Bicoid (z lat. bi + coid - dva + ocas) - homeotický gen (označovaný jako bicoid nebo bcd ) a protein Drosophila , morfogen , který určuje vývoj přední části těla ( akron , hlava a hrudník ) drozofily embryo. mRNA tohoto proteinu se tvoří během vývoje oocytu , takže bikoidní gen patří mezi geny mateřského účinku . Protein je transkripční faktor a obsahuje homeodoménu ; podle některých zpráv je Bicoid modifikovaný Hox gen třetí skupiny [1] .
Eric Wieschaus a Christiane Nüsslein-Volhard získali v roce 1995 Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu za výzkum genů pro embryonální vývoj, mezi které patřil Bicoid .
Klasické experimenty ukázaly, že ve vajíčku hmyzu jsou nejméně dvě „ organizující se centra “, jedno v přední části vajíčka a druhé vzadu. Například Klaus Sander v roce 1975 zjistil, že pokud podvázal (podvázal) vajíčka v raných fázích vývoje a oddělil přední a zadní část, jedna polovina embrya se vyvinula do přední a druhá se změnila na zadní část embrya. embrya, ale ani jedna polovina neobsahovala střední segmenty embrya. Ukázalo se tedy, že existovaly gradienty vycházející ze dvou pólů a že tyto gradienty interagovaly, aby získaly polohové informace k určení identity každého segmentu. Také, když byla RNA z přední části hmyzího vajíčka zničena (ultrafialovým světlem nebo RNázou), výsledkem bylo, že embrya postrádala hlavu a hrudník ( thorax ). Místo toho se u těchto embryí vyvinula dvě břicha a telsony ("ocasy"). Sander tedy předpokládal existenci gradientu na obou koncích vajíčka a navrhl, že vejce obsahuje RNA, která vytváří gradient něčeho, co je zodpovědné za vývoj předního segmentu. Koncem 80. let byla hypotéza Klausova gradientu kombinována s genetickými studiemi embryogeneze Drosophila v projektu Heidelberg screens, který identifikoval geny ovlivňující embryonální vývoj. Christiane Nüsslein-Volhard a kolegové objevili, že existují nejméně tři sady morfogenů: pro přední, zadní a koncové oblasti embrya. Za tento objev byla spolu s Erikem Wieschausem v roce 1995 oceněna Nobelovou cenou. Skupina Erica Wieschause na Princetonské univerzitě stále zkoumá, jak Bicoid funguje, konkrétněji formování a mizení jeho gradientu. Bicoid je jedním z nejvíce studovaných morfogenů .
bioidní mRNA je syntetizována trofocyty (kojícími buňkami) během zrání oocytů . 3'-oblast bikoidní mRNA obsahuje signální místo rozpoznávané lokalizačními faktory, proteiny Exuperantia (Exu) a Staufen (Stau). Jsou aktivní ve střední a pozdní fázi oogeneze . Tyto proteiny pomáhají bikoidu připojit se k dyneinu , který transportuje mPHE bikoidu přes mikrotubuly do oblasti vajíčka nejblíže trofocytům . Lokalizace bikoidu je narušena také mutací Swallow proteinu, který se přímo neváže na bikoid , ale podílí se na reorganizaci mikrotubulů a aktinového cytoskeletu na předním konci oocytu . [2] . V oocytech Drosophila není bikoidní mRNA , stejně jako další geny pro mateřský efekt, jako je nanos , překládána . Přetrvávání bikoidu jako mRNA je vysvětleno krátkým poly(A) koncem na 3' konci transkriptu. V oocytech mRNA s krátkým poly(A) ocasem nepodléhají degradaci, ale takové mRNA nejsou translatovány . Po oplodnění prodlouží proteiny Cortex a Grauzone poly-(A) ocas a zahájí se bikoidní translace. [3] V tuto chvíli panuje polemika o tom, co přesně gradient vytváří: mRNA, samotný protein nebo obě látky. Zastánci hypotézy aktivního transportu tvrdí, že rychlost proteinové difúze je nedostatečná k vytvoření gradientu a že pravděpodobně dochází k aktivnímu transportu mRNA podél filament, podobně jako transportu do oocytu, a proteinový gradient opakuje gradient mRNA [4 ] . Teorie Wieschausovy skupiny se od konce 80. let nezměnila a používá model syntéza-difúze-degradace (SDD), který říká, že protein se šíří od pólu, kde se do konce oogeneze ukládá mRNA, a vzdálenost a doba propagace proteinu je určena rychlostí jeho syntézy, difúze a degradace. [5]
Bicoid stimuluje vývoj Drosophila anterior embrya dvěma způsoby. Na jedné straně se váže na kaudální mRNA , inhibuje její translaci a tím potlačuje program zadního vývoje, který kaudální aktivuje . [7] Na druhé straně je to transkripční faktor rodiny Hox [8] a váže se na regulační oblasti genu hrbáče , čímž jej aktivuje [9] . Aktivace tohoto genu nevyžaduje velké koncentrace Bicoidu, což bylo potvrzeno také v experimentech s knockoutem polykače a exuperantií: u takových mutantů se normálně vytvořily struktury hrudníku , ale ne hlava. Bylo předpovězeno, že tyto geny budou mít zesilovače s nižší afinitou , což bylo brilantně potvrzeno v experimentech s geny pro knoflíkovou hlavici , prázdné spirály a ortodentikuly . Zesilovače těchto genů mají také vazebné místo hrbáče . [10] Bicoid také reguluje gen knirps , který je exprimován z celé přední části embrya pouze v akronu, protože je současně potlačován hrbáčem . Tento příklad ukazuje, že právě různé časoprostorové kombinace mají rozhodující význam pro jemné efekty změny programu pro jednotlivé buňky. Podobně i přeskočený gen je aktivován pouze Bicoidem v druhém břišním segmentu, protože je zde požadovaná nízká koncentrace Bicoidu, a je zde také přítomen Hrbáč. [jedenáct]
Ve vejcích homozygotních bcd-/- mutantních samic bikoidní protein chybí. Embrya, která se vyvinou z takových vajíček, nemají přední segmentované části. Pokud je cytoplazma předního konce vajíčka od samice divokého typu transplantována do přední oblasti vajíčka odebraného od bcd-/- samice, pak je obnoven normální vývoj. Zavedení cytoplazmy vajíčka obsahujícího produkty genu bcd? ve střední oblasti vajíček tvoří bcd -/- bilaterální bikoidní proteinový gradient směřující z centrální oblasti vajíčka k přednímu a zadnímu konci. V souladu s tím se vyvíjí ošklivá larva s předními strukturami v centrální oblasti a se zadními strukturami na pólech vajíčka. [12]
Navzdory své klíčové roli v regulaci vývoje předního segmentu vrtule má bikoidní protein krátkou evoluční historii. Hledání sekvenčního konzervatismu ukazuje , že gen bcd nedávno získal Diptera duplikací homologu Hox3 zvaného zerknullt . Jiné morfogeny, jako je hrbáč a kaudal , jsou extrémně konzervativní. Vzhledem k transkripční synergii mezi mateřským Hb a Bcd byla navržena teorie, že dvoukřídlí předkové měli pouze hrbáče a veškerou regulaci související s Bicoidem získali později. Nedávné studie o konstrukci předozadní osy u příbuzných druhů, které nemají bikoidní homology, ale mají hrbatý hřbet, však ukazují přítomnost proteinu Orthodenticle (Otd), který má homeodoménu se stejnou specifitou jako bikoidní . Takovými organismy jsou brouk Tribolium a vosa Nasonia . [13]