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Memoria 1997/98
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MEMORIA CIENTÍFICA
SCIENTIFIC REPORT
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Biología del Desarrollo
Developmental Biology
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1997/98 Report
ANÁLISIS GENÉTICO DE MECANISMOS
MORFOGENÉTICOS EN DROSOPHILA
GENETIC ANALYSIS OF MORPHOGENETIC MECHANISMS IN
DROSOPHILA
Jefe de Línea / Group Leader:
Personal Científico
Scientific Personnel:
Becarios Postdoctorales
Postdoctoral Fellows:
Becarios Predoctorales
Graduate Students:
Técnicos de Investigación
Technical Assistance:
Estudiantes
Undergraduate Students:
Antonio García-Bellido
Juan Fenández Santarén
Antonio Baonza Cuenca, Francisco José Cifuentes
Ambrojo, Pedro Fernández Fúnez, Marco Milán
Kalbfleisch
Cassandra Extavour, Jaime Resino de Castro,
Fernando Roch Briones
Carmen Alonso Barba, Rosario Hernández Baeza,
Almudena Hernando Bellido, Ana López Varea, Mª
Paloma Martín Fernández
Luis Alberto Baena López, Bruno Contreras
Moreira, Patricia Salama Cohén, Mª Eugenia Villa
Cuesta
Resumen de Investigación
Parámetros del desarrollo normal
El desarrollo normal de un órgano lleva asociada muerte celular espontanea
(apoptosis) considerado como proceso corrector de fallos en la proliferación celular.
Hemos estudiado los parámetros de apoptosis en el desarrollo del disco imaginal del
ala. La muerte celular selectiva en regiones del ala (mediado por activación de GAL4
gen específico sobre un gen de ricina) causa además de mortalidad autónomo celular
cambios no autónomos en la proliferación de otras regiones del disco, explicable por fallos en la señalización de valores posicionales entre células (acomodación).
31
Algunas células del epitelio dorsal y ventral del disco de ala están determinadas
(comproblable en disociados y reagregados celulares) para la diferenciación de venas.
El patrón definitivo de venación, sinembargo, resulta de procesos de inducción planar
y vertical entre células de ambas superficies del ala después de su aposición en la
metamorfosis. Estos procesos dependen de la expresión de genes (Notch ,veinlet, vein,
plexus y otros) de comunicación celular.
Análisis genético
El estudio de mosaicos genéticos y de combinaciones mutantes ha llevado a la disección de los procesos que llevan, a partir de territorios amplios de células determinadas para regiones de provenas, a diferenciación de células de vena en franjas estrechas. En estas interacciones celulares intervienen genes de señalización entre células
(Notch y otros) y genes de especificidad de territorios: venas veinlet e intervenas: blistered.
El crecimiento del disco imaginal de ala requiere interacciones entre células usando bordes de compartimento como referencias, en los ejes dorsal/ventral y
anterior/posterior. Mutaciones en el gen nubbin afectan interacciones celulares en el eje
proximo distal del ala causando una profunda reducción en el tamaño del ala. Mosaicos
genéticos de nubbin impiden no-autonomamente, el crecimiento de todos los compartimentos. La reducción de tamaño del ala nubbin mutante va asociada a pérdida de las
restricciones clonales de bordes de compartimentos, lo que conlleva la reespecificación
de genes selectores (apterous y engrailed), y a proliferación celular perpendicular estos
bordes en lugar de paralelo a ellos.
Estos, y otros resultados han llevado a proponer un modelo (Entelechia) de proliferación celular controlado, que lleva a tamaños y formas constantes y específicas de
órganos en morfogénesis.
Proteoma del disco de ala
Mediante electroforesis bidimensional de alta resolución se ha creado el primer
banco de datos de expresión de proteinas en el disco imaginal de ala como referencia
canónica a cambios debidos a mutaciones. Entre estos cambios, se ha analizado en
detalle los originados por mutaciones del grupo de los denominados “tumor-suppresor” que afectan el normal crecimiento del disco de ala fat y l(2) gd. Estos fenotipos mo32
leculares incluyen desaparición de ciertos grupos de proteínas y aparición de otras
nuevas (en parte debida a cambios de glicosilación y fosforilación) unos que son locus
específicos y otros comunes a ambos tipos de mutaciones. Este análisis llevado a otros
grupos de mutaciones morfogenéticas permitirá identificar grupos de genes cuya
expresión cambia en condiciones mutantes en procesos específicos del desarrollo normal.
Research Summary
Parameters of normal development
Normal development of organs is usually associated with spontaneous cell death
(apoptosis) which is considered as an editing process in cell proliferation during morphogenesis. We have studied the normal parameters of apoptosis in the development
of the wing imaginal disc. Selective cell death caused by expression of the toxin ricine
(mediated Gal4 drived by territorial genes) causes, in addition to cell autonomous
death, non-autonomous effects in cell proliferation and death in the adjacent territories,
explainable by failures in cell signaling of positional values (“accommodation”).
Some cells of the dorsal and ventral surfaces of the wing disc are already determined (as reflected in cell dissociates and reaggregates) for vein differentiation . This
occurs after dorso ventral surface aposition in metamorphosis via planar and vertical
(through the basal membrane of cells of both surfaces) induction. These processes are
affected by mutations in genes involved in cell communication (Notch, veinlet, vein,
plexus, etc).
Genetic analyses
Genetic mosaics and mutant combinations help to the dissection of the genetic
processes that reduce broad provein cell territories to final stripes of few vein cells. We
have analyzed in this processes the role of Notch (and other genes of its signalling syntagm) and gene of territorial specificity (veinlet and blistered).
Cell proliferation in the wing disc requires compartment boundaries (dorso/ventral and anterio/posterior) as references. Mutations in the nubbin gene cause extreme
reductions in wing size, revealing the existence of cell interactions in the proximo distal axis. Genetic mosaics of nubbin, autonomously differentiate proximal structures in
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distal regions and non-autonomously cause reduction of growth along all the wing
axes. Size reduction of nubbin wings is associated to the loss of clonal restrictions along
compartment boundaries (and respecification of selector genes) and to preferential cell
proliferation perpendicular to all the wing axes.
These and other results has led to a morphogenetic model (Entelechia) of ordered
cell proliferation leading to normal and constant size and shape of organs.
Proteoma project of the wing disc
Bidimensional gel electrophoresis of high resolution has been used to construct
the first date base of protein gene expression of the wildtype wing imaginal disc. This
represents serving as a canonic reference to changes due to different types of morphogenetic mutations. Thus, have studied changes due to mutations, in a group of “tumorsuppressor” genes fat and l(2)gd that cause hyperplasia, on gene expression pattern. In
this molecular phenotype certain proteins appear anew and others disappear (in part
due to glicosilation and phosphorilation changes). Some are locus specific and others
generic for both types of mutants. The same analysis in other groups of morphogenetic mutants will allow the identification of genes whose set-characteristic expression is
correlated with specific developmental operations.
Publicaciones / Publications
—
García-Bellido, A. Developmental Genetics and Evolution. Plenary lectures, Acad.
Sci. USA (1997).
—
F. Santarén, J. and García-Bellido, A. 2D gene expression parameters of wing imaginal disc of Drosophila for developmental analysis. Dev. Genes. Evol. 206, 349-354
(1997).
—
García-Bellido, A. Progress in Biological Evolution. In: The Idea the Progress. Eds.
Burger, A., McLaughlin, P. and Mittelstrab, J. Walter de Gruyter. Berlin.New York
(1997).
34
—
Milán, M., Campuzano, S. and García-Bellido, A. Developmental parameters of
cell death in the wing disc of Drosophila. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 5691-5696
(1997).
—
De Celis, J.F., García-Bellido, A and Bray, S.J. Notch signalling regulates veinlet
expression and establishes boundaries between veins and interveins in the
Drosophila wing. Development 124, 1919-1928 (1997).
—
Cifuentes, F. J. and García-Bellido, A. Proximo-distal specification in the wing dsc
of Drosophila by the nubbin gene. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 11405-11410
(1997).
—
Milán, M., Baonza, A. and García-Bellido, A. Wing surface interactions in venation patterning in Drosophila. Mechanisms of Development 67, 203-213 (1997).
—
García-Bellido, A. Complejidad y diversidad en el mundo orgánico. Lección pronunciada en el Acto de Investidura como Doctor Honoris Causa por la
Universidad Central de Barcelona (1997).
—
García-Bellido, A. Paradigm Shifts in Developmental Biology. Taniguchi Symoch,
F., Serras, F., Cifuentes, F.J., Corominas, M., Alsina, B., Amorós, M., López-Varea,
A.posium on Developmental Biology IX. “Developmental Biology Half a
Century”. April, 6-9, 1997. Kioto. Japan (1997).
—
Roch, F., Serras, F., Cifuentes, F.J., Corominas, M., Alsina, B., Amorós, M., LópezVarea, A., Hernández, R., Guerra, D., Cavicchi, S., Baguñá, J. and García-Bellido,
A. Screening of larval/pupal P-element induced lethals on the second chromosome in Drosophila melanogaster: clonal analysis and morphology of imaginal
discs. Mol Gen Genet. 257, 103-112 (1998).
—
García-Bellido, A. The Engrailed Story. In: Perspectives. Anecdotal, Historical and
Critical Commentaries on Genetics (Eds. J.F. crow and W.F. Dove). Genetics 148,
559-544 (1998).
35
—
García-Bellido, A.C. and García-Bellido, A. Cell proliferation in the attainment of
constant sizes and shapes: the Entelechia model. Int. J. Dev. Biol. 42, 353-362
(1998).
—
García-Bellido, A. La Evolución de las Especies. En: Ciencia y Sociedad “Desafíos
del Conocimiento ante el Tercer Milenio. Ciclo de Conferencias de la Fundación
Central Hispano. Enero-Junio, 1997 (1998).
—
Roch, F., Baonza, A., Martín-Blanco, E. and García-Bellido, A. Genetic interactions
and cell behaviour in blistered mutants during proliferation and differentiation of
the Drosophila wing. Development 125, 1823-18332 (1998).
—
García-Bellido, A. Los cambios de perspectiva en la Biologia del Desarrollo.
Lección pronunciada en el Acto de Investidura como Doctor Honoris Causa por
la Universidad de Oviedo. Mayo, 1998 (1998).
—
F. Santarén, J., Milán, M. and García-Bellido, A. Two-Dimensional Gel Analysis of
Proteins in the Drosophila Wing Imaginal Disc Mutants fat and lethal (2) giant
discs. Experimental Cell Research 243, 199-206 (1998).
Premios y Distinciones / Prizes and Distinctions
A. García-Bellido:
—
Doctor Honoris Causa por la Universidad de Oviedo, 1997.
—
Doctor Honoris Causa por la Universidad de Salamanca, 1998.
—
Premio de Investigación de la Comunidad Autónoma de Madrid, 1998.
—
Medalla de los Premios de Investigación “Rey Jaime I”. Valencia, 1998.
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1997/98 Report
MECANISMOS DE SEÑALIZACIÓN EN EL DESARROLLO
SIGNALLING MECHANISMS IN DEVELOPMENT
Jefe de Línea / Group Leader:
Becarios Predoctorales
Graduate Students:
Isabel Guerrero
Nicole Gorfinkiel, José Luis Mullor
Resumen de Investigación
Durante el desarrollo de los organismos multicelulares, las células embrionarias
eligen un programa de diferenciación. La información para este programa es suministrada por moléculas señalizadoras extracelulares que se originan en grupos de células especializadas denominadas organizadores. Recientemente se ha descubierto que la
molécula señalizadora Hedgehog (HH), así como los componentes de su vía de señalización tienen un papel importante en el desarrollo y la morfogénesis de las estructuras
adultas tanto en vertebrados como en invertebrados. Estos genes, previamente identificados en Drosophila, se encuentran alterados en distintas malformaciones congénitas y
son la causa de multitud de tumores en humanos.
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 antero-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-ß.
Esta cascada de inducción de señales es clave para el desarrollo de los apéndices. En el
caso del desarrollo del ala, habíamos propuesto que DPP actuaba como organizador del
patrón del ala entera. Recientemente hemos visto que si bien DPP actúa como morfógeno en la determinación de muchas estructuras del ala y el notum, HH tiene un efecto morfogénetico independiente de DPP (Mullor et al., 1997).
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Papel del gen homeótico Distal-less en el desarrollo de los apéndices
ventrales
Las señales morfogenéticas también controlan la expresión de algunos genes
homeóticos. Tal es el caso del gen Distal-less (Dll) que se induce en los discos imagínales
por la actividad conjunta de WG y DPP. Nuestro estudio sobre la función de Dll en la
formación de las estructuras adultas de la mosca ha mostrado que DLL induce el desarrollo de los apéndices ventrales y que su función es clave en la maquinaria que discrimina entre apéndices dorsales y ventrales. Así, su expresión ectópica en los
apéndices ventrales induce duplicación no autónoma de las patas y las antenas por activación de novo de WG y DPP. Sin embargo, la expresión ectópica en los apéndices dorsales origina una transformación a los correspondientes apéndices ventrales, es decir,
las alas y los alterios desarrollan patas ectópicas y la región de la cabeza desarrolla antenas ectópicas (Gorfinkiel et al., 1997).
Estudio del disco genital de Drosophila
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 más
interesante ya que para su desarrollo se necesita por una parte la información dada por
los genes de formación de patrón y por otra la suministrada por los genes de determinación sexual. Nosotros hemos estudiado la organización segmental del disco genital
(Casares et al., 1997) y el requerimiento de la vía de HH en el desarrollo de la terminalia (Sánchez et al., 1997).
Research Summary
During the development of multicellular organisms, embryonic cells choose the
appropriate differentiation program. The information for these programs is supplied by
extracellular signalling molecules from specialized groups of cells termed organizers.
Recently, it has been reported that 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, previously identified in Drosophila, are affected in different congenital
malformations and also are the cause of many malignant tumors in humans.
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The role of the Hedgehog gradient in wing patterning
The adult structures of Drosophila are subdivided into compartments and it is the
interaction between these compartments at their boundaries which may induce the
organizing 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-ß family. This signal induction cascade has a key role in the development of the
appendages. We proposed that DPP acts as the organizer of the entire wing but recently observed that although DPP acts as an organizer of most of the wing and notum
structures, HH has a DPP-independent morphogenetic effect (Mullor et al., 1997).
Role of Distal-less in the development of ventral appendages
Morphogenetic signals also control the expression of some homeobox genes such
as Distal-less. In the imaginal discs, the expression of Dll is triggered by the combined
activities of WG and DPP. Our studies on the functions of Dll in the development of
adult structures have shown that Dll induces the development of ventral appendages
and also participates in the genetic address that specifies the identity of ventral
appendages and discriminates the dorsal versus the ventral appendages. Thus, ectopic
DLL expression in ventral appendages induces non autonomous duplication of legs
and antennae by the de novo activation of WG and DPP. Ectopic DLL expression in dorsal appendages leads to transformations into corresponding ventral appendages; wings
and halteres develop ectopic legs and the head-eye region develops ectopic antennae
(Gorfinkiel et al., 1997).
Analysis of the genital disc in Drosophila
The genital disc, which gives rise to the genitalia and analia of adult flies, has been
scarcely investigated despite it being of most interest from a morphogenetic perspective. Its development requires information from both the patterning and the sex determination genes. We have analyzed the segmental organization of the genital disc
(Casares et al., 1997) and the requirement for the HH pathway in the development of the
terminalia (Sánchez et al., 1997).
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Publicaciones / Publications
—
Mullor, J.L., Calleja, M., Capdevila, J. and Guerrero, I. Hedgehog activity, independent of Decapentaplegic, participates in wing disc patterning. Development
124, 1227-1237 (1997).
—
Casares, F., Sánchez, L., Guerrero, I. and Sánchez-Herrero, E. The genital disc of
Drosophila melanogaster. I Segmental and compartimental organization. Dev
Genes Evol. 207, 216-228 (1997).
—
Sánchez, L., Casares, F., Gorfinkiel, N. and Guerrero, I. The genital disc of
Drosophila melanogaster: II Role of the genes hedgehog, decapentaplegic and wingless.
Dev Genes Evol. 207, 229-241 (1997).
—
Gorfinkiel, N., Morata, G. and Guerrero, I. The homeobox gene Distal-less induces
ventral appendage development in Drosophila. Genes & Development 11, 2259-2271
(1997).
Tesis Doctorales / Doctoral Theses
Nicole Gorfinkiel Haim: “El papel del gen Distal-less en la determinación de identidad de los apéndices ventrales de Drosophila melanogaster”. Universidad Autónoma de
Madrid. 1998. Calificación: Apto cum laude.
Premios y Distinciones / Prizes and Distinctions
Isabel Guerrero:
—
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Miembro de EMBO desde Mayo de 1997
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NEUROGENESIS Y MIOGENESIS EN DROSOPHILA
NEUROGENESIS AND MYOGENESIS IN DROSOPHILA
Jefe de Línea / Group Leader:
Personal Científico
Scientific Personnel:
Becario Postdoctorale
Postdoctoral Fellow:
Becarios Predoctorales
Graduate Students:
Técnico de Investigación
Technical Assistance:
Fernando Jiménez
Luis García-Alonso, Susana Romani
Stephan Speicher
Ana Carmena, Carlos Parras, Ana Lara, Teresa
Hernando
Sigrid Baars
Resumen de Investigación
Miogénesis
Cada hemisegmento de la larva de Drosophila contiene 30 músculos somáticos
diferentes, derivados cada uno de una célula fundadora. Como mostramos previamente, las células fundadoras se originan por parejas al dividirse las diferentes células
progenitoras de músculo. Estas, a su vez, se singularizan a partir de pequeños grupos
“pro-musculares” de células equivalentes, definidos por la expresión del gen lethal of
scute, que se forman en regiones específicas del mesodermo. Recientemente, hemos
mostrado que la división de las células progenitoras es intrínsecamente asimétrica y
está mediada por los genes inscutable (insc) y numb (nb). Las proteínas Insc y Nb se distribuyen de forma polarizada y opuesta en la célula progenitora, y Nb se segrega
asimétricamente en una de las dos células fundadoras. Por otro lado, mutaciones en insc
y nb dan lugar a transformaciones opuestas pero con una característica común: las dos
células fundadoras producidas por un progenitor tienen la misma identidad.
En un estudio paralelo, hemos utilizado condiciones de falta de función y de
expresión ectópica dirigida de diversos genes, para demostrar que la identidad de un
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cierto número de células progenitoras se especifica de forma progresiva por la combinación de varias vías de señalización intercelular. Inicialmente, la intersección de los
patrones de expresión en el ectodermo de las proteínas de secreción Wingless (de la
familia Wnt) y Decapentaplegic (de la familia TGFβ) definen un prepatrón que se
imprime en el mesodermo subyacente. La región del mesodermo así definida es competente para responder a señales instructivas que son mediadas por los receptores del
EGF (DER) y del FGF (Heartless).
Neurogénesis
Hemos analizado la función de la proteína Vnd (de la familia de factores de transcripción con homeobox NK2) en el establecimiento del patrón dorso-ventral del neuroectodermo y de los neuroblastos. Utilizando condiciones de falta de función y de
expresión ectópica del gen vnd, hemos mostrado que Vnd controla positivamente la
expresión específica de diversos genes en la columna ventral (la más próxima a la línea
media) de grupos de células proneurales en el ectodermo y en la correspondiente
columna de neuroblastos delaminados, así como inhibe la expresión de genes característicos de regiones más dorsales. De esta forma, vnd contribuye al establecimiento de
la identidad ventral en el sistema nervioso, lo cual, en combinación con el sistema génico que define la identidad a lo largo del eje antero-posterior, da lugar a que los neuroblastos ventrales produzcan linajes celulares específicos.
Continuando el estudio de la función de la molécula de adhesión Neurotactin
(Nrt) en neurogénesis, hemos completado el análisis de condiciones de falta de función
y de ganancia de función del gen, revelándose el requerimiento de Nrt en los procesos
de crecimiento, fasciculación y guía de axones. Por otro lado, el análisis de dobles
mutantes muestra que, en dicha función, Nrt coopera con al menos otras tres proteínas
que median procesos de adhesión/señalización intercelular.
En nuestro trabajo, hemos colaborado con los grupos de W. Chia (Singapur), A.
Michelson (Boston, USA) y K. White (Brandeis, USA).
42
Research Summary
Myogenesis
Each larval hemisegment in Drosophila comprises 30 uniquely specified somatic
muscles, which derive from the corresponding founder cells. As we previously showed,
founder cells arise as distinct sibling pairs from the division of muscle progenitor cells.
These, in turn, are singled out from small “pro-muscle” groups of equivalent cells,
defined by the expression of lethal of scute, which form at specific regions in the mesoderm. Recently, we have shown that the division or progenitor cells is intrinsically
asymmetric and is mediated by the genes inscutable (insc) and numb (nb). Insc and Nb
proteins are localized as cortical crescents on opposite sides of dividing progenitor cells,
and Nb segregates asymmetrically in one of the two founder cells. Also, loss of insc or
nb results in opposite cell fate transformations but with a feature in common, namely,
both founder cells adopt the same identity.
In a parallel study, using both genetic loss-of-function and targeted ectopic
expression approaches, we have demonstrated that a number of individual progenitor
cells are specified by the sequential deployment of unique combinations of intercellular
signals. Initially, the intersection between the Wingless and Decapentaplegic expression
domains demarcate and ectodermal prepattern that is inprinted on the adjacent mesoderm. The mesodermal region thus defined is competent to respond to a subsequent
instructive signal mediated by two receptor tyrosine kinases, the Drosophila epidermal
growth factor receptor and the Heartless fibroblast growth factor receptor.
Neurogenesis
We have analized the function of the Vnd protein (member of the NK2 homeodomain transcription factors) in the establishment of the dorso-ventral pattern of the
neuroectoderm and the neuroblasts. Using loss-of-function and ectopic expression conditions of vnd, we have shown that Vnd positively controls the specific expression of
several genes in the ventral column of proneural cell clusters in the ectoderm and in the
corresponding column of neuroblasts. Vnd also inhibits the expression of genes characteristic of more dorsal regions. In this way, vnd contributes to the establishment of the
ventral identity in the nervous system which, in combination with the genetic system
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that defines the identity along the antero-posterior axis, gives rise to the production of
specific cell lineages by the ventral neuroblasts.
Continuing the functional study of the cell adhesion molecule Neurotactin (Nrt)
in neurogenesis, we have completed the analysis of loss- and gain-of-function conditions of the gene. The study has revealed that Nrt is required for growth, fasciculation
and axon guidance. Also, the analysis of double mutant combinations has shown that,
in those functions, Nrt cooperates with at least three other adhesion/signaling proteins.
Part of our work has been done in collaboration with the groups of W. Chia
(Singapur), A. Michelson (Boston, USA), and K. White (Brandeis, USA).
Publicaciones / Publications
—
Carmena, A., Murugasu-Oei, B., Menon, D., Jiménez, F. and Chia W. inescutable
and numb mediate asymmetric muscle progenitor cell divisions during Drosophila
myogenesis. Genes Dev 12, 304-315 (1998).
—
Speicher, S., García-Alonso, L., Carmena, A., Martín-Bermudo, M.D., de la
Escalera, S. and Jiménez, F. Neurotactin functions in concert with other identified
CAMs in growth cone guidance in Drosophila. Neuron 20, 221-233 (1998).
—
Buff, E., Carmena, A.,Gisselbrecht, S., Jiménez, F. and Michelson, A.M. Signaling
by the Drosophila epidermal growth factor receptor is required for the specification and diversification of embryonic muscle progenitors. Development 125, 20752086 (1998).
—
Chu, H., Parras, C., White, K. and Jiménez, F. Formation and specification of ventral neuroblasts is controlled by vnd in Drosophila neurogenesis. Genes Dev 12,
3613-3624 (1998).
—
Carmena, A., Gisselbrecht, S., Harrison, S., Jiménez, F. and Michelson, A.M.
Combinatorial signaling codes for the progressive determination of cell fates in
the Drosophila embryonic mesoderm. Genes Dev. 12, 3910-3922 (1998).
44
Tesis Doctorales / Doctoral Theses
Ana Carmena: “Análisis genético de la especificación de las células fundadoras de
derivados mesodérmicos de Drosophila melanogaster”. Universidad Autónoma de
Madrid. 1998. Calificación: Apto cum laude.
Carlos Parras: “Análisis genético de la especificación de los precursores del sistema
nervioso central de Drosophila melanogaster”. Universidad Autónoma de Madrid. 1998.
Calificación: Apto cum laude.
Fernando Jiménez, 1950-1999
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BIOLOGÍA MOLECULAR DEL DESARROLLO DE
DROSOPHILA
MOLECULAR BIOLOGY OF DEVELOPMENT IN DROSOPHILA
Jefe de Línea / Group Leader:
Personal Científico
Scientific Personnel:
Becarios Postdoctorales
Postdoctoral Fellows:
Becarios Predoctorales
Graduate Students:
Técnicos de Investigación
Technical Assistance:
Juan Modolell
Sonsoles Campuzano, Isabel Rodríguez, Pilar Aroca
Joaquim Culí, José Luis Gómez-Skarmeta, Sol
Sotillos
Ruth Diez del Corral, María Jesús García, Florencia
Cavodeassi, Luis María Escudero
Elisa de la Calle, Eva Caminero, Dolors Ferrés
Resumen de Investigación
Nuestra línea de investigación estudia la traducción de la información genética en
patrones morfológicos. Como modelo utilizamos el sistema nervioso periférico de
Drosophila melanogaster y, más en concreto, sus órganos sensoriales, los cuales se
encuentran en posiciones muy precisas de la epidermis de la mosca. Previamente
hemos caracterizado molecularmente los genes proneurales del complejo achaete-scute
(ac-sc), cuyos productos confieren a las células la capacidad de devenir precursores
nerviosos. La expresión regionalizada de los genes proneurales explica en gran medida
el patrón de órganos sensoriales. Por tanto, hemos estudiado el control de dichos genes,
demostrando su activación directa por las homeoproteínas codificadas por los genes
iroquois (iro). Estas formarían parte de un prepatrón combinatorial que controla a los
genes proneurales. Mediante abordajes genéticos y moleculares hemos continuado la
búsqueda de otros genes del prepatrón de Drosophila. Disponemos en la actualidad de
un candidato correspondiente a una nueva proteína con “dedos de Zn”. Otros candidatos se encuentran en vías de caracterización.
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Genes iro en vertebrados. En colaboración con el laboratorio del Dr. R. Mayor
(Universidad de Chile) hemos clonando los genes iro de Xenopus y hemos mostrado que
éstos controlan varios genes proneurales. Nuestros resultados sugieren la presencia de
un prepatrón homólogo al de Drosophila en vertebrados, es decir, la conservación de
parte de la jerarquía génica que define la expresión regionalizada de los genes proneurales de estos organismos.
Función de los genes iro en el desarrollo del tórax de Drosophila. Además de su
función como componentes del prepatrón, los genes iro tiene una función muy básica
en la especificación del mesotórax, ya que en su ausencia las células del presunto notum
forman axila alar. Los genes iro delimitarían por represión la extensión de la axila
favoreciendo el desarrollo de la pared del tórax.
kuzbanian, un nuevo gen neurogénico. La singularización de precursores
nerviosos dentro de los grupos proneurales, el crecimiento del ala, del ojo y la formación
del patrón de venas del ala requiren interacciones celulares mediadas por el receptor
Notch (N). Se desconocía la funcionalidad de las formas procesadas de N encontradas en
Drosophila, C. elegans y mamíferos. Hemos clonado un nuevo gen de Drosophila denominado kuzbanian (kuz) cuya falta de función bloquea la vía de N. kuz codifica una metaloproteasa-desintegrina de la familia ADAM. Kuz se requiere en la célula donde el receptor N se activa para la generación de un receptor N funcional y/o para su activación.
Autoestimulación proneural. Uno de los pasos menos conocidos de la neurogénesis es la adquisición del destino neural por las células ectodérmicas. Hemos
demostrado que la gran acumulación de proteínas proneurales Ac-Sc que ocurre en las
células precursoras de los órganos sensoriales es esencial para su determinación neural. Dicha acumulación resulta de un bucle de autoestimulación de ac-sc. Este bucle es la
diana donde actúa la vía de N para impedir la determinación de un exceso de precursores nerviosos.
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Research Summary
Our work aims at clarifying the translation of genetic information into morphological patterns. As a model, we use the peripheral nervous system of Drosophila
melanogaster and, more specifically, its cuticular sensory organs, which arise on very
precise positions of the epidermis of the fly. Previously, we molecularly characterized
the proneural genes of de achaete-scute (ac-sc) complex, whose products confer to cells
the ability to become neural precursors. The regionalized expression of proneural genes
largely explains the pattern of sensory organs. Consequently, we have studied the control of the proneural genes and we have shown their direct activation by the homeoproteins encoded in the iroquois (iro) genes. These proteins would be members of a combinatorial prepattern that controls the proneural genes. By means of genetic and molecular approaches, we have continued with the search for new components of the
Drosophila prepattern. We have found a candidate which encodes a novel Zn-finger protein. Other candidates are being characterized.
iro genes in vertebrates. In a collaborative effort with Dr. R. Mayor laboratory
(University of Chile) we have cloned iro genes from Xenopus. We have found that their
products control several proneural genes in this vertebrate. Our results suggest the
presence in vertebrates of a prepattern homologous to that of Drosophila, that is, the conservation of part of the genetic hierarchy which defines the regionalized expression of
proneural genes in these organisms.
Function of iro genes in the development of the thorax of Drosophila. In addition to their function as members of a prepattern, the iro genes have a basic function in
the specification of the mesothorax. In their absence, the cells of the presumptive notum
form proximal wing hinge. The iro genes seem to delimit by repression the extent of the
wing hinge, favouring the development of the thoracic body wall.
kuzbanian, a new neurogenic gene. The singling out of individual neural precursors, the growth of the wing and eye, and the formation of the wing vein pattern
require cell-cell interactions mediated by the Notch (N) receptor. The function of several processed forms of N found in Drosophila, C. elegans and mammals was unknown. We
have cloned a new Drosophila gene, named kuzbanian (kuz), whose lack of function
48
blocks the N pathway. Kuz encodes a metalloprotease-disintegrin of the ADAM family. Kuz is required in the cell in which the N receptor is activated to generate a N functional receptor and/or its activation.
Proneural self-stimulation. One of the least understood steps of neurogenesis is
the acquisition of the neural fate by ectodermic cells. We have shown that the large
accumulation of proneural Ac-Sc proteins that occurs in the sensory organ precursor
cells is essential for their neural committment. This accumulation results from an ac-sc
self-stimulatory loop. The loop is negatively controlled by the N pathway, which prevents the determination of an excess of neural precursors.
Publicaciones / Publications
—
Bosse, A., Zulch, A., Becker, M.B., Torres, M., Gómez-Skarmeta, J.L., Modolell, J.
and Gruss, P. Identification of the vertebrate Iroquois homeobox gene family with
overlapping expression during early development of the nervous system. Mech.
Dev. 69, 169-181 (1997).
—
Hernández, G., Diez del Corral, R., Santoyo, J., Campuzano, S. and Sierra, J.M.
Localization, structure and expression of the gene for translation initiation factor
eIF-4E from Drosophila melanogaster. Mol. Gen. Genet. 253, 624-633 (1997).
—
Milán, M., Campuzano, S. and García-Bellido, A. Developmental parameters of
cell death in the wing disc of Drosophila. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94, 5691-5696
(1997).
—
Modolell, J. Patterning of adult peripheral nervous system of Drosophila. Persp.
Dev. Neurobiol. 4, 285-304 (1997).
—
Sotillos, S., Roch, F. and Campuzano, S. The metalloprotease-disintegrin
Kuzbanian participates in Notch activation during growth and patterning of the
Drosophila imaginal discs. Development 124, 4769-4779 (1997).
49
—
Rodríguez, I. and Basler, K. Control of compartment affinity boundaries by
Hedgehog. Nature 389, 614-618 (1997).
—
Culí, J. and Modolell, J. Proneural gene self-stimulation in neural precursors: an
essential mechanism for sense organ development that is regulated by Notch signaling. Genes Dev. 12, 2036-2047 (1998).
—
Gómez-Skarmeta, J.L., Glavic, A., de la Calle-Mustienes, E., Modolell, J. and
Mayor, R. Xiro, a Xenopus homolog of the Drosophila Iroquois complex genes, controls development of the neural plate. EMBO J. 17, 181-190 (1998).
—
Modolell, J. and Campuzano, S. The achaete-scute complex as an integrating device. Int. J. Dev. Biol. 42, 275-282 (1998).
—
Netter, S., Fauvarque, M.O., Díez del Corral, R., Dura, J.M. and Coen, D. white+
transgene insertions presenting a dorsal/ventral pattern define a single cluster of
homeobox genes that is silenced by the Polycomb-group proteins in Drosophila melanogaster. Genetics 149, 257-275 (1998).
Tesis Doctorales / Doctoral Theses
Sol Sotillos: “La metaloproteasa-desintegrina Kuzbanian participa en la activación del
receptor Notch durante el crecimiento y la formación de patrón en los discos imaginales
de Drosophila melanogaster”. Universidad Autónoma de Madrid. 1997. Calficación: Apto
cum laude.
Joaquim Culí: “Especificación de las células precursoras de los órganos sensoriales en
Drosophila”. Universidad Autónoma de Madrid. 1998. Calficación: Apto cum laude.
Ruth Díez del Corral: “El complejo Iroquois interviene en la formación del notum y de
las venas del ala de Drosophila melanogaster”. Universidad Autónoma de Madrid. 1998.
Calficación: Apto cum laude.
50
Premios y Distinciones / Prizes and Distinctions
J. Modolell:
—
Cátedra Banco de Bilbao Vizcaya para una estancia de tres meses en la
Universidad de Cambridge (Reino Unido). Verano 1998.
—
Banco de Bilbao Vizcaya Visiting Professorship at the University of Cambridge
(UK). Summer 1998.
S. Sotillos:
—
Premio Ingelheim Diagnóstico y Tecnología, 1997.
—
Ingelheim Diagnóstico y Tecnología Prize, 1997.
Simposios Organizados / Organized Symposia
A. Martínez-Arias, J. Modolell y S. Campuzano:
—
“Notch/Lin-12 Signalling”. Fundación Juan March. 1998.
S. Campuzano y G. Morata:
—
“La nueva Biología del Desarrollo”. Fundación Ramón Areces. 1998.
51
Memoria 1997/98
CBMSO
1997/98 Report
CONTROL GENÉTICO DE LA MORFOGÉNESIS
GENETIC CONTROL OF MORPHOGENESIS
Jefes de Línea / Group Leaders:
Personal Científico
Scientific Personnel:
Becarios Postdoctorales
Postdoctoral Fellows:
Becarios Predoctorales
Graduate Students:
Técnicos de Investigación
Technical Assistance:
Científicos Visitantes
Visiting Scientists:
Ginés Morata, Ernesto Sánchez-Herrero*
Manuel Calleja, Sergio González
Natalia Azpiazu, Ana Macías, Gabrielle Rieckhof
Fernando Casares, Beatriz Estrada, Eduardo Moreno
Angélica Cantarero, Rosa González
Thomas Kornberg (University of California at San
Francisco. USA), Patricia Simpson (CNRS,
Strasburgo. Francia), Walter Gehring (Biozentrum,
Basilea. Suiza)
* Jefe de Línea asociado desde noviembre 1998/Associate Group Leader from
November 1998
Resumen de Investigación
Durante el periodo 1997-98, nuestros objetivos científicos han estado centrados en
el estudio de los programas genéticos que establecen el desarrollo de determinados
órganos y apéndices de Drosophila. Hemos demostrado que el gen Distal-less (Dll) es el
elemento esencial en el desarrollo de los apéndices ventrales, patas y antenas; su función no solamente es necesaria para el desarrollo de ambas estructuras sino que es
capaz de inducir el desarrollo ectópico de patas o antenas en órganos heterólogos como
alas u ojos. Nuestros estudios han demostrado también que el desarrollo de las patas, y
seguramente el resto de los apéndices, requiere un mecanismo especial de proliferación
que necesita de la expresión de la vía de señalización hedgehog (Hh). El establecimien-
52
to de la vía hedgehog en los apéndices es antagónica con la función del gen extradenticle (exd), que ha de ser reprimida. El antagonismo entre Hh y exd se refleja en los
apéndices, que están subdivididos en dos regiones, una región proximal en la que la vía
Hh no es capaz de reprimir a exd y mantiene propiedades de tronco, y una región distal, donde la función exd está reprimida y que forma el verdadero apéndice. Esta misma
situación se da en las extremidades de vertebrados, por lo que hemos propuesto que
este es un mecanismo general en todo el Reino Animal.
Hemos caracterizado las interacciones de los genes Hox con su cofactor exd
demostrando que los Hox regulan el transporte nuclear de la proteína Exd, lo que asegura que ambos productos estén en el núcleo celular en las proporciones adecuadas.
Esta es una propiedad que comparten los Hox de Drosophila y vertebrados.
Se ha progresado en el estudio funcional y molecular de varios genes identificados por el método “yellow” que desarrollamos hace dos años. En concreto hemos
demostrado que el gen caudal es el Hox responsable del desarrollo de la analia del adulto y que regula la expresión de otros genes Hox como Abdominal-B (Abd-B). El estudio
del gen pannier ha mostrado que está involucrado con la determinación de la distinción
entre estructuras dorsales y ventrales del adulto y del embrión. Otros genes como ost
(em462) y md808 están siendo caracterizados a nivel genético y molecular.
Los proyectos dirigidos por Ernesto Sánchez-Herrero se han centrado en los genes
homeóticos Ultrabithorax (Ubx) y (Abd-B). Se ha estudiado, en colaboración con W.
Bender (Harvard, USA) y J. Merriam (UCLA, USA), la regulación de Ubx utilizando un
elemento transponible (elemento P) insertado en dicho gen. Este elemento P lleva el gen
lacZ, lo que permite comparar su expresión con la de Ubx en los individuos con la inserción, en derivados obtenidos por movilización del elemento transponible, y en moscas
con fondos genéticos distintos. La comparación ha permitido estudiar aspectos de la regulación del gen, tales como la importancia para la expresión de la distancia del promotor a sus secuencias reguladoras, y determinar que las secuencias cercanas al origen de
transcripción no son estrictamente necesarias para su correcta expresión en el embrión.
En colaboración con I. Guerrero (CBMSO) y Lucas Sánchez (CIB, Madrid), se ha
estudiado la organización segmental del disco genital, el cual da origen a la genitalia y
53
la analia de la mosca adulta. Este disco posee tres primordios segmentales: genitalia de
hembra, genitalia de macho y analia. Analizando la expresión de diversos genes como
engrailed (que define el compartimento posterior en los segmentos), decapentaplegic y
wingless (ambos codifican para moléculas que actúan como organizadores en los discos imaginales), se ha encontrado que los tres genes se expresan en los tres primordios
de forma similar, y parecida a como lo hacen en los discos que dan origen a las patas.
El gen homeótico Abd-B se expresa en ambos primordios genitales, pero con isoformas
diferentes en cada uno de ellos. En el primordio anal se expresa el gen caudal. Esta
organización segmental en los tres primordios no se observa en el embrión, sugiriendo
que se forma durante el desarrollo larvario. Este trabajo se está completando con un
análisis de los requerimientos del gen Abd-B en la formación de los segmentos posteriores de Drosophila.
Research Summary
For the 1997-98 period our scientific objectives have been focused on the study of
the genetic programs that determine the development of some specific organs and
appendages of Drosophila. We have shown that the homeobox gene Distal-less is the
critical factor in the specification of ventral appendages, legs and antennae; not only Dll
is necessary for the normal development of these structures, but its ectopic expression
is able to induce leg or antennal development in wings or eyes.
We have also shown that the development of legs, and likely other appendages,
requires an special proliferation process induced by the hedgehog (Hh) signalling cascade. The functioning of Hh in the appendages is antagonized by the activity of the
extradenticle (exd) gene that has to repressed. The antagonism between Hh and exd is
reflected in the organization of the leg, which is subdivided into two regions, a proximal one where Hh signalling is unable to repress exd and remains like a part of the
trunk, and a distal one in which exd is repressed and forms the genuine appendage. We
have observed a similar organization in the vertebrate limb, suggesting that the antagonism between Hh and exd is a general mechanism of appendage formation in the
entire Animal Kingdom.
54
We have also characterized the interactions between Hox genes and the exd cofactor.
The main finding is that the Hox genes control the nuclear transport of the Exd protein, to
ensure that that the two products are present in the cells nuclei in the appropriate concentrations. This property is also shared by the Hox genes in Drosophila and vertebrates.
We have made progress in the functional and molecular characterization of several genes identified by the “yellow” method we developed two years ago. In particular, we have shown that caudal is the Hox gene responsible for adult analia development and that regulates other Hox genes like Abdominal-B (Abd-B). Our analysis of the
gene pannier has demonstrated that it is involved in the distinction between dorsal and
ventral structures both in the adult and in the embryo. Two other genes, ost (em462)
and md808 are also being characterized at the functional and molecular levels.
The research projects supervised by Ernesto Sanchez-Herrero are focused on the
homeotic genes Ultrabithorax (Ubx) and Abd-B. We have studied, in collaboration with
W, Bender (Harvard, USA) and J. Merriam ( UCLA, USA), the regulation of Ubx by
using a transposable element (P element) inserted in this gene. This P element carries
the lacZ gene, what allows to compare its expression with that of Ubx in animals with
the insertion, in derivatives obtained through mobilization of the transposable element,
and in flies with different genetic backgrounds. The comparison has allowed to study
different properties of Ubx regulation, among them the importance for its correct
expression of the distance of the Ubx promoter to its regulatory sequences, and to determine that the sequences around the origin of transcription are not strictly necessary for
its correct expression in the embryo.
In collaboration with Isabel Guerrero (CBMSO) and Lucas Sánchez (CIB, Madrid),
we have studied the segmental organization of the genital disc, which gives rise to the
genitalia and the analia of the adult fly. This disc comprises three primordia: female
genitalia, male genitalia and analia. By analizing the expression of genes like engrailed
(that defines the posterior compartment of all the segments), decapentaplegic and
wingless (both of which encoding proteins that act as organizers in the imaginal discs)
we have found that the three genes are expressed similarly within each primordium,
and with a spatial distribution resembling that of the leg discs. The gene Abd-B is transcribed in both genital primordia, but in each of them only one Abd-B isoform is pre55
sent. The gene caudal is expressed in the anal primordium. This segmental organization
of the three primordia is not observed in the embryo, suggesting that is formed during
the larval period. This work is being extended with an analysis of the requirements of
Abd-B in the formation of the posterior segments in Drosophila.
Publicaciones / Publications
—
Casares, F., Bender, W., Merriam, J. and Sánchez-Herrero, E. Interactions of
Drosophila Ultrabithorax regulatory regions with native and foreign promoters.
Genetics 145, 123-137 (1997).
—
Gorfinkiel, N., Morata, G. and Guerrero, I. The homeobox gene Distal-less is a
homeotic gene specifying ventral appendage development in Drosophila. Genes
Dev. 11, 2259-2271 (1997).
—
Casares, F., Sánchez, L., Guerrero, I. and Sánchez-Herrero, E. The genital disc of
Drosophila melanogaster. I. Segmental and compartmental organization. Dev. Genes
Evol. 207, 216-228 (1997).
—
Mullor, J.L., Calleja, M. and Guerrero, I. Hedgehog activity,independent of decapentaplegic, participates in wing disc patterning. Development 124, 1227-1237
(1997).
—
Azpiazu, N. and Morata, G. “Functional and regulatory interactions between Hox
and exd genes” Genes Dev. 12, 261-273 (1998).
—
Morata, G. and Sanchez-Herrero, E. Pulling the fly’s leg. Nature 392, 657-658 (1998).
—
Gonzalez-Crespo, S., Abu-Shaar, M., Torres, M., Martinez-A. C., Mann, R. and
Morata, G. Antagonism between extradenticle function and Hedgehog signalling
in the developing limb. Nature 394, 196-200 (1998).
56
Organización de Reuniones Científicas / Organization of Scientific
Meetings
Ginés Morata y Walter Gehring:
—
Symposium on “Development and Evolution” Fundación Juan March. Madrid
Noviembre de 1997.
Ginés Morata y Sonsoles Campuzano:
—
Symposium “The new Developmental Biology” Fundación Ramón Areces.
Madrid, Mayo de 1998.
Premios y Distinciones / Prizes and Distinctions
Ginés Morata:
—
Miembro del Consejo Científico del Parc Cientific de Barcelona, 1997.
—
Vocal del Alto Consejo Consultivo de la Generalitat de Valencia, 1998.
—
Miembro del Comité de Evaluación de la Universidad de Chile, 1998.
—
Miembro del Consejo Científico del Institut d’Investigacions Biomediques
“August Pi i Suñer” 1998.
—
Seleccionado por su investigación en Genética en el “Homenaje a la Ciencia
Biomédica Española”. Fundación Ciencias de la Salud. Madrid, 1998.
57
Memoria 1997/98
CBMSO
1997/98 Report
CONTROL GENETICO DE LA DIVISION CELULAR EN
DROSOPHILA
GENETIC CONTROL OF CELL DIVISION IN DROSOPHILA
Jefe de Línea / Group Leader:
Personal Científico
Scientific Personnel:
Becario Posdoctoral
Postdoctoral Fellow:
Técnico de Investigación
Techical Assistance:
Pedro Ripoll
José P. Abad, Isabel Molina, Alfredo Villasante
Marta Agudo
Antonio Sánchez
Resumen de Investigación
En el proceso de asegurar que las dos cromátidas hermanas segregan correctamente una de otra hasta polos opuestos durante la división celular están implicados
tanto elementos estructurales de los cromosomas (telómeros y centrómeros) como una
larga serie de productos génicos (kinasas, fosfatasas, tubulinas, kinesinas, etc.).
Consiguientemente, para intentar comprender el control de la segregación cromosómica se están siguiendo dos enfoques: Por un lado el análisis molecular de la heterocromatina centromérica y por otro la caracterización genética y molecular de mutantes con
alteraciones en la segregación.
Se ha descrito un nuevo retrotransposón (Circe) en un YAC de Drosophila melanogaster enriquecido en sequencias del dodecasatélite, un satélite exclusivo de la región
centromérica del cromosoma 3. La presencia de Circe también en el cromosoma Y ha
permitido el aislamiento de un “contig” de unas 200 kb muy próximo al centrómero de
este cromosoma. La caracterización del contig ha revelado que está formado por
secuencias degeneradas del retrotrasposón telomérico HeT-A, lo que sugiere un origen
telocéntrico del cromosoma Y, que es submetacéntrico. La presencia de secuencias HeTA en una región muy próxima al centrómero ha permitido el aislamiento de un nuevo
YAC con secuencias que, por FISH, pertenecen al segmento cromosómico definido
58
citológicamente como el centrómero del cromosoma Y. Resultados preliminares muestran que este clon está formado por una disposición en tandem de secuencias de HeTA y TART (otro retrotransposón telomérico) lo que sugiere que, conocida la habilidad
de los telómeros para unirse a microtúbulos en algunas especies, el centrómero del Y
podría derivar de la amplificación de un telómero. En la actualidad se están analizando
reordenamientos cromosómicos para probar si las secuencias teloméricas presentes en
el YAC tienen actividad centromérica. Estos datos nos han llevado a plantear una hipótesis sobre la evolución del cromosoma Y en varias especies de Drosophila, actualmente en estudio.
Se ha caracterizado genética, citológica y molecularmente el gen tiovivo (tio), que
codifica una nueva kinesina necesaria para la segregación correcta de cromátidas y cromosomas durante mitosis y meiosis. Tanto el fenotipo a nivel citológico como la presencia de un dominio de unión a cromatina en su secuencia y la immunolocalización de
anticuerpos contra esta kinesina han revelado que se trata de una cromokinesina, necesaria para la situación de los cromosomas en la placa metafásica y la formación de un
huso acromático bipolar estable y, como consecuencia secundaria, la citocinesis. En la
actualidad se está estudiando otra kinesina que se expresa sólo en células premitóticas
y premeióticas, de la que se dispone de una posible mutación.
Research Summary
Both chromosomal structural elements (telomeres and centromeres) and a large
number of gene products (kinases, phosphatases, tubulins, kinesins, etc.) are involved
in insuring a perfect segregation of chromatids to opposite poles. Consequently, to
understand chromosome segregation we are following two approaches: On one hand,
the molecular analysis of the centric heterochromatin and, in the other, the genetic and
molecular characterization of mutants showing abnormal chromosome segregation.
We have described a new retrotransposon (Circe) carried in a YAC clone of
Drosophila melanogaster enriched in dodeca sattelite sequences, a satellite present only in
the centric region of chromosome 3. The presence of Circe also in the Y has allowed the
isolation of a contig of ca. 200 kb very close tho its centromere. The molecular characte59
rization of this contig has shown the presence of decayed HeT-A retrotransposon
sequences close to the centromere of the Y, suggesting a telocentric origin for this submetacentric chromosome. The presence of HeT-A sequences very close to the centromere has provided an entrypoint to clone more centromeric sequences. We have isolated a YAC clone that, by FISH, carries sequences from the region cytologically defined
as the Y centromere. Preliminary results show that the clone is formed by a tandem
array of HeT-A and TART (another telomeric retrotransposon) sequences. Since in
some species it has been shown that telomeric sequences can bind microtubules, we
propose that the Y centromere could derive from amplification of a telomere. We are
nowadays analyzing chromosomal rearrangements to prove if the sequences present in
the YAC clone retain centromeric activity. Several data lead as to consider a new hypothesis on the evolution of chromosome Y in several Drosophila species.
We have genetical, cytological and molecularly characterized the gene tiovivo (tio)
coding for a new kinesin-like protein needed for chromatid and chromosome segregation during mitosis and meiosis. Both the cytological phenotype and the immunolocalization of anti-tio antibodies show that this kinesin is needed for the correct positioning
of chromosomes in the metaphase plate and the formation of a stable bipolar spindle.
We are currently studying a new kinesin-like protein only expressed in premitotic and
premeiotic cells, and we already have a mitotic mutant that could be a likely candidate
for a mutation in this kinesin.
Publicaciones / Publications
—
Losada, A., Abad, J.P. and Villasante, A. Organization of DNA sequences near the
centromere of the Drosophila melanogaster Y chromosome. Chromosoma 106, 503512 (1997).
—
Molina, I., Baars, S., Brill, J.A., Hales, K.G., Fuller, M.T. and Ripoll, P. A chromatin-associated kinesin-related protein required for normal mitotic chromosome
segregation in Drosophila. J. Cell. Biol. 139, 1361-1371 (1997).
60
Tesis Doctorales / Doctoral Theses
Marta Agudo Barriuso: “Retrotransposones teloméricos en el centrómero del cromosoma Y de Drosophila melanogaster”. Universidad Autónoma de Madrid. 1998. (Tesis
codirigida por los Dres. Alfredo Villasante y José Pascual Abad). Calificación: Apto cum
laude.
Organización de Reuniones Científicas / Organization of Scientific
Meetings
Pedro Ripoll:
—
“Workshop on Developmental Biology of Drosophila”. Rascafría (Madrid). 1998.
61
Memoria 1997/98
CBMSO
1997/98 Report
FORMACIÓN DE PATRONES MORFOLÓGICOS EN
DROSOPHILA
PATTERN FORMATION IN DROSOPHILA
Jefe de Línea / Group Leader:
Estudiantes
Undergraduate Student:
Fernando Jiménez Díaz-Benjumea
David del Alamo
Resumen de Investigación
Del análisis del desarrollo de los discos imaginales de Drosophila se concluye que
el desarrollo de los apéndices en insectos está controlado por la expresión localizada de
genes organizadores. El análisis genético ha definido algunos de los sucesos que llevan
a la formación de estos centros organizadores y ha permitido la identificación de varios
productos génicos que median la función organizadora. El objetivo de este proyecto es
profundizar en el estudio de la función de los organizadores en el desarrollo. Estamos
analizando tres aspectos:
1. Activación de los genes organizadores y su función en el desarrollo.
Wingless (wg) es una proteína secretable que media la actividad organizadora en
el eje dorsoventral del ala. El gen wg se expresa durante el desarrollo larvario en un
patrón complejo y dinámico. En segundo estadio wg especifica el destino ala. Mas tarde,
además de su función como organizador D/V, wg especifica un destino celular en la bisagra del ala y participa en la formación del patrón de quetas en el notum. Poco se
conoce sobre cómo se controlan los diferentes componentes del patrón de expresión de
wg y cómo su expresión afecta el comportamiento celular.
2. Control de la proliferación celular.
En el desarrollo del disco imaginal de ala no hay un patrón localizado de proliferación celular, ya que todas las células proliferan durante la fase larvaria. Poco se
62
conoce acerca de cómo la expresión localizada de los genes organizadores controla el
patrón no sincronizado y homogéneo de proliferación. Usando marcadores del ciclo
celular estamos analizando los efectos en el patrón de proliferación celular de: a) mutaciones de perdida de función de los genes organizadores usando alelos termosensibles
y b) expresión ectópica de los genes organizadores en diferentes momentos del desarrollo. Analizar cómo el patrón de mitosis responde a estas dos situaciones puede ayudarnos a entender cómo los genes organizadores controlan proliferación celular.
3. Especificación de la polaridad del epitelio.
Las células de los discos imaginales forman un epitelio monoestratificado. Estas
células están polarizadas: a) en el eje apical-basal y b) en el eje del epitelio.
Experimentos genéticos sugieren que la polarización del epitelio tiene un papel en el
desarrollo y que está controlada por los genes organizadores. Nuestro objetivo es identificar nuevos alelos mutantes que afecten la polaridad del epitelio como una forma de
entender cómo los genes organizadores controlan la polaridad. Para ello estamos movilizando elementos P que llevan las secuencias UAS y mirando sus efectos en la polaridad cuando estas nuevas inserciones UAS se sobreexpresan con diferentes lineas GAL4.
Research Summary
Studies on the development of Drosophila imaginal discs have led to the conclusion that insect limb development is controlled by localized expression of organizer
genes. Genetic analysis has defined some of the events that lead to the formation of
these organizer centers and has lead to the identification of several gene products that
mediate organizer function. The goal of this project is to get deep within the analysis of
the organizer function in development. We are focused on three aspects:
1. The activation of organizer genes and their role in pattern formation.
The secreted signaling molecule Wingless (wg) mediates the organizing activity
of the dorsal-ventral axis of the wing disc. wg gene is expressed in a very dynamic and
complex pattern during larval development. In second-instar larvae wg specifies wing
fate within the wing disc. Later, in addition to its role as D/V organizer in the wing
pouch, wg specifies a cellular fate in the wing hinge and participates in the formation of
63
the bristle pattern in the notum. Little is known about how the different components of
the wg expression pattern are controlled, or how the expression of wg leads to so many
different cellular responses. Our goal is to get deep within these aspects of wg function.
2. The control of cell proliferation.
Wing imaginal disc development is not characterized by a localized pattern of cell
proliferation, but instead by continuos cell proliferation during the larval phase. Very
little is known about how the localized expression of organizer genes controls this nonsynchronic and homogeneous pattern of cell proliferation. Using cell cycle markers we
are analyzing the effects on cell proliferation of two different situations: a) loss-of-function mutations for organizer genes using thermosensitive alleles, and b) ectopic expression of organizer genes at different times in development.
3. The specification of planar polarity.
Cells in imaginal discs are organized in a single epidermal sheet. These cells are
polarized in: a) apical-basal axis and b) epithelium axis (planar polarity). Genetic experiments suggest that planar polarity both plays a role in development and is controlled
by organizer genes. Our goal is to identify new mutant alleles affecting planar polarity
to further to understand how organizer genes control planar polarity. For this purpose,
we are performing mutagenesis experiments by mobilizing P elements carrying the
UAS sequence, and testing their effect on planar polarity when they are overexpressed
with different GAL4 lines.
Publicaciones / Publications
—
Milán, M., Díaz-Benjumea, F.J. and Cohen, S.M. Beadex encodes an LMO protein
that regulates Apterous LIM-homeodomain activity in Drosophila wing development: a model for LMO oncogene function. Genes & Development 12(18), 2912-2920
(1998).
64
Memoria 1997/98
CBMSO
1997/98 Report
SISTEMA INMUNE DEL RATÓN
IMMUNE SYSTEM OF THE MOUSE
Jefe de Línea / Group Leader:
Becarios Postdoctorales
Postdoctoral Fellows:
Becarios Predoctorales
Graduate Students:
Miguel A. Rodríguez Marcos
Gracia Morales Kucharski
Sergio García Copín, Ana Izcue Castellví, Susana
Minguet García, Patricia Morales Aragonés
Resumen de Investigación
Los microambientes, requerimientos celulares y programas genéticos que conducen al sistema inmune funcional difieren entre los períodos embriofetales y la vida
adulta del individuo. En el primer caso, los procesos de desarrollo temprano dan lugar
al sistema inmune perinatal, substrato de críticos procesos de tolerancia a los aspectos
somáticos propios y de una respuesta funcionalmente efectiva ante patógenos. Por
medio de estudios de expresión genética diferencial, del establecimiento in vitro de líneas celulares y del uso de cepas sometidas a modificaciones genéticas selectivas, nuestro grupo estudia los procesos moleculares que tienen lugar en el sistema linfohematopoiético durante la mitad de la gestación del ratón (días 8-13). Como consecuencia de
estos eventos, un compartimiento de linfocitos B y un repertorio de Igs perinatales (día
18 de la gestación a 2 semanas post-nacimiento) emergen, distintos de los producidos
en la médula ósea del adulto. El laboratorio intenta disecar los componentes genéticos,
de desarrollo y secundarios a selección antigénica que conforman este sistema linfoide
B inicial. Finalmente, los linfocitos B emergentes y las poblaciones tempranas de linfocitos T γδ+ seleccionan el repertorio funcional de la mayor parte de linfocitos T αβ+ y,
en particular, su componente alorreactivo implicado en rechazo de órganos. El recurso
a animales selectivamente deficientes en estas poblaciones así como estudios in vivo e
in vitro nos permite evaluar estos elementos por separado en la selección T, así como
proponer eventuales protocolos clínico-experimentales para su manipulación.
65
Research Summary
The microenvironments, cell constraints and genetic programs leading to a functional immune system are distinctive in embryofetal times versus adult life. Early
mouse embryo lymphohemopoiesis gives rise to the perinatal immune system, in which
relevant self-tolerance processes take place as well as the establishiment of efficient
immune responses against pathogens. Our research group studies the molecular processes underlying mouse mid-gestation lymphohemopoiesis (8-13 days-post-coitum),
by means of assays of differential gene expression, in vitro establishment of cell lines
and utilization of gene-targeted mouse strains. Subsequent to these phenomena, a compartment of perinatal B lymphocytes and an Ig repertoire emerge, which radically differ from those produced in the adult bone marrow. Our lab attempts to the dissection
of the gene mechanisms, developmental pathways and Ag selection processes responsible for the starting immune system. Lastly, emergent B lymphocytes and the first cell
populations of lymphocytes T (γδ+) are involved in the selection of αβ+ T lymphocytes
and, specifically, of their alloreactive component which is the responsible of allograft
rejection. The utilization of mouse strains selectively deficient in defined immune cell
populations and responses allows us to approach their involvement in T cell selection,
as well as to get insights about eventual protocols of clinico-experimental manipulation.
Publicaciones / Publications
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Sánchez-Movilla, A., San Román, R., Salas Antón, C., Morales, P., G. Copín, S.,
Cuervas-Mons,V. and Marcos, M.A.R. Induction of peripheral chimerism in an
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Morales-Alcelay, S., Copín, S.G., Martínez, J.A., Morales, P., Minguet, S., Gaspar,
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Jiménez, C., Jones, D.R., Rodríguez-Viciana, P., González-García, A., Leonardo,
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Tesis Doctorales / Doctoral Theses
Arsenio Sánchez-Movilla: “Estudio de las relaciones patogénicas entre selección
intratímica de linfocitos T, quimerismo hematopoiético y mecanismos de rechazo/tolerancia inmunes en el alotrasplante de intestino delgado en ratón”. Universidad
Autónoma de Madrid. 1998. Calificación: Apto cum laude.
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