Биология развития

1. Биология развития Н. Володина 26.03.2011

2. Развитие 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

3. Картина эмбриогенеза у человека

5. Карты будущих тканей • 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

6. 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 2х генотипов – обычно такие эксперименты делали на амфибиях

7. Линии клеток • 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

8. 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

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

10. Гены, важные для развития консервативны в эволюции • Сохранение функций у разных организмов • Например ген дрозофилы pairedимеет гомолог в людях и мышах: PAX 6 • Мутации в PAX6 были исследованы на предмет участия в развитии именно из-за гомологии к гену, важному для развития эмбриона дрозофилы • Белок PAX6 оказался транскрипционным фактором содержащим домен Гомеобокс • Мутации этого гена приводят к неразвитию радужки в случае неполной экспресии гена

11. PAX 6 • Экспрессия PAX6 контролирует развитие Если ген не экспрессируется совсем, то глаза не развиваются • PAX6 домены контролируются дифференциальной экспрессией гомеобоксов • Связывание ДНК происходит в N- и С-конце белка • Альтернативный сплайсинг контролирует какой домен функционирует

12. Другой пример эволюционного консерватизма: eyeless • Этот ген более похож на PAX6 чемpaired • Мутация eyeless приводит к безглазым дрозофилам • Эктопическая экспрессия eyeless на антеннах приводит к глазам на антеннах • Когда мышинный ген Pax6 был экспрессирован у дрозофил это приводило к развитию глаз в месте экспрессии • Это означает что функция гена была сохранена во все время эволюции

13. 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

14. 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

15. 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

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

17. Гормоны • Дефекты происходят в самом гормоне или в его рецепторе • 4 семейства • FGFR • Hedgehog • Wingless (Wnt) • TGF-beta • 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

18. FGFR3 Mutation • Ахондроплазия • Аутосомно доминантная мутация FGFR3 • 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

19. Краниосиностозис • Преждевременной слияние черепных швов • Генетическое заболевание • Рост костей может быть эндохондриальным или мембранным • FGFR3 G1138A мутация приводит к ахондроплазии из-за остановки роста хондроцитов • FGFR1 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

20. Hedgehog • Sonic Hedgehog – паракринный гормон • Помогает определить • Дорсо-вентральную полярность нервной трубки • Антерио-постериальную (передне-заднюю) 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

21. Рецептор Hedgehog • Patched • Мутации приводят к потере сигнала роста

22. 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

23. 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

24. 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 • Vg1

25. Мутации в семействе BMP • Cartilage derived morphogenic protein (CDMP1) • Различные мутации приводят к различному исходу • Брахидактилия • R301ter • Аутосомно доминантная • Короткие пальцы

26. Другие мутации CDMP1 • Акромезомелическая дисплазия • Короткие пальцы и конечности • 22 bp дупликация • Аутосомно рецессивная • Хондродисплазия Греба • C400Y • Аутосомно рецессивная • Белок не экспортируется • Влияет на другие белки • Сильно укороченные длинные кости конечностей и пальцы • В Бразилии встречается с частотой l 1/50

27. Транскрипционные факторы • Семейства родственных генов • Похожие функции • 3 основных семейства, важных для развития • 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

28. Человеческие hox гены • 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 антериально-постериальных структур

29. Геномная организация человеческих HOX генов

30. 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

31. ТФ содержащие домен HMG • SOX гены • Транскрипционные факторы (ТФ) • SOX9 • 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

32. 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

33. 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

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

35. Aarskog Syndrome Parents Support Group http://laran.waisman.wisc.edu/fv/www/lib_aars.htm 3001 Aicardi Syndrome Foundation http://www.aicardi.com 3018 Alagille Syndrome Alliance http://www.alagille.org 3019 Alport Syndrome Home Page http://www.cc.utah.edu/~cla6202/ASHP.htm 4509 Alstrom syndrome: International Alstroms Syndrome Newsletter http://www.jax.org/alstrom 3020 American Cleft Palate-Craniofacial Association (ACPA) http://www.cleftline.org Angelman Syndrome Foundation, Inc http://www.angelman.org 3462 Alkaptonuria and Ochronosis Notebook http://www.goodnet.com/~ee72478/enable/AKU.htm 5998 Ataxia-Telangiectasia Children's Project http://www.atcp.org 3033 Bardert-Biedl, Laurence-Moon http://www.isgrd.umds.ac.uk/laurence/laurence2.htm 3276, 3113 Batten Disease Support & Research Assn http://bdsra.org 3333 Beckwith-Wiedemann Support Network http://www.beckwith-wiedemann.org 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 CardioFacioCutaneous Syndrome Foundation http://www.cfcfoundation.com 3627 CDG Syndrome Society http://www.emu.lu.se/cdg/indexeng.shtml 5223 Charcot-Marie-Tooth Association http://www.charcot-marie-tooth.org 4384 CHARGE Syndrome Fdn http://www.chargesyndrome.org 3480 Chromosome 8 Home Page (Wells Labs) http://wimp.nsm.uh.edu/eight.html 3416, 3184 Chromosome 9p- Network http://www.9pminus.org 3081 Chromosome 11q: European Chromosome 11Q Network http://home.wxs.nl/~avbetuw/home.htm 3087 Chromosome 18 Home Page http://www.childrenshospital.org/chromosome18/index.html 3094, 3702, 3095,3096, 3699 Chromosome 22 Central http://www.nt.net/~a815/chr22.htm 3132, 3186, 5359, 3703, 3267 Coffin-Lowry Syndrome Foundation http://clsfoundation.tripod.com/ 3150 Coffin-Siris Syndrome Support Group http://members.aol.com/CoffinSiri/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

36. 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

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