome that is transmitted through
Agudo, M., . Losada, A., Abad, J.P., S. Pimpinelli, P.
mitosis and meiosis because in most
Ripoll and A. Villasante. (1999). "Centromeres from
cases one of the centromeres is inactive.
In those cases in which C(1)A behaves
telomeres? The centromeric region oy the Y chromosome
as a dicentric the attachment of one of
the centromeres to the spindle
microtubules is strong enough to permit
of Drosophila melanogaster contains a tandem array of
telomeric HeT-A and TART sequences". Nucl. Acid Res.,
27, 3318-3324.
the formation of a bridge during anaphase
but still weak enough to dettach without
chromosome breackage. All these
observations reveal the existence of a
mechanism of centromere activationdesactivation that, as all other process,
Agudo, M., Abad, J.P., Molina, I., Losada, A., Ripoll, P.
and Villasante, A. (2000) "A dicentric chromosome of
Drosophila melanogaster showing alternate centromere
inactivation". Chromosoma 109, 190-196.
can be genetically dissected if the right
genetic tools are available. Taking
Abad, J.P., Agudo, M., Molina, I., Losada, A., Ripoll, P.
advantage of the existence of a dicentric
& Villasante, A. (2000). "Pericentromeric regions
chromosome we have designed a genetic
screen that permits the identification of
mutations in genes involved in the process
containing 1.688 satellite DNA sequences show antikinetochore staining in prometaphase chromosomes of
of centromere activation-desactivation.
Drosophila melanogaster" Mol. Gen. Genet. 264, 371-
Our main objectives for the future are the
377.
identification and the genetic and
molecular characterization of these genes.
25

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