Evolution of the gene regulatory network underlying the formation of the gastrula organizer

Abstract

Během gastrulace je embryo obratlovce organizováno ze shluku buněk do bilaterálně symetrického těla. Tento organizační proces je řízen organizátorem gastrulace. Jeho vznik je indukován mateřskou signalizací Wnt/β-catenin a Nodal/Activin signalizací lokalizovanou v budoucí dorzální oblasti embrya. Regulační prostředí pak spouští expresi genů specifických pro organizátor gastrulace, které vytvářejí morfogenní gradienty v embryonálním těle, a proto poskytují každé buňce informaci o její poloze. Evoluce regulace vzniku organizátoru gastrulace v embryu však zůstává neznámá. Zde se snažíme otestovat kompatibilitu cis-regulačních modulů z bezobratlých s genovou regulační sítí obratlovců. Vnesli jsme proto fluorescenční reportérové geny pod kontrolou regulační sekvence genů bezobratlých specifických pro organizátor do obratlovčího modelu, abychom mohli pozorovat jejich chování v kontextu genové regulační sítě obratlovců. Našli jsme a funkčně ověřili 500 bp dlouhou sekvenci z kopinatce (enhancer), která je nezbytná a dostatečná pro řízení správné exprese genu Chordin v organizátoru gastrulace v rybě (zebřička pruhovaná). Chordin je významný gen specifický pro organizátor gastrulace, který antagonizuje BMP signalizaci (Bone Mophogenic Protein). Testovali jsme také další geny bezobratlých, zda jsou...

During gastrulation, the vertebrate embryo is organized from the clump of cells into a bilaterally symmetric body. This organization process is driven by the gastrula organizer. Its establishment is induced by maternal Wnt/β-catenin signaling and Nodal/Activin signaling localized in the presumptive dorsal region of the embryo. The regulative environment then triggers the expression of the organizer-specific genes which create morphogen gradients in the embryonic body and therefore give each cell positional information. However, the evolution of vertebrate organizer establishment remains vague. Here we aim to test the compatibility of the invertebrate cis-regulatory modules with the vertebrate gene regulatory network (GRN). We introduced fluorescent reporter genes under the control of the invertebrate regulatory sequence of organizer-specific genes into a vertebrate model to observe their behavior in the context of the vertebrate GRN. We found and functionally verified a 500 bp-long amphioxus sequence (an enhancer) that is necessary and sufficient to drive a correct Chordin gene expression in the gastrula organizer in zebrafish. Chordin is a prominent organizer-specific gene antagonizing Bone Morphogenetic Protein (BMP) signaling. We tested also other invertebrate genes for their compatibility with...