12/12/11 

1 

Developmental Asymmetry Clemence D Kim & Everton Laidley 

Why this experiment? •  We’ll be looking at two ar>cles regarding the display of leC‐right asymmetry in development.  

•  We’ll first look at Patel’s. His research on sea shells were focused on the differences in asymmetry of individuals of the same species/popula>on. 

•  The objec>ve of this ar>cle is to inform the general of the kuroda experiments and how cell‐cell interac>ons can establish leC‐right asymmetry. 

•  We’ll then proceed to explain in detail the Kuroda ar>cle and the team’s experiments 

•  The objec>ve of the experiment was to prove and show how stages of embryonic morphogenesis and organogenesis could be affected by asymmetric arrangement of the blastomere and asymmetric gene expression.  

12/12/11 

2 

“Asymmetry with a twist” •  Shells! •  We all look at shells and gaze at it once in a while. According to Patel, these shells differ in their spiraling paSerns not just to be preSy but because of the orienta>on of the cells in their owners’ early embryonic stage.  

Clock vs. Anticlock •  Most shells spiral downward in a clockwise direc>on as seen in this figure.  

•  Such shells are called dextral shells •  There are shells however,  that are coiled an>clockwise due to the asymmetry in their owners’ early developmental stage. 

•  Such shells are called sinistral shells.  

12/12/11 

3 

How is a shell made? •  Before going into the differences in cellular level that would cause the asymmetry, we decided to learn a bit about how these shells are created. In a sense, take steps backwards a bit more slowly. Step by step.  

•  As men>oned in the Patel ar>cle, the shells are created by a gland that produces shell material at “different rates on the leC and right sides, leading to the coiling paSern as the shell grows.” Two glands actually produce and store shell material. They are the main diges>ve gland and the albumen gland. The material, mostly calcium carbonate, is transported in a dissolved state of gland cells. These gland cells fold on top of each other and produce the ostracum, the inner layer and the largest part of the shell. One outer layer of gland cells produce shell material for the shell skin. 

•  Shell growth con>nues alongside the inhabitant. As the inhabitant develops further, the dispersed gland cells thicken and further layer the shell walls from within and increases in size and thickness.  

The Big Move! •  Soon aCer fer>liza>on, cells go through a stage called cleavage. This series of cell division allows increase in poten>al of differen>a>on. In this case with asymmetry, the transi>on from the four‐eight cell within the stage of cleavage allowed a shiC in the orienta>on of the cells. 

•  “For dextral snail embryos, the smaller daughter cells at the four‐to‐eight cell transi>on twist clockwise as cell division occurs.” 

•  “In the case of sinistral snail embryos, the daughter cells are ini>ally directly on top of their division partners, but then twist an>‐clockwise.”  

12/12/11 

4 

“Mum made me do it” •  Now to the gene>c aspect of this asymmetry the poor shells have to go through. I just hope sinistral shells do not turn out sinister because they are different from the dextrals.  

•  We cannot blame the sinistral shells for their asymmetric forma>on or their asymmetric orienta>on during cleavage. Their mothers are at fault.  

•  Professor Arthur BoycoS of the University of London and his team examined the gene>cs of asymmetry in Lymnaea peregra, a close rela>ve of the Lymnaea stagnalis the Kuroda team worked with. “What they described was the founding example of the phenomenon we now call maternal‐effect inheritance.” 

•  The individual genotype does not determine its phenotype with the snails. However, their mothers’ genotype determines the phenotype of their progeny. The fathers have no contribu>on to the offspring. 

•  Let’s say A and a are the two alleles of the asymmetry locus. Mothers who are AA or Aa will give birth to a dextral offspring. aa mothers will give birth to the sinistrals.  

•  It’s like how our mothers make us do our homework and our dads just watch television on their couch. 

Patel’s explanation of Kuroda •  Star>ng with Homozygous Dominant (AA) or Heterozygous (Aa) moms (which they knew would produce a dextral progeny) and Homozygous Recessive (aa) moms, (which they knew would produce a sinistral progeny), they were able to alter the asymmetry by using glass rods to change the orienta>on of the embryos at the eight‐cell stage. This would lead to the reverse asymmetry in the offspring’s shell. 

•  It was then concluded that “merely changing the rela>ve orienta>on of cells at the eight‐cell stage can completely override the maternal‐effect specifica>on of chirality. (asymmetry)” 

•  So the conclusion from this experiment is: •  Maternal asymmetry locus controls 8 cell orienta>on controls adult snail asymmetry 

•  It is now known that cell‐cell interac>ons at the eight‐cell stage control asymmetry and that the interac>ons differ due to the cleavage paSern.  

12/12/11 

5 

Asymmetric humans? •  So if shells of snails can be asymmetric, can humans and other vertebrates have asymmetries in the placement of their organs?  

•  The answer?: Yes. •  Genes used to control leC‐right asymmetry in snails and vertebrates share certain features. Patel notes the encoding of the signaling molecule “Nodal and the transcrip>on factor Pitx” and the expressions of asymmetry in mice and chickens.  

•  There’s more to be researched regarding this maSer and we want to hear the discussions aCer further presenta>on of the Kuroda experiment itself.  

•  As Patel stated, “the final ‘twist’ to this tale is yet to be told.”    

Introduction to Kuroda article •  The Kuroda ar>cle is much more technical and more experimental than Patel’s. We will focus mainly on the figures of the ar>cles and explain the procedures and the data the experiment provided. We will also provide some insight into the analysis of the experiment.  

12/12/11 

6 

Details on micromanipulating the third cleavage 

a 

b 

c 

Sinistraliza>on of dextral embryo 

d 

e 

f 

Dextraliza>on of sinistral embryo 

Dextral embryos at the metaphase‐anaphase (a) and sinistral embryos at the telophase (d) of the third cleavage were manipulated. The first quartet of micromeres gekng generated was con>nuously pushed towards the direc>on opposite to normal by glass rods (sinistrally for the dextral embryo (b) and dextrally for the sinistral embryo (e)), which resulted in chirality‐inverted sinistral‐type (c) and dextral‐type (f) eight‐cell embryos, respec>vely. Fluorescenceimaged cell‐lineage tracing was carried out by injec>ng Lucifer Yellow dye into one quadrant of the four‐cell stage sinistral embryo, then reversing the chirality by manipula>ng as in d–f and culturing them. 

Results from micromanipulating the embryos •  The figures show the 

embryonic cells at 8,12,and 16 cell stage. 

•  The resultant dextral‐type eight‐cell stage sinistralembryo (g, k) was compacted (h, l, o) and then cleaved into 12‐ (i, m, p) and 16‐cell (j, n, q) embryos, which arose from the typical non‐synchronous division of macromeres (1Q) and micromer (1q). Each blastomere of 1Q (o) and 1q (p) divided in the dextral‐type an>clockwise direc>on and produced their descendants 2q‐2Q (p) and 1q1‐1q2(q), respec>vely. a–j, Bright field image; k–q, fluorescence image with outline of blastomeres (o–q). Arrows (o, p) indicate the spindle orienta>on. 

Scale bar, 100 mm.  

Figure shows glass rods pushing the cells and the injec>on of the lucifer yellow dye 

12/12/11 

7 

What Happened: Asymmetry development of micromanipulated embryos: Sinistralized Dextral •  ACer about 17 days, 31 percent of the sinistralized (situs inversus) snails developed into juvenile snails as seen in the figure. All of them had, as shown in the figure, sinistralized shells. When the mature snails, shown in figure l, were observed, their organ structures were also switched asymmetrically just like the “normal sinistral snails” shown in the control slide. 

•     

•  In comparison to the control (sinistral snail), the experimented, micromanipulated ‘sinistralized dextral shell’ is…  

12/12/11 

8 

What Happened: Asymmetry development of micromanipulated embryos: Dextralized Sinistral •  ACer about 17 days, 46% of the dextralized sinistral embryos developed into juvenile snails. They all showed, as seen in the figure, dextralized shells. When the mature snails, shown in figure l, were observed, their organ structures were also switched asymmetrically just like the “normal dextral snails” shown in the control slide. 

•  In comparison to the control (dextral snail), the experimented, micromanipulated ‘dextralized sinistral shell’ is… 

12/12/11 

9 

Manipulating the 4 cell stage   •  When the Kuroda team aSempted to manipulate the embryo at its 2nd cleavage stage (4 cell stage), the manipulated cells reorientated themselves to their original posi>ons; thus, the conclusion that inversion of the maternally inherited proper>es would fail if aSempted at an earlier stage than 3rd cleavage stage was established.  

SD & SI •  SD: Spiral deforma>on – a helical deforma>on of the blastomeres at the metaphase‐anaphase.  

•  SI: Spindle inclina>on – a spiral orienta>on of the four spindles before the cleavage furrow ingression.  ‐ a consequence of SD.  

•  A spiral deforma>on of the blastomeres at the metaphase‐anaphase stage of the embryonic cell causes spindle inclina>on of the four spindles. This creates a spiral orienta>on of the spindles before the cleavage stage furrow ingression. Dextral snails exhibit these characteris>cs but sinistral snails do not. Even through genera>ons and genera>ons. Therefore, it is believed that whether or not SD & SI happens determines the chiral blastomere configura>on in the wild.  

12/12/11 

10 

Asymmetry of Nodal pathway •  What exactly is Nodal? ‐ The leC‐right asymmetry in the body of vertebrates is established by a process that uses the Nodal and LeCy proteins; Nodal is expressed in the leC side of the organism in early development. An ortholog of Nodal was recently found in snails and was shown to be involved in leC‐right asymmetry as well. 

•  ‐Wikipedia •  Because NODAL and its downstream PitX genes were expressed in opposite sides of sinistral and dextral snails, it is believed that NODAL expression is related to the asymmetry of body/organ structure. 

In conclusion we say… The Kuroda experiment led to some fascina>ng results in which not only the gene>cs determined the chirality of the shells but also the mechanisms within the embryological development’s effect on the chirality and further development of the shells.