Bicoid (din lat. bi + coid - doi + coadă) - o genă homeotică (notat bicoid sau bcd ) și proteina Drosophila , un morfogen care determină dezvoltarea părții anterioare a corpului ( acron , cap și torace ) a Drosophila embrion. ARNm al acestei proteine se formează în timpul dezvoltării ovocitului , astfel încât gena bicoidă aparține genelor de efect matern . Proteina este un factor de transcripție și conține un homeodomeniu ; conform unor rapoarte, Bicoid este o genă Hox modificată din al treilea grup [1] .
Eric Wieschaus și Christiane Nüsslein-Volhard au primit Premiul Nobel pentru Fiziologie sau Medicină în 1995 pentru cercetările lor asupra genelor de dezvoltare embrionară, care au inclus Bicoid .
Experimentele clasice au arătat că există cel puțin două „ centre de organizare ” într-un ou de insectă, unul în fața oului și unul în spate. De exemplu, Klaus Sander în 1975 a descoperit că, dacă a ligat (ligat) ouăle în stadiile incipiente de dezvoltare, separând regiunea anterioară de cea posterioară, o jumătate a embrionului s-a dezvoltat în partea anterioară, iar cealaltă s-a transformat în spatele embrion, dar nicio jumătate nu conținea segmente medii ale embrionului. Astfel, s-a dovedit că au existat gradienți care emanau de la cei doi poli și că acești gradienți au interacționat pentru a obține informații de poziție pentru a determina identitatea fiecărui segment. De asemenea, atunci când ARN-ul din fața oului de insectă a fost distrus (de lumină ultravioletă sau de RNază), rezultatul a fost că embrionii nu aveau cap și piept ( torace ). În schimb, acești embrioni au dezvoltat două burți și telsoni („cozi”). Astfel, Sander a postulat existența unui gradient la ambele capete ale oului și a sugerat că oul conține ARN care generează un gradient de ceva responsabil pentru dezvoltarea segmentului anterior. La sfârșitul anilor 1980, ipoteza gradientului Klaus a fost combinată cu studii genetice ale embriogenezei Drosophila în proiectul ecranelor Heidelberg, care a identificat gene care afectează dezvoltarea embrionară. Christiane Nüsslein-Volhard și colegii săi au descoperit că există cel puțin trei seturi de morfogeni: pentru regiunile anterioare, posterioare și terminale ale embrionului. Pentru această descoperire, ea și Erik Wieschaus au primit Premiul Nobel în 1995. Grupul lui Eric Wieschaus de la Universitatea Princeton investighează în continuare modul în care funcționează Bicoid, mai precis, formarea și dispariția gradientului său. Bicoid este unul dintre cei mai studiati morfogene .
ARNm bicoid este sintetizat de trofocite (celule care alăptează) în timpul maturării ovocitelor . Regiunea 3’ a ARNm bicoid conține un situs de semnalizare recunoscut de factorii de localizare, proteinele Exuperantia (Exu) și Staufen (Stau). Ele sunt active în stadiile mijlocii și, respectiv, târzii ale oogenezei . Aceste proteine ajută bicoidul să se atașeze de dineină , care transportă mPHE al bicoidului prin microtubuli în zona oului cea mai apropiată de trofocite . Localizarea bicoidului este de asemenea perturbată de mutația proteinei Swallow, care nu se leagă direct de bicoid , ci este implicată în reorganizarea microtubulilor și a citoscheletului de actină la capătul anterior al ovocitului . [2] . În ovocitele Drosophila, ARNm bicoid , precum și alte gene cu efect matern, cum ar fi nanos , nu sunt traduse . Persistența bicoidului ca ARNm este explicată prin coada scurtă poli(A) la capătul 3’ al transcriptului. În ovocite, ARNm-urile cu o coadă poli(A) scurtă nu sunt supuse degradării, dar astfel de ARNm nu sunt traduse . La fertilizare, proteinele Cortex și Grauzone alungesc coada poli-(A) și este inițiată translația Bicoid. [3] În prezent, există o controversă cu privire la ceea ce creează exact gradientul: ARNm, proteina în sine sau ambele substanțe. Apărătorii ipotezei transportului activ susțin că viteza de difuzie a proteinei este insuficientă pentru a crea un gradient și că transportul activ al ARNm de-a lungul filamentelor, similar transportului în ovocit, are loc probabil, iar gradientul proteic repetă gradientul ARNm [4]. ] . Teoria grupului Wieschaus nu s-a schimbat de la sfârșitul anilor 1980 și folosește modelul de sinteză-difuzie-degradare (SDD), care afirmă că proteina se răspândește de la pol, unde ARNm este depus până la sfârșitul oogenezei, iar distanța și timpul de propagare a proteinei este determinat de viteza de sinteză, difuzie și degradare a acesteia. [5]
Bicoid stimulează dezvoltarea embrionului anterior de Drosophila în două moduri. Pe de o parte, se leagă de ARNm caudal , inhibând translația acestuia și suprimând astfel programul de dezvoltare posterior pe care îl activează caudal . [7] Pe de altă parte, este un factor de transcripție al familiei Hox [8] și se leagă de regiunile reglatoare ale genei cocoșatului , activând-o [9] . Activarea acestei gene nu necesită concentrații mari de Bicoid, ceea ce a fost confirmat și în experimente cu knockout de înghițire și exuperanție: în astfel de mutanți, structurile toracice au fost în mod normal formate , dar nu și capul. Aceste gene au fost prezise a avea amplificatori de afinitate mai mici , ceea ce a fost apoi strălucit confirmat în experimente pentru capul de buton , spiraculi goale și genele ortodenticul . Potenziatorii acestor gene au, de asemenea, un site de legare Hunchback . [10] Bicoid reglează, de asemenea, gena knirps , care este exprimată din toată partea anterioară a embrionului doar în acron, deoarece este reprimată simultan de cocoș . Acest exemplu arată că diferitele combinații spațio-temporale sunt cele care au o importanță decisivă pentru efectele subtile ale schimbării programului pentru celule individuale. În mod similar, gena evenskipped este activată doar de Bicoid în al doilea segment abdominal, deoarece există o concentrație scăzută necesară de Bicoid, iar Hunchback este de asemenea prezent. [unsprezece]
În ouăle femelelor mutante bcd-/- homozigote, proteina Bicoid este absentă. Embrionii care se dezvoltă din astfel de ouă nu au secțiuni anterioare segmentate. Dacă citoplasma capătului anterior al oului de la o femelă de tip sălbatic este transplantată în regiunea anterioară a unui ou luat de la o femelă bcd-/- , atunci dezvoltarea normală este restabilită. Introducerea citoplasmei oului care conține produsele genei bcd? în regiunea mijlocie a ouălor , bcd-/- formează un gradient bilateral de proteină Bicoid îndreptat de la regiunea centrală a oului către capetele anterioare și posterioare. În consecință, o larvă urâtă se dezvoltă cu structuri anterioare în regiunea centrală și cu structuri posterioare la polii oului. [12]
În ciuda rolului său cheie în reglarea dezvoltării segmentului anterior al muștei fructelor, proteina Bicoid are o scurtă istorie evolutivă. Căutarea conservatorismului secvenței indică faptul că gena bcd a fost dobândită recent de către Diptera , prin duplicarea unui omolog Hox3 numit zerknullt . Alți morfogeni, cum ar fi Hunchback și Caudal , sunt extrem de conservatori. Având în vedere sinergia transcripțională dintre Hb maternă și Bcd, a fost propusă o teorie că strămoșii dipteran au avut doar Cocoșul și au dobândit mai târziu toate reglementările legate de Bicoid. Totuși, studii recente privind construcția axului anterior-posterior la speciile înrudite care nu au omologi Bicoid, dar au Cocoș, arată prezența proteinei Orthodenticle (Otd), care are un homeodomeniu cu aceeași specificitate ca și cel al Bicoidului. . Astfel de organisme sunt gândacul Tribolium și viespea Nasonia . [13]