a biología del desarrollo developmental biology - cbm.uam.es · garcía-bellido, a. (1999). los...

A

Biología del DesarrolloDevelopmentalBiology A.1 Análisis Genético de

mecanismos morfogenéticosen Drosophila

A.2 Mecanismos de señalizaciónen el desarrollo

A.3 Biología molecular deldesarrollo de Drosophila

A.4 Control genético de lamorfogénesis

A.5 Comunicación intercelular enel desarrollo de drosophila

A.6 Control genético de la divisióncelular en drosophila

A.1 Genetic Analysis ofmorphogeneticmechanisms in Drosophila .

A.2 Signalling mechanismsin development

A.3 Molecular biology ofdevelopment in Drosophila

A.4 Genetic control ofmorphogenesis

A.5 Cell-cell signaling indrosophila development

A.6 Genetic control of celldivision in drosophila

Resumen de Investigación

Señalización entre células de

proliferación

Hemos continuado el estudio de la funcion

de Notch en el disco imaginal de ala.

Encontramos que Notch estimula la

proliferación cellular y que colabora con

extramacrochaetae (codifica una proteína

HLH – no básica) durante la diferenciación

de venas. Hemos estudiado diferentes

aspectos de la formación del patrón de

venación, incluyendo la caracterización

functional del gen spalt y el análisis de las

rutas de señalización que afectan a la

diferenciación de venas.

En colaboración con otros laboratorios

hemos seleccionado y catalogado una serie

de mutaciones letales asociada a elementos

P. Con ello se han visto las correlaciones

entre morfología de discos imaginales

mutantes y los efectos clonales de células

mutantes en mosaicos genéticos. De este

análisis de cambios en comportamiento

cellular cabe destacar los efectos de varios

alelos del gen fat (que codifica para

E-cadherinas) en tamaño cellular, ritmo de

proliferación y morfología clonal.

La fusión de los discos imaginales

contralaterales en la metamorfosis es un

sistema modelo de alineación de epitelios,

aquí conectando niveles posicionales

homólogos. Hemos estudiado el proceso

normal y el efecto de mutaciones en genes

de la ruta Jun kinasa y de decapentaplegic

sobre la morfología (citoesqueleto y

filapodios) y migración celulares y

reconocimento del sustrato cellular larvario

(sobre el que migran las células imaginales

del borde del disco).

Hemos continuado utilizando el banco de

datos de proteínas de disco imaginal de la

como referencia para detectar cambios

debidos a mutaciones, concretamente los

asociados a mutaciones en genes

supresores de tumores (fat y l(2)gd). Se ha

iniciado igualmente la identificación

sistemática de polipéptidos del banco de

datos mediante electroforesis bidimensional

preparative seguida de técnicas de MALDI

Jefe de Línea/Group Leader:

Antonio García-Bellido

Personal Científico /Scientific Staff:

Juan Fenández Santarén,

José Félix de Celis,

Enrique Martín-Blanco

Técnicos de Investigación/

Technical Assistance:

Almudena Hernando Bellido,

Mª Paloma Martín Fernández,

Ana López Varea,

Rosario Hernández Baeza,

Carmen Alonso Barba.

Becarios Postdoctorales/

Postdoctoral Fellows:

Antonio Baonza Cuenca,

Pedro Fernández Fúnez,

Cassandra Extavour.

Becarios Predoctorales/

Graduate Students:

Jaime Resino de Castro

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).

Análisis Genético de mecanismosmorfogenéticos en Drosophila

A.1

14

Biología del DesarrolloDevelopmental Biology

García-Bellido, A. (1999). Los Genes del Cámbrico.Discurso Inaugural del Año Académico 1999-2000. 27de Octubre de 1999. Real Academia de Ciencas Exactas,Físicas y Naturales.

De Celis, J.F., Barrio, R. and Kafatos, F.C. (1999).Regulation of the splat/spalt-related gene complex andits function during sensory organ development in theDrosophila thorax. Development 126: 2653-2662.

De Celis J.F. (1999) The function of vestigial in Drosophilawing development: How are tissue-specific responsesto 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 theexpression of the Drosophila spalt complex at differentdevelopmental stages. Dev. Biol. 215: 33-47.

Martín-Blanco, E., Roch, F., Noll, E., Baonza, A., Duffy,J.B. and Perrimon, N. (1999). A temporal switch in DERsignaling controls the specification and differentiation ofveins and interveins in the Drosophila wing. Development126, 5739-5747.

Baonza, A. and García-Bellido, A. (2000). Notch signalingdirectly controls cell proliferation in the Drosophila wingdisc. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 97: 2609-2614.

Baonza, A, De Celis J.F. and García-Bellido, A. (2000).Relationships between extramacrochaetae and Notchsignalling in Drosophila wing Development. Development,127:2383-2395 .

Garoia, F., Guerra, D. Pezzoli, M.C., López-Varea, A.,Cavicchi, S. and García-Bellido, A. (2000). Cell Behaviourof Drosophila ft cadherin Mutations in wings Developemnt.Mechanism of Development. (In press).

Martín-Blanco, E., Pastor-Pareja J.C. and García-Bellido,A. (2000). JNK and decapentaplegic signaling controladhesiveness and cytoskeleton dynamics during thoraxclosure in Drosophila. PNAS, 97 no.14: 7667-8192.

De Celis, J.F. and Barrio, R. (2000) Function of thespalt/spalt-related gene complex in positioning the veinsin the Drosophila wing. Mech. Dev. 91: 31-41.

De Celis, F.J. and Bray, S. (2000) The Abruptex domainof Notch regulates negative interactions between Notch,its ligands and Fringe. Development 127: 1291-1302

De Celis, J.F. and Dominguez, M. (2000). Mecanismosgenéticos de la polaridad ocular en la mosca del vinagreDrosophila melanogaster. Investigación y Ciencia enprensa.

Rodríguez, J., Agudo, M., Van Damme, J.,Vandekerckhove, J. and Santarén, J.F. (2000).Polipeptides differentially expressed in imaginable discsdefine 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). DERsignalling restricts the boundaries of the wing field duringDrosophila development. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97,7331-7335.

García-Bellido, A. y Martín-Blanco, E. (2000). DesarrolloEmbrionario y Morfogénesis. en “ La Ciencia en tusmanos” Ed: P. García Barreno. Espasa-Calpe.

Genetic Analysis of morphogeneticmechanisms in Drosophila

Publicaciones /Publications:

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).

Research summary

Signalling during cell proliferation

We have continued the study of Notch

function in the wing imaginal disc. We

find that Notch stimulates cell proliferation

and collaborates with extramacrochaetae

(encoding a non-basic HLH protein)

during the differentiation of the veins.

We have been studying several aspects

of vein pattern formation, including the

functional characterisation of the spalt

gene and the analysis of signalling

pathways affecting vein differentiation.

In collaboration with other laboratories

we have selected and study a number

of lethal mutations associated to P

elements. This has allowed to stablish

a correlation between mutant imaginal

disc morphology and the clonal effects

of mutant cells in genetic mosaics. From

this analysis of changes in cellular

behaviour, the effects of several alleles

of the gene fat (encoding an E-cadherin)

in cell size, proliferation rate and clonal

morphology were studied in detail.

The fusion of contralateral imaginal discs

during metamorphosis is a model system

of epithelial alignment, apposing

homologous positional levels. We have

studied the normal process as well as

the effects of several mutations in genes

belonging to the Jun and

decapentaplegic signalling pathways on

morphology (cytoskeleton and filepodia)

and cell migration and recognition of the

cellular larval substrate (used by the

edge imaginal disc cells to migrate upon).

We have used the wing imaginal disc

protein database as a reference to detect

changes due to mutations, particularly

those specifically associated to mutations

in tumor suppressor genes (fat and l(2)gd).

We have also initiated the systematic

identification of polypeptides in the

database by using preparative two-

dimensional electrophoresis followed by

MALDI techniques.

15

Otras actividades y reconocimientos cientificos relevantesAntonio García-Bellido: Presidente electo de la European Developmental

Biology Organization

(EDBO), 1999.

Tesis Doctorales/ Doctoral ThesesCassandra Extavour. Selección en la línea germinal de Drosophila

melanogaster. Universidad

Autónoma de Madrid, 2000.


Durante el desarrollo de los organismos

multicelulares, las células embrionarias

eligen un programa de diferenciación.

La información para este programa es

suministrada mediante moléculas

señalizadoras extracelulares que se originan

en grupos de células especializadas

denominadas organizadores. Una de estas

moléculas señalizadoras es Hedgehog

(HH). Esta proteína y los componentes de

su vía de señalización, inicialmente

identificados en Drosophila, estan

conservados evolutivamente. Alteraciones

en la vía de HH son la causa de varios

síndromes y malformaciones humanas tales

como la holoprosencefalia (HPC) y la

polidactilia. También la activación

inadecuada de la vía de HH esta relacionada

con el desarrollo de carcinomas de células

básales (BCC) y de meduloblastomas.

Nuestros estudios pueden ayudar a

entender el funcionamiento de la

señalización por HH.

Función del gradiente de HH en la

formación del patrón del ala.

Las estructuras adultas de Drosophila están

subdivididas en compartimentos y la

interacción entre estos induce la activación

de señales organizadoras. Así, en el borde

del compartimento anterio-posterior, la señal

de HH induce a su vez nuevas señales

morfogenéticas, como son los factores de

secreción Wingless (WG), homologo al

oncogen int-1, y Decapentablegic (DPP),

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

del gradiente de HH mediante la

identificación y estudio de un nuevo alelo

de patched ptc (el receptor de HH) (Mullor

y Guerrero, 2000).

Función de las señales morfogenéticas

Hedgehog, Wingless y Decapentaplegic

en el desarrollo de la terminalia de

Drososphila.

El disco genital que da lugar a la genitalia

y a la analia de la mosca es por ahora el

menos estudiado. Sin embargo, desde el

punto de vista morfogenético, es el mas

interesante ya que para su desarrollo es

necesario por una parte la información dada

por los genes de formación de patrón y por

otra la suministrada por los genes de

determinación sexual. Hemos visto que las

respuestas a las vías de señalización de

HH, WG Y DPP están controladas

diferencialmente en el macho y en la hembra

por los genes de determinación sexual.

Este control diferencial de las respuesta a

señales es clave para desarrollo de las

estructuras sexuales del macho y de la

hembra (Sánchez, Gorfinkiel y Guerrero,

2001).

La terminalia de la mosca se considera

apéndice ventral y como tal, hemos visto

que expresa y requiere el gen Distal-less

(Dll). Dll actúa de mediador de las señal de

HH en el desarrollo de la analia impidiendo

el desarrollo de intestino, que no requiere

dicha señalización (Gorfinkiel, Sánchez y

Guerrero, 1999).


Isabel Guerrero


Graduate Students :

José Luis Mullor

Carlos Torroja

Becarios Postdoctoral/

Postdoctoral Fellows :

Nicole Gorfinkiel

Graciela Carrillo

Veronica Martin

Técnico de Investigación/

Technical Assistance :

Carmen Ibañez

María Sanz

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).

Mecanismos de señalización en el desarrolloA.2

16


Signalling mechanisms in development


Research summary

During the development of multicellular

organisms, embryonic cells choose the

appropriate differentiation program

based on positional information.

Extracellular signalling molecules from

specialised groups of cells, termed

organisers, supply the information for

these programs. Thus, the signalling

molecule Hedgehog (HH) and the

components of its signal transduction

pathway play an important role in the

development and morphogenesis of

adult structures both in vertebrates and

invertebrates. These genes, which have

been previously identified in Drosophila,

are affected in different congenital

malformations such as the

prosencephaly and polydactily in

humans. Ectopic activation of the HH

pathway is also associated to basal cell

carcinomas (BCC) and

medullablastomas. Our studies should

contribute to the understanding of how

HH signalling operates.

The role of the Hedgehog gradient in

wing patterning.

Drosophila adult structures are

subdivided into compartments and it is

the interaction between these

compartments at their boundaries, which

may induce the organising activity of the

signal molecules. Thus, at the

anterior/posterior compartment

boundary, the HH signal induces new

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

addition, we had demonstrated that HH

has a DPP-independent morphogenetic

effect. Lately, we have dissected the

different responses to the HH gradient

by using a gain of function allele of

patched ptc (the HH receptor) (Mullor

and Guerrero, 2001)

Role of the morphogenetic signals

Hedgehog, Wingless and

Decapentaplegic in the development

of the Drosophila terminalia.

The development of the genital disc,

which gives rise to the genitalia and

analia of adult flies, requires the activity

of both patterning and sex determination

genes. We have found that the sex

determination genes control the

development of the genital discs

modulating the responses to HH, WG,

and DPP signals. This signalling

modulation is key for the determination

of either male or female structures

(Sánchez, Gorfinkiel and Guerrero,

2001).

As in other ventral appendages, the

morphogenetic signals HH, WG and

DPP control the development of the

terminalia by inducing target genes such

as Distal-less (Dll). The anal primordium

of the genital disc is subdivided into two

territories, analia and hindgut. We have

found that Dll is specifically required for

analia formation versus hindgut

(Gorfinkiel et al., 1999).

17

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.

Tesis Doctorales/ Doctoral Theses

José Luis Mullor. «Estudio del papel de la vía de

Señalización de Hedgehog en la determinación del

patrón morfogenético del ala de Drosophila». Universidad

Autónoma de Madrid. Calificaciòn Apto cum Laude.

Febrero de 1999.

Colaboraciones con la Industria /

Collaborations with the Industry.

Proyecto de colaboracion con PHARMAMAR.

Activation of the HH target genes at the anterior and posterior compartment boundary of thewing imaginal disc. It is shown the expression of Cubitus interruptus (green),Decapentaplegic(blue) and Patched (red).


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.

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.

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.

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.

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.

Jefe de Línea/Group Leader

Juan Modolell

Personal Científico/Scientific Staff

Sonsoles Campuzano,

Mar Ruiz Gómez,

Isabel Rodríguez,

José Luís Gómez Skarmeta


Postdoctoral Fellows

Joaquím Culí,

Sol Sotillos,

Florencia Cavodeassi,

María Jesús García García


Graduate Students

Luis María Escudero,

Joaquín de Navascués,

María Eugenia Villa


Technical Assistance

Elisa de la Calle,

Eva Caminero,

Ruth Gutiérrez,

Andrew Ginzel

Científico Visitante/Visiting Scientist

Juan Riesgo (Univ. Nac. Autónoma de

México, Querétaro)

Imagen de un grupo de precursores de órganos sensoriales del presuntivo radio alar de Drosophila compuestapor doce secciones ópticas confocales. Los precursores se identifican por la expresión del marcador neutralized-lacZ y están codificados en distintos colores de acuerdo con su posición en el eje z.

Biología molecular del desarrollo de DrosophilaA.3

18


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

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

selectors in the Drosophila head. Development 127,

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.

Participación en la secuenciación del

genoma de Drosophila:

Benos, P.V. et al.(2000) From sequence to chromosome:

the tip of the X

chromosome of D. melanogaster. Science 287, 2220-

2222.

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/ DistinctionsJ. Modolell:

Premio DuPont para el fomento de la investigación. Año

2000.

DuPont Prize for the promotion of research. Year 2000.

Molecular biology of development in Drosophila


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.

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.

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.

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.

19

Composite image of twelve confocal sections encompasing the group of sense organ precursors atthe dorsal wing radius of the wing disc of Drosophila. Precursors are identified by the expression ofthe neutralized-lacZ marker and are coded with different colors according to their z axis position.

Resumen de investigación

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. Sánchez-

Herrero) y c) estudio de los genes

extradenticle y homothorax, dos cofactores

generales de la funcion Hox en el Reino

Animal.

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 2-

3 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.

Jefes de Linea/Group Leaders :

Ginés Morata,

Ernesto Sánchez-Herrero*

Personal Científico/Scientific

Personnel :

Natalia Azpiazu, Manuel Calleja,


Postdoctoral fellows :

Eduardo Moreno,

Magali Suzanne


Graduate Students :

Silvia Aldaz, Carlos Estella,

Beatriz Estrada, Héctor Herranz,

Francisco Martin, Luis de Navas,

Ainhoa Perez


Technical Assistance :

Angelica Cantarero,

Rosa González,

Cristina González

* Jefe de Linea asociado /

Associate Group Leader

Abdomen de Drosophila que muestra en su parte posterior un clon mutante para elgen Abdominal-B que transforma la genitalia en pata.

Control genético de la morfogénesisA.4

20

Drosophile abdomen showing a Abd-B mutant clone that transforms genitaliainto leg.


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 257-

285

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

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 DistincionesPrizes 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

Genetic control of morphogenesis


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.

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.

21

Drosophila adulta mostrando en azul (mediante tinción X-gal) laexpresión del gen pannier en un dominio dorsal de los segmentostorácicos y abdominales

Adult Drosophile fly, showing in blue (x-gal staining) the expressiondomain of the pannier gene. It defines a dorsal region in all thoracicand abdominal segments.


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.

Jefes de Linea/Group Leaders :

Fernando Jiménez Díaz-Benjumea

Estudiantes

Undergraduate Student:

David del Alamo Rodríguez

Quetas mecanoreceptoras con su bractea asociada en la pata de Drosophila.La diferencia en pigmentación indica la pertenencia a diferentes linajes.

Comunicación intercelular en el desarrollode Drosophila

A.5

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 cell-

cell interaction.

23

Mechanosensory organs with their bracts in the Drosophile leg. Different pigmentetionindicates different lineage.


Utilizando un anticuerpo contra Bub1, una

proteína específica del cinetocoro activo,

hemos podido mostrar que durante la

prometafase mitótica de Drosophila

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 anti-

Bub1 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

en mitosis y meiosis porque en general uno

de los centrómeros no es activo o, si los

dos son activos, la unión de uno de ellos a

los microtúbulos polares, aunque suficiente

para formar puentes anafásicos, se resuelve

sin roturas cromosómicas. Todas estas

observaciones apuntan la existencia de un

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 activación-

inactivación 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.


Pedro Ripoll

Personal Científico /

Scientific Personnel:

Isabel Molina

Becarios Posdoctorales/

Postdoctoral Fellows:

Giovanna Giovinazzo,

Yanina Panzera


Predoctoral Fellows:

Annalisa Letizia

Técnico de Investigación /

Techical Assistance:

Antonio Sánchez

Anti-Bub 1 staining (red) of the dicentric chromosome C(1)A

Control genético de la división celular enDrosophila

A.6

24


Genetic control of cell division in Drosophila


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 TART-

related 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

mitosis and meiosis because in most

cases one of the centromeres is inactive.

In those cases in which C(1)A behaves

as a dicentric the attachment of one of

the centromeres to the spindle

microtubules is strong enough to permit

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 activation-

desactivation that, as all other process,

can be genetically dissected if the right

genetic tools are available. Taking

advantage of the existence of a dicentric

chromosome we have designed a genetic

screen that permits the identification of

mutations in genes involved in the process

of centromere activation-desactivation.

Our main objectives for the future are the

identification and the genetic and

molecular characterization of these genes.

25

Agudo, M., . Losada, A., Abad, J.P., S. Pimpinelli, P.

Ripoll and A. Villasante. (1999). "Centromeres from

telomeres? The centromeric region oy the Y chromosome

of Drosophila melanogaster contains a tandem array of

telomeric HeT-A and TART sequences". Nucl. Acid Res.,

27, 3318-3324.

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.

Abad, J.P., Agudo, M., Molina, I., Losada, A., Ripoll, P.

& Villasante, A. (2000). "Pericentromeric regions

containing 1.688 satellite DNA sequences show anti-

kinetochore staining in prometaphase chromosomes of

Drosophila melanogaster" Mol. Gen. Genet. 264, 371-

377.

a biología del desarrollo developmental biology - cbm.uam.es · garcía-bellido, a. (1999). los...

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