The role of odd-skipped family genes in the Drosophila head development

Abstract

O desenvolvimento de organismos multicelulares requer uma coordenação correcta entre a proliferação e a especificação das células. As mesmas vias de sinalização extracelular que controlam a especificação da identidade das células também regulam a proliferação das mesmas. O principal objectivo desta tese foi compreender o papel da família de genes odd durante a especificação celular e a organogênese do olho e da antena de Drosophila. A família de genes odd é composta por quatro genes: odd-skipped (odd), brother of odd with entrails limited (bowl), drumstick (drm) and sister of odd and bowl (sob), os quais apresentam extensas semelhanças nos domínios de zinco de ligação ao DNA. Diferentes estudos mostraram que estes genes estão implicados na formação do padrão de distintos tecidos, como é o caso do intestino, patas e epiderme embrionária. Nesta tese, demonstrámos que a família de genes odd é expressa ao longo da margem posterior do disco de olho, um centro especializado de sinalização. Este domínio é requerido para o início do desenvolvimento da retina através da produção da molécula de sinalização hedgehog (hh). Nas células da margem, bowl é necessário para a activação de hh e, consequentemente, para o desenvolvimento do olho. Portanto, a família de genes odd é essencial para o desenvolvimento da retina. Além disso, a expressão ectópica de odd e drm nas células indiferenciadas do domínio anterior do olho é suficiente para induzir a expressão de hh com a concomitante formação de olhos ectópicos. Assim sendo, os genes odd são essenciais para definirem o domínio a partir do qual a retina se começa a diferenciar (Chapter I). No seguimento do trabalho, comprovámos que bowl também é necessário durante o desenvolvimento da antena para a repressão da expressão de wg (wingless), na região onde normalmente se expressa a molécula BMP2/4, Dpp (Decapentaplegic). Esta activação de wg no domínio de expressão de dpp origina um novo eixo proximodistal (PD) que, por sua vez, gera o desenvolvimento de antenas extra. Estes resultados podem ser explicados não apenas com base na simples acção repressora da transcrição de wg, mas também se considerarmos que bowl é responsável pela supressão do desenvolvimento de um primórdio cefálico, normalmente ‘silenciado’. Em contraste com o que foi mostrado no desenvolvimento da pata, a família de genes odd parece não ter nenhuma função na segmentação da antena (Chapter II). Mostrámos que a cassete Drm/Lin/Bowl, descrita como funcional durante o desenvolvimento do intestino e da epiderme embrionária, está também em funcionamento durante o desenvolvimento do disco imaginal de olho e antenna. Em ambas as situações, na especificação da margem e do eixo da antenna, Drm, muito provavelmente em associação com Odd, é necessário para aliviar o efeito repressor de Lin sobre a função de Bowl (Chapter I and II). Em colaboração com o Dr. José Luis Gomez-Skarmeta, demonstrámos que a família de genes odd pode estar implicada no normal desenvolvimento dos tubos renais (tubos de Malphigian) de Drosophila, da mesma forma que no desenvolvimento renal de Xenopus e zebrafish, onde ambos os genes odd de vertebrados, Osr1 e Osr2, são suficientes e necessários para o correcto desenvolvimento dos pronefros (Appendix).

The development of multicellular organisms requires the correct coordination between proliferation and specification of cells. The same extracellular signaling pathways that control cell fate specifications also regulate proliferation. The main objective of this thesis was to understand the role of odd family genes during specification and organogenesis of the Drosophila eye and antenna. The odd family genes is composed of four genes odd-skipped (odd), brother of odd with entrails limited (bowl), drumstick (drm) and sister of odd and bowl (sob) that display extensive homology in the zinc DNA-binding domains. Different studies have shown that these genes are involved in the patterning of distinct tissues, such as gut, legs and embryonic epidermis. In this thesis, we have shown that odd family genes are expressed along the posterior margin of the eye disc, a specialized signalling center required for the initiation of retinal development by producing the hedgehog (hh) signaling molecule. In the margin cells, bowl is necessary for the activation of hh and therefore for eye development. Thus, odd family genes are essential for retinal development. In addition, misexpression of odd and drm in anterior, undifferentiated eye cells is sufficient to induce hh expression with concomitant formation of ectopic eyes. Therefore, odd genes are essential for defining the retina initiation center (Chapter I). Further investigation revealed that bowl is also required during antennal development for the repression of wg (wingless) expression in territories that normally express the BMP2/4 molecule Dpp (Decapentaplegic). This de-repression of wg in the dpp-expressing domain generates a novel proximo-distal (PD) axis that results in the development of an extranumerary antenna. These results can be explained if rather than simply acting as a block of wg transcription, bowl were suppressing the development of a cephalic primordium that remains normally “silent”. In contrast to what has been shown in leg development, odd family genes do not seem to have any role in antennal segmentation (Chapter II). In addition, we have demonstrated that the Drm/Lin/Bowl cassette, described to be functioning during gut and embryonic epidermis development, is also at work during the development of the eye-antennal imaginal disc. In both situations, margin specification and antennal axis specification, Drm, most likely in association with Odd, is required to relief the repressor effect of Lin on Bowl function (Chapter I and II). In collaboration with Dr. José Luis Gomez-Skarmeta, we have shown that odd family genes may be involved in proper renal (Malphigian) tubules development in Drosophila, like it occurs in Xenopus and zebrafish kidney development, where both vertebrate odd genes, Osr1 and Osr2, are sufficient and required for proper pronephros development (Appendix).