Bicoid (bcd) è un gene con effetto materno depositato nell'ovocita dalla femmina durante l' oogenesi . Si esprime a livello dell'uovo ed è coinvolto nello sviluppo dell'asse antero-posteriore in Drosophila e più precisamente nella determinazione precoce del pattern di sviluppo della regione anteriore nell'embrione . Questa regione che in seguito si sviluppa per formare la testa e la parte toracica negli adulti.
È anche il primo morfogeno conosciuto, il cui gradiente di concentrazione decrescente dalla parte anteriore dell'ovocita , specifica diverse regioni dell'embrione e consente la formazione dei suoi assi di polarità.
Bicoïd ha anche un homeobox che codifica un omeodominio . Questa sequenza è coinvolta nella regolazione dell'espressione di diversi geni che si trovano lungo l'asse anteroposteriore della Drosophila. La proteina (bcd) agisce quindi sia come fattore di trascrizione che stimola la sintesi di mRNA dal DNA , sia come inibitore della traduzione di mRNA in proteine , a seconda dei geni interessati.
Il gene Bicoïd si è evoluto circa 150 milioni di anni fa da una duplicazione , una mutazione genetica, del gene omeotico Hox3.
I geni Hox sono tra i geni meglio conservati durante l' evoluzione , sono coinvolti nella specificazione dell'identità di segmenti nell'embrione , il gene Hox3 ha però perso questa funzione nei Cyclorrhapha durante l'evoluzione. È stato coinvolto nello sviluppo del extraembryonic dell'epitelio in questi Ditteri . Duplicazione seguita dalla divergenza di questo gene ha dato origine a due nuovi geni, cioè un zigotico gene Zerknüllt e un effetto materno gene Bicoid coinvolto nella creazione del tessuto extraembryonic sul lato dorsale del corpo e nella determinazione della parte anteriore negli embrioni di insetti, rispettivamente.
A differenza di Zerknüllt, che è espresso in diverse specie di insetti come Empis livida, (famiglia Tabanidae ) Clogmia albipunctata (famiglia Psychodidae ), Haematopota pluvialis (famiglia Empididae ), il gene Bicoïd non ha omologo in altri insetti e si trova solo nei Ditteri Ciclorrafi ( mosche), come la Drosophila melanogaster , quindi è un gene omeotico molto derivato.
In Drosophila , l'asimmetria dell'ovocita e la formazione dell'asse anteroposteriore avviene sotto il controllo genetico materno. Quando l' oogenesi nella femmina wild-type, un ceppo cellulare della linea germinale , situato in corrispondenza di un germanio, la porzione più distale dell'ovariole subisce una divisione asimmetrica per dare un altro ceppo cellulare e cioè una cellula chiamata cistoblasto (una cellula germinale). Il cistoblasto subisce successivamente 4 divisioni mitotiche con citochinesi incompleta, il che significa che la divisione cellulare avviene senza separazione completa del citoplasma tra le cellule figlie. Queste divisioni mitotiche producono quindi 16 cellule figlie interconnesse tra loro tramite ponti citoplasmatici, chiamati anche "canali ad anello". Il tutto forma un sincizio chiamato cisti germinale. Una di queste 16 cellule figlie si differenzia in un ovocita e si posiziona nella parte posteriore e le altre 15 cellule diventano cellule feeder situate nella parte anteriore. Il ruolo di queste cellule feeder è quello di fornire proteine e mRNA per l' ovocita al fine di garantirne lo sviluppo. La struttura così ottenuta è circondata da un tessuto epiteliale formato da cellule follicolari somatiche . Il tutto viene poi staccato dal germanio per formare una camera ovarica o follicolo .
Lo sviluppo precoce della parte anteriore dell'ovocita è quindi avviato da segnali provenienti dal follicolo e dalle interazioni tra questo ovocita e le cellule follicolari. Tutto inizia con il gene Bicoïd che si trova nelle cellule feeder dove viene attivamente trascritto nell'mRNA di Bicoïd. Questi mRNA vengono successivamente rilasciati nel citoplasma e trasportati all'ovocita passando attraverso i ponti citoplasmatici. In primo luogo, questi mRNA si accumulano nella parte posteriore dell'ovocita (durante gli stadi da 4 a 6) e vengono successivamente riposizionati nella parte anteriore (negli stadi da 7 a 8) tramite una proteina chiamata Gurken. Per fare ciò, l'ovocita traduce il gene dell'effetto materno Gurken in mRNA all'interno del suo nucleo. Questo viene quindi rilasciato nel citoplasma vicino alla parte posteriore dell'ovocita e viene tradotto nella proteina Gurken. Questa proteina agisce sulle cellule follicolari posteriori legandosi al loro recettore Torpedo. A seguito di questo segnale ricevuto dal ligando di Gurken, le cellule follicolari posteriori emettono a loro volta un segnale, ancora oggi sconosciuto, che provoca una riorganizzazione del citoscheletro a livello dell'ovocita. Pertanto, i microtubuli verranno riorientati in modo che la loro estremità negativa (-) vada verso la parte anteriore dell'ovocita e l'estremità positiva (+), da parte sua, sia orientata verso la parte posteriore. Un altro prodotto di un altro gene ad effetto materno, la proteina Staufen (stau), entra in gioco per trasportare l'mRNA Bicoïd alla sua destinazione finale. Infatti, questa proteina (stau) riconosce un aspecifica e non tradotta regione 3'UTR del Bicoid mRNA e associati con esso. Il complesso così formato si lega alla proteina motore dineina e il tutto si sposta sui microtubuli verso le loro estremità negative (-), cioè verso la parte anteriore dell'ovocita . Infine, l'mRNA Bicoïd è ancorato anteriormente alla corteccia cellulare per impedirne la diffusione lungo l'ovocita grazie a due geni con effetto materno , ovvero Exuperantia e Swallow. L'mRNA di Bicoid rimane quindi dormiente fino alla fecondazione . (La proteina Bicoïd non è rilevabile nell'ovocita non fecondato).
La concimazione del ovocita dal spermatozoi , memorizzato nel spermateca determinerà l'attivazione della definizione di Bicoid dell'mRNA in proteina (BCD). Questo processo viene inizialmente avviato dalla poliadenilazione citoplasmatica dell'estremità 3' dell'mRNA, ovvero l'aggiunta di una coda Poly-A composta da una sequenza di circa 140 ribonucleotidi di adenosina (A) in questa posizione. Questa reazione è catalizzata da una poli-A polimerasi e avviene sotto il controllo di due geni, Cortex e Grauzone che determinano la lunghezza della coda della poli-(A) . Gli mRNA così tradotti producono proteine Bicoidi che diffondono lungo l'asse anteroposteriore dell'ovocita fecondato formando un gradiente di concentrazione , con un'alta concentrazione della proteina (bcd) nella parte anteriore e una bassa concentrazione nella parte anteriore della regione posteriore. Questa proteina induce la differenziazione delle cellule , lungo l' asse A/P , a seconda della sua concentrazione. Ciò significa che diverse concentrazioni di (bcd) susciterà risposte diverse nelle cellule. Questo fornisce loro informazioni sulla posizione e quindi provoca la specificazione delle diverse regioni dell'ovulo , che è chiamata morfogeno . La proteina Bicoïd è anche coinvolta nella regolazione dell'attività di diversi geni dello sviluppo , quindi è anche un'omeoproteina.
La proteina Bicoïd è composta da circa 489 aminoacidi , è l'unica omeoproteina, conosciuta fino ad ora, che è in grado di legarsi sia alla molecola del DNA che alla molecola dell'RNA grazie al suo omeodominio . È quindi in grado di regolare rispettivamente la trascrizione e la traduzione dei geni embrionali.
La proteina Bicoid agisce come fattore di trascrizione ; ha due domini principali che interagiscono con la molecola del DNA. Un primo dominio situato alla sua estremità N-terminale , situato tra i residui 1 e 246 e comprendente l' omeodominio . Questo dominio consente il legame della proteina (bcd) a regioni specifiche a livello della molecola del DNA. Il secondo dominio si trova al carbossi-terminale ( C-terminale ), compreso tra i residui 247 e 489 e comprendente diverse regioni ricche di aminoacidi glutammina . Questo dominio è responsabile dell'attivazione della trascrizione del DNA in RNA.
L' omeodominio è una sequenza specifica di amminoacidi presenti nelle omeoproteine nella regione compresa tra i residui (92-151). Questo omeodominio è composto da circa 60 aminoacidi ed è altamente conservato durante l' evoluzione . La sua struttura tridimensionale ha una forma elica-giro-elica ed è costituita da tre α-eliche (elica I, elica II, elica III) e le consente di riconoscere e legarsi a sequenze specifiche a livello di molecola di DNA. L'omeodominio a livello della proteina Bicoïd ha anche la specificità di legarsi a molecole di RNA per regolarne la traduzione in proteine. Per fare ciò, questo omeodominio ha un amminoacido lisina in posizione 50 che consente alla proteina di riconoscere le molecole di DNA e RNA. Ha anche un amminoacido arginina in posizione 54 che è esclusivamente responsabile del riconoscimento e del legame alla molecola di RNA.
Questa regione ricca di arginina a livello della homeodomain si trova al C-terminale della elica III. Qualsiasi mutazione in questa regione altera l'affinità della proteina Bicoïd per la molecola di RNA, ma non per la molecola di DNA. Potrà quindi riconoscere e legarsi al DNA, ma non potrà più fare altrettanto per l'RNA.
I vari geni materni responsabili dello sviluppo dell'embrione sono posti dalla madre nell'ovocita durante l' oogenesi . Prima della fecondazione , gli mRNA di questi diversi geni sono distribuiti in diverse regioni. Così, gli mRNA Bicoïd sono ancorati nella parte anteriore, gli mRNA Nanos sono attaccati al citoscheletro nella regione posteriore e gli mRNA dei geni Gobbo e Caudal sono distribuiti lungo l'asse anteroposteriore. Durante la fecondazione , questi diversi mRNA vengono tradotti in proteine e formano gradienti di concentrazione .
A livello della parte anteriore dell'ovulo , la proteina Bicoïd inibisce la traduzione dell'mRNA del gene Caudal legandosi ad una sequenza specifica a livello della sua regione non tradotta 3′UTR . Questo gene è responsabile dello sviluppo della regione posteriore nell'embrione. Pertanto, Caudal viene tradotto solo nella regione posteriore e il gene Bicoïd determina quindi la regione anteriore dell'ovulo. Anche nella parte anteriore, Bicoïd agisce sul gene Hunchback, gene responsabile della formazione dei segmenti corporei. La proteina (bcd) si lega ad essa in corrispondenza del suo enhancer , una sequenza regolatrice nella molecola del DNA, per stimolarne la trascrizione in mRNA. Ciò provoca quindi un aumento della concentrazione di proteine del Gobbo nella regione anteriore, che attiva la formazione di segmenti toracici . A livello posteriore, la traduzione dell'mRNA del gobbo è inibita dalla proteina Nanos con l'assistenza della proteina Pumilio.
Nell'embrione precoce si instaurano quindi i quattro gradienti proteici: Bicoïd e Hunchback concentrati nella regione anteriore e Nanos e Caudal nella parte posteriore. Queste proteine (Bicoïd, Caudal e Hunchback) agiranno come fattori di trascrizione per regolare l'espressione dei geni zigotici .
I geni gap responsabili della formazione e dello sviluppo della testa hanno un'affinità molto bassa per la proteina Bicoïd. Questi geni sono: Spirali vuote, Buttonhead e Orthodenticle. L'elevata concentrazione di questo morfogeno all'estremità anteriore dell'ovulo aumenta quindi la sua affinità per i promotori di questi geni gap . Tuttavia, la trascrizione viene avviata solo in presenza della proteina Hunchback.
In Drosophila, il nome dato ai geni corrisponde nella maggior parte dei casi ai loro fenotipi mutanti . Gli embrioni prodotti da una femmina che ha una mutazione omozigote (mutazione in entrambi gli alleli del gene) del gene Bicoid mancano delle strutture anteriori, cioè non hanno né testa né petto . Queste strutture in questo caso sono sostituite da strutture addominali in modo che l' embrione avrà due estremità posteriori, da cui il nome del gene Bicoïd che in greco significa "due estremità".
Una mutazione nei geni Exuperantia e Swallow ha ripercussioni indirette sul posizionamento della parte anteriore nell'embrione . Questi due geni sono infatti responsabili dell'ancoraggio dell'mRNA Bicoïd nella corteccia cellulare a livello della regione anteriore dell'ovocita . Quando non sono più funzionali, l'mRNA di Bicoïd si diffonderà lungo l' ovulo , fino alla parte posteriore. Durante la fecondazione , la proteina (bcd) sarà quindi sintetizzata lungo l' asse A/P e si sarà dispersa casualmente in tutte le regioni dell'ovocita. Ciò provoca la perdita del gradiente di concentrazione proteica; Bicoïd non sarà più in grado di agire come morfogeno . Di conseguenza, i geni la cui trascrizione può essere iniziata solo in presenza di una certa concentrazione di Bicoïd non possono più essere espressi. Questo è particolarmente vero per i geni gap , responsabili della formazione della testa, che richiedono concentrazioni molto elevate di Bicoïd per essere trascritti. Questa mutazione nei geni Exuperantia e Swallow produrrà embrioni con fenotipi mutanti privi della maggior parte delle strutture precedenti con bocca e torace ingrossati.