EGZ-06-Hox geny-2013-s

1
Embryogeneze u dlouhého zárodku drozofily
Oocyt drozofily je jeden z klastru 16 buněk, které jsou vzájemně propojené a z nichž
ostatních 15 jsou nutritivní buňky. Ty oocytu dodávají maternální mRNA, mitochondrie a
další buněčné komponenty, aby byl vývoj co nejrychlejší. Po oplození jsou mRNAs
translatovány a chovají se jako regulátory transkripce a translace. Po 13 cyklů dělení
jader existuje syncitium, po 14 dělení vzniknou buněčné membrány a syncitium je
rozděleno do buněk. Specifikace segmentů je v té době již hotova. Po cca 10 děleních
jader se začínají transkribovat zygotické geny.
V 70. letech Nüsslein-Volhard, Wieschaus, Schupbach a další provedli satutační
mutagenezi, při které se jim podařilo identifikovat geny, které jsou zodpovědné za
segmentaci embrya. Analyzovali cca 40 000 mutací a podařilo se jim nalézt 15 genů,
které řídí ranou embryogenezi. Geny byly rozděleny podle typu dopadu, který měla jejich
mutace na embryo: maternální geny (ovlivňují velké části těla jako hlava, hrudník a
zadeček), mezerové geny (gap genes, způsobují defekty několika přiložených segmentů),
geny párového pravidla (pair-rule genes , postihují liché nebo sudé segmenty) a geny
polarity segmentů (segment polarity genes, postihují každý segment). Všechny tyto geny
pracují postupně a jejich úkolem je udělat stále jemnější pattern. Maternální geny ustaví
polaritu embrya a iniciují expresi gap genů. Ty se zabývají menšími oblastmi a regulují
transkripci pair-rule genes. Ty regulují segment polarity genes, které ustaví konečný
počet a hranice segmentů a jejich předozadní polaritu.
Maternální geny
mRNA maternálních genů je do embrya vnesena nutritivními buňkami (nurse cells) a
jejím úkolem je ustavit polaritu raného embrya. mRNA některých genů, jako Bicoid (Bcd)
a nanos (Nos), jsou distribuovány ve formě gradientu (největší koncentrace Bcd je na
anteriorním konci, směrem k posteriornímu pólu klesá, u nanosu je to naopak), jiné jsou
distribuovány rovnoměrně po celém embryu (hunchback (hb), caudal (cad)). Gradient
umožní identifikovat anteriorní a posteriorní pól a mutanti, kterým chybí např. Bicoid
nemají anteriorní struktury jako hlavu, hrudník a část abdomenu. Mechanismus
fungování genů Bicoid a nanos spočívá jednak v aktivaci traskripce patřičných genů
v jednotlivých pólech a pak v lokální represi translace mRNAs maternálních genů, které
jsou distribuována pravidelně po celém embryu (např. Bicoid reprimuje translaci
posteriorního determinantu cad v anteriorní oblasti).
Segmetační geny
1) Mezerové geny (Gap genes)
Mutace v gap genech způsobují ztráty celých segmentů. Gap geny kódují transkripční
faktory exprimované v určitých částech embrya. Např. mutace v Krüppel (Kr) vede ke
ztrátě hrudníku a prvních pěti abdominálních segmentů, atd.
2) Geny párového pravidla (Pair-rule genes)
Mutace v pair-rule genech vede ke ztrátě alternujících segmentů. Např. geny hairy, even
skipped (eve) a runt jsou exprimovány ve formě 7-8 pruhů, což je výsledek aktivačního
nebo reprimujícího působení gap genů. Sekundární pair-rule geny zase reagují na ty
primární.
3) Geny polarity segmentu (Segment polarity genes)
Pair-rule geny řídí expresi segment polarity genů, které jsou zodpovědné za ustavení
polarity v rámci každého segmentu. Příkladem jsou geny engrailed (en) a wingless (wg).
Wg je exprimovaný na anteriorní hranici segmentu, zatímco en na posteriorní hranici.
V této době již neexistuje syncitium, takže mezibuněčná komunikace je
zprostředkovávána signálními molekulami jako wingless a hedgehog.
Hox geny (Homeotic complex genes) jsou klíčové regulátory identity tělních segmentů a
tím pádem tělního plánů. Byly objeveny u drozofily, ale jejich funkce je konzervovaná u
mnohobuněčných živočichů, což umožňuje studovat různé tělní plány. U členovců
funguje kolinearita – exprese genů podél těla odpovídá umístění genu v klastru. 10 Hox
genů exprimovaných podél těla většiny členovců, se nazývají podle homologů u
drozofily: labial (lab), proboscipedia (pb), Hox3/zen, Deformed (Dfd), Sex combs reduced
(Scr), Hox6/ftz, Antenapedia (Antp), Ultrabithorax (Ubx), abdominal-A (abd-A) a
Abdominal-B (Abd-B). U hmyzu jsou Hox3/Zen a Hox6/ftz modifikované a nefungují jako
typické Hox geny.
Až do mandibul je hlava drozofily tvořena třemi anteriorními parasegmenty. Specifikace
této oblasti a embryonálního nervového systému není pod kontrolou pair-rule genes ani
hoxů, ale expresí tří tzv. Otx genů v blastodermu: orthodenticle, empty spiracles a
buttonhead, které kódují proteiny regulující geny a jejichž funkce připomíná svým
dopadem gap geny (občas se jim říká head gap genes). Narozdíl od genů, které specifikují
segmenty trupu a zadečku se navzájem neregulují. Orthodenticle a empty spiracles mají
ortology s podobnou funkcí u obratlovců a je jasné, že jejich funkce je u živočichů
konzervovaná. Orthodenticle a empty spiracles jsou homeodoménové TFs, které leží
mimo Hox klastry a podobné domény lze najít u řady regulačních genů řídících vývoj u
drozofily i obratlovců.
6
7
I když různé skupiny hmyzu vypadají různě, jejich tělní plán je podobný. Tělo se skládá
z hlavy (6-7 segmentů), hrudníku (3 segmenty) a zadečku (8-11 segmentů), a tento
pattern se ustavuje během embryogeneze. Embryo všech druhů hmyzu začíná vývoj jako
syncitium, kdy se jádra dělí beze vzniku membrán, takže faktory zodpovědné za
patterning mohou volně difundovat. Hmyzem s nejprozkoumanějším vývojem je
drozofila, ale její vývoj je značně odvozený, protože např. všechny její články jsou
ustaveny již během embryonálního vývoje a během života již žádné nepřibydou. Proto je
potřeba zkoumat další druhy hmyzu s více typickou formou vývoje.
Hmyz má dva typy zárodků: dlouhé (long germs) a krátké (short germs). U dlouhých
zárodků embryo zabírá většinu vajíčka, zatímco extraembryonální tkáně jen minimum a
všechny segmenty se formují před gastrulací. Tento typ zárodků je přítomen např. u
vyšších dipter (Drosophila a Musca domestica) a u parazitické vosičky Nasonia vitripennis
(Hymenoptera). Krátké zárodky zabírají relativně malou část vajíčka, většina prostoru
připadá na extraembryonální tkáně a během stádia syncitia je segmentována jen nejvíce
anteriorní část embrya, zbytek tzv. růstové zóny až po zformování buněk. Krátké zárodky
jsou byly studovány u brouka Tribolium castaneum, ploštice Oncopeltus fasciatus
(Hemiptera), cvrčka Gryllus bimaculatus (Orthoptera) a saranče Schistocerca americana
(Orthoptera). Dlouhé zárodky vyžadují existenci meroistických ovarií (odvozená varianta,
vs. primitivní panoistická ovária), kde dostávají živiny od nutritivních buněk, ale krátké
zárodky jsou přítomny u některých druhů s meroistickými ovarii také (někteří brouci).
Typy hmyzích ovarií:
Panoistická ovaria – primitivnější typ, každý cystoblast se vyvine ve vajíčko.
Vyskytují se např. u Archeognatha, Thysanura, Odonata, Embioptera, většina
orthopter. Sekundárně i u Siphonaptera, Strepsiptera a Thysanoptera.
Meroistická ovaria – odvozený typ, cytoblast (potomek kmenové zárodečné
buňky) se dělí, vznikne klastr, ale jen jedna buňka z klastru se vyvine ve vajíčko,
ostatní se změní v nutritivní buňky, zásobující vajíčko. Vyskytují se u
Ephemeroptera, Lepidoptera, Trichoptera, Coleoptera, Diptera, Hymenoptera,
Neuroptera, Mecoptera, Megaloptera, Raphidoptera.
8
Patterning embrya se mezi dlouhými a krátkými zárodky liší, protože u velkého embrya,
které zabírá většinu vajíčka, je dost místa, aby se mezi anteriorním a posteriorním pólem
utvořil dostatečný gradient genových produktů pro definování jednotlivých segmentů. U
krátkých zárodků by anteriorní pól neměl dostatečný prostor pro vytvoření takového
gradientu, který by mohl definovat části hlavy, proto je patterning anteriorní část řízen
z posteriorního centra a posteriorní část je definována až po celularizaci embrya, kdy už
nefunguje prostá difuze, takže se informace gradientu nemůže neřízeně šířit. Posteriorní
segmenty jsou následně generovány v růstové zóně, kde buňky dostávají signály tak, aby
se vytvořil správný počet a typ segmentů. Během evoluce dlouhých zárodků (z
původnějších krátkých) bylo vytvořeno druhé, anteriorní centrum, ze kterého je řízen
patterning anteriorní části embrya. Pro jeho vybudování byly použity stejné faktory,
které se patterningu embrya již účastnily, ale získaly jiný expresní profil a jinou funkci. Čili
při vzniku dlouhého zárodku muselo dojít ke třem věcem: 1) expanze části oocytu určené
k formování zárodku, 2) zformování anteriorního centra patterningu, které řídí vznik
hlavy a hrudníku, 3) dřívější exprese posteriorních gap genů, takže se posteriorní
segmenty formují ještě za existence syncitia.
Nasonia – další příklad dlouhého zárodku
Hymenoptera a Diptera se oddělily před cca 200 miliony let. Embryogeneze Nasonie
začíná stejně jako u drozofily, ale jsou tu i zásadní rozdíly (hlavně ve vložení a lokalizaci
maternálních determinantů ve vajíčku. Bcd je unikátní znak dipter, v genomu Nasonie a
dalších hmyzů chybí. Jeho funkci plní gen otd (head gap gen u drozofily), který je u
Nasonie maternálním genem a jeho mRNA je lokalizována anteriorně. Jeho funkce, ve
spolupráci s maternálním hb a (asi maternálním) gt je patterning anteriorní oblasti.
Narozdíl od Bcd je Otd lokalizován i posteriorně, kde interaguje s geny jako cad. mRNA
cad je u drozofily distribuována uniformě po celém embryu a jeho aktivita je řízena
gradientem Bcd. U Nasonie si maternální cad musel najít jiný způsob vlastní regulace,
takže sám tvoří gradient napříč embryem. Obecně se zdá, že zygotické geny jsou u
Nasonie exprimovány dříve, takže mutace stejných genů mají u Nasonie větší následky
než u drozofily. Oba druhy mají společné to, že pro patterning je klíčová anteriorní
oblast, ale efektorový gen je různý (Bcd/Otd). Druhy s krátkým zárodkem mají jinou
strategii. Patterning posteriorních segmentů je řízen z posteriorního centra.
Tribolium – druh s krátkým zárodkem
Tribolium je druh s nejlépe prozkoumanou segmentací, který má krátký zárodek.
Mutační analýzy odhalily podobné skupiny genů jako u drozofily, ale objevily se i takové,
které drozofila nemá.
Narozdíl od drozofily zárodek Tribolia zabírá jen malou část vajíčka a i když ovária jsou
také meroistická, poskytují vajíčku jiné faktory. Narozdíl od drozofily jsou u Tribolia
během celularizace v zárodečné vrstvě pouze budoucí segmenty hlavy a hrudníku,
zatímco abdominální segmenty vzniknou později v posteriorní růstové zóně (u drozofily a
Nasonie jsou přítomny už před celularizací). U Tribolia, a patrně u všech druhů s krátkým
zárodkem, jsou součástí vývoje dva programy: první řídí patterning extraembryonálních
membrán a anteriorní části zárodku v precelulárním blastodermu a druhý řídí generování
a patterning posteriorní segmentů po celularizaci. Např. parental RNAi, která vyřadí gen
Torso, zabrání přidávání nových segmentů na posteriorním konci. Výsledkem je embryo,
které má perfektně vyvinutou hlavu a hruď, ale chybějí jí struktury, které se vyvíjejí
během post-blastodermálního růstu.
Podobně jako Nasonia Tribolium nemá Bcd (Bcd se zřejmě vyvinul duplikací blízkého
genu Zerknullt/Hox3 (Zen), který se podílí na specifikaci amnioserózy) a jeho funkci
převzaly geny Otd a hb, které pracují společně a plní stejnou funkci jako Bcd a hb u
drozofily.
U Tribolia byly objeveny i nové gap geny, které drozofila nemá. První je Millepattes
(Mlpt), který kóduje polycistronickou RNA. Mutantní embrya jsou kratší, ale mají navíc
páry nohou, což indikuje transformaci abdominálních segmentů na hrudní, které nesou
nohy. Další nové gap geny jsou krusty (kry) a bollig (bol). Mutantům kry chybí labiální a T3
segmenty a přilehlé abdominální přívěsky. Mutanti bol nemají koncové hrudní a přední
abdominální segmenty. Existence těchto nových genů u potemníka ilustruje fakt, že vývoj
drozofily není univerzální a je potřeba zkoumat další druhy hmyzu.
Exprese pair-rule genů u potemníka, a obecně u všech druhů s krátkým zárodkem, se
od drozofily liší. Je to způsobeno delším fungováním gap genů a existencí posteriorní
růstové zóny. Funkce některých genů je jiná. Např. RNAi oddskipped a runt vede ke
zkrácenému embryu, kterému chybí téměř všechny segmenty, protože jeho růst je
předčasně ukončen. RNAi genu hairy vede k defektům hlavových segmentů, takže hairy
nemá vliv na segmentaci. Zajímavé je, že vyřazení genu ftz, který je sice exprimován
v pruzích, nevede k pair-rule fenotypu, takže tento gen u potemníka není pair-rule
genem. Čili i když v genomu potemníka jsou homology drozofilích pair-rule genů a jejich
sekvence jsou konzervované, expresní profil a jejich funkce se často liší.
11
Jak vypadala segmentace u pra-členovce
Z informací, které máme z různých členovců, si můžeme představit, jak asi vypadala
sagmentace u společného předka členovců.
1) Měl krátký zárodek, ke kterému byly články přidávány v růstové zóně.
2) Segmentace se účastnily pair-rule geny, které řídily segment polarity geny.
3) Segmentace se účastnila signální dráha Notch/Delta.
4) Neví se, jakou roli hrály gap geny, protože z nehmyzích členovců o nich máme málo
informací. Je možné, že na cestě k hmyzu se stávaly pair-rule geny nezávislejší na
Notch/Delta dráze a roli v komunikaci přebraly gap geny. To umožnilo vznik dlouhých
zárodků a syncitia (Notch/Delta signaling vyžaduje celularizaci).2
14
15
16
Organizace Hox klastrů je opředena řadou omylů, které jsou/byly způsobeny tím, že 1)
klastry Hox genů byly objeveny u drozofily a myši, takže se automaticky předpokládalo,
že jinde je uspořádání stejné, i když se izolovaly jen jednotlivé geny, 2) i když je skutečná
podoba známá, často se používá zjednodušující grafické znázornění, které vynechává
důležité informace:
1) skupiny paralogů nejsou vždy ve vazbě
2) Hox geny nejsou stejné
3) klastry genů zabírají různě velké lokusy
4) mezi geny jsou/nejsou mobilní elementy
Příklad: Z tradičního znázornění klastrů u drozofily, kopinatce a myši není jasné, že
drozofila má dva klastry (BX-C (Bithorax) a ANT-C (Antennapedia)), které nejsou ve vazbě
a jsou různě uspořádané (BX-C více organizovaný, orientace exprese genů stejná vs. ANTC s různou orientací genů a vmezeřenými „non-Hox“ geny).
17
Tyto informace byly dříve přehlíženy, protože umístění v klastrech poskytovalo pohodlné
vysvětlení, jak je regulována exprese během ontogeneze. Nicméně dnes už víme, že
vysoce organizované Hox klastry jsou výjimečné (existují pouze u obratlovců), jinde mají
méně organizovanou podobu a známe i zvířata (např. kopinatec Amphioxus), jejichž Hox
geny v klastrech nejsou vůbec.
Typy klastrů:
1) Organizovaný
Geny ve stejné orientaci, blízko u sebe, krátké introny, nejsou mezi nimi vmezeřeny jiné
geny ani repetice. Klastr může obsahovat miRNA (často se podílí na regulaci hox genů).
Tento typ se vyskytuje pouze u obratlovců, kteří mají mají bezkonkurenčně
nejkompaktnější organizovaný klastr (cca 100 kbp) obsahující mnoho konzervovaných
nekódujících sekvencí.
2) Neorganizovaný (Disorganized)
Geny v různé orientaci, dál od sebe, dlouhé introny, vmezeřeny jiné geny a repetice.
Příkladem jsou Anopheles gambiae a Tribolium castaneum – dlouhý klastr v jednom
lokusu, vmezeřené repetice.
3) Rozdělený (Split)
Klastr rozdělen na více částí umístěných i na jiných chromosomech. Uspořádání
subklastrů může být různé (organizované/neorganizované). Příkladem je Drosophila a
bourec morušový (Bombyx mori), u kterých došlo ke zlomu, ale na různých místech.
4) Atomizovaný (atomized)
Klastr v zásadě neexistuje a geny jsou na různých lokusech max. po dvou.
Informace o jednotlivých Hox genech jsou hojné, ale o organizaci klastrů zatím velmi
omezené. Ale informace teď budou přibývat s osekvenovanými genomy.
Tedy máme data sice řídká, ale vyplývá z nich, že učebnicový organizovaný Hox klastr je
spíše výjimkou než pravidlem (nalezen jen u obratlovců) a většina skupin má klastry
přinejlepším typu D. Dvě teorie o původu kompaktního klastru obratlovců: obratlovcocentrický:
1) původní klastr Hox genů u předka bilaterií byl organizovaný, všude se rozpadl a
zachoval se jen u nás.
2) konsolidační: původní klastr byl A/D a u obratlovců se zorganizoval.
Jednodušší vysvětlení je zdánlivě 1 (pochopitelnější je rozpad než organizace), ale při
pohledu na distribuci typů klastrů u živočichů jednodušší není (vyžaduje mnohem více
změn, zatímco konsolidační teorie vyžaduje jen jednu). Nicméně konsolidační teorie
potřebuje selekční výhodu, která by vedla k vytvoření organizovaného klastru. Tou by
mohlo být to, že kompaktní klastr se stejně orientovanými geny by mohl být regulován
globálně, což zjednodušší synchronizace exprese. To by vysvětlilo odstranění
nadbytečných sekvencí (cizích genů, repetic, intronů) – lze zvládnout jen omezený lokus.
Roli může hrát i regulace exprese lokální modulací chromatinu.
19
20
Důvod, proč právě obratlovci využijí lépe další regulační mechanismy, jsou dvě kola
celogenomových duplikací, které vedly k tomu, že obratlovci mají (většinou) čtyři klastry
Hox genů (ryby 7-8 klastrů). Duplikované geny představují materiál pro diverzifikaci a
nové funkce, ale vyžadují i další regulace, což těsný klastr usnadňuje/umožňuje.
21
22
23
Jsou u obratlovců potřeba všechny klastry? Experimentálně byly u myši provedeny
knock-outy jednotlivých Hox genů i celého klastru HoxC. Při knock-outu celého HoxC
klastru byl vývoj v zásadě normální, ale myši hned po narození umíraly (selhání dýchání,
neví se proč). Knock-out jednotlivých genů HoxC měl mnohem závažnější dopad
(malformace ve vývoji žeber a obratlů - žebra větvená, fúzovaná, na nesprávných
obratlech, ...). Proč je ale delece jednoho genu závažnější, než delece celého klastru?
Vysvětlením může být 1) chyba metody (promotor reportérového genu ovlivňuje okolní
Hox geny, ztráta kontrolních sekvencí z okolí, ...), 2) geny klastru spolupracují,
nepřítomnost jednoho „rozhodí“ ostatní x delece klastru jeho funkci převezme jiný
klastr.
Podobný efekt měla i experimentální delece klastru HoxB (normální vývoj, ale smrt
v perinatálním období). Možná je každý klastr schopen řídit celý vývoj, nebo jsou HoxC a
HoxB na „fine tuning“ a A a D na řízení vývoje.
24
25
26
Ze srovnání hox klastrů obratlovců a členovců vyplynulo, že společný předek bilaterií měl
jeden klastr se 7 geny – dva v anteriorní skupině, (paralogní skupiny PG1-2 u savců, u
drozofily labial a proboscipedia), jeden ze skupiny 3 (drozofilí gen zen), tři geny
z centrální skupiny (PGs 4-5, drozofilí deformed, Scr, PGs 6-8, drozofilí Antennapedia,
Ubx, abd-A) a jeden posteriorní gen (PGs 9-13, drozofilí Abdominal-B). U prvoústých i
druhoústých klastr zaznamenal modifikace, jako tandemové duplikace centrální a
posteriorní oblasti.
Tagmatizace u hlavních skupin členovců
- Hmyz je z hlediska tagmatizace nejkonzistentnější skupinou členovců. Mají hlavu
z fúzovaných segmentů, hruď z tří segmentů a zadeček z 10-11 segmentů.
- Myriapoda mají dobře organizovanou hlavu, podobně jako hmyz, následuje různý počet
stejných trupových segmentů. Chilopoda mají jeden pár nohou na každém článku,
Diplopoda mají dva páry nohou na většině článků. Pauropoda jsou mezi, protože dva
segmenty (při pohledu zespoda) jsou spojeny v jeden na dorzální straně.
- Bazální korýši mají hlavová a trupová tagmata. Malacostraca mají tři tagmata: prosoma,
mesosoma a metasoma. Prosoma nese ústní ústrojí a nohy, mesosoma dýchací přívěsky.
- pavoukovci (Arachnida) nemají metasoma a jejich tělo se skládá z pro- a opistosomatu.
Hox geny a tagmatizace
Dva hox geny jsou schopné svou kombinací vyvolat jinou specifikaci než tytéž geny
jednotlivě. Příkladem je pb a Scr, které interagují v labiálním imaginálním disku a řídí
vývoj v proboscis, zatímco jednotlivě specifikují jen maxillární palpy a nohy. Čili 10 Hox
genů je schopno tímto mechanismem specifikovat 20 odlišných tělních oblastí (za
předpokladu platící kolinearity) – včetně anteriorní oblasti bez hox genů (číslo je jen
teoretické, ve skutečnosti je překryvů méně). V ektodermu embrya členovců je pro Hox
geny typické, že se jejich exprese v některých oblastech překrývá a to tak, že tyto překryv
odpovídají hranicím segmentům. Např. u arachnidů, lab, pb, Hox3, Dfd, Scr, a Hox6 jsou
exprimovány v prosomatu „nested“ způsobem, čímž se vysoce překrývají. Podobné je to
v opistosomatu s geny Antp, abd-A a Abd-B. U mandibulát nese hlava řadu přívěsků,
které vykonávají rozličné funkce. Extrémem jsou Decapoda, která mají na hlavě 7 párů
přívěsků, které se podílejí na jídle. U těchto členovců se Hox geny překrývají v hlavě jen
málo.
Na druhou stranu je neobvyklé, aby byly Hoxy exprimovány přes hranice
tělních segmentů. To je nejlépe patrné na arachnidech, kteří exprimují v pro- a
opistosomatu jiné skupiny Hoxů. Výjimkou jsou ortology Antp, které jsou sice expimované
hlavně v opistosomatu, ale zasahují i do prosomatu. U myriapod je pro tělo typická
exprese Ubx a adb-A. Opět Antp je jediný gen, který přesahuje hranici tagmat, i když jinak
než u chelicerát. U stonožky je exprimovaný hlavně v maxilipedálním segmentu, a
zasahuje do trupu. U hmyzu Antp a abd-A specifikují hruď a zadeček. Může tedy překryv
hoxů molekulárně definovat tagmata? Zdá se, že ne spolehlivě. V mnoha případech jsou
hoxy exprimovány přes hranice segmentů, zejména v pozdějších fázích vývoje, kdy
modifikují směřování jednotlivých segmentů uvnitř tagmatu. Např. u drozofily exprese
Ubx a Scr v pozdější fázi vývoje expanduje z okolních tagmat do T1 a T3 a modifikuje jejich
identitu. Tyto expanze zřejmě způsobují specializované modifikace křídel.
28
Některé skupiny členovců redukovaly některé části těla, nebo zjednodušily tělní plán.
Typickým příkladem jsou paraziti, kteří redukují pohyblivost a zjednodušují tělo, nebo
druhy přizpůsobené mikroskopickým habitatům. Rhizocephala jsou korýši parazitující na
jiných korýších. Chybí jim většina typických korýších struktur včetně většiny segmentace,
trup je redukovaný v larválních stádiích a chybí u dospělců. U rhizocephala Sacculina
carcini larvální abdomen exprimuje Abd-B, pak zdegeneruje. U drozofily geny Dfd a AbdB mohou aktivovat apoptotické dráhy, možná u Sacculiny Abd-B plní stejnou roli a
apoptózou redukuje abdomen.
Sacculina carcini
Kastrační parazit, samičí larva napadá kraba, vleze do těla, přičemž odhazuje schránku.
Interferuje s hormonálními drahami kraba, vykastruje ho, i samci se chovají jako samice.
Veškerá energie kraba určená na reprodukci a regeneraci jde Sacculině. Samice proroste
kraba a je patrná jako externí vak (externa), v místech, kde by krab měl snůšku. Do vaku
vniká sameček a oplozuje vajíčka. Krab se o Sacculinu stará jako o snůšku vajec (přihání
čerstvou vodu, ...). Napadeno může být až 50% populace.
Existují 2 teorie o vzniku hmyzích křídel. 1) z výrůstků dorsolaterální kutikuly, a sloužily
na počátku ke klouzavému letu, později po vytvoření artikulace a svalů k aktivnímu letu.
2) křídla jsou modifikované exity předních nohou a abdominální přívěsky. Tyto exity se
vyvinuly z epipodů (žaberních lupínků) primitivních korýších předků a možná jsou
homologické žaberním lupínkům larev jepic. Genetické studie na drozofile zaznamenaly,
že vývoj křídla v mnohém připomíná vývoj ostatních přívěsků – imaginální disky křídel a
nohou jsou odvozené z prekurzorových buněk, křídla používají stejné signální dráhy
k ustavení polarity. To všechno podporuje teorii, že křídla jsou modifikované přívěsky.
Alternativně mohly být signální dráhy přívěsků u protokřídel kooptovány.
Aby se zjistila případná homologie křídel s epipody korýšů, byla zkoumána exprese genů,
které jsou u drozofily exprimovány v křídelních discích, ale jen málo v nohách, u Artemia
franciscana (Brachiopoda) a Pacifastacus leniusculus (Malacostraca), později u chelicerát.
Zkoumané geny byly: nubbin, který určuje osud křídelního disku, a je málo exprimován
v nohách, a apterous (ap), který určuje dorso-ventrální polaritu křídla. U Artemie
jsounubbin a Ap exprimovány v distálnějším epipodu, u Pacifastacus je nubbin
exprimován v jednom epipodu, což podporuje teorii o vzniku křídel z epipodů. U
chelicerát jsou oba geny exprimované ve strukturách, které jsou homologické epipodům
korýšů. Ostrorep (Limulus polyphemus) má opistosomální přívěsky modifikované pro
výměnu plynů, tzv. knihové žábry (book gills), u arachnidů nazývané knihové plíce (book
lungs). Book gills i book lungs během embryonálního vývoje exprimují nubbin a ap.
Všechny tyto struktury (křídla, epipody, book gills a book lungs) jsou podle této studie
homologické a ukazují nesmírnou flexibilitu členovců. Avšak tyto výsledky je třeba brát
opatrně. 1) vyplývá z ní, že 4 primitivní bezkřídlé skupiny hexapod musely nezávisle
ztratit křídla/prekurzory křídel, a 2) další studie na sarančeti a potemníkovi ukázala, že
zárodečné buňky, z nichž vznikají křídla a nohy, nejsou stejného původu, a navrhuje, že
nubbin a ap byly kooptovány nezávisle.
První hmyzí křídla byla podle všeho přítomna na všech hrudních a zadečkových článcích.
Nejstarší fosilní druhy pterygot mají primitivní křídla na T2 a T3 a laterální křidélka
(paranotal lobes) na T1 a A1-A9. Křídla jsou u paleozoických zvířat přítomna i v larválním
stádiu. Tato primitivní křídla měla bohatší žilnatinu než dnešní, čili došlo k redukci
žilnatiny i počtu křídel, která jsou navíc u většiny současného hmyzu omezena na
dospělce (výjimkou jsou jepice). Umístění křídel na těle hmyzu je řízeno geny Scr, Ubx a
abd-A, přičemž modifikace morfologie křídel jsou způsobeny změnou cílových genů genu
Ubx.
Scr je exprimován v prothoraxu embrya drozofily i dalších druhů, kde potlačuje vznik
prothorakálních křídel. Podobná exprese byla nalezena i u primitivní bezkřídlé rybenky
Thermobia a isopoda Porcellio scraber, což vedlo k myšlence, že exprese scr v T1 je
exaptace křídlatého hmyzu. V hmyzím zadečku vznik křídel potlačují geny Ubx a abd-A.
Chybějící abd-A má u drozofily za následek ektopickou expresi genu snail, který
determinuje křídelní disky, u ploštice Oncopeltus vznik abdominálních nohou a
pigmentace, která odpovídá thoraxu.
Většina křídlatého hmyzu má 2 páry křídel: přední na mesothoraxu (T2), zadní na
metathotaxu (T3). Přední i zadní křídla mají odlišnou morfologii, což jim umožňuje
dosáhnout lepších aerodynamických vlastností. U některých skupin byl jeden pár křídel
přeměněn a má jinou funkci, např. ochranné krovky nebo haltery pro vylepšení
rovnováhy u Diptera a Strepsiptera.
Modifikace předních křídel proběhla i u jiných skupin, např. u Orthoptera, Blattodea,
Mantodea, Dermaptera a Phasmatodea je přední pár křídel přeměněn na kožovitá křídla
– tegmina (krytky) – ochrana a vyluzování zvuků, nebo u Heteroptera, která se často živí
toxickými rostlinami a stávají se samy jedovatými, signalizují toto pomocí nápadně
zbarvených přeměněných předních křídel - polokrovek.
Již několik desetiletí je známo, ze Ubx je u drozofily potřeba pro odlišení segmentu T2 a
T3. Zkoumala se exprese Ubx u hmyzu s dvěma páry křídel. Motýl Precis coenia má
vysoce akumulovaný Ubx v imaginálních discích zadních křídel, ale chybí v discích
předních křídel. Několik genů, které jsou Ubx potlačené v halterách, jsou v zadních
křídlech P. coenia aktivní. Ubx nepotlačuje vznik křídel, ale odlišuje přední a zadní křídlo.
Evoluce krovek u brouků
Brouci (Coleoptera) jsou možná nejúspěšnější skupinou zvířat, mají 350 000 popsaných
druhů. Charakteristickým znakem jsou krovky, chránící zadní křídla a abdomen. Let je
tedy závislý na jednom páru křídel podobně jako u dipter. Role Ubx se testovala RNAi na
larvách potemníka rodu Tribolium. Potlačení exprese Ubx vede k vývoji imaginálních
disků na T2 a T3 v krovky. Podobně mutace Scr, který by měl být exprimovaný v T1, vede
k vývoji krovkám podobných struktur na T1. Čili bez zásahu Hox genů jako Ubx se disky
vyvíjejí v krovky, čili naopak, než je tomu u drozofily, kde chybějící Ubx znamená změnu
halter na křídla. Ancentrální role Ubx tedy nejspíš byla identifikovat T3, a se změnou
morfologie segmentů na thoraxu se pod správu Ubx dostávaly u různých skupin odlišné
geny.
Evoluce halter ze zadních křídel u dipter
Některé mutace Ubx vedou k tomu, že vznikne moucha s dvěma páry křídel. Ubx
inhibuje geny pro dorsoventrální specifikaci disku, velikost a tvar. Ubx je exprimován
v oblasti T3 u spousty hmyzů s různými obměnami mezi předními a zadními křídly. Vznik
halter byl tedy zřejmě postupný proces, spočívající v regulaci Ubx.
Řásnící (Strepiptera)
Dospělí samci těchto endoparazitů mají haltery podobné dipterám, ale na T2, zatímco na
T3 jsou normální křídla (čili naopak, než je tomu u dipter). Fylogenetická pozice této
skupiny byla dlouho nejasná, jeden čas byla řazena s dipterami do společné skupiny
Halteria (na což se v současnosti nevěří). Haltery tedy s největší pravděpodobností
vznikly u obou skupin nezávisle, přičemž u řásníků došlo ke ztrátě exprese Ubx v T3, což
vedlo k opětovnému vzniku křídel na tomto článku. Již existující mechanismus vývoje
halter by byl aktivován jiným faktorem, který je exprimován v T2 (kandidátem je Antp).
Evoluce specializovaných struktur na nohách T1
Kromě křídel je u hmyzu málo informací o genetickém základu vzniku různých struktur.
Výjimkou jsou specializované struktury na nohách T1. Nejznámější jsou sex combs
(pohlavní hřebínky) u drozofily. Jejich vznik je řízen genem Scr (sex combs reduced), jehož
ektopická exprese vede ke vzniku sex combs na T2 a T3, jeho ztráta k chybění na T1.
Podobná struktura je na nohách T1 obou pohlaví ploštice Oncopeltus fasciatus, která ji
používají na česání dlouhého ústního ústrojí (rostrum). Eliminace Scr pomocí RNAi vede
ke ztrátě této struktury. Vznik hřebínků je vzácný, je přítomen ještě u některých brouků a
hymenopter, vznik je u všech skupin nezávislý. Nohy na T1 často nesou specializované
struktury (tympanální orgány ortopter, snovací žlázy snovatek (Embioptera) produkující
hedvábí). Scr řídí tvorbu některých, možná všech těchto struktur (potřeba funkční
studie). Exprese Scr je nejspíš vynález křídlatého hmyzu (Pterygota), protože rybenka
Thermobia ho v T1 neexprimuje a ani nemá žádnou strukturu na předních nohou. Scr je
regulátor transkripce a je možné, že je predisponován přebírat regulační role v kontextu
nohy na T1.
Skupina Membracidae jsou křísy (Hemiptera), napodobující přírodní útvary (semeno, trn,
agresivní mravenec) pomocí helmy, která vyrůstá z T1 a je s thoraxem flexibilně spojena.
Helma byla ve většině studií považována za expanzi pronota (dorzální strany T1, čili
kutikuly), ale objevila se teorie, že je to přívěsek (ten je charakterizován tím, že je ke
kutikule flexibilně připojen). Helma je totiž připojena ke tvrdé kutikule tenkou kutikulou
podobným způsobem, jako křídla na T2 a T3. Zajímavý je původ helmy, zakládá se totiž
párově, obě struktury pak splynou a vytvoří helmu. Jediným dorzálním párovým
přívěskem u hmyzu jsou křídla, takže se testovala exprese křídelních genů v helmě
(nubbin – gen exprimovaný v křídlech je exprimovaný i v helmě, čili helma a křídla mají
stejný genetický program).
38
Kandidátem na oživení T1 přívěsků byl gen Scr, který blokuje vznik křídel na T1. K oživení
křídel by pak mohlo dojít některým z těchto mechanismů: 1) Scr není v T1 exprimován,
2) Scr ztratil svou potlačovací schopnost, 3) přestal na něj reagovat některý
z downstream genů.
Zjistilo se, že Scr je u membracidů v T1 exprimován a při jeho přenosu do drozofily plní
svou potlačující funkci, takže v úvahu připadá jen možnost, že na něj přestal reagovat
některý z downstream genů (např. nubbin).
Morfologické inovace tedy mohou povstat z drah, které byly umlčeny (v případě helmy
membracidů 250 Mya). Obrovská diverzita helem vznikla během 40 My, což je velice
rychle na přívěsky, které se jinak vyvíjejí pomalu, protože musí plnit nějakou funkci (let,
pohyb). Protože ale helma žádnou funkci plnit nemusí, může se vyvíjet rychle.
39
40
41
42