Bicoid (från lat. bi + coid - two + tail) - en homeotisk gen (betecknad bicoid eller bcd ) och Drosophila protein , en morfogen som bestämmer utvecklingen av den främre delen av kroppen ( akron , huvud och bröstkorg ) av Drosophila embryo. Detta proteins mRNA bildas under utvecklingen av oocyten , så den bicoida genen tillhör de maternala . Proteinet är en transkriptionsfaktor och innehåller en homeodomän ; enligt vissa rapporter är Bicoid en modifierad Hox-gen från den tredje gruppen [1] .
Eric Wieschaus och Christiane Nüsslein-Volhard tilldelades Nobelpriset i fysiologi eller medicin 1995 för sin forskning om embryonala utvecklingsgener, som inkluderade Bicoid .
Klassiska experiment har visat att det finns minst två " organiseringscentra " i ett insektsägg, ett på framsidan av ägget och ett på baksidan. Till exempel fann Klaus Sander 1975 att om han ligerade (ligerade) äggen i de tidiga utvecklingsstadierna, separerade den främre delen från den bakre regionen, utvecklades ena halvan av embryot till den främre och den andra förvandlades till baksidan av embryot, men ingen av hälften innehöll mittsegmenten av embryot. Således visade det sig att det fanns gradienter som utgick från de två polerna, och att dessa gradienter samverkade för att erhålla positionsinformation för att bestämma identiteten för varje segment. Dessutom, när RNA från framsidan av insektsägget förstördes (av ultraviolett ljus eller av RNas), var resultatet att embryona saknade ett huvud och en bröstkorg ( thorax ). Istället utvecklade dessa embryon två magar och telsons ("svansar"). Således postulerade Sander förekomsten av en gradient i båda ändarna av ägget och föreslog att ägget innehåller RNA som genererar en gradient av något som är ansvarigt för utvecklingen av det främre segmentet. I slutet av 1980-talet kombinerades Klaus-gradienthypotesen med genetiska studier av Drosophila embryogenes i Heidelberg screens-projektet, som identifierade gener som påverkar embryonal utveckling. Christiane Nüsslein-Volhard och kollegor upptäckte att det finns minst tre uppsättningar av morfogen: för de främre, bakre och terminala regionerna av embryot. För denna upptäckt tilldelades hon och Erik Wieschaus Nobelpriset 1995. Eric Wieschaus grupp vid Princeton University undersöker fortfarande hur Bicoid fungerar, närmare bestämt bildandet och försvinnandet av dess gradient. Bicoid är en av de mest studerade morfogenerna .
bicoid mRNA syntetiseras av trofocyter (vårdande celler) under oocytmognad . 3'-regionen av bicoid mRNA innehåller ett signalställe som känns igen av lokaliseringsfaktorer, Exuperantia (Exu) och Staufen (Stau) proteiner. De är aktiva i mitten och sena stadier av oogenes , respektive. Dessa proteiner hjälper bicoiden att fästa till dynein , som transporterar bicoidens mPHE via mikrotubuli till det område av ägget som är närmast trofocyterna . Lokalisering av bicoiden störs också av mutation av sväljproteinet, som inte binder direkt till bicoiden , utan är involverat i omorganiseringen av mikrotubuli och aktincytoskelettet vid den främre änden av oocyten . [2] . I Drosophila oocyter översätts inte bicoid mRNA , såväl som andra gener för maternal effekt, såsom nanos . Beständigheten hos bicoiden som mRNA förklaras av den korta poly(A) -svansen vid 3' -änden av transkriptet. I oocyter är mRNA med en kort poly(A) svans inte föremål för nedbrytning, men sådana mRNA translateras inte . Vid befruktning förlänger Cortex- och Grauzone-proteinerna poly-(A)-svansen och Bicoid-translation initieras. [3] För närvarande råder kontroverser om vad som exakt skapar gradienten: mRNA, själva proteinet eller båda ämnena. Försvarare av hypotesen om aktiv transport hävdar att hastigheten för proteindiffusion är otillräcklig för att skapa en gradient, och att aktiv transport av mRNA längs filamenten, liknande transport in i oocyten, troligen inträffar, och proteingradienten upprepar mRNA-gradienten [4 ] . Teorin om Wieschaus-gruppen har inte förändrats sedan slutet av 1980-talet och använder modellen synthesis-diffusion-degradation (SDD) som säger att proteinet sprider sig från polen, där mRNA deponeras i slutet av oogenesen, och avståndet och tiden för proteinförökning bestäms av hastigheten för dess syntes, diffusion och nedbrytning. [5]
Bicoid stimulerar utvecklingen av Drosophila främre embryot på två sätt. Å ena sidan binder den till det kaudala mRNA:t , hämmar dess translation och undertrycker därmed det bakre utvecklingsprogrammet som kaudalt aktiverar . [7] Å andra sidan är det en transkriptionsfaktor från Hox-familjen [8] och binder till de reglerande regionerna av puckelryggsgenen , vilket aktiverar den [9] . Aktivering av denna gen kräver inte stora koncentrationer av Bicoid, vilket också bekräftades i experiment med knockout av svälj och exuperantia: i sådana mutanter bildades normalt bröstkorgstrukturer , men inte huvudet. Dessa gener förutspåddes ha lägre affinitetsförstärkare , vilket sedan briljant bekräftades i experiment för generna för knapphuvudet , tomma spirakler och ortodentikel . Förstärkare av dessa gener har också ett Hunchback- bindningsställe . [10] Bicoid reglerar också knirps -genen , som uttrycks från hela den främre delen av embryot endast i akronan, eftersom den samtidigt förträngs av puckelryggen . Detta exempel visar att det är de olika rums-temporala kombinationerna som är av avgörande betydelse för de subtila effekterna av att ändra programmet för enskilda celler. På samma sätt aktiveras den jämna överhoppade genen endast av Bicoid i det andra buksegmentet, eftersom det finns den erforderliga låga koncentrationen av Bicoid, och Hunchback är också närvarande. [elva]
I äggen från homozygota bcd-/- muterade honor saknas Bicoid-proteinet. Embryon som utvecklas från sådana ägg har inte främre segmenterade sektioner. Om cytoplasman i den främre änden av ägget från en vildtypshona transplanteras in i den främre regionen av ett ägg som tagits från en bcd-/- hona, så återställs normal utveckling. Införandet av äggets cytoplasma som innehåller produkterna från bcd-genen? i mittregionen av äggen bildar bcd-/- en bilateral Bicoid proteingradient riktad från den centrala regionen av ägget till de främre och bakre ändarna. Följaktligen utvecklas en ful larv med främre strukturer i den centrala regionen och med bakre strukturer vid äggets poler. [12]
Trots sin nyckelroll i att reglera utvecklingen av fruktflugans främre segment, har Bicoid-proteinet en kort evolutionär historia. Sökandet efter sekvenskonservatism indikerar att bcd -genen nyligen förvärvades av Diptera , genom duplicering av en Hox3-homolog som kallas zerknullt . Andra morfogen, såsom Hunchback och Caudal , är extremt konservativa. Med tanke på den transkriptionella synergin mellan moderns Hb och Bcd, har en teori föreslagits att dipteranförfäder endast hade Hunchback och förvärvade all Bicoid-relaterad reglering senare. Nyligen genomförda studier om konstruktionen av den främre-bakre axeln hos besläktade arter som inte har Bicoid-homologer, men har Hunchback, visar dock närvaron av Ortodenticle (Otd)-proteinet, som har en homeodomän med samma specificitet som den för Bicoid . Sådana organismer är Tribolium- baggen och Nasonia -getingen . [13]