Molecular basis for digit patterning in the vertebrate limb: Digit patterning in controlled by a BMP-Sox9-Wnt Turing network modulated by morphogen gradients
- Autores: Jelena Raspopovic
- Directores de la Tesis: James Sharpe (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Pompeu Fabra ( España ) en 2014
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Cristina Pujades Corbi (presid.), Marta Ibañes Miguez (secret.), Rolf Zeller (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
Esta tesis se centra en el mecanismo molecular que controla las especifícacion de los dígitos durante el desarrollo de la extremidad del ratón. La especificación de dígitos ha sido explicada por dos modelos fundamentalmente diferentes: el modelo de información de posición (Wolpert, 1969) y el modelo de la auto-organización de Turing (Turing, 1990). Durante las dos últimas décadas, el modelo de información de posición tiene sido la teoría más destacada gracias a la evidencia experimental sobre el morfogenio Sonic Hedgehog (SHH) que crea un gradiente de información posicional especificando los dígitos (Zeller et al 2009). Por el contrario, el modelo de Turing no ha sido apoyado por fuertes datos moleculares y genéticos y permanecio apenas una interesante posibilidad teórica (Newmann and Frisch 1979). Sin embargo, recientes datos genéticos han fortalecido la hipótesis de Turing y han sugerido que los genes distales Hox expresados en el miembro modulan la red de Turing que especifica los dígitos (Sheth et al 2012). No obstante, las moléculas que implementan esta red aún no se han identificadas.
Esta tesis proporciona la primera evidencia experimental de que Bmp, Sox9 y Wnt implementan la red de Turing que controla la especificación de los dígitos. Un aspecto original de este trabajo es el aproche de la biología de sistemas que hemos desarrollado combinando experimentos y modelos matemáticos. El trabajo experimental fue realizado por mí, mientras que la modelización matemática fue realizada por Luciano Marcon, otro estudiante de doctorado en el laboratorio.
Esta tesis se estructura en cuatro capítulos. El primer capítulo de introduccíon comienza con una breve história de la formación de pautas y discute el modelo de Turing y el modelo de información posicional en detalle. El capítulo sigue con una introducción del desarrollo de las patas del embrión de ratón que se centra principalmente en el patrón anterior-posterior (AP) de la extremidades. En esta sección, reviso la evidencia a favor del modelo de Turing y del modelo de información posicional para la especificación de dígitos. Sigo el capítulo con la descripción del primer marcador condrogénico Sox9, su importancia para el estudio del patron esquelético y las vías de señalización implicadas en la regulación de Sox9. Por último destaco la importancia de un sistema de estadificación temporal para el estudio del desarrollo de las extremidades y describo la importancia de una detallada análisis tridimensional de la expresión génica para estudiar la formación de patrónes.
En el segundo y tercer capítulo presento los principales objetivos de esta tesis y los resultados de mi trabajo respectivamente. En el capítulo de resultados, presento la expresión detallada de genes en 3D obtenida mediante tomografía óptica de proyección (OPT). Estos datos proporcionan una descripción detallada de moléculas que juegan un papel importante durante el proceso de formacíon de dígitos. En este capítulo, también presento mis dos publicaciones. Mi primera publicación (Degenkolbe et al 2013) es una colaboración con el laboratorio de Petra Seemann del Berlín-Brandenburg Center for Regenerative Therapies (BCRT). Colaboré con el laboratorio Seemann, para describir los patrones de expresión de los genes de la familia BMP / GDF y moléculas relacionadas. Mi contribución a este trabajo es una descripción detallada de los patrones de expresión en 3D de Gdf5, Noggin, BMPR1A y BMPR1B que se encuentran en la Figura 6 de este artículo. Este análisis muestra que los genes están colocalizados en los rayos digitales de E11.5 a E13.5 sugiriendo una posible interacción que pueden ser la base de las malformaciones observadas por la mutación de GDF5.
La segunda publicación (Raspopovic et al 2014) es el artículo principal de mi tesis. Este artículo proporciona la evidencia molecular de que una red de Turing con Bmp, Sox9 y los genes Wnt controla la especificación de los dígitos en la extremidad del ratón. Para identificar los genes candidatos para la red de Turing, utilize varias técnicas experimentales: imágenes en vivo de la extremidad del ratón con Sox9-EGFP, culturas de micromasa, análisis de la expresión de genes obtenida por microarray desde células Sox9-EGFP positivas y negativas, patrones de expresión de genes y la inmunohistoquímica de actividades de señalización de vías de interes. Junto con los modelos matemáticos, estos experimentos contribuyeron a la elaboración de una red de Turing que implica las moleculas Bmp, Sox9 y Wnt para la especificación de los dígitos. Las simulaciones matemáticas con un modelo realista del desarrollo de la extremidad, muestran que esta red es capaz de capturar con precisión la dinámica espacio-temporal de los patrones de dígitos en situacíon wildtype. También se muestra que las perturbaciones que predice el modelo están de acuerdo con las perturbaciones experimentales realizadas en cultivos de las extremidades tratadas con fármacos inhibidores de la señalización de BMP y Wnt. Para concluir, en el cuarto capítulo de esta tesis, discuto los resultados de mi trabajo y presento posibles direcciones futuras.
DEGENKOLBE, E., et al 2013. PLoS genetics, 9, e1003846.
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ZELLER, R. et al. 2009 Nature Reviews Genetics, 10, 845-858.
