Genes y redes génicas que actúan durante el desarrollo temprano del sistema visual de drosophila

Resumen

La presente tesis se divide en dos capítulos relacionados entre sí. El nexo de unión o principio básico que se persigue en ambos estudios no es otro que el de ampliar el conocimiento sobre la coordinación entre los procesos de crecimiento y diferenciación de los tejidos para formar un órgano. En ambos casos se utiliza como modelo de estudio los tejidos que forman el sistema visual. En un primer capítulo se aborda el estudio de una red de regulación génica altamente conservada en el desarrollo del sistema visual desde invertebrados a vertebrados, conocida como “red de genes de especificación del ojo”. Si bien se conoce cuan conservada está la red de genes de especificación del ojo, hasta ahora su estudio en Drosophila se ha centrado en su función durante el desarrollo de la retina. En Drosophila, la retina contiene únicamente los fotorreceptores y células accesorias, siendo las neuronas que procesan la información visual emplazadas en un órgano que recibe el nombre de globo óptico. Cada uno de los ojos compuestos o retinas es inervado por un globo óptico (“Optic Lobes” OL) en estrecho contacto con el hemisferio cerebral, donde en última instancia se recibe la información visual. Cada OL está compuesto por diferentes ganglios, de interior a exterior son: el complejo de la lóbula, la médula y la lámina. Lámina y médula forman un anillo abierto en forma de herradura sobre el complejo de la lóbula. Si bien hay varios estudios sobre el desarrollo de la médula y la diferenciación de los neuroblastos para formar este ganglio, poco se sabe sobre el proceso de diferenciación de la lámina, a pesar de ser el primer centro neuronal con el que contactan los axones de los fotorreceptores. El ojo compuesto de Drosophila tiene 6 fotorreceptores externos y dos internos (7 y 8). De ellos, los 6 primeros inervan la lámina directamente y los otros dos atraviesan la lámina para llegar a la médula donde contactan con sus respectivas neuronas diana de forma estereotipada. En esta tesis, se ha hecho un estudio comparativo sobre el papel de la red de regulación génica que opera durante el desarrollo de la retina en Drosophila y también en el desarrollo de ojo de vertebrados, para ver analizar su relevancia durante el desarrollo de la lámina. Esta red de genes de especificación del ojo está compuesta por los genes Pax6>Eya=Six1/2>Dach. Así mismo otras vías de señalización importantes para el desarrollo del sistema visual fueron testadas por su relación con la anterior, como puedan ser las vías de señalización Hh/Shh, Dpp/BMP y Wg/Wnt. Como resultado de este estudio, encontramos muchas similitudes y también ciertas diferencias remarcables. Durante el desarrollo de la lámina, Eya y Six1/2 (en Drosophila sine culis, so) se regulan mutuamente, al igual que lo hacen durante el desarrollo de retina y a su vez activan la expresión de dac que es requerido junto a la vía Hh para la diferenciación de las neuronas de la lámina y para la activación de sim (single-minded). Este último, es esencial para la correcta organización de las neuronas en los correspondientes cartuchos o columnas que forman la lámina. Sin embargo, aún no hemos identificado qué determina la expresión de Eya y Six1/2, ya que sus activadores en retina, los genes Pax6, ey y toy no parecen afectar la expresión de estos dos genes en el desarrollo de la lámina. No obstante, ey parece tener un papel importante durante el desarrollo de la médula, pero no así durante la lámina. En líneas generales, el casete Eya/So/Dac juega un papel muy importante en la determinación y diferenciación de las células precursoras de la lámina, así como lo es para los fotorreceptores de la retina. Del mismo modo, otro gen bien conservado evolutivamente, Meis, conocido en Drosophila como homothorax (hth), tiene un patrón de expresión en los precursores de la lámina que recuerda a su expresión en la región proliferativa del primordio de ojo de Drosophila donde se encuentran las células precursoras de la retina en un estado proliferativo. Así, hth se expresa en las células proliferativas del neuroepitelio del OL, el cuál en su lado más lateral produce las células precursoras de la lámina, que ya presentan la expresión de Eya y So. Además, Hth y Eya/So se reprimen mutuamente para controlar la proliferación y diferenciación de los precursores de la lámina, manteniendo así el tamaño de este órgano en crecimiento durante los estadios larvarios. Con este trabajo hemos puesto de manifiesto las similitudes y diferencias en cuanto a las redes génicas necesarias para el desarrollo de la lámina en el OL en comparación con el desarrollo de la retina. No es de extrañar que encontremos tantas similitudes, pues se trata de dos estructuras íntimamente relacionadas durante el desarrollo y en cierta forma dependientes, teniendo así que sincronizar su diferenciación. Además, en vertebrados tanto los fotorreceptores como las neuronas que procesan la información visual, forman parte de la retina (multiestratificada) y el desarrollo de la retina al completo obedece a la misma red de genes de especificación del ojo. El Segundo capítulo de la tesis, se centra en el estudio de una única familia génica, Fezf, compuesta por dos genes en vertebrados Fezf1 y Fezf2 y en Drosophila por un sólo representante Dfezf. Se trata de una familia génica altamente conservada y cuyo estudio se ha centrado en el desarrollo de cerebro, revelando su importancia para el desarrollo de las subdivisiones del cerebro rostral. Son muchas las funciones que se les atribuyen a estos genes en el ámbito del desarrollo neuronal en el cerebro, siendo importantes en la diferenciación de diferentes tipos neuronales, como puedan ser las neuronas dopaminérgicas y serotoninérgicas. A pesar de todos los estudios funcionales llevados a cabo para esta familia génica, poco se sabe sobre su papel en el desarrollo del sistema visual de vertebrados. Sin embargo, en la base de datos de ZFIN encontramos que Fezf2 se expresa en la retina en desarrollo del pez cebra Danio rerio. En este capítulo se muestra la expresión del homólogo del gen Fezf2 de pez cebra durante el desarrollo de ojo en pollo y ratón, previo clonaje de estos genes. Por primera vez en pollo (Gallus gallus), clonamos el gen y mostramos su expresión en la retina en desarrollo. El patrón de expresión de Fezf2 en retina parece ser consistente entre las diferentes especies y proporciona información sobre su posible función durante el desarrollo de ojo. Recientemente, ha sido demostrado que Fezf2 es esencial para la correcta diferenciación de las células ganglionares de la retina en ratón (Chunsheng Qu et al., 2016). Con esta comparativa, además de mostrar la expresión de Fezf2 en la retina en desarrollo de tres especies de vertebrados, representantes de 3 taxa diferentes (mamíferos, teleósteos y aves) frecuentemente utilizados como modelos de estudio del desarrollo de ojo, mostramos algunos datos de interés sobre la expresión de Fezf2 en el cerebro adulto de ratón. Estos datos, junto con datos funcionales recogidos en la literatura, nos permiten sugerir que Fezf2 parece tener un papel genérico en cuanto a la diferenciación celular de precursores neuronales, independientemente del tejido neuronal de que se trate, siendo clave para mantener un estado intermedio de los precursores, en el que se inhibe la proliferación y la des-diferenciación y se asegura el paso hacia la diferenciación neuronal. También centrado en esta familia génica, mostramos en otro apartado de este capítulo, los resultados sobre la expresión del gen Dfezf durante el desarrollo embrionario de Drosophila, describiendo por primera vez su patrón de expresión. Usando la expresión relativa de Dfezf con respecto a los genes Irx, demostramos que Drosophila, no sólo tiene una estructura tripartita del cerebro, sino que la expresión de los genes anteriormente mencionados es limítrofe. Estos datos junto a la expresión relativa con respecto a otros marcadores de la organización tripartita del cerebro, permiten posicionar en el embrión de Drosophila la región homóloga a la Zona Limitans Intratalamica (ZLI) de vertebrados. Por tanto, la aparición de la ZLI, uno de los centros organizadores del cerebro de vertebrados, se remonta evolutivamente a un ancestro común entre protóstomos y deuteróstomos. Si bien, ambos genes Fezf resultan esenciales en el establecimiento de la ZLI del diencéfalo de vertebrados, y la represión recíproca entre los genes Fezf e Irx es esencial para la correcta formación de la ZLI, en Drosophila no encontramos alteración alguna del patrón de Dfezf en mutantes Irx, no pudiendo concluir si la función de estos genes está conservada evolutivamente. En este apartado describimos también por primera vez la expresión de Dfezf durante el estadio larvario L3 de Drosophila.