1
Developmental Genetics Topics: I. Genetic Basis of Differentiation II. Control of Gene Expression in Differentiation III. Nature of 2
organism การเจรญพฒนา Single fertilized egg cell เปน embryo และไปเปน adult F Adult ประกอบดวย cells จำนวนหลาย trillions (1012) ซงถกจดเปนองคกรได organs ตาง ๆ F Organ ประกอบดวย tissues F 3
Cell Differenti ation 4
Embryo nic develo pment ของ Amphio xus 5
Differentiation การแสดงออกของ คณลกษณะพเศษ (specialized characteristics) ของเซลล type ตาง ๆ F Specialized cellular functions ขนกบ 1) Proteins : structural proteins 6 for cell shapes F
Genetics ของ Developmental Pathway F F F วเคราะห ดวย Mutation Developmental pathway ประกอบดวยเหตการณใน differentiation ทำใหเกดโครงสรางของ tissues และ organs 7
F สวนประกอบของ Developmental pathway Different gene products V Signal molecules : signal receptors V Cytoplasmic proteins : signal transducers V Transcription factors V Regulator proteins V 8
Basis of Differentiatio n 9
Differentiation. 1 Theory of development 1. 1 Theory of Mosaic Development 1. 2 Theory of Regulative Development. 2 Substances of development 2. 1 Determinants 10
Differentiation Early embryonic cells: จำนวนมากเหมอนกนทง รปรางและหนาท F Differentiated cells : ผลต specialized products 2 กลมใหญ 1) Fundamental proteins ทจำเปน (vital) ตอชวตโดย Housekeeping genes : RNA polymerases & F 11
12
1. Theory of Development ม 2 ทฤษฏ อธบายใหรวา Expression ของ genes ระหวาง development ในเซลลแตละชนดไมเหมอนกน F gene หนง express ในเซลลชนดหนง F gene อน express ในเซลลอกชนดอน 13
Development Differentiation ของ embryonic cells เกดจากการสญเสย genetic potential ตงแตเรมตนไปเรอย ๆ ระหวางการเปลยนแปลง F ในแตละ cell cycle ระหวาง development เซลลลกจะไมได genetic material เทากน --> เซลลไมเหมอนกน F 14
นนคอ ระหวางแบงเซลล Genes ถก แบง เปนสวน F genes สวนมากสญเสย potential ระหวาง differentiation คง เหลอแต 1. Housekeeping genes และ 2. Luxury genes F ใน invertebrate พบความแตกตางของเซลลใน embryo ตงแตระยะ 2 เซลล ขนไป และ F พบวาถก programmed มาแลว 15 F
Development เซลล embryo ของ eukaryote ชนสงตดอยรวมกนจนถงระยะ 8 cells จงแยกกนเปนแตละเซลล F ทง 8 เซลลสามารถ develop เปน 8 organisms F แสดงวาแตละเซลลของทง 8 ถกควบคม (regulated) ใหมคณสมบต Totipotent คอ F 16
F นนคอ เซลล embryo รกษา genetic materials ไมใหสญเสย เปนเวลานานถง 3 cell division cycles ซงเปนเวลานานกวา mosaic development F พฒนาการแบบน เรยกวา Regulative development 17
ผานระยะนแลว totipotency ไมแนนอน อาจ F คง totipotent เชน stem cells/ precursor cells ของ เซลลเมดเลอดใน ใขกระดก F สญเสย genetic potential สวนมากไป เชน muscle cells และ nerve cells ในพช adult cell เพยง 1 เชลล 18
โดยสรป : animals & plants F บางชนดม totipotent differentiated cells บางชนดไมม F ดงนนการสญเสย genetic material ใน differentiation ของเซลล จงไมจำเปน และ F ไมมหลกฐานการสญเสย genes ระหวาง cell differentiation F แตมหลกฐานแสดงวา cell 19
20
1. 2 Determinant กอนเซลล differentiate และ express specific function เซลลตองผานกระบวนการ Determination F Determination เปนระยะทเซลลผาน point of no return หรอ irreversible commitment ใน Development F 21
F Gradient of determinatio ns determinants อยใน egg และกระจายไม เทากนกระจา ยจากมากไปหา นอยเปนระด บ (gradient) จาก บน --> ลาง 22
F F F Determinants อาจเปน Maternal messages m. RNA สงเคราะหขนจำนวนมากแลว เกบสะสมไวระหวาง การเจรญของ egg (developing egg) หรอ Determinants อาจเปน 23
2. 2 Inducers Substance ทเซลลหนงผลตขนใหไป มอทธพลตอ การพฒนาการของอกเซลลหน ง หรอ เปน Signal จาก cell ถง cell เชน F เนอเยอ embryo 3 ชน F 24
2. 3 Morphogens เปน subsets ของ determinant และ inducer F Morphogen ตดสนรปราง (morphology) ของ embryo ทกำลงพฒนา F Morphogen สามารถชกนำใหเกดการเปลย นรป ราง ในตาง embryo F 25
พบวา Retinoic acid เปน morphogen ในพฒนาการของหลายเนอเยอแ ละหลายสงมชวตรวมทงคน F Retinoic acid ยง สามารถทำงานรวมกบ hormones อนใน differentiation ไดดวย F 26
II. Control of Gene Expression in Differentiation 27
Differentiation เกดโดยการ turn -on ของ genes ทเลอกแลว F เปน control ของ structural gene expression ระดบ F • Transcription, • Posttranscription, • Translation และ • Posttranslation 28
Control ใน Prokaryote มการเปลยนแปลงอยางมากใน gene expression และ cellular activity F เชน ใน bacteria เจรญจาก Sporulation --> Vegetative F พบการเปลยนท sigma (s) F 29
Control ใน Eukaryote Expression ของ luxury genes 1. Hormone activation of genes 2. Hormone- 30
. 1 Hormone Activation on Genes F Hormone ทำ งานโดย turn on transcription ของ specific genes ใน target cells ได 1. โดยตรง โดย เขาไปจบกบ genes ใน nucleus 2. โดยออม โดยผาน second messenger ท cell membrane หรอใน cytoplasm 31
Steroid Hormone Steroid hormone มบทบาทสำคญใน development และ differentiation F Steroid hormone ซมผาน cell membrane เขา cytoplasm เขา nucleus ไปจบกบ receptor ใน nucleus F 32
Effect ของ Steroid Hormo ne ตอ Gene Expres sion 33
Activation ของ Estrogen ตอ Ovalbumin Gene ใน chick oviduct estrogen-receptor complex ม binding site ทระหวาง 250 -300 base pairs upstream จาก TATA box F hormone-receptor complex กคอ transcription factor ท bind และ stimulate ท ตำแหนง enhancer ของ gene F 34
Hormone อกหลาย family ทม receptor ใน nucleus ซงม บทบาทสำคญใน development 1) Glucocorticoid receptor : mediate gene โดย hormone cortisol 2) Vitamin D 3 receptor 3) Thyroid hormone receptor 4) Retinoic acid receptor 35
Elements (HRE) F F คอ Enhancer สำหรบจบกบ receptor ของ hormone หรอกบ hormone-receptor complex Enhancer ทถกจบแลวจงไปชวย Promotor ของ gene เพอให RNA polymerase ทำ transcription บน 36
Receptor Retinoic acid responsive element (RARE) เปน binding site บน DNA สำหรบจบ Retinoic acid receptor (RAR) RAR โมเลกลคลาย นวมอ เรยก วา Finger protein ซง ม 2 Zinc fingers 37
Retinoic acid receptor (RAR) = protein F จบ กบ Retinoic acid responsive element (RARE) = DNA sequence ได RAR-RARE complex บน DNA F แลว Retinoic acid (R) จง เขา จบ กบ RAR-RARE complex F 38
Action ของ Retinoic Acid RAR (receptor) + RARE (element) RAR-RARE Complex Promotor-----Gene-----/ /-------RAREPromotor-----Gene-----/ 39
40
hormone receptor (THR) RARE เปน enhancer ของ Thyroid hormone receptor (THR) ดวย F ทำให thyroid hormone ทำงานรวมกบ retinoic acid ในการ ควบคมการผลต growth hormone F 41
Vitamin D 3 Receptor Vitamin D 3 ทำงานรวมกบ Retinoic acid F โดยจบ กบ VDR และ RAR ตามลำดบ ท RARE F รวมกน turn on Osteocalcin gene --> product เกยว กบ differentiation ของ immature F 42
สรปไดวา Cells ทง หมด response ตอ hormoneไมเหมอนกน เพราะ ม hormone receptor ม ความเฉพาะ specificity ตางกน F Hormones สวนมากม target เพยง 2 -3 cell types F กรณ Retinoic acid ใน vertebrate ม receptor 3 types F เฉพาะ type RARa พบมในเซลลเกอบทกชนด F 43
genes ตนกลา (Seedling) ของพช เจรญ ในความมด จะไมสราง photosynthetic apparatus ซงคอ chlorophyll เพอประหยดพลงงาน F เมอไดรบแสง seedling จงเปลยนเปนสเขยว โดย enzyme สราง chlorophyll เปน F 44
Rubisco Gene ลกษณะของ Rubisco gene และ light-inducible genes F Promoter : H H H ท -35 base pair region ม TATA box Sequence จาก -35 ถง -46 เปน light dependent และ จากตำแหนง -46 upstream จงตอบสนองตอแสง 45
response gene )a) Rubisc o gene จาก pea cloned ใส petunia cells (b) Rubisc 46
Control Expression ของ gene ใน cell differentiation ใน plants และ animals Regulatory region / 5’-flanking region แบบ F cis-acting DNA คอ Control region อยบนสายเดยวกบ structural gene เชน TATA box และ GC box 47
III. Nature of Determination 48
Determination คอ กระบวนการตดสนทไมยอ นกลบ เพอให cell ดำเนนไปตาม developmental pathway F เกยวของกบการเปลยนส ภาวะทางกายภาพของ Chromatin 49 F
วธ Determination . 1 DNase Hypersensitivity F. 2 Control expression ของ 5 S r. RNA F. 3 DNA methylation F 50
. 1 DNase Hypersensitivity F DNA บรเวณระหวาง Nucleosomes (300 bp) บน chromatin ไมมโปรตน histones จะไวตอ DNas เรยกวา DNase hypersensitive site 51
DNase hypersensitive region กคอ 5’- flanking region / regulatory region (promoter & enhancer) F ทำหนาท turn on/off gene โดยตองม factor (protein) ปองกนไมใหบรเวณ hypersensitivity นใหกลายเปน Nucleosome เชน F H H globin gene ในเมดแดงของกบ Hypersensitivity region ท 60 -260 52
expression 5 S r. RNA genes (กบ) ม 20, 000 genes แบงเปน 2 family 1. Oocyte 5 S r. RNA genes : 98 % , transcription เกด เฉพาะ ใน oocytes 2. Somatic 5 S r. RNA genes : 2 % , 53 F
families F หลง replication แตละรอบของ cell division จะเกดจากการแขงขนระหวาง H H transcription factors RNA Pol III ม factors คอ TFIIIA, TFIIIB, และ TFIIIC กบ histones บน hypersensitivity region 54
ใน immuture egg: F Oocyte 5 S r. RNA genes express แต somatic 5 S r. RNA genes ถก repressed ใน developing embryo: Embryo ~ 3, 200 cells F TFIIIA ลดจำนวนลงเรอยๆ จนเหลอ 1 โมเลกล / oocyte r. RNA gene 55
. 3 DNA methylation Active genes ปกตม low methyl groups หรอ ไมม F Methylation ของ DNA F H H F ทำให repress gene และถายทอดได และ เปน signal ให DNA สายใหมม methylation ดวย กฎ methylation ใน higher 56
Determination โดย mehtylation เพอ 1) Repress gene activity และ 2) permanent F จดเปน Epigenetic mechanism เพราะ methylation ไมทำใหเปลยน genetic แต ทำให gene turn off เรวระหวาง development เชน F H X chromosome ใน female พบวาถก methylated และ หยด 57
Determination F ใน แมลงหว พบโดยการทำ mutation: พบ genes ททำใหเกด determination ชะตาของเซลลชนดตางๆ เรยกวา Homoeotic genes หรอ Homeotic genes F โดยเมอทำ mutation 58
เชน Antennapedia (Antp) mutant มขาในตำแหนงของหนวด F แสดงวา genes ของ cells ในตำแหนงหนวด ไดถกเปลยนใหเหมอนขา หรอ cells ปกตทควร develop เปนหนวดไดถก programmed ให develop เปนขา F H H Transformation เกยวของกบ activity ของหลายgenes แตพบมเพยง gene เดยวเมอถก 59
F นนคอ Homeotic gene เปน Master gene ทเกยวของกบ determination ชะตา (fate) ของเซลลวาจะพฒนาเปนเซลลชน ดอะไร H ถา mutate gene นจะทำให determination เปลยนไปสวถ programใหม Homeotic genes จงมบทบาทเปน ศนยกลาง development F ในแมลงหวศกษาพบ Homeotic / F 60
Homeobox Common DNA sequence ประมาณ 180 bp พบ F ใน Homeotic genes เปน complex (cluster) genes และ F ใน Non-homeotic genes ซงไมได ทำ ให เกด transform ของ body part แตกมความสำคญเชนเดยวก 61
ลกษณะของ Homeobox % 79 - % 75 conserved F share และ control genes อนให develop อยางเปนขนตอน F code ให protein ทม DNAbinding domain ท เปน positively charged มาก F protein ซงเปน transcription factor จะ migrate กลบ ไปใน F 62
genes เหมอนกนทง vertebrate และ invertebrate คอ F เรยง ตาม anterior-posterior body axis ท express โดย H genes ท อยเรมตนของ cluster เปน genes ท express ไปทางหนา (anterior) และ 63
Maternal Effect Genes ท code ให products ใน egg แลว ปรมาณ ของ products กระจายจากมากไปหานอย หรอ ทำให egg ม polarity F products ม effect ตอ development ของ body parts F bicoid (bcd) gene ~ การเกด 64
Segmentation genes Control organization ของปลองของรางกาย segments F ftz gene พบ segment เวน segment เปน pair-rule genes แสดงออกใน embryo ระยะตน F engrailed gene แบง embryo ออกเปน anterior & posterior 65
Vertebrate homeoboxes sequence ของ homeoboxes ของ แมลงหวกบของ vertebrate คลายกนมากถง 95% F การจดเรยงของ genes เปน cluster ในลำดบเดยวกบท express H homeotic genes ทอยตอนตนของ clusters express F 66
F F homeobox gene ของ vertebrate active ชากวาและ active ทงกอนและหลง differentiation homeobox proteins ใน vertebrates เปนทง Transcription factor และ Regulator ใน development ของ embryo 67
Pit -1 protein ใน mouse dwarf (dw) gene F ควบคม development ของ pituitary glands ซงผลต growth hormone, prolactin hormone และ thyroid - stimulating hormone แสดงวา Pit-1 ม multiple effects 68
Developmental pathway F House keeping genes & Luxury genes F Mosaic development vs. Regulative development F Totipotency vs. Epignetics F Determinants, Inducers & Mophogens F Differentiation control in Prokaryote vs. Eukaryote F H H Animal: Hormone-induced genes & Hormone responsive element Plant: Light-induced genes DNA hypersensitivity, r. RNA gene expression, and DNA methylation F Homeotic genes & Homeobox 69 F
Скачать презентацию 1 Developmental Genetics Topics I Genetic Basis
d65f1ae3483b8d6c96d984062d93e72a.ppt