Биология развития

Н. Володина 26.03.2011

РазвитиеМиллиарды клеток организми происходят от одной яйцеклеткиСуществует 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

Картина эмбриогенеза у человека

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

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

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

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 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

PAX 6 • Экспрессия PAX6

контролирует развитиеЕсли 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

Другой пример эволюционного

консерватизма: eyeless

• Этот ген более похож на PAX6 чем paired– 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

3 процесса эмбрионального развития

• Спецификация осей, определяющих следующие направления

• Дорсально-вентральное• Передне-заднее• Левостороннее-правостороннее

• Формирование типовНапример формирование сомитовГены 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

Гормоны• Дефекты происходят в самом

гормоне или в его рецепторе• 4 семейства

– FGFR– Hedgehog– Wingless (Wnt)– TGF-beta

1. Fibroblast growth factorРецептор-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

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

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 доминантныеЭто создает проблемы для

развивающегося мозга– Также нарушения развития

конечностей

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

Рецептор Hedgehog

• Patched• Мутации

приводят к потере сигнала роста

Синдром ГорлинаСиндром базальных клеток

ЦистыКарцинома 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• Vg1

Мутации в семействе BMP

• Cartilage derived morphogenic protein (CDMP1)– Различные мутации

приводят к различному исходу

– Брахидактилия• R301ter• Аутосомно

доминантная• Короткие пальцы

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

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

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

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)• SOX9

– Экспрессируется на высоком уровне у особей мужского пола непосредственно перед дифференциацией гонад

– Мутации вызывают• Изменение пола у XY • Дефекты скелета

• SOX 10Нарушение 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 костейи гениталий• Недоразвитые молочные железы

Общие идеи – Транскрипционные факторы

• Независимое действиеЭффект мутации зависит от позиции гена в сигнальном каскаде

• Координированный контроль– У 1 фактора может быть много целей– Может контролировать экспрессию других транск. факторовВременный 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

ДиагнозАвстралийская 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.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

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.