Raidos genetika

1. Raidos genetika Algirdas Utkus Žmogaus ir medicininės genetikos katedra Medicinos fakultetas Vilniaus universitetas

2. I dalis • “Kodėl ląstelėms dalijantis atsiranda nelygiavertės, diferencijuotos ląstelės, kai jos turėtų būti vienodos” (August Weismann, 1882)

3. Pirminė daugelio genų funkcija eukariotų organizme yra koordinuoti embriono raidą • Didžioji dauguma fenotipų susiformuoja embriono raidos laikotarpiu, nes daugelio genų funkcija yra generuoti bendrąjį besivystančio embriono planą (modelį) • Tam tikro geno funkcijų netektis lemia vystymosi sutrikimą, kuris pasireiškia suaugusio žmogaus fenotipe. • Eukariotų genetika yra raidos genetika!

4. Kaip iš vienos ląstelės, apvaisintos kiaušialąstės (zigotos) išsivysto suaugęs organizmas, kuris sudarytas ne tik iš milijonų ląstelių, bet ir iš tūkstančių skirtingų ląstelių tipų? • Ląstelės diferencijuoja (ryški ląstelių specializacija, kai ląstelės skiriasi nuo kitų ląstelių) • Kaip tai įvyksta? Kaip ląstelės žino kokiu keliu pasukti?

5. Mozaikos teorija (Wilhelm Roux ir August Weismann, 1890) • Yra determinantai, kurie lemia skirtingus diferenciacijos kelius • Šie determinantai visi privalo būti zigotoje, bet kai vyksta ląstelių dalinimasis po apvaisinimo, determinantai ne po lygiai perduodami dukterinėms ląstelėms (kokybinis ląstelės dalinimasis) • Determinantų rinkinys bus dalijamas iki kiekvienos ląstelės, turinčios tik vieno tipo determinantą, kuris nuspręs ląstelės likimą

6. Mozaikos teorija (Wilhelm Roux ir August Weismann, 1890) • Iš naujo atrasti Mendelio darbai ir “geno” koncepcijos pripažinimas leido galvoti, kad genai ir buvo tie determinantai, kurie padalijami ląstelėms. • Ši idėja buvo priimtina dėl paprastumo, tačiau buvo viena maža problema - tai buvo neteisinga • Šios teorijos pabaiga 1960 m.: branduolio perkėlimo tyrimai

7. Mozaikos teorija (Wilhelm Roux ir August Weismann, 1890) • Branduoliai paimti iš buožgalvio žarnyno ląstelių ir injekuoti į kiaušinėlius, iš kurių pašalinti branduoliai • Išsivystė varlės turėdamos tik genetinę informaciją iš buožgalvio žarnyno ląstelių branduolių • Buožgalvio žarnyno ląstelių branduoliai privalo turėti visą genetinę informaciją, reikalingą bet kokios ląstelės diferenciacijai

8. Mozaikos teorija (Wilhelm Roux ir August Weismann, 1890) • Jei mozaikos teorija būtų teisinga, taip nebūtų atsitikę; buožgalvio žarnyno ląstelių branduoliai privalėjo turėti tik genetinę informaciją būtiną žarnyno ląstelių diferenciacijai • Varlės, išsivystę po tokios procedūros, genetiškai identiškos varlėms, iš kurių paimti žarnyno ląstelių branduoliai • Dolly klonavimas - žinduolių diferencijuotų ląstelių branduoliai turi genetinę informaciją, reikalingą raidai

9. Diferencinės genų ekspresijos teorija • Jei visi branduoliai organizme turi tą pačią genetinę informaciją, tai kaip įvyksta diferenciacija? • Ši teorija nurodo, kad diferenciacija įvyksta kaip ekspresijos rezultatas tam tikroje ląstelėje, jei yra poaibis visų genų, pvz., jei ląstelė ekspresuoja tik genų rinkinį, kuris lemia raumens diferenciaciją, tai ši ląstelė diferencijuos į raumens ląstelę

10. Diferencinės genų ekspresijos teorija • Tai paprasta koncepcija, tačiau tiksliai neatsako kaip ląstelės aktyvuoja tik tam tikrą genų rinkinį (inaktyvuodamos visus kitus genus) ir kaip jos žino, kurį genų rinkinį aktyvuoti? • Genų, aktyvuojamų ląstelėje, rinkinys priklauso nuo transkripcijos veiksnių (TV) rinkinio, esančio ląstelėje • Raumens ląstelės pavyzdys: ląstelė aktyvuoja raumens specifinius genus, nes turi TV, kurie specifiškai aktyvuoja raumens specifinius genus

11. Diferencinės genų ekspresijos teorija • Tačiau…kaip atsiranda ląstelės, turinčios tik specifinį TV rinkinį? • Šie TV yra koduojami genų, kurie reguliuojami kitų specifinių TV, kurie koduojami kitų genų, kurie reguliuojami TV ir t. t. • Kiekvienoje ląstelėje yra genų hierarchija. Genai yra ekspresuojami, kurie koduoja TV, kurie aktyvuoja kitus genus, koduojančius TV, kurie aktyvuoja kitus genus ir tai nulemia diferenciaciją specifiniame kelyje

12. Diferencinės genų ekspresijos teorija • Kiek lygių yra hierarchijoje? • Kiekvienas TV rinkinys yra koduojamas genų, kurie aktyvuojami kito TV rinkinio ir t. t. Kur pabaiga? • Pabaiga yra susijusi su pagrindinės (pirminės) kontrolės (Master Control) genais (PKG). • PKG yra pirmas genas, aktyvuotas hierarchijoje ir tai sąlygoja diferenciaciją. PKG koduoja pirmąjį TV šioje hierarchijoje

13. Diferencinės genų ekspresijos teorija • PKG produktas aktyvuoja kitų genų rinkinį, kuris koduoja kitą TV rinkinį ir paleidžiama genų ekspresijos kaskada • Pavyzdys: PKG raumens raidai yra genų šeima vadinama MyoD geno šeima. Šie genai koduoja HLH tipo TV. Ar šie genai yra raumens PKG? • Raumens PKG inicijuoja raumens diferenciaciją ir jei MyoD genai yra aktyvuojami kitose ląstelėse, tai jie paskatins ląsteles transdiferencijuoti į raumenį

14. Diferencinės genų ekspresijos teorija • Pavyzdys: hepatocitai ar adipocitai, kuriuose vyksta MyoD genų ekspresija, pasikeis nuo įprastinio fenotipo į raumens ląsteles • PKG reguliacija: a) indukcija (ląstelė siunčia kitai ląstelei signalą, nurodant kaip diferencijuoti ir šis signalas sąlygoja recipiento ląstelę aktyvuoti atitinkamą PKG produktą. Signalai iš kitų ląstelių sąlygoja MyoD genus tapti aktyviais ląstelėse, gaunančiose signalą ir inicijuojama raumens diferenciacija)

15. Diferencinės genų ekspresijos teorija • b) autonominė reguliacija (ląstelė “žino” į ką reikia diferencijuoti; taip vyksta diferenciacija odos epidermio ląstelėse). • Kaip ląstelė žino į ką reikia diferencijuoti? • Ląstelė paveldėjo “determinantą”, kuris lemia ląstelės diferenciaciją • “Determinantai” - mRNR molekulės (gaminamos ovogenezės laikotarpiu ir saugomos kiaušinėlių lokalizuotuose regionuose), kurios koduoja TV

16. Diferencinės genų ekspresijos teorija • Tokie “determinantai” vėliau po lygiai perduodami dukterinėms ląstelėms, vykstant embriono ląstelių dalinimuisi. Tai labai panašu į mozaikos teoriją • Tačiau šiuo atveju ne genai po lygiai padalinami tarp ląstelių, bet mRNR molekulės, produkuotos tam tikrų genų

17. Išvados • Raidos biologija analizuoja ląstelių diferenciacijos principus embriono raidos laikotarpiu • Dvi diferenciacijos teorijos: mozaikos teorija (genai nelygiai padalinami tarp ląstelių vystymosi metu), kuri buvo atmesta ir diferencinės genų ekspresijos teorija (ląstelės diferencijuoja atsižvelgiant koks jų genų rinkinio poaibis ekspresuojamas)

18. Išvados • PKG yra genai, kurie inicijuoja diferenciaciją. Šie genai koduoja TV, kurie aktyvuoja genų ekspresijos kaskadą, sąlygojančią diferenciaciją • PGK gali būti aktyvuojami indukcija ar autonomine reguliacija

19. II dalis • XX a. 7- me dešimtmetyje Drosophila raidos genetika • Genai, kontroliuojantys ankstyvą raidą: a) motininio efekto genai, b) segmentacijos genai, c) modelio formavimosi genai • Homologiniai žmogaus genai vaidina panašų vaidmenį žmogaus raidoje • 1995 m. Nobelio premijos laureatai: Edward B. Lewis, Eric Wieschaus, Christiane Nüsslein-Volhard

20. Motininio efekto genai (MEG): somatiniai ir gemalinių ląstelių • Genai, kurie veikia motinos ląstelėse ir reikalingi bręstančio ovocito veiklai ir jo determinacijai; lemia bedrąjį būsimojo organizmo planą ir gemalo raidos kryptį/ašį (priekinę - užpakalinę, galinę, nugaros-pilvo) • MEG mutacijos lemia motinos sterilumą • Motininio efekto somatiniai genai funkcionuoja motinos somatinėse ląstelėse ir jų produktai - RNR arba baltymai gabenami į ovocitą

21. Motininio efekto genai (MEG): somatiniai ir gemalinių ląstelių • Motininio efekto somatiniai genai svarbūs morfogenų (baltymo ar baltymo-RNR komplekso) pernašai ovocito viduje. MEG koduoja morfogenus • Morfogenai (Bicoid) lemia priekinę-užpakalinę organizmo ašį ir nugaros-pilvo ašį (Dorsal) • MEG funkcijas papildo genai, koduojantys judėjimo baltymus ir mikrovamzdelius

22. Segmentacijos ir modelio formavimosi genai • Visuose organizmuose embriono genai aktyvuojami ir pasidaro svarbesni už motininius - žmogui tai įvyksta 4-8 ląstelių raidos stadijoje • Būsimojo organizmo planas suformuojamas per du žingsnius: a) segmentacijos genai veikia vienas kitą pakopomis ir gemalas suskirstomas į juostas ir segmentus, b) modelio formavimosi genai nustato skirtingą raidos potencialą kiekvienam segmentui

23. Genai, lemiantys segmentaciją 1. Motininio efekto genai  priekinė-užpakalinė dalis; valdo kitus genus 2. Tarpo (gap) genai  keturios plačios juostos 3. Porinės taisyklės (pair-rule) genai  septynios juostos kas antrą segmentą 4. Segmentų poliškumo (segment polarity) genai  14 segmentų 5. Homeoziniai genai (selektoriai)  lemia segmentų diferenciaciją (1-3 C1-C3; 4-6 T1 - T3; 7-14  A1-A8

24. Genai, lemiantys segmentaciją • Homeoziniai genai sukoncentruoja genus, lemiančius organų, esančių tam tikrame segmente, raidą • XX a. 8-me dešimtmetyje atrasti segmentacijos ir homeozinių sričių genai ir jų produktai - homeo genai (Homeobox) (3` gale yra 180 n.p. ilgio specifinė nukleotidų seka) • Homeo seka koduoja polipeptidą (60 amino r. seka) - homeodomeną, kuris yra HTH tipo transkripcijos veiksnys ir reguliuoja kitus genus, susijungiant su greitintuvu ar promotoriumi

25. Žinduolių homeo genai (HOX 1-4) 1. Priekinė - užpakalinė ašis 2. Segmentuotų organų/struktūrų raida 3. Kitos funkcijos

26. Stuburinių homeoziniai genaiStuburas • HOX/Hox genai: stoka ar inaktyvacija atitinkamo Hox geno gali pakeisti slankstelį į aukščiau esantį slankstelį, pvz., Hox-b4 inaktyvacija lems, kad II cervikalinis slankstelis pasidarys panašus į I-jį cervikalinį slankstelį • Hox ekspresija sutrikdoma retinolinės r., kuriai susijungus su intraląstelinių RAR pradeda veikti kaip TV su specifiniu poveikiu į priekinės-užpakalinės ašies ir galūnių raidą (priekinių Hox ekspresija pasislenka daugiau į galą, o užpakalinių - atvirkščiai)

27. Stuburinių homeoziniai genaiGalūnės • Krūtininis pelekas ir viršutinės galūnės formuojasi I krūt. slankstelio lygmenyje - Hox-b8 ir Hox-c6 genų ekspresija • Dubeninis pelekas ir apatinės galūnės formuojasi Hox-c9 priekinės ekspresijos vietoje (šiuos genus aktyvuoja retinolinė r.) • Kiti Hox reguliatoriai - signalinės molekulės: FGF, BMP, Wnt baltymas, SHH baltymas • Viščiuko galūnėje 23 skirtingi Hox genai • Hox/HOX mutacijos lemia defektų atsiradimą

28. Stuburinių homeoziniai genaiCNS, nervinė ketera ir žiočių lankai • Hox/HOX genai galinių ir nugaros smegenų raidoje • Galinės smegenys: 8 į balionus panašūs segmentai, vadinami rombomerais • Galinės smegenys  smegenėlės, tiltas, pailgosios smegenys • Hox-b1 ekspresija tik 4 rombomere, Hox-b2 - nuo 3 rombomero iki likusių rombomerų ir nugaros smegenų, Hox-b3 - nuo 5 rombomero, Hox-b4 - nuo 7 rombomero. Hox-a dalyvauja rombomerų, nervinės keteros, žiočių lankų raidoje

29. Genai, lemiantys segmentaciją • Homeo genai - archaiški, konservatyvūs genai reikšmingi raidai (žmogaus ir pelės homeodomenai identiški ir skiriasi tik 1 amino r. nuo homeodomeno, koduojamo Antennapedia vaisinės musės geno) • Homeo genų ekspresija yra laike ir erdvėje išilgai embriono priekinės ir užpakalinės ašies