P Ř EDNÁŠKOVÝ BLOK „ VÝVOJOVÁ BIOLOGIE“ Úvod do vývojové biologie

1. PŘEDNÁŠKOVÝ BLOK „VÝVOJOVÁ BIOLOGIE“ • Úvod do vývojové biologie • II. Základní principy a mechanismy vývojové biologie • III. Kmenové buňky • IV. Růstové faktory a signální transdukce

2. Em E4-4.5 p.c. + Implantace Em Osa embrya je ustavena ! Ab ICM Ab Primitivní ektoderm Primitivní endoderm Trofektoderm • Zárodečné buňky • gamety • Ektoderm • vnější tělní epitelium • neurální trubice • neurální lišta • Mesoderm • notochord • dorzální mezoderm (myo,sklero,dermato-myotom) • intermediální mezoderm (meta,meso,pro-nefros) • laterální mezoderm (extraembryonální,somatický) • hlavový mezenchym • Endoderm • prvostřevo • pharynx Polární trofektoderm Extraembryonální ektoderm Choriový ektoderm Trofoblast placenty Murální trofektoderm Ektoplacentální konus Obří buňky trofoblastu Viscerální endoderm Parietální endoderm placenta parietální žloutkový váček

3. Em E4-4.5 p.c. + Implantace Em Osa embrya je ustavena !  6.5 p.c. Ab ICM Ab E6.5 - E7.5 Gastrulace- vznik definitivního ektodermu, endodermu a trofektodermu Primitivní ektoderm Primitivní endoderm Trofektoderm • Zárodečné buňky • gamety • Ektoderm • vnější tělní epitelium • neurální trubice • neurální lišta • Mesoderm • notochord • dorzální mezoderm (myo,sklero,dermato-myotom) • intermediální mezoderm (meta,meso,pro-nefros) • laterální mezoderm (extraembryonální,somatický) • hlavový mezenchym • Endoderm • prvostřevo • pharynx Polární trofektoderm Extraembryonální ektoderm Choriový ektoderm Trofoblast placenty Murální trofektoderm Ektoplacentální konus Obří buňky trofoblastu E7.5 - neonatální období Organogeneze-zakládání tkání a vznik orgánů Viscerální endoderm Parietální endoderm placenta parietální žloutkový váček Embryonální a fetální vývoj myši je 21 dnů !!!

4. Centrální koncept embryogeneze je založen na pochopení molekulárních mechanismů, které vedou ke vzniku velkého množství specifických buněčných linií potřebných pro vznik tkání a orgánů totipotentní buňka pluripotentní buňky specializované buňky první buněčné dělení preimlantační vývojgastrulaceorganogeneze -specifikace buněk/zvyšující se počet buněčných typů -zvyšující se variabilita a komplexita regulačních mechanismů

5. Gastrulace – vznik ektodermu, mesodermu a entodermu E7.5 Stádium časného primitivního proužku /Ab E6.5 alantois /Em Stádium pozdního primitivního proužku amnion E7.5 Gastrulace = masivní migrace buněk podél osy embrya provázená diferenciací

6. Diverzifikace buněk v procesu gastrulace je způsobena: změnami genové exprese a následnými změnami aktivity příslušných proteinů Mechanismus, kterým jsou buňky během embryogeneze instruovány jak změnit genovou expresi a jak aktivovat příslušné proteiny se nazývá embryonální INDUKCE Sir John Gurdon Wellcome Trust/Cancer Research UK Gurdon Institute

7. Embryonální indukce je vyvolána malými molekulami (morfogeny), jejichž exprese/syntéza podléhá přesnému genetickému programu v čase a prostoru Morfogeny jsou produkovány ohraničenými skupinami buněk z center, které se v některých případech označují jako „organizátory“ Rodina Wnt proteinů Rodina FGF proteinů a další proteiny (většinou transkripční nebo růstové faktory) specifikují vznikající buněčné linie a sublinie (např. Oct3/4, Hnf3, Hesx1, Lim1, brachyury, chordin, Sax1, Hoxb1, Flk1, Gata4, Mef2, Bmp, TGF1, aktivin, Shh, Tbx6 …) Poziční informace!!! Gradient difúze!!!

8. Gradient difúze Poziční informace (experimentální důkaz) Jak může být ustanoven in vivo? mezoderm teorie protisměrný gradient degradace Shh a Wnt Závislost na čase a koncentraci Sonic hedgehog (Shh), BMP, Wnt, FGF A – normální vývoj B – transplantace mezodermálních buněk 1 C – transplantace mezodermálních buněk 2

9. Buněčná odpověď na indukční signály růstových faktorů Efekt společenství (tzv.community effect) Kompetence Buněčná odpověď vyžaduje přítomnost molekul, které rozeznají, přijmou a interpretují signál (A) Více buněk - intenzivnější “komunikace” - výraznější změna fenotypu Když některá skupina molekul chybí, buňky mohou ztratit kompetenci na signál odpovědět (B, C, D) Příklad:zvyšující se exprese genu MyoD (vznik svalové tkáně)

10. Vývojové abnormality s příčinou defektní signalizace ve stádiu gastrulace (E6.5-7.5) a nesprávného vývoje ektodermu, mesodermu a endodermu (příklady) Sirenomelie (fenotyp mořské panny)  Tsg, Bmp, Chordin Holoprosencephalie  Nodal Kyklopie/Holoprosencephalie  Wnt, Shh Defekty neurální trubice  Blf (bloody fingers) Van Gogh-like 2 Crsh (crash) Scrb1 (circletail) Defekty levo-pravé asymetrie  Bmp, Nodal, Lefty1, Notch a další defekty, které jsou letální již v počátečním stádiu gastrulace  a jejichž příčinou jenapř. porucha signalizaceFGF, Aktivin nebo Cerberus

11. Vývoj buněčných společenství vyššího typu - tkání Molekulární principy a příklady Specifikace buněčných typů a vývoj tkání je progresivní proces, který vyžaduje akumulaci „molekulárních informací“ ve správný čas a na správném místě Expresní vzor různých genů v myším embryu (E 12 – 12.5) Molekulární informace neznamenají pouze expresi genů/proteinů příslušných určité tkáni, ale také potlačení (supresi) genů/proteinů, které mohou specifikovat formování jiné tkáně Výsledek závisí na dokonalém vyvážení mechanismů aktivace a suprese

12. Příklad: myogeneze I. Prostorová organizace a efekty různých signálních molekul Primitivní ektodermmesodermsomity (myotom)kosterní svaly A,B A B Somity Některé signální molekuly (BMP a Shh) mají dvojí efekt – indukují specifikaci jedné buněčné populace a potlačují vznik jiné buněčné populace Některé signální molekuly mají vysokou difúzní aktivitu (Shh) a tvorbou gradientu indukují specifikaci dvou rozdílných buněčných populací ve dvou od sebe vzdálených oblastech Některé signální molekuly (BMP) jsou lokálně inhibovány svými antagonisty (noggin) Neurální trubice C C S pokračující specifikací/diferenciací buněk v somitech se zvyšuje komplexita signálů (+ FGF, TGF, Wnt)

13. Příklad: myogeneze II. Signální molekuly indukují expresi myogenních regulátorů Myf5 MyoD Primitivní ektodermmesodermsomity (myotom)kosterní svaly ektoderm ? Signální molekuly indukují/inhibují expresi transkripčních faktorů Myf5 a MyoD Komplexní signalizace vyvolá další specifikaci a migraci buněk sklerotomu (růžový), epaxiálního myotomu (modrý) a hypaxiálního myotomu (zelený)

14. Příklad: myogeneze III. Myogenní regulátory (TF) progresivně specifikují kosterní svalstvo Exprese a aktivace regulátorů myogeneze během vývoje – genetická hierarchie, která řídí vznik kosterních svalů Experimentální důkaz dominantní aktivity myogenních faktorů A-heterokaryon myoblast + jiný buněčný typ = svalová bunka B -tranformace fibroblastů pomocí DNA z myoblastů Margaret Buckingham Pasteur Institute Myoblasty Myotubuly Svalová vlákna

15. Příklad: neurální indukce I. Tradiční tzv. „default“ model = model „nečinnosti“ Neurální indukce – specifikace neurální lišty z ektodermu Claudio Stern lab University College London BMP4 chordin noggin follistatin epidermis ektoderm Neurální diferenciace ANO nebo NE Neurální lišta Ektodermální buňky přirozeně diferencují a vytvářejí neurální lištu pokud NEDOSTANOUžádný jiný instruktivní signál BMP4 indukuje diferenciaci epidermis, ale v blízkosti „organizátoru“ je jeho aktivita blokována antagonisty (chordin, noggin, follistatin)

16. Příklad: neurální indukce II. Dva současné (2008) modely neurální indukce - Xenopus (A) a kur (B) Wnt+ Významná regulační úloha BMP, FGF a Wnt • FGF signály inhibují fosforylaci SMAD1 (TF), potlačují transkripci BMP, indukují expresi inhibitorů BMP chordinu • a nogginu a tím umožňují neurální diferenciaci. V závislosti na lokální koncentraci (low/high), indukuje FGF neurální nebo • mesodermální diferenciaci (B) Ve stádiu blastuly predeterminované neurální buňky mediálního epiblastu exprimují pouze vlastní FGF a diferencují dále do neurálních buněčných typů. Naproti tomu predeterminované epidermální buňky laterálního epiblastu exprimují FGF i Wnt. Wnt blokuje biologickou aktivitu FGF a umožňuje expresi BMP, což vede k diferenciaci epidermis

17. Závěrem tedy platí: Embryonální indukce je spouštěna klíčovými signálními molekulami (morfogeny) z center (organizátorů). Distribuce signálních molekul podléhá poměrně „jednoduchým“ fyzikálním zákonitostem, ale musí být naprosto přesně cílená!!! Specifikace tkání/organogenezeje složitější proces, který vyžaduje akumulaci molekulárních informací ve správný čas a na správném místě. Molekulární informace neznamenají pouze expresi genů/proteinů (TF!) příslušných určité tkáni, ale také potlačení (supresi) genů/proteinů (TF!), které mohou stimulovat formování jiné tkáně Konečný výsledek závisí na přesné ekvilibraci mechanismů aktivace a suprese !!!

18. Základní terminologie použitá v přednášce: • Totipotence schopnost diferencovat do jakéhokoliv buněčného typu, včetně zárodečných buněk • a trofoblastu; absolutní „univerzálnost“ buněk vyvíjejícího se embrya • (oplozené vajíčko, 2-8 buněčné embryo ?) • Pluripotence- schopnost diferencovat do mnoha buněčných typů s výjimkou trofoblastu • (vnitřní buněčná masa; ICM) • Primitivní proužek- migrující buňky epiblastu, stádium primitivního proužku = vývojové stádium před • a během gastrulace • FGF- fibroblast growth factor; fibroblastový růstový faktor • BMP- bone morphogenic factor/bone morphogenetic factor; kostní morfogenní faktor • Wnt- růstový faktor, u Drosophila melanogaster popsaný jako Wingless (bezkřídlý) • heterokaryon- buňka vzniklá fúzí dvou odlišných buněčných typů obsahující dvě jádra • s rozličným genetickým programem

19. Prezentace přednášky bude přístupná na: https://is.muni.cz www.med.muni.cz/biologie/ Studijní materiály Biologie - přednášky (jaro 2008)