Introduzione
1.4 I geni Xotx e la ghiandola del cemento
Un altro degli effetti osservati nella sovraespressione di alcuni membri della famiglia otd/otx in Xenopus è la comparsa di ghiandole del cemento aggiuntive, localizzate sia anteriormente che posteriormente. Dato che la ghiandola del cemento è la struttura più anteriore nell’embrione di Xenopus, ciò suggerisce fortemente che questi geni abbiano un ruolo nella specificazione delle regioni più anteriori. Esperimenti condotti su calotte animali espiantate (“animal caps”) mostrano che Xotx2 è in grado di attivare direttamente Xcg-1, uno dei primi geni espressi nel primordio della ghiandola del cemento (Sive et al., 1989; Pannese et al., 1995; Sive e Bradley, 1996). Risultati simili sono stati ottenuti con Xotx5 (Vignali et al., 2000).
La ghiandola del cemento in Xenopus è un semplice epitelio secernente muco che ancora la neonata larva a una superficie solida. Essa comincia a differenziarsi alla fine della gastrulazione dall’ectoderma che si trova all’estremità anteriore dell’embrione davanti alla piastra neurale. In Xenopus lo strato esterno dell’ectoderma in questa regione forma il primordio della ghiandola del cemento, mentre lo strato interno forma parte del primordio stomodeale. La ghiandola del cemento mantiene una posizione conservata in tutti i vertebrati, nella porzione anteriore dove si toccano l’ectoderma e l’endoderma dell’embrione. La sua posizione e il suo precoce differenziamento la rendono un marcatore utile per analizzare l’informazione posizionale anteriore e ci fornisce l’inusuale opportunità di seguire la formazione di un organo dalla sua determinazione al suo differenziamento (Sive e Bradley, 1996). Molte evidenze sperimentali ci portano a proporre che la posizione della ghiandola del cemento sia stabilita dalla combinazione di diverse istruzioni (Wardle e Sive, 2002). Un passaggio chiave nella formazione della ghiandola del cemento coinvolge la sovrapposizione di un dominio che definisce la
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posizione anterodorsale (AD) con un dominio che definisce la posizione ventrolaterale (VL) (Fig. 10; Gammill e Sive, 1997).
Figura 10: Regionalizzazione
dell’ectoderma anteriore nell’embrione. (A) La sovrapposizione dell’espressione di otx2 e BMP4 specifica le regioni dell’ectoderma anteriore. (a) Un gradiente di BMP è in grado di ricapitolare una regionalizzazione dorso-ventrale nell’ectoderma anteriore. (b) L’inibizione di BMP4 induce l’espressione di geni neurali anteriori come otx2, che è in grado di indurre ghiandole del cemento. (c) La simultanea espressione di otx2 e BMP4 induce ghiandole del cemento, la presenza esclusiva di otx2 genera tessuto neurale, quella di BMP4 genera epidermide. (B) Esistono 3 modelli di azione: (a) la semplice compresenza di otx2 e BMP4 induce ghiandole del cemento. (b) otx2 inibisce BMP4 abbassandolo ad una concentrazione tale da indurre ghiandole del cemento. (c) Vi sono due gradienti, uno di otx2 e uno di BMP4, solo la regione in cui entrambe le proteine hanno la giusta concentrazione, formeranno ghiandole del cemento (Da Gammill e Sive, 2000).
Poiché la ghiandola del cemento si forma solo nello strato esterno dell’ectoderma, mentre invece i domini AD e VL occupano più di uno strato, essi devo essere sovrapposti a un dominio che definisce il destino dello strato dell’ectoderma esterno (Outer Ectoderm, OE). Il dominio AD sembra essere definito da Otx2 che sembra sufficiente ad attivare l’espressione di geni neurali anteriori e della ghiandola del cemento, quando espresso ectopicamente. (Gammill e Sive, 1997; Blitz e Cho, 1995; Pannese et al., 1995; Gammill e Sive, 2001). Otx2 è anche necessario per la determinazione anteriore, dal momento che un costrutto dominante negativo di Otx2 (Otx2-EngR) previene la formazione della ghiandola del cemento e di altre strutture della testa in
Xenopus (Gammill e Sive, 2000; Isaacs et al., 1999) e questo concorda con i
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dati del knockout in topo (Ang et al., 1996; Acampora et al., 1995; Matsuo et al., 1995).
Otx2 può attivare un destino di ghiandola del cemento solo
nell’ectoderma ventrolaterale e non nella piastra neurale, definendo in questo modo un dominio (VL) permissivo per la formazione della ghiandola del cemento (Gammill e Sive, 1997). Questo dominio VL esprime alti livelli di BMP4 nell’ectoderma e nel mesendoderma e può essere specificato da questa proteina o da altre a valle nella via di segnale di BMP (Gammill e Sive, 2000; Fig. 10).
Dal momento che otx2 e bmp4 sono espressi in più di uno strato, fattori addizionali devono restringere l’attività di determinazione di questi geni al solo ectoderma. La selezione del destino dello strato esterno dell’ectoderma avviene a mid-gastrula, in un processo che può coinvolgere la soppressione del destino della ghiandola del cemento nello strato interno (Fig 10; Bradley et al., 1996). Comunque sia, i fattori coinvolti nella definizione dell’identità ectodermica e della specificità dello strato ectodermico esterno non sono noti (Chalmers et al., 2002).
I fattori che definiscono i domini AD, VL e EO devono quindi interagire direttamente o indirettamente per determinare il primordio della ghiandola del cemento e per attivare i geni del differenziamento come Xcg1, Xag1 e Xa1 (Sive et al., 1989; Sive e Bradley, 1996). In particolare Xag1 codifica per una proteina che viene trattenuta nel reticolo endoplasmatico e che può aiutare la secrezione proteica; Xag1 è espresso sia nella ghiandola del cemento che in altri organi adesivi. L’accumulo di questa proteina sembra necessario alla produzione di muco all’interno del reticolo endoplasmatico, che poi forma delle vescicole che si staccano da esso. Queste vescicole poi si fondono alla membrana e tramite esocitosi rilasciano all’esterno il loro contenuto. Esperimenti condotti su ectoderma isolato (“animal caps”) hanno mostrato che
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Xotx2 è in grado di attivare marcatori specifici della ghiandola del cemento
solo dopo lo stadio di gastrula precoce; a differenza di Xag1, l’attivazione di
XCG avviene anche in presenza di inibitori della sintesi proteica. Questo fa
supporre che XCG sia un bersaglio diretto di Xotx2 e che XAG sia a valle di
XCG.
1.5 La famiglia otd/otx e lo sviluppo dell’occhio
Successivamente alla gastrulazione e neurulazione, Xotx2 è espresso nella regione del prosencefalo e del mesencefalo, ad eccezione del recesso ottico e del chiasma ottico, e nelle strutture ependimali della regione parietale e nell’epitalamo (Pannese et al., 1995; Kablar et al., 1996). Xotx5b è molto simile a Xotx5 e ne differisce solo per 11 sostituzioni amminoacidiche. La profonda similarità del loro “pattern” di espressione ha suggerito che essi possano essere due copie dello stesso gene che hanno iniziato solo recentemente a divergere all’interno del genoma pseudotetraploide di Xenopus
laevis (v. oltre). Xotx5b è il gene più simile a Xotx2 di tutta la famiglia otd/otx
ed ha anche il 54% di identità a livello amminoacidico con Crx di topo. Durante lo sviluppo, il primo sito di espressione di Xotx5b, similmente a
Xotx2 è la regione dell’organizzatore. Poi l’espressione persiste nelle cellule
che si involvono intorno al labbro dorsale del blastoporo fino a stadio 11. A differenza di Xotx2 tuttavia, non è più rilevabile la presenza di trascritti di
Xotx5b nel mesendoderma precordale a partire dall’inizio della neurulazione
(stadio 12). Fin da stadio 10.5 si ha espressione di Xotx5b nel neurectoderma anteriore presuntivo. Successivamente, a stadio 13, similmente a quanto avviene per Xotx2, l’espressione scompare, probabilmente in coincidenza con
