1. I fenomeni isto e biochimici

Le cellule riconoscono la loro posizione nell’embrione dalla concentrazione dei morfogeni. Gli studi fatti sulla drosofilia hanno permesso di riconoscere questi morfogeni. Esistono nella drosofilia una trentina di morfogeni che definiscono il patrimonio dell’embrione. Solo tre di questi codificano dei segnali molecolari che determinano la struttura lungo l’asse antero-posteriore. Ciascuna di queste proteine di segnalazione appare in un sito specifico e dà inizio alla creazione di un tipo particolare di gradiente morfogenetico.

Un segnale comanda la metà anteriore che darà la testa e il torace; un secondo segnale, all’addome; un terzo alle strutture situate alle due estremità della larva.

Un gradiente di concentrazione in proteine Bicoid si stabilisce dai primi stadi; la sua concentrazione massima si situa all’estremità anteriore. Una certa soglia critica di concentrazione è necessaria perché essa divenga attiva.

È capace di dare inizio alla produzione di un mRNA a partire dal DNA, quindi alla sintesi della proteina codificata dal gene a partire dal mRNA. Un gradiente di concentrazione agisce su due o tre geni determinando due o tre zone di attivazione. L’mRNA Bicoid contiene tutte le informazioni necessarie ad una cellula per riconoscerlo, trasportarlo e fissarlo; inoltre si sposta sempre nella stessa direzione lungo elementi strutturali chiamati microtubuli. La proteina Nanos determina la parte posteriore. I gradienti di concentrazione Bicoid e Nanos si stabilizzano solo in assenza di membrane cellulari, che ne bloccano la diffusione. Nel frattempo, nella maggior parte degli animali, le membrane cellulari separano, già dai primi stadi, le differenti parti dell’uovo.

L’asse dorso-ventrale dell’embrionedella drosofila è definito attraverso un gradiente unico che si stabilisce anche in presenza di membrane cellulari. Questo gradiente deve rassomigliare a quello che esiste negli altri organismi.

La proteina Dorsale determina le prime strutture embrionali lungo l’asse dorso-vertebrale. Questa proteina è sia un attivatore sia un inibitore della trascrizione nel nucleo cellulare. Attivatore dei due geni quando la sua concentrazione supera una data soglia e inibitore di due altri geni quando la sua concentrazione è inferiore a quella soglia. Infine quando la concentrazione della proteina dorsale nei diversi nuclei definisce un gradiente, ognuna delle due paia di geni si esprime da un lato o dall’altro dell’embrione.

La proteina Dorsale è omogenea nell’embrione mentre la sua ripartizione intracellulare varia lungo l’asse dorso-ventrale. Una proteina chiamata Cactus si lega alla proteina Dorsale per impedirgli di penetrare nel nucleo. Tuttavia sulla faccia ventrale dell’embrione più di una decina di altre proteine cooperano per staccare la proteina Dorsale dalla proteina Cactus.

Le proteine sono attivate da un segnale. Collegamenti molecolari, assicurati da diverse proteine, trasmettono l'informazione che concerne i gradienti, da un compartimento all’altro. Alla fine l’importazione progressiva nei nuclei di una proteina a ripartizione uniforme alla partenza, attiva il nucleo attraverso un gradiente di concentrazione. Tutte le catene di attivazione studiate a questo giorno portano alla formazione di un gradiente di morfogeni che si comporta come un fattore di trascrizione; secondo la sua concentrazione questo gradiente attiva o inibisce la trascrizione di uno o più geni bersaglio.

Una cooperazione tra più molecole diverse o tra più coppie di una stessa molecola potrebbe dare inizio alla trascrizione.

Alcuni gradienti morfogenetici hanno un solo effetto quando la concentrazione in un morfogene è superiore alla soglia critica. Un gene bersaglio o è attivo o non lo è.

In altri casi le reazioni differiscono a seconda delle concentrazioni in morfogeni; questo tipo di gradiente è indispensabile all’aumentare della complessità negli organismi in movimento.

Le interazioni delle molecole che agiscono sulla trascrizione possono modificare notevolmente le reazioni ai gradienti, contribuendo alla formazione di strutture complesse a partire da un sistema iniziale molto semplice. La sovrapposizione di più gradienti in una regione dell’embrione permette di suddividere questa maggiormente e di accedere ad una complessità supplementare.

La regolazione combinatoria e i gradienti di concentrazione permettono di organizzare le funzioni, codificate dai geni, in un vasto repertorio di meccanismi di sviluppo. Nella drosofilia i gradienti provocano l’espressione di geni in bande trasversali nella regione dell’uovo che diventerà la regione segmentata della larva.

Questa struttura comanda in seguito la formazione di bande ancora più fini che determinano direttamente le caratteristiche di ogni segmento dell’embrione. Quando l’embrione si divide in cellule i fattori di trascrizione non si possono più diffondere. Le tappe ulteriori nel corso delle quali il patrimonio embrionale si stabilisce mettono in gioco dei segnali trasmessi tra cellule vicine.

Gli embriologisti hanno scoperto che questi risultati non si applicano unicamente alla drosofilia ma all’insieme del regno animale e permettoneranno un giorno di comprendere meglio lo sviluppo dell’embrione umano.