La Formació del cervell dels vertebrats, una telenovel·la?

El cervell dels vertebrats és tan complex que traçar-ne els orígens evolutius és problemàtic. Els estudis dels parents més propers als vertebrats, els ascidis i l'amfiox, mostraven que les proteïnes necessàries per formar aquest cervell eren exclusives dels vertebrats; ara bé, un nou article exposa que les bases gèniques d'aquesta estructura ja eren presents en branques més llunyanes de l'arbre evolutiu

A damped oscillator imposes temporal order on posterior gap gene expression in Drosophila.

Insects determine their body segments in two different ways. Short-germband insects, such as the flour beetle Tribolium castaneum, use a molecular clock to establish segments sequentially. In contrast, long-germband insects, such as the vinegar fly Drosophila melanogaster, determine all segments simultaneously through a hierarchical cascade of gene regulation. Gap genes constitute the first layer of the Drosophila segmentation gene hierarchy, downstream of maternal gradients such as that of Caudal (Cad). We use data-driven mathematical modelling and phase space analysis to show that shifting gap domains in the posterior half of the Drosophila embryo are an emergent property of a robust damped oscillator mechanism, suggesting that the regulatory dynamics underlying long- and short-germband segmentation are much more similar than previously thought. In Tribolium, Cad has been proposed to modulate the frequency of the segmentation oscillator. Surprisingly, our simulations and experiments show that the shift rate of posterior gap domains is independent of maternal Cad levels in Drosophila. Our results suggest a novel evolutionary scenario for the short- to long-germband transition and help explain why this transition occurred convergently multiple times during the radiation of the holometabolan insects.MINECO BFU2009-10184/BFU2012-33775/SEV-2012-0208 European Commission FP7/KBBE-2011/5/289434 La Caixa Savings Bank (PhD fellowship to BV) KLI Klosterneuburg (PhD Writing-up & Postdoctoral Fellowships to BV) Wissenschaftskolleg zu Berlin (Wiko) (Fellowships to JJ and AC

Aproximació Evo-Devo a la base filogenètica dels bilaterals: Gens Hox i Parahox a acels i nemertodermàtides

Una de les classes de gens més interessants d'estudiar des del punt de vista de la biologia del desenvolupament són els gens Hox. Durant el desenvolupament embrionari dels Metazous els gens Hox són els encarregats d'establir les posicions dels territoris del cos al llarg de l'eix antero-posterior. Així, els gens Hox són els que determinen on és el cap, on la cua, i on els apèndix en els diferents animals. Tots els animals tenen aquesta mena de gens, essent una sinapomorfia dels Metazous. Aquests gens codifiquen per uns factors de transcripció amb un domini d'unió al DNA, l'Homeodomini, que els dóna la seva funcionalitat. En aquells fílums on s'han trobat gens Hox, aquests s'han vist organitzats en el genoma formant un cluster o agrupació de gens, posicionant-se de forma linial i consecutiva. El regne animal està format per dos grups ben diferenciats d'organismes. Aquells denominats triblàstics són els que tenen simetria bilateral, on el seu cos es pot dividir en un pla sagital quedant dues meitats especulars. En aquest grup es situen els Lofotrocozous (anèl.lids, moluscs, platihelmints,.), els Ecdisozous (nemàtodes i artròpodes majoritàriament) i els deuteròstoms (ammb equinoderms i cordats). L'altre grup, amb molts menys representants, són els Radials, amb cnidaris, ctenofors i esponges. S'ha vist que la història evolutiva dels gens Hox va lligada a l'aparició dels diferents tipus d'animals a la terra, i que la seqüència, nombre i ordenació d'aquests gens en cada fílum poden donar una bona visió d'aquesta evolució. Fins l'actualitat s'han trobat gens Hox a tots els animals triblàstics en els que s'han buscat. A partir de l'homologia de seqüències entre diferents representants dels diferents grups s'ha pogut inferir quin ha estat el camí fins a formar el cluster Hox actual. Es postula que a partir d'un gen Hox ancestral (UrProtoHox) que hauria patit una sèrie de duplicacions es va formar un cluster ancestral de 4 gens (cluster ProtoHox). Aquest va patir una duplicació formant dos clusters germans, el Hox primitiu, de 4 gens, i el ParaHox, de tres gens. El cluster Hox primitiu va patir, a mesura que apareixien els diferents grups en l'arbre filogenètic, una expansió en la seva dotació gènica, augmentant el nombre de gens Hox en els grups més nous. Un grup de cucs plans classificats clàssicament com a platihelmints, els Acelomorfs, han estat postulats com a no formant part d'aquest fílum sinó com éssent a la base dels bilaterals. Basant-nos en aquesta possible posició basal dels Acelomorfs, vam plantejar-nos trobar la dotació Hox i ParaHox d'aquests animals. Si els gens que poseeixen actualment aquests organismes són aquells que posseien ancestralment, trobar-los correspondria a trobar els clusters ancestrals. De l'estudi dels gens Hox i ParaHox hem trobat que els Acelomorfs poseeiexen una dotació Hox reduida en nombre, però amb totes les classes esperades. Així, poseeixen una dotació Hox amb un gen anterior, un central i un posterior, i una dotació ParaHox amb un gen Xlox i un Caudal. No s'han trobat representants Hox PG3 ni ParaHox Gsh, bé per problemes tècnics o perquè secundàriament s'hagin perdut en aquest grup. Tot i això, concluim que els Acelomorfs tenen una dotació Hox i ParaHox ancestral, essent coherent amb la proposada posició basal del grup i amb les teories postulades d'evolució dels gens Hox i ParaHox

La formació del cervell dels vertebrats, una telenovel·la?

El cervell dels vertebrats és tan complex que traçar-ne els orígens evolutius és problemàtic. Els estudis dels parents més propers als vertebrats, els ascidis i l’amfiox, mostraven que les proteïnes necessàries per formar aquest cervell eren exclusives dels vertebrats; ara bé, un nou article exposa que les bases gèniques d’aquesta estructura ja eren presents en branques més llunyanes de l’arbre evolutiu

Maternal co-ordinate gene regulation and axis polarity in the scuttle fly Megaselia abdita

Axis specification and segment determination in dipteran insects are an excellent model system for comparative analyses of gene network evolution. Antero-posterior polarity of the embryo is established through systems of maternal morphogen gradients. In Drosophila melanogaster, the anterior system acts through opposing gradients of Bicoid (Bcd) and Caudal (Cad), while the posterior system involves Nanos (Nos) and Hunchback (Hb) protein. These systems act redundantly. Both Bcd and Hb need to be eliminated to cause a complete loss of polarity resulting in mirror-duplicated abdomens, so-called bicaudal phenotypes. In contrast, knock-down of bcd alone is sufficient to induce double abdomens in non-drosophilid cyclorrhaphan dipterans such as the hoverfly Episyrphus balteatus or the scuttle fly Megaselia abdita. We investigate conserved and divergent aspects of axis specification in the cyclorrhaphan lineage through a detailed study of the establishment and regulatory effect of maternal gradients in M. abdita. Our results show that the function of the anterior maternal system is highly conserved in this species, despite the loss of maternal cad expression. In contrast, hb does not activate gap genes in this species. The absence of this activatory role provides a precise genetic explanation for the loss of polarity upon bcd knock-down in M. abdita, and suggests a general scenario in which the posterior maternal system is increasingly replaced by the anterior one during the evolution of the cyclorrhaphan dipteran lineage

A staging scheme for the development of the moth midge Clogmia albipunctata.

Model organisms, such as Drosophila melanogaster, allow us to address a wide range of biological questions with experimental rigour. However, studies in model species need to be complemented by comparative studies if we are to fully understand the functional properties and evolutionary history of developmental processes. The establishment of new model organisms is crucial for this purpose. One of the first essential steps to establish a species as an experimental model is to carefully describe its life cycle and development. The resulting staging scheme serves as a framework for molecular studies, and allows us to homologise developmental processes between species. In this paper, we have characterised the life cycle and development of an emerging non-drosophilid dipteran model system: the moth midge Clogmia albipunctata. In particular, we focus on early embryogenesis (cleavage and blastoderm cycles before gastrulation), on formation and retraction of extraembryonic tissues, and on formation of the germ line. Considering the large evolutionary distance between the two species (approximately 250 million years), we find that the development of C. albipunctata is remarkably conserved compared to D. melanogaster. On the other hand, we detect significant differences in morphology and timing affecting the development of extraembryonic tissues and the germ line. Moreover, C. albipunctata shows several heterochronic shifts, and lacks head involution and associated processes during late stages of development

tarsal-less is expressed as a gap gene but has no gap gene phenotype in the moth midge Clogmia albipunctata

Gap genes are involved in segment determination during early development of the vinegar fly Drosophila melanogaster and other dipteran insects (flies, midges and mosquitoes). They are expressed in overlapping domains along the antero-posterior (A-P) axis of the blastoderm embryo. While gap domains cover the entire length of the A-P axis in Drosophila, there is a region in the blastoderm of the moth midge Clogmia albipunctata, which lacks canonical gap gene expression. Is a non-canonical gap gene functioning in this area? Here, we characterize tarsal-less (tal) in C. albipunctata. The homologue of tal in the flour beetle Tribolium castaneum (called milles-pattes, mlpt) is a bona fide gap gene. We find that Ca-tal is expressed in the region previously reported as lacking gap gene expression. Using RNA interference, we study the interaction of Ca-tal with gap genes. We show that Ca-tal is regulated by gap genes, but only has a very subtle effect on tailless (Ca-tll), while not affecting other gap genes at all. Moreover, cuticle phenotypes of Ca-tal depleted embryos do not show any gap phenotype. We conclude that Ca-tal is expressed and regulated like a gap gene, but does not function as a gap gene in C. albipunctata.This work was funded by the MEC-EMBL agreement for the EMBL/CRG Research Unit in Systems Biology, SGR Grant 406 from the Catalan funding agency AGAUR, and by grant BFU2009-10184 and BFU2012-33775 from the Spanish Ministerio de Economia y Competitividad (MINECO). The Centre for Genomic Regulation (CRG) acknowledges support from MINECO, ‘Centro de Excelencia Severo Ochoa 2013–2017', SEV-2012-0208

Rearing the scuttle fly Megaselia scalaris (Diptera: Phoridae) on industrial compounds: implications on size and lifespan

Megaselia scalaris (Loew, 1866) (Diptera, phoridae) is a cosmopolitan fly species used in forensic science, and has been developed as a laboratory model species. They feed on decaying corpses as well as a wide variety of organic matter, and previous studies have even found them feeding on liquid paint or shoe polish, suggesting the possibility that they could breakdown industrial compounds. To test this possibility, we fed M. scalaris on a variety of industrially obtained materials and found that it was unable to complete its life cycle, dying at the larval stage, with the majority of compounds tested. However, when fed on modeling clay, a substrate that contains starch and inedible compounds, it was able to complete its life cycle. On this diet we observed increased larval development time, decreased pupal development time and a shortened adult life span. Additionally, pupae and adult flies were smaller than control flies. Contrary to previous reports, we find no evidence that M. scalaris is able to survive on modern formulations of liquid paint

Cuticle preparations of late-stage RNA-depleted embryos for Ca-gt RNAi and Ca-tal RNAi from <i>tarsal-less</i> is expressed as a gap gene but has no gap gene phenotype in the moth midge <i>Clogmia albipunctata</i>

Cuticle preparations of late-stage RNA-depleted embryos for (A) Ca-gt RNAi, and (B) Ca-tal RNAi. Both example embryos show hemilateral cuticle abnormalities (indicated by asterisks). Frequencies of these knock-down phenotypes are very low (see text for details). Cuticles shown in dorsal view, anterior is to the left. See Materials and Methods for details on preparation

RNAi knock-down of <i>M</i>. <i>abdita cad</i>.

<p>Columns show the expression of <i>hb</i> (A–C; yellow), <i>gt</i> (D–F; blue), <i>Kr</i> (G–I; green), <i>kni</i> (J–L; red), and <i>eve</i> (M,N) in wild-type embryos (top row: A,D,G,J,M), in embryos treated with <i>cad</i> RNAi (middle row: B,E,H,K,N), and as summary graphs comparing wild-type (wt) boundary positions (grey) to those affected by RNAi (coloured lines) (bottom row: C,F,I,L). (O) Cuticle phenotype of an embryo treated with <i>cad</i> RNAi. All embryos are at time class T4. Embryo images show lateral views: anterior is to the left, dorsal is up. Graphs: horizontal axes indicate % A–P position (where 0% is the anterior pole); vertical axes represent relative mRNA concentration in arbitrary units.</p