Formation of the bicoid gradient in Drosophila

Project: Research

Research areas and keywords

UKÄ subject classification

  • Natural Sciences

Keywords

Description

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.

Layman's description

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.
Short titlebicoid gradient formation
StatusActive
Effective start/end date2007/01/012026/01/31

Collaborative partners

Participants

Related research output

Stefan Baumgartner, 2018, In : Hereditas. 155, 1 p.

Research output: Contribution to journalArticle

Cai, X., Akber, M., Spirov, A. & Stefan Baumgartner, 2017 Oct 1, In : PLoS ONE. 12, 10, e0185443.

Research output: Contribution to journalArticle

Castillejo-López, C., Cai, X., Fahmy, K. & Stefan Baumgartner, 2017 Sep 29, In : Hereditas. 155, 12.

Research output: Contribution to journalArticle

View all (7)