Биология развития Н Володина 26 03 2011

Биология развития Н. Володина 26. 03. 2011

Миллиарды клеток организми происходят от одной яйцеклетки Существует план развития и все клетки связаны функционально • Дифференциация клеток обуславливается контролем экспрессии генов – Клетка состоит из белков, продуцируемых ее экспрессируемыми генами – Какие гены экспрессируются, такая будет и клетка • Генетические дефекты производят дефекты развития – Мутации единичных генов – Хромосомные изменения – Влияние окружающей среды Развитие

Картина эмбриогенеза у человека

– Если мы пересадим часть эмбриона в другой участок, из нее все равно разовьется то что должно было развиться первоначально – После того как клетки встали на определенный путь развития, они разовьются в определенную ткань даже если их изолировать и выращивать в культуре • Клетка может перенять программирование другого участка, если ее пересадить в другой эмбрион – Подобные карты были сконструированы из результатов трансплантационных экспериментов Карты будущих тканей

Смешивание эмбрионов • Плурипотентные клетки приобретают свое назначение из их окружения • Трансгенные животные созданы путем переноса плурипотентных клеток из одного эмбриона в другой • Клетки забраны из одного эмбриона перед тем как их назначение определено окончательно • Полученное животное имеет клетки 2 х генотипов – обычно такие эксперименты делали на амфибиях

• Развивающаяся клетка производит потомство, которое может дать клон клеток в одном месте, или послать клетки в другие районы – Когда клетки каким-то образом помечены (например, микроинъекцией краски), то и ее судьба может быть прослежена • Результат будет зависеть от окружающих клеток и от их собственного программирования • Взаимодействие этих сигналов дает результат развития • Когда эмбриональная среда уже не имеет никакого эффекта, клетка называется детерминированной Линии клеток

• Мозаичное и регулятивное развитие В раннем эмбрионе, потеря клетки может быть компенсирована так как окружающие клетки могут быть индуцированы занять ее место • Их предназаначение определяется окружающими клетками • Но в более позднем эмбрионе, клетки уже детерминированы и потеря одной клетки не может быть компенсирована окружающими • Ткани начинают развиваться независимо друг от друга как бы создавая мозаику

Определение генов, важных для развития человека • Мутагенез экспериментальных животных • Полученные нарушения развития зарегестрированы • Определены соответствующие гены • Найдены гомологи у человека. Как?

Гены, важные для развития консервативны в эволюции • Сохранение функций у разных организмов • Например ген дрозофилы paired имеет гомолог в людях и мышах: PAX 6 • Мутации в PAX 6 были исследованы на предмет участия в развитии именно изза гомологии к гену, важному для развития эмбриона дрозофилы • Белок PAX 6 оказался транскрипционным фактором содержащим домен Гомеобокс • Мутации этого гена приводят к неразвитию радужки в случае неполной экспресии гена

PAX 6 • Экспрессия PAX 6 контролирует развитие Если ген не экспрессируется совсем, то глаза не развиваются • PAX 6 домены контролируются дифференциальной экспрессией гомеобоксов – Связывание ДНК происходит в N- и С-конце белка – Альтернативный сплайсинг контролирует какой домен функционирует

• Этот ген более похож на PAX 6 чем paired Другой пример эволюционного консерватизма: eyeless – Мутация eyeless приводит к безглазым дрозофилам – Эктопическая экспрессия eyeless на антеннах приводит к глазам на антеннах • Когда мышинный ген Pax 6 был экспрессирован у дрозофил это приводило к развитию глаз в месте экспрессии • Это означает что функция гена была сохранена во все время эволюции

3 процесса эмбрионального развития • Спецификация осей, определяющих следующие направления • Дорсально-вентральное • Передне-заднее • Левостороннее-правостороннее • Формирование типов Например формирование сомитов Гены Hox определяют какой сомит станет кем – например грудной клеткой • Органогенез

Медицинская генетика развития • Занимается идентификацией генов, отвечающих за различные уродства – Гены, которые могут быть медиаторами • TGF beta, Hedgehog, Wingless, FGF and их рецепторы – Транскрипционные факторы • Hox, HMG and T-box семейсво генов Белки внеклеточного матрикса и их рецепторы • Например ламинин и интегрины • Эти гены генерируют сигналы и то что отвечает на сигналы

Межклеточный сигналинг – Экзокринный, эндокринный, паракринный и аутокринный • Экзокринный выпускает вещества в окружающую среду по протокам • Эндокринный выпускает вешества прямо в кровь или в лимфу • Клетки в непосредственной близости друг от друга влияют на их форму – Паракринный » На небольшое расстояние » Передается на непосредственное расстояние – Юкстакринный » Через контакт между клетками » Например между нейронами • Аутокринный – самому себе

Межклеточная передача сигналов (один из путей) • Гормон присоединяется к рецептору • Рецептор передает сигнал в ядро • Активация транскрипционных факторов • Старт транскрипции

• • Дефекты происходят в самом гормоне или в его рецепторе 4 семейства – – FGFR Hedgehog Wingless (Wnt) TGF-beta 1. Fibroblast growth factor Рецептор-тирозин киназа – – • • Связывание с гормоном димеризует рецептор Димер становится активным в цитоплазме 4 типа В зависимости от типа клетки Могут связываться с другими факторами роста Чувствительны к повреждению Гормоны

F G F R 3 M u t a t i o n • Ахондроплазия – Аутосомно доминантная мутация FGFR 3 • Обычно действует как тормоз на развитие хондроцитов • Делает трансмембранный домен липким • Он димеризуется и постоянная активация приводит к замедлению роста – Т. о. мутации в трансмембранном домене или вокруг него • Гипохондроплазия – Поврежден киназный домен • Танатофорическая дисплазия – Thanato – не сопоставима с жизнью – Thanatophoric = летальная – М. б. Гомозиготной ахондроплазией

• Преждевременной слияние черепных швов • Генетическое заболевание – Рост костей может быть эндохондриальным или мембранным – FGFR 3 G 1138 A мутация приводит к ахондроплазии из-за остановки роста хондроцитов – FGFR 1 and FGFR 2 мутации действуют на мембранный рост – кости черепа • Pfeiffer, Apert, Crouzon, Beare. Stevenson, Jackson Weiss синдромы – Аутосомно доминантные Это создает проблемы для развивающегося мозга – Также нарушения развития конечностей Краниосиностозис

Sonic Hedgehog – паракринный гормон – Помогает определить • Дорсо-вентральную полярность нервной трубки • Антерио-постериальную (переднезаднюю) полярность конечностей • Правостороннюю и левостороннюю полярность тела • Развитие кишечника • Развитие зубов • Мутации вызывают голопрозенцефалию – отсутсвие медианных структур мозга, несовместимо с жизнью – также Indian hedgehog • Дифференциация эндодермы • Рост костей – и Desert hedgehog • Дифференциация нервной системы • Возможно сперматогенез Hedgehog

Рецептор Hedgehog • Patched • Мутации приводят к потере сигнала роста

Синдром Горлина Синдром базальных клеток Цисты Карцинома базальных клеток • Аутосомно доминантный • Мутации в PATCHED – Высокая пенетрантность – Вариабельная экспрессивность – Доминантно негативная мутация • PTC – трансмембранный рецептор – Негативно регулирует рост – Дефективный белок связывается и инактивирует нормальный – Мутация в половых клетках приводит к дефектам развития – Соматическая мутация приводит к раку – см. картинку

Wnt • Гомолог: – Гена дрозофилы wingless – Мышиного гена int • Гликопротеиновый гормон – Гиперэкспрессия этого гена стимулирует клеточное деление, приводя у мышей к раку груди • Определяет дорсально-вентральную ось • Участвует в органогенезе • Рецептор - “Frizzled” – 7 трансмембранных доменов

TGF-beta • Transforming Growth Factor beta – сигнальная молекула – Может трансформировать клетки в культуре в раковые клетки • Супергенное семейство – Родственные гены • • TGF-beta Bone morphogenic protein (BMP) Активин Vg 1

Мутации в семействе BMP • Cartilage derived morphogenic protein (CDMP 1) – Различные мутации приводят к различному исходу – Брахидактилия • R 301 ter • Аутосомно доминантная • Короткие пальцы

• Акромезомелическая дисплазия – Короткие пальцы и конечности – 22 bp дупликация – Аутосомно рецессивная • Хондродисплазия Греба – C 400 Y – Аутосомно рецессивная Другие мутации CDMP 1 • Белок не экспортируется • Влияет на другие белки – Сильно укороченные длинные кости конечностей и пальцы – В Бразилии встречается с частотой l 1/50

Транскрипционные – Похожие функции – 3 основных семейства, важных факторы для развития • Семейства родственных генов • Белки, содержащие домен Homeobox • Белки, содержащие домен HMG • Белки, содержащие домен T-Box – Homeobox: hox, pax, emx and smx гены – Hox гены • Ответственны за сегментацию у дрозофилы • Hox genes у млекопитающих похожи • Семейство генов возникло в результате дупликации единичного гена

• Homeobox белки содержат мотив homeobox Район белка называется гомеодомен • 60 аминокислот • Связывается с ДНК • HOX гены экспрессируется последовательно в пространстве и времени – Они отвечают за образование определенных антериальнопостериальных структур Человеческие hox гены

Геномная организация человеческих HOX генов

Паттернинг у дрозофилы • Эффект гомеотических генов • Гомеозис – это трансформация одной части тела в другую – Ноги на антеннах – Двойной грудной регион Может быть вдоль любой оси

ТФ содержащие домен HMG • SOX гены • Транскрипционные факторы (ТФ) • SOX 9 – Экспрессируется на высоком уровне у особей мужского пола непосредственно перед дифференциацией гонад – Мутации вызывают • Изменение пола у XY • Дефекты скелета • SOX 10 Нарушение иннервации кишечника – Заболевание Hirschsprung

Белки, содержащие домен T-бокс TBX гены • • Определяют развитие конечностей • Мутации вызывают дефекты конечностей с вариабельной экспрессивностью – TBX 5 • Синдром Holt-Oram - Дефекты пальцев – Сердечные дефекты – TBX 3 • Ulnar-mammary синдром • Дефекты развития костей и гениталий • Недоразвитые молочные железы

Общие идеи – Транскрипционные факторы • Независимое действие Эффект мутации зависит от позиции гена в сигнальном каскаде • Координированный контроль – У 1 фактора может быть много целей – Может контролировать экспрессию других транск. факторов Временный и пространственный контроль в развивающемся эмбрионе – Часто связан с порядком генов на хромосоме • Присутствие транскрипционного фактора определяет ответ на сигнал • Мутации в различных местах сигнального пути могут иметь схожий эффект

Диагноз Австралийская база данных http: //www. possum. net. au/ Также см. след. слайд

Aarskog Syndrome Parents Support Group http: //laran. waisman. wisc. edu/fv/www/lib_aars. htm 3001 Aicardi Syndrome Foundation http: //www. beckwith-wiedemann. org/ http: //www. possum. net. au/A|/Web links for POSSUM page, 2001. doc#1, 2112, 2208, 0, , HYPERLINK http: //www. cc. utah. edu/~cla 6202/ASHP. htm 3018 Alstrom syndrome: International Alstroms Syndrome Newsletter http: //www. jax. org/alstrom 3020 American Cleft Palate-Craniofacial Association (ACPA) http: //www. emu. lu. se/cdg/indexeng. shtml Angelman Syndrome Foundation, Inc http: //www. charcot-marie-tooth. org/ 3462 Alkaptonuria and Ochronosis Notebook http: //www. goodnet. com/~ee 72478/enable/AKU. htm 5998 Ataxia-Telangiectasia Children's Project http: //wimp. nsm. uh. edu/eight. html 3033 Bardert-Biedl, Laurence-Moon http: //www. isgrd. umds. ac. uk/laurence 2. htm 3276, 3113 Batten Disease Support & Research Assn http: //home. wxs. nl/~avbetuw/home. htm 3333 Beckwith-Wiedemann Support Network http: //www. childrenshospital. org/chromosome 18/index. html 3036 Blepharophimosis, Ptosis, Epicanthus Inversus Family Network http: //www. familyvillage. wisc. edu/lib_blep. htm 3230 Blue Rubbler Bleb Nevus Syndrome Suppport Group http: //www. swmed. edu/home_pages/brbns 4229 Cardio. Facio. Cutaneous Syndrome Foundation http: //members. aol. com/Coffin. Siri/index. html 3627 CDG Syndrome Society http: //www. emu. lu. se/cdg/indexeng. shtml 5223 Charcot-Marie-Tooth Association http: //www/cridchat. u-net. com 4384 CHARGE Syndrome Fdn http: //www. 9 pminus. org/ 3480 Chromosome 8 Home Page (Wells Labs) http: //wimp. nsm. uh. edu/eight. html 3416, 3184 Chromosome 9 p- Network http: //www. hdsa. org/ 3081 Chromosome 11 q: European Chromosome 11 Q Network http: //home. wxs. nl/~avbetuw/home. htm 3087 Chromosome 18 Home Page http: //www. childrenshospital. org/chromosome 18/index. html 3094, 3702, 3095, 3096, 3699 Chromosome 22 Central http: //www. nt. net/~a 815/chr 22. htm 3132, 3186, 5359, 3703, 3267 Coffin-Lowry Syndrome Foundation http: //cdlsoutreach. org/ 3150 Coffin-Siris Syndrome Support Group http: //members. aol. com/Coffin. Siri/index. html 3151 Cornelia de Lange Syndrome Foundation http: //cdlsoutreach. org 3183 Cri-du-Chat Syndrome Support Group http: //www/cridchat. u-net. com 3073 Alagille Syndrome Alliance Alport Syndrome Home Page 3019 4509

Еще немного о дисморфологии • Уродства могут возникать случайно или как часть наследственного синдрома – E. g. Cleft lip – Лечение и. т. д. могут быть различны • Синдром – это набор признаков и симптомов заболевания

Определение пола • SRY ген (ТФ) на Y хромосоме – мужской фенотип • DAX 1 ген на X хромосоме – женский фенотип • Отсутствие рецептора андрогенных гормонов – псевдо-женский фенотип.