lezione 12

Sviluppo Fiorale

• Gli eucarioti pluricellulari, come le piante, originano da una cellula singola e diploide, lo zigote, risultato della fusione dei gameti aploidi parentali.
• Durante lo sviluppo, l'embrione si forma da questa cellula, seguito dalla germinazione del seme.
• Da ciò si sviluppano le diverse cellule, tessuti e organi che costituiscono un individuo adulto, tramite processi di replicazione e differenziamento cellulare.
• Lo zigote deve contenere le informazioni necessarie per lo sviluppo, contenute nel genoma e attivate da stimoli interni ed esterni.
• Il destino cellulare, cioè il fenotipo ottenuto tramite differenziamento, dipende da cambiamenti dell'espressione genica.
• Esistono meccanismi di regolazione per trascrizione, maturazione degli RNA, stabilità, trasporto e traduzione degli mRNA, modificazione, trasporto e degradazione delle proteine basati su segnali intra- ed extra-cellulari.
• Le differenze fenotipiche tra cellule eucariotiche derivano principalmente da diverse espressioni geniche che codificano proteine, trascritte dall'RNA polimerasi II.
• Si distinguono almeno cinque livelli di controllo, inclusa l'attivazione della struttura genica, l'inizio della trascrizione, la processazione dei trascritti, il trasporto al citoplasma e la traduzione degli mRNA.
• La produzione di proteine non è automatica all'avvio dell'espressione genica, poiché la regolazione può avvenire in diverse fasi.
• Tutti i livelli di controllo sono importanti, ma l'inizio della trascrizione rappresenta un punto critico.
• Un gene con struttura "attivata" può essere riconosciuto dai fattori di trascrizione (TF), che permettono l'azione della RNA polimerasi II.
• I TF sono proteine codificate geneticamente e regolano l'espressione di un numero maggiore di geni.
• I TF sono essenziali perché l'RNA polimerasi II non può avviare la trascrizione da sola.
• La compresenza di polimerasi e TF costituisce l'apparato "di base" per la trascrizione.
• I TF riconoscono regioni specifiche del DNA genomico, come i promotori, che contengono sequenze precise come la TATA box.
• La sequenza TATA permette il riconoscimento da parte di un fattore di trascrizione.
• Altre proteine intervengono, permettendo il legame con la RNA polimerasi II e quindi la trascrizione.
• Per la nomenclatura dei geni, mutanti e proteine:
  • Gene: Corsivo maiuscolo (es. APETALA 1)
  • Proteina: Maiuscolo (es. APETALA 1)
  • Mutante: Corsivo minuscolo (es. apetala 1)
• In Drosophila, lo sviluppo lungo l'asse antero-posteriore è regolato dall'attività dei geni HOX, che sono fattori di trascrizione a omeodominio.
• L'espressione ectopica del gene ANTENNAPEDIA nella regione della testa causa la formazione di zampe al posto delle antenne.
• L'espressione ectopica significa che il gene è espresso in un tessuto o organo in cui normalmente non è espresso nel wild type.
• Questo tipo di risultato è un cambiamento omeotico dell'identità dell'organo.
• Le piante sono organismi a crescita indeterminata, formando continuamente nuovi organi e tessuti.
• Malgrado i singoli organi della pianta (foglie, radici laterali) possano mostrare crescita determinata e andare incontro a senescenza, la crescita indeterminata complessiva dell'individuo resta possibile per la presenza di meristemi laterali e apicali.
• Di conseguenza, la pianta mantiene una sorta di giovanilità continuata, modulando la sua forma nel tempo e integrando informazioni endogene ed esogene.
• La capacità di crescita indeterminata può perdersi durante il differenziamento di un fiore terminale.
• Nei meristemi, gruppi di cellule a modalità di crescita determinata ed indeterminata possono coesistere.

Simmetria dei fiori e Modelli di Sviluppo

• La simmetria di un fiore è determinata dalla diversa o identica morfologia degli elementi che costituiscono uno stesso verticillo
• Si distinguono due tipi fondamentali di fiore in base alla simmetria: zigomorfi e attinomorfi
• Per lo studio dei fiori zigomorfi, Antirrhinum majus (bocca di leone) è usata come modello
• Per lo studio dei fiori attinomorfi è stata scelta Arabidopsis thaliana come pianta modello
• Le mutazioni prese in esame hanno evidenziato una ridotta simmetria dorso-ventrale con tendenza all’attinomorfismo, e riguardano i geni cycloidea (cyc) e dichotoma (kich)*

Mutanti Omeotici Fiorali in Arabidopsis thaliana

• I mutanti omeotici mostrano organi che si sviluppano nella posizione sbagliata
• Cinque mutanti studiati sono: agamous (ag), pistillata (pi), apetala1 (ap1), apetala2 (ap2), e apetala3 (ap3)

Fenotipi dei Mutanti

• ag : Gli organi del primo (sepali) e secondo (petali) verticillo si sviluppano correttamente
• ag : Gli organi del terzo verticillo sono convertiti omeoticamente in petali
• ag : Nel quarto verticillo si osserva la formazione di un nuovo fiore con sepali e petali
• ag : Conversione omeotica dei due verticilli più interni
• ag : Perdita di determinazione del meristema fiorale
• ag Nel meristema fiorale il mutante non esaurisce le ultime cellule meristematiche
• ag Le cellule meristematiche permangono come fonte di nuovi organi (sepali e petali)
• L'indeterminazione del meristema fiorale osservata nel mutante ag dipende dal fatto che, nel wild type, la proteina AGAMOUS è responsabile della regolazione negativa del gene WUSCHEL (WUS)
• Il prodotto del gene WUSCHEL, in collaborazione con le proteine CLAVATA, mantiene costante il numero di cellule staminali nei meristemi
• pi e ap3: Sviluppo corretto del primo e quarto verticillo
• pi e ap3: Gli organi del secondo (petali) sono convertiti omeoticamente in sepali
• pi e ap3: Quelli del terzo, le antere, in carpelli
• ap1 e ap2: Sviluppano correttamente gli organi del terzo e quarto verticillo
• ap1: I sepali sono convertiti in foglie
• ap1: Gli organi del secondo verticillo si riducono in numero e divengono stami
• ap2: I sepali sono convertiti omeoticamente in strutture carpelloidi
• ap2: Mancano del tutto i petali

Caratteristiche Comuni dei Mutanti

• Tutti e cinque i mutanti (ap1, ap2, ap3, pi e ag) condividono una caratteristica: la mutazione che provoca il fenotipo collegato è recessiva
• La mutazione provoca la conversione omeotica i un organo in un altro (che si sviluppa correttamene, mal nel luogo sbagliato)
• Nei mutanti di classe A sono convertiti gli organi del primo e secondo verticillo
• Nei mutanti di classe B sono convertiti quelli del secondo e del terzo
• Nei mutanti di classe C sono convertiti quelli del terzo e del quarto verticillo

Modello ABC

• Il modello ABC prevede che lo sviluppo degli organi fiorali sia controllato dall'azione ed interazione delle tre classi A, B e C di geni
• L'espressione dei geni classe A nel primo verticillo specifica l'identità dei sepali
• L'espressione dei geni classe A e B co-determinano l'identità dei petali nel secondo verticillo
• L'espressione dei geni classe B e C causa il differenziamento degli stami nel terzo verticillo
• L'espressione geni di classe C determina l'identità dei carpelli nel quarto verticillo
• Inoltre, l'espressione dei geni di classe A inibisce quella dei geni di classe C nel primo e secondo verticillo, analoga azione si verifica in direzione opposta e contribuisce nel rendere il meristema di tipo determinato
• I geni delle classi A, B e C di Arabidopsis sono stati isolati a analizzati; tutti (tranne AP2) codificano fattori di trascrizione appartenenti alla famiglia genica MADS-box
• I geni MADS-box sono coinvolti in importanti funzioni biologiche in animali, piante e funghi
• I geni MADS-box sono nominati con l'acronimo dei primi quattro geni individuati come membri di questa famiglia:
  • MCM (MINICHROMOSOME MAINTENANCE 1 - da lievito)
  • AGAMOUS (da Arabidopsis)
  • DEFICIENS (*da Anthirrinum, gene di classe B)
  • SRF (SERUM RESPONSE FACTOR, da Homo sapiens)
• Tutti i geni di questa famiglia presentano una regione conservata di circa 60 aminoacidi, il dominio MADS/MADS-box, prossimo all'N termale della proteina
• In seguito del sequenziamento del genoma di Arabidopsis sono stati individuati oltre 100 geni appartenenti alla famiglia MADS-box
• Studi sullo sviluppo dell'ovulo in Petunia hybrida hanno permesso di migliorare il modello ABC, con l'individuazione di geni di classe D e di un'ulteriore classe di geni E
• Nel 2000, l'ulteriore perfezionamento del modello ha compreso la scoperta dei geni della classe E, rappresentati nei geni SEPALLATA (SEP) in Arabidopsis
• I geni SEPALLATA (SEP) sono essenziali per la determinazione del fiore e sono espressi il tutti gli organi a partire dalla formazione del primordio
• La mutazione del triplo mutante sep1sep2sep3 implica la formazione di fiori indeterminati e la formazione di soli sepali