Il gene Hunchback ( hb ) è un gene di segmentazione che fa parte della famiglia del gene gap (in) . È coinvolto nella formazione di segmenti negli artropodi. I geni gap sono i primi ad essere espressi tra i geni di segmentazione. I geni sono spesso chiamati dal fenotipo dei mutanti, una mutazione in un gene gap causa la perdita di un segmento creando un "gap" ("gap" in inglese) nel normale schema di sviluppo, quindi se il gene Hunchback è mutato , i segmenti gnatale e toracico saranno assenti, si potranno anche osservare difetti nella formazione dell'addome e di tali. I geni gap codificano fattori di trascrizione che regolano l'espressione dei geni pair-rule coinvolti nella costituzione dei parasegmenti (corrispondenti alla parte anteriore di un segmento e alla parte posteriore di un altro segmento, i parasegmenti sono quindi alternati). Se un gene della coppia regola è mutato, si osserverà un'alterazione del fenotipo normale su metà dei segmenti. I geni di polarità segmentale sono gli ultimi geni di segmentazione ad essere espressi, consentono di impostare i limiti anteriore e posteriore dei segmenti. I geni di segmentazione attivano anche geni omeotici che definiscono l'identità di ogni segmento.
Negli insetti si possono distinguere due tipi di sviluppo: insetti olometabolici (metamorfosi completa) e insetti eterometabolici (sviluppo progressivo o metamorfosi incompleta). La comparsa della metamorfosi è di recente evoluzione. Gli insetti olometaboli hanno quindi caratteri evoluti rispetto a quelli eterometaboli. Per capire come si sono evoluti nel tempo i geni coinvolti in questi due tipi di sviluppo, è necessario confrontare tra loro diversi organismi. Con questo in mente, molti studi in biologia evolutiva dello sviluppo sono stati effettuati per confrontare le espressioni di diversi geni dello sviluppo in diverse specie al fine di sapere quali geni sono conservati e per comprendere la loro evoluzione all'interno degli artropodi. Sono stati inoltre effettuati confronti con altri organismi vicini agli artropodi, come nematodi e anellidi, per sapere come si sono evoluti i geni durante la divergenza di questi due gruppi con gli artropodi. Confrontando le funzioni di questo gene con gli omologhi nei vertebrati, organismi che mostrano anche metameria, ci permette di capire meglio come si sono evoluti i meccanismi che consentono la metamerizzazione del corpo.
La drosofila, un insetto olometabolico, è un organismo modello nella biologia dello sviluppo; i meccanismi molecolari coinvolti nella sua embriogenesi sono ben noti. Questo è il motivo per cui molti studi confrontano l'espressione dei geni della Drosophila con quella dei geni ortologhi di altre specie.
In Drosophila, il gene Gobbo codifica per un fattore di trascrizione con sei domini di dito di zinco (siti di legame del DNA) che sono altamente conservati negli insetti. Questo gene svolge un ruolo cruciale nella creazione dell'asse antero-posteriore.
La segmentazione della Drosophila è superficiale perché le uova sono centroleciti (il tuorlo è al centro dell'uovo), solo i nuclei si dividono in un citoplasma comune (sincicium), parliamo di un embrione sinciziale. Le cellule sono individualizzati nella periferia al 14 ° divisione. La distribuzione dei determinanti materni (RNA dalla madre) consentirà l'instaurazione dell'asse antero-posteriore durante la segmentazione. Bicoid è presente sul lato anteriore e nanos è presente sul lato posteriore, l'mRNA gobbo materno è distribuito in modo omogeneo nell'embrione. Le proteine Bicoid e Nanos sono distribuite in gradienti opposti nell'embrione e inibiscono rispettivamente l'espressione di caudale nella regione anteriore e gobbo nella regione posteriore. I gradienti delle proteine Gobbo, Caudale e Bicoide attivano la trascrizione zigotica di diversi geni gap lungo l'asse antero-posteriore, compreso il gene Gobbo . Il gene gobbo agisce quindi principalmente nello stato sinciziale. Si esprime principalmente nella parte anteriore, durante lo sviluppo questa espressione diminuisce e prima della gastrulazione hb si esprime anche nella parte posteriore dell'embrione. Infine, l' Hb è espresso nei neuroblasti (cellule staminali del sistema nervoso).
Il gobbo codifica per una proteina (proteina HB) che è un fattore di trascrizione che comprende sei domini del dito di zinco: 4 nel mezzo della proteina e 2 nella posizione C-terminale. Sull'mRNA è presente un sito di legame per la proteina Nanos chiamata Nanos Response Element (NRE) situata nella parte nucleotidica 3'UTR 55 del codone STOP.
La proteina HB ha un ruolo importante nella formazione della parte anteriore dell'animale e nella segmentazione di questa parte agendo come morfogeno in sinergia con Bicoid per controllare l'espressione di molti altri geni.
Il gobbo consente la formazione dei segmenti gnatale, toracico e labiale e partecipa alla formazione di diversi segmenti addominali.
Nel sistema nervoso, i neuroblasti esprimono successivamente fattori di trascrizione che consentiranno la loro differenziazione in cellule del sistema nervoso. Il primo fattore di trascrizione espresso è l'HB che parteciperà alla regolazione delle proteine POU (fattori di trascrizione espressi nel sistema nervoso centrale).
HB controlla l'espressione di diversi geni gap come Krüppel per cui un basso livello di HB attiva la sua espressione mentre un livello alto la reprime, questo gene è quindi espresso nella parte centrale dell'embrione; i geni Knirps e Giant che sono repressi nella parte anteriore da HB o Antennapedia . HB reprime anche l'espressione di Ultrabithorax ( Ubx ) che consente la differenziazione dei segmenti toracico e addominale. Questo gene si esprime quando c'è poca proteina HB, quindi nella parte centrale dell'embrione. La proteina HB permette la formazione di un complesso che reprime Ubx agendo sul suo promotore prossimale, impedendo così il legame degli attivatori. La repressione del gene Ubx da parte di Hunchback si verifica in una fase avanzata dello sviluppo dell'embrione quando l' Hb non è più necessaria per le sue altre funzioni.
Il gobbo permette la regolazione dei geni Hox : la proteina dMI-2 si lega ad una regione specifica della proteina HB e permette la repressione dei geni Hox .
I mutanti per il gene Gobbo possono essere ottenuti mutando diverse regioni che codificano ciascuna delle dita di zinco, per esempio. Saranno caratterizzati da un'assenza dei segmenti toracico e gnatale e un labium assente, si osserva quindi una testa ridotta. Anche l'addome sarà deformato e se il secondo dito di zinco viene eliminato così come il D-box (un'altra regione del gene) possiamo osservare la formazione di segmenti addominali nella regione della testa.
Lo stadio della fascia germinale è lo stadio zootipico degli insetti (o stadio filotipico, uno stadio di sviluppo comune a tutti gli insetti). Da questo punto in poi, ci sono 3 tipi di allungamento della banda germinale : corto, intermedio e lungo. Negli insetti di lunga durata, tutte le cellule lungo l'asse antero-posteriore sono già specificate e successivamente si differenzieranno in cellule della testa, del torace o dell'addome. Negli insetti a sviluppo breve, vengono specificate solo le cellule della parte anteriore, le regioni posteriori verranno specificate più avanti nello sviluppo. La modalità di allungamento corto rappresenta la forma più ancestrale mentre la modalità di allungamento lungo, che si trova nella Drosophila, rappresenta una forma evoluta di sviluppo. Il confronto di queste modalità di sviluppo in specie diverse può aiutare a capire come si sono evoluti i geni coinvolti in questi meccanismi e a capire come durante l'evoluzione gli insetti siano passati da una modalità all'altra.
HolometabolasIn Clogmia albipunctata , un dipterano, l'omologo hb ha un ruolo di gene gap simile a quello della Drosophila. La sua espressione differisce da quella della Drosophila perché questo gene è espresso in una struttura extra-embrionale non presente nella Drosophila, nella sierosa e nella regione proctodeale. L'espressione nella parte posteriore si verifica solo all'inizio della gastrulazione ed è quindi ritardata rispetto a quella della Drosophila.
Nel coleottero Tribolium castaneum (coleottero), l'omologo del gene gobbo è espresso maternamente in tutto l'embrione dove la sua espressione è regolata allo stesso modo della Drosophila. La proteina codificata da questo gene trasporta 6 dita di zinco e la sequenza NRE è simile a quella della Drosophila, anch'essa situata sul lato 3 'dell'mRNA. L'espressione zigotica consente lo sviluppo della testa e dei segmenti toracici. Hb partecipa allo stesso modo della Drosophila nella regolazione di Krüppel . È anche espresso nel sistema nervoso. A differenza della Drosophila, il gobbo è espresso nella sierosa come nella Clogmia albipunctata . Nella parte posteriore, l'espressione di hb è ridotta a 2 bande di espressione mentre ce n'è solo una in Drosophila ed è più tarda che in Drosophila.
Il Tribolium castaneum si sviluppa con un breve allungamento della banda germinale e ha sierosa, due caratteristiche ancestrali presenti anche nella Clogmia albipunctata . Infatti, più insetti basali hanno 2 tessuti embrionali in più, l'amnion e la sierosa, mentre in insetti più derivati come la Drosophila, c'è un solo tessuto, l'amnioserosa. Molti insetti esprimono hb nella sierosa, questa funzione è stata persa durante l'evoluzione nel lignaggio della Drosophila. Allo stesso modo, l'espressione di hb nella parte posteriore si verifica più tardi nelle linee più basali della Drosophila.
EmimetaboloGli insetti emimetaboli fanno parte degli eterometaboli, la loro metamorfosi è incompleta e c'è un cambiamento di ecologia tra la larva e l'adulto, questo è il caso ad esempio degli emittero e degli ortotteri.
In Oncopeltus fasciatus , un emittero, l' omologo gobbo è Of'hb . Questo gene codifica per una proteina con 8 domini zinc finger: 2 nella posizione N-terminale, 4 nel centro della proteina e 2 nella posizione C-terminale. Gli ultimi 6 domini sono omologhi a quelli della Drosophila. Le stesse osservazioni sono state fatte confrontando hb con la sua controparte nella cavalletta Schistocera americana e la locusta migratoria Locusta migratoria , due ortotteri. Ciò suggerisce che si sia verificata la perdita dei 2 domini nella posizione N-terminale durante l'evoluzione tra emimetabolo e olometabolo passando così da 8 domini a dito di zinco (stato ancestrale) a 6 domini (stato derivato). Sarebbe quindi interessante sapere quali sono le funzioni dei 2 domini in posizione N-terminale per sapere quale ruolo giocano nello sviluppo emimetabolo e perché non sono più necessari per lo sviluppo olometabolico.
Of'hb , come in Drosophila, si esprime maternamente, in modo omogeneo nell'uovo. L'espressione di Of'hb nel blastoderma è simile a quella della Drosophila ma durante l'allungamento della banda germinale l'espressione è simile a quella di altri insetti di breve allungamento. È anche espresso nel sistema nervoso. Of'hb ha due ruoli: sopprime l'identità addominale nella regione toracica e gnatale dell'embrione e consente la segmentazione della fascia germinale. I mutanti per questo gene mostrano fenotipi simili a quelli dei mutanti hb in Drosophila.
In Schistocera americana , l'omologo hb ha lo stesso ruolo di un gene gap nella parte anteriore dell'embrione. È anche espresso transitoriamente nei neuroblasti. Partecipa anche alla regolamentazione di Ubx . Come in Drosophila, esiste una sequenza che codifica la regione di legame di dMI-2 sulla proteina HB, questa funzione è stata quindi preservata. L'omologo hb è espresso in sierosa, che è una caratteristica degli insetti basali. L'espressione materna è diversa da quella della Drosophila. In effetti, nella Drosophila l'espressione materna e zigotica di hb consente l'instaurazione dell'asse antero-posteriore, ma nella cavalletta, l'espressione materna gioca un ruolo nella specificazione delle cellule che formeranno tessuti embrionali ed extra-embrionali.
In questa specie di sanguisuga (anellide), lzf1 e lzf2 sono i geni omologhi di Gobbo .
Le sequenze di hb e Lzf2 sono simili. Infatti, Lzf2 codifica una proteina di 468 amminoacidi contenente 5 domini zinc finger: 3 nella regione N-terminale e 2 nella regione C-terminale della proteina che è simile a quella che si trova nella Drosophila tranne che ci sono 4 domini nel mezzo della proteina in quest'ultimo. I 3 domini nella posizione N-terminale sono molto simili ai domini 2 ° , 3 ° e 4 ° di hb in Drosophila con rispettive percentuali di somiglianza dell'81%, 81% e 70%. I due domini situati al C-terminus hanno una somiglianza del 43% con i domini situati nella stessa posizione su hb . A monte della sequenza che codifica per questa proteina, un'altra sequenza (un esone di lzf2 ) codifica per 65 amminoacidi corrispondenti a un dominio del dito di zinco. La sequenza NRE di lzf2 si trova a 20 nucleotidi dal codone di STOP quindi nella parte 3'UTR della proteina come su hb in Drosophila e ha lo stesso ruolo nella regolazione della proteina della Drosophila, cioè il legame della proteina. Nanos proteina che inibisce l'espressione di hb . Lzf1 codifica anche per i domini del dito di zinco, ma è espresso molto male nell'embrione.
Lzf2 ha un'espressione materna e zigotica ma la sua espressione mostra alcune differenze rispetto alla sua controparte in Drosophila. Lzf2 è espresso all'inizio dell'embriogenesi, all'inizio delle divisioni cellulari. Durante la segmentazione, lzf2 è espresso nell'ectoderma e nel mesoderma lungo l'asse anteroposteriore mentre nella Drosophila l'espressione di hb si verifica solo nella parte anteriore. La segmentazione della Drosophila richiede un gradiente di HB, non quello della sanguisuga. Lzf2 e hb quindi non hanno lo stesso ruolo durante la segmentazione. Ciò suggerisce che hb ha acquisito la sua funzione di gene gap negli artropodi o negli insetti dopo una divergenza con anellidi, il che non è incompatibile con l'idea che hb sia stato cooptato durante la separazione tra artropodi e anellidi, permettendogli di acquisire questa nuova funzione. Lzf2 è anche espresso durante l' organogenesi nel sistema nervoso, nell'intestino e nelle strutture epidermiche in ciascun segmento.
Lzf1 e lzf2 sono in realtà geni ortologhi al Gobbo in Drosophila, cioè sono omologhi e derivano da un unico gene presente nell'antenato comune di insetti e anellidi, ciò è confermato da sequenze simili. È possibile utilizzare due scenari per spiegare l'ortologia tra lzf2 e hb :
Il primo scenario è il più probabile perché le sanguisughe hanno un tipo di segmentazione che si trova in tutti gli anellidi e in alcuni artropodi, quindi rappresentano la forma ancestrale.
Lzf1 e lzf2 sono paraloghi , derivano da una duplicazione del gene dell'antenato comune di anellidi e artropodi avvenuta dopo la separazione di questi 2 gruppi.
Il gene omologo a Hunchbak di questa specie di nematodi è Hbl-1 . Codifica una proteina di 982 aminoacidi con domini zinc finger. Tre si trovano nella parte N-terminale e sono simili per il 72% a quelli della Drosophila, i due situati nella parte C-terminale mostrano solo il 25% di somiglianze.
A differenza della Drosophila, questo gene non è espresso maternamente, è solo trascritto nell'embrione. Non interviene quindi all'inizio dell'embriogenesi a differenza della Drosophila, ma è molto importante per lo sviluppo dell'embrione poiché i mutanti per questo gene non hanno sviluppo completo. Hbl-1 si esprime nelle cellule dell'ipoderma dove ne permette la differenziazione. È anche espresso nelle cellule che daranno origine alla faringe e nei neuroblasti. Hbl-1 partecipa anche alla formazione della vulva perché è coinvolto nell'identità temporanea delle cellule precursori della vulva (CPV). È espresso nella larva in diversi stadi, hbl-1 regola i tempi di sviluppo della larva.
Gli ortologhi del gene gobbo nei vertebrati non sono stati ancora trovati, ma le proteine della famiglia Ikaros hanno domini zinco simili a quelli della proteina HB della cavalletta. Queste proteine partecipano alla regolazione dei geni coinvolti nel complesso di rimodellamento della cromatina nei linfociti, consentendo la determinazione e il controllo della proliferazione di queste cellule.
Ikaros interagisce con l'ortologo di dMI-2 nei topi. Questa funzione è stata quindi preservata durante l'evoluzione. Inoltre, le sequenze che codificano i domini del dito di zinco della proteina Ikaros nei topi e nell'uomo sono simili e organizzate in sintonia , sul cromosoma 7 negli esseri umani e 11 nei topi. Ortologhi a Ikaros sono stati identificati in Raja eglanteria , un Condritti , gruppo basali, suggerendo così che questi geni e le loro funzioni sono stati conservati durante l'evoluzione dei vertebrati.
La funzione del gene Gobbo è altamente conservata, nonostante alcune differenze, durante l'evoluzione degli insetti. Il suo ruolo è importante per l'istituzione dell'asse antero-posteriore. Il suo coinvolgimento nel sistema nervoso è presente anche in diversi organismi.
Confronti di ortologhi con hb in altre specie animali hanno dimostrato che le sequenze di questi geni mostrano grandi somiglianze. Le sequenze che mostrano il più alto grado di conservazione sono quelle che codificano i domini del dito di zinco della proteina HB. Gobbo avendo un ruolo cruciale durante l'embriogenesi e permettendo la regolazione di altri geni, le pressioni di selezione sulle regioni che codificano i siti di fissazione di HB al DNA erano molto forti durante l'evoluzione c 'è il motivo per cui le sequenze di geni ortologhi a hb si mostrano così molte somiglianze. Più in generale, gli omeoboiti sono sequenze molto conservate durante l'evoluzione.
Il fatto che gli emimetaboli abbiano una proteina con 8 domini a dito di zinco simili ad alcuni trovati negli anellidi e nei nematodi suggerisce che lo stato ancestrale fosse quello con 8 dita di zinco e che era quindi lo stato trovato nell'antenato comune ad anellidi, nematodi e artropodi. Durante l'evoluzione si è verificata una perdita dei domini nella posizione N-terminale per passare a 6 domini negli insetti olometaboli. I 2 domini in posizione N-terminale devono avere un ruolo durante lo sviluppo degli insetti eterometaboli che non è più necessario nell'olometabolo. Inoltre, il ruolo di hb nella formazione dell'asse anteroposteriore non è presente negli anellidi e nei nematodi, suggerendo che questo ruolo è apparso più tardi nell'evoluzione degli artropodi o degli insetti. Infine, l'espressione di hb e la sua funzione nella sierosa è andata persa durante l'evoluzione verso la Drosophila poiché questo tessuto extra-embrionale è presente solo nelle linee di insetti più basali.
La sequenza che codifica il sito di legame di dMI-2 alla proteina HB è molto conservata poiché una sequenza simile si trova sulle proteine della famiglia Ikaros nei vertebrati. Tuttavia, non è stato ancora trovato alcun omologo di hb che potrebbe essere coinvolto nella metamerizzazione dei vertebrati.