1
GENETYKA
ROZWOJU
Monika Derda
EFEKT KOŃCOWY
Po zakończeniu seminarium powinieneś umieć:
Wyjaśnić jakie mechanizmy wpływają na rozwój zarodka.
Wyjaśnić procesy różnicowania komórek.
Wyjaśnić na czym polega rola genów homeotycznych i genów Pax.
Zdefiniować pojęcie morfogenezy i wyjaśnić na czym polega genetyczna kontrola
morfogenezy
Wyjaśnić pozagenetyczne źródła informacji w procesie rozwoju .
Komórka jest podstawową jednostką organizmu. Istotnym problemem biologii jest wyja-
ś
nienie mechanizmów, które powodują, że z pojedynczej zapłodnionej komórki jajowej po-
wstaje skomplikowany organizm. Pojedyncza komórka przekształca się w wyspecjalizowane
tkanki i narządy, które następnie tworzą układy pełniące określone funkcje w organizmie.
Odbywa się to według odziedziczonego planu. Momentem zapoczątkowującym rozwój czło-
wieka jest połączenie komórki jajowej z plemnikiem. Zapłodniona komórka jajowa, czyli
zygota jest totipotencjalna, tzn. ma nieograniczone możliwości rozwojowe i daje początek
wszystkim komórkom organizmu.
Rozwój zarodka z zapłodnionej komórki jajowej jest szeregiem złożonych procesów regu-
lacyjnych, dokonujących się w różnorodnych komórkach tworzącego się organizmu. W onto-
genezie człowieka powstaje ponad 200 różnych typów komórek.
Rozwój zarodka
Rozwój zarodka zależny jest od mechanizmów genetycznych. Przekształcanie się zarodka
w całkowicie ukształtowany organizm jest następstwem określonego ciągu ekspresji genomu.
Ekspresja genomu w komórkach inicjujących rozwój oraz w komórkach potomnych uwarun-
kowana jest ich aktualnym stanem morfologicznym i fizjologicznym oraz osiągniętym przez
nie poziomem zróżnicowania. Na ekspresję genów wpływa również wzajemne oddziaływanie
na siebie komórek, poziom ich integracji oraz środowisko zewnętrzne.
Zapłodniona komórka jajowa podlega aktywacji biologicznej. Aktywacja ta polega między
innymi na okresowej depolaryzacji błony cytoplazmatycznej. Zjawisku temu towarzyszy
cykliczne podwyższanie stężenia jonów wapnia w cytoplazmie. Bruzdkowanie zygoty jest
pierwszym etapem rozwoju zarodka. W dalszym etapie rozwoju zarodka następuje gastrulacja
i wytwarzanie listków zarodkowych.
Podczas rozwoju organizmu następuje wyodrębnienie się zarysów ciała, polaryzacja ciała
(przodo-tylna oraz grzbietowo-brzuszna) oraz właściwe rozmieszczenie elementów struktural-
nych organizmu i receptorów powierzchniowych. W rozwoju zarodkowym istotny jest fakt,
ż
e wszystkie komórki zawierają ten sam sposób przekazywania informacji genetycznej.
Przekazywanie tej informacji regulowane jest przez czynniki, które powodują wybiórczą
represję lub aktywację poszczególnych genów.
Zmiany strukturalne zarodka następujące w embriogenezie zostały opisane już wiele lat
temu. Nadal jednak nie poznano jeszcze całkowicie procesów molekularnych, które kontrolu-
ją rozwój ludzkiego zarodka. Najlepiej została zbadana molekularna i genetyczna kontrola
embriogenezy gatunków zwierząt znajdujących się na niższym szczeblu rozwoju ewolucyj-
nego, takich jak muszka owocowa (Drosophila melanogaster) oraz nicień (Caenorhabditis
elegans
).
Te dwa gatunki bezkręgowców są częstym obiektem badań genetycznych. Chociaż
2
organizmy te znacznie różnią się od człowieka, to jednak wiele podstawowych mechanizmów
genetycznych leżących u podstaw rozwoju zarodkowego jest podobnych. Znajomość gene-
tycznej i molekularnej natury embriogenezy człowieka jest oparta głównie na analogii do
organizmów niższych.
Embriogeneza ssaków polega głównie na specyfikacji linii komórkowych, metamerii oraz
specjalizacji regionalnej struktur segmentowych i niesegmentowych. Mechanizmy molekular-
ne zaangażowane w powyższe procesy są w większości nieznane. Produkty genów matczy-
nych, znajdujące się w cytoplazmie komórki jajowej, nie mają prawdopodobnie dużego zna-
czenia we wczesnej embriogenezie ssaków. Natomiast u bezkręgowców produkty genów mat-
czynych są odpowiedzialne za wstępne procesy determinujące rozwój zarodka.
Wcześnie zdeterminowane klonalne linie komórkowe nie mają kluczowego znaczenia
w embriogenezie ssaków. U bezkręgowców różnicowanie często następuje w obrębie określo-
nych linii komórkowych klonów, pochodzących od pojedynczej komórki macierzystej. Bez-
kręgowce mają prostą budowę. Występuje u nich tylko kilka typów komórek. Kiedy linia
komórkowa u bezkręgowców zostanie wyodrębniona, to późniejsze różnicowanie wielu
pokoleń komórek potomnych jest już prawie całkowicie zdeterminowane. Nie przekształcają
się już one w komórki innego typu. Natomiast u ssaków, przeznaczenie komórki jest zwykle
determinowane stopniowo w wyniku kontaktu z sąsiednimi komórkami i ze środowiskiem
pozakomórkowym. Chociaż potencjał rozwoju wstępnie zróżnicowanej populacji komórko-
wej jest ograniczony, to możliwe są liczne alternatywne formy końcowe. Ostateczne zróżni-
cowanie komórki pochodzącej z tej wstępnej populacji zależy od wpływu wielu późniejszych
czynników determinujących. Kiedy nastąpi zróżnicowanie, jest ono w znacznej mierze nieod-
wracalne, co może oznaczać, że utrwalone zostały stałe wzory transkrypcji, translacji i prze-
twarzania makromolekularnego.
Rozwój zarodka
Bezkręgowce
Kręgowce
Mają prostą budowę. Występuje u nich
tylko kilka typów komórek.
Różnicowanie komórkowe następuje tylko
w obrębie określonych linii komórkowych
klonów, pochodzących od pojedynczej
komórki macierzystej.
Zróżnicowane komórki nie przekształcają
się w komórki innego typu pod wpływem
kontaktu z innymi typami komórek, ani też
pod wpływem kontaktu ze środowiskiem
pozakomórkowy.
Mają budowę złożoną. Występuje u nich
kilkuset typów komórek.
Komórki określonej linii komórkowej
mogą przekształcać się w komórki innego
typu.
Przeznaczenie komórki jest zwykle
determinowane stopniowo w wyniku kontaktu
z sąsiednimi komórkami oraz w wyniku
kontaktu ze środowiskiem pozakomórkowym.
Różnicowanie się komórek
Zygota zawiera wszystkie informacje niezbędne do powstania całego organizmu z poje-
dynczej komórki. W trakcie kolejnych podziałów zygoty wyodrębniają się grupy komórek,
z których powstają tkanki o specyficznych właściwościach. Procesowi temu towarzyszy sto-
pniowe osłabienie ich dalszych możliwości rozwojowych. Zjawisko to nosi nazwę różnico-
wania komórkowego (cytodyferencjacji). Proces różnicowania jest zjawiskiem powszech-
nym w świecie żywych organizmów. Różnicowanie komórkowe prowadzi do ustalenia osta-
3
tecznej budowy i funkcji komórek. Gwarantuje ono powstanie specjalizacji pomiędzy
poszczególnymi zespołami komórek oraz zabezpiecza podział ich funkcji w obrębie danego
organizmu. Podstawowe procesy różnicowania zachodzące w okresie rozwoju zarodkowego
nazwano różnicowaniem pierwotnym. Natomiast różnicowanie wtórne jest ograniczone
tylko do regeneracji i występuje ono w okresie pozazarodkowym.
Zróżnicowane komórki mają już charakterystyczną strukturę, kształt i funkcje metabolicz-
ne. Syntetyzują one specyficzne białka strukturalne lub wydzielnicze, a także białka enzyma-
tyczne, warunkujące określone przemiany metaboliczne. Do prawidłowego przebiegu różni-
cowania komórek
konieczna jest podstawowa regulacja, która gwarantuje ustaloną kolejność
powstawania zmian w fenotypach komórek. Powoduje ona ograniczenie ilościowe i prze-
strzenne zmian tylko do określonych grup komórek oraz określa zasięg tych zmian.
Wszystkie komórki organizmu wielokomórkowego powstają w wyniku podziałów poje-
dynczej zapłodnionej komórki jajowej o diploidalnym zespole chromosomów, które posiadają
taki sam genotyp. Podczas kolejnych podziałów zarodka jego komórki stopniowo zmieniają
się i ostatecznie powstają z nich komórki o różnych fenotypach. Komórki te posiadają identy-
czny skład genetyczny, ale wyraźnie różnią się strukturą i pełnionymi funkcjami. Można
przyjąć, że różnicowanie się komórek polega na wytwarzaniu różnych fenotypów komór-
kowych w obrębie tego samego genotypu. Zróżnicowana komórka zachowuje pełną infor-
mację genetyczną. Nie traci ona zestawu genów potrzebnych do wytworzenia różnych tkanek,
mimo że w normalnych warunkach geny te nie ulegną nigdy ekspresji w tej komórce. Zróżni-
cowanie komórek wynika z selektywnej ekspresji genów, a nie ze zmian zawartości ma-
teriału genetycznego. Wzorzec ekspresji genów zmienia się w czasie rozwoju i jest specyfi-
czny tkankowo. Stan aktywności chromatyny przenosi się na komórki potomne i jest jednym
z elementów „pamięci komórkowej” związanej ze strukturą chromatyny. Zróżnicowany stan
aktywności chromatyny, dziedziczony przez komórki potomne, jest jednym z czynników
decydujących o determinacji rozwojowej danej linii komórkowej.
W każdej komórce ujawnia się tylko nieznaczna część wszystkich genów; różna w po-
szczególnych typach komórek. Komórki nigdy nie potrzebują naraz całej informacji genetycz-
nej. W różnych typach komórek danego organizmu są aktywowane różne geny. I tak np. geny
aktywne w określonym typie komórek, mogą być nieaktywne w komórkach innego typu.
Istnieje jednak grupa genów tzw. konstytutywnych (housekeeping genes), które są czynne
w większości komórek. Geny te są niezbędne w każdej typowej komórce, ponieważ warunku-
ją jej podstawowe funkcje, kodują enzymy metabolizmu podstawowego, histony, rRNA,
tRNA oraz elementy cytoszkieletu. Czynniki wpływające na regulację funkcji genów są
odpowiedzialne za różnicowanie komórek i zmiany morfologiczne zachodzące w trakcie
rozwoju embrionalnego.
Zróżnicowanie komórek w trakcie rozwoju można przypisać również w znacznym stopniu
takim czynnikom regulacyjnym, jak np.: hormonom, czynnikom wzrostu, enzymom oraz jo-
nom wapnia. Jednak to geny stanowią decydujący czynnik w przebiegu różnicowania. Akty-
wność określonych genów powoduje syntezę specyficznych białek. Jakościowe różnice mię-
dzy białkami w różnych komórkach wskazują na istnienie różnic w ekspresji genów. Osta-
teczny fenotyp komórki wynika z selektywnej ekspresji jej genów, a istota różnicowania
dotyczy zmian w jakości i ilości produkowanych białek. Nukleotydy są odpowiedzialne za
kodowanie określonej struktury białek, w tym także enzymów. Synteza specyficznego białka
jest wynikiem aktywności odpowiedniego genu w danej komórce. Niektóre białka (hormony
białkowe) przenikają do innych komórek, w których działają jako aktywatory genów.
Istnieje wiele przykładów czasowej i komórkowej specyficzności białek w ontogenezie;
np. białka wpływające na ekspresję genów odpowiedzialnych za syntezę hemoglobiny fun-
kcjonują we wczesnych stadiach rozwoju erytrocytów, nie ujawniają się natomiast w innych
komórkach; niektóre białka pojawiają się tylko we wczesnych stadiach ontogenezy, a następ-
4
nie prawie zupełnie przestają być produkowane np. hemoglobina płodowa lub antygen
karcinoembrionalny.
Część genomu, która jest aktywna i możliwa do zidentyfikowania na podstawie produko-
wanych przez nią białek, jest specyficzna dla każdej komórki w danym stadium jej rozwoju.
Czynniki wpływające na regulację funkcji genów są odpowiedzialne za różnicowanie komó-
rek i zmiany morfologiczne zachodzące w trakcie rozwoju embrionalnego. Podobne procesy
genetyczne kontrolują rozwój zarówno kręgowców jak i bezkręgowców.
Różnicowanie jest związane z aktywnością niewielkiej liczby genów. W komórce ujawnia
się tylko nieznaczna liczba genów. W porównaniu do olbrzymiej liczby informacji genetycz-
nej zawartej w DNA w różnych typach komórek tego samego organizmu tylko drobna część
genów podlega ekspresji (ok. 0.5%). W przypadku wysoko wyspecjalizowanych komórek, w
pełni aktywne są tylko geny związane z produkcją jednego białka, np. w erytrocytach - geny
hemoglobiny. W organizmach kręgowców procesy różnicowania się komórek są z reguły
nieodwracalne. W procesie różnicowania komórki zmieniają swoje funkcje metaboliczne
i produkują inne zestawy białek. Mogą one również zmieniać swoją budowę, strukturę
wewnętrzną, budowę błon zewnętrznych oraz reagują odmiennie na różne bodźce. Regulacji
podlega także zdolność komórek do podziałów.
Geny homeotyczne
Pojęcie homeotyczny pochodzi z jęz. greckiego – homei znaczy podobny. Geny homeo-
tyczne, kontrolujące rozwój zarodka bezkręgowców, oznaczono symbolem HOM (Homeo-
doMena
), kręgowców Hox, a geny homeotyczne człowieka HOX (HomeoboX). Genami
homeotycznymi nazwano geny, których ekspresja ma istotny wpływ na rozwój osobniczy.
W genomie człowieka wykryto 38 genów homeotycznych tworzących 4 kompleksy HOX.
Loci tych genów znajdują się na odrębnych chromosomach (chromosomach nr 2, 7, 12 i 17).
Geny homeotyczne kontrolują rozwój morfologiczny poszczególnych części zarodka i
określają rodzaj segmentu, który powstanie z danych komórek. W początkowych stadiach
zarodkowych działają podobnie u wszystkich kręgowców. Są odpowiedzialne za poprawne
rozmieszczenie poszczególnych części ciała. Geny homeotyczne ssaków mają długość 5 000-
10 000 par zasad (pz). Produkty genów homeotycznych w postaci odpowiedniego RNA są
znacznie krótsze i składają się z ok. 2 500 pz.
Geny homeotyczne są zgrupowane w kompleksach i tworzą kaskady regulatorowe.
W przebiegu takiej kaskady aktywacja lub inaktywacja jednego genu wpływa na funkcje
innych genów, oddziałujących z kolei na funkcje kolejnych genów itd. Geny zajmujące tą
samą pozycję w różnych kompleksach są bardziej do siebie podobne niż geny sąsiadujące
w jednym kompleksie.
Mutacje genów homeotycznych prowadzą do zaburzeń w organogenezie, czyli do zmian
w budowie i położeniu układów lub narządów. Mogą doprowadzić one również do utraty
części organizmu. Mutacje genów homeotycznych mogą być letalne.
W każdym genie homeotycznym wykryto tzw. kasetę homeo (homeobox), tworzącą swo-
istą sekwencję nukleotydów. Homeobox składa się z około 180 pz. Homeoboxy kodują pepty-
dy składające się z 60 aminokwasów. Podobieństwo białek w homeoboksach różnych gatun-
ków wynosi od 80 do 90%. Odcinek białka homeotycznego, który jest kodowany przez home-
obox, nazywa się homeodomeną. Homeodomena jest zbudowana z 3 fragmentów. Fragmen-
ty te tworzą strukturę czwartorzędową w postaci helisa-zwrot-helisa i białek represorowych
oddziałujących z DNA. Produkty tych genów
są regulatorami genów odpowiedzialnych za
determinację przyszłego segmentu ciała. Chociaż ostateczny wygląd przedstawicieli różnych
gatunków kręgowców jest odmienny, to działanie genów homeotycznych w determinowaniu
przodo-tylnej osi ciała jest podobne. Homeoboksy
genów tego samego, jak i odmiennych
gatunków (np. żaba, szczur, człowiek) są identyczne lub bardzo podobne. Świadczy to o wy-
5
sokim konserwatyzmie ewolucyjnym homeoboksów i przemawia za ich istotną rolą w życiu
osobniczym, jak i w rozwoju ewolucyjnym gatunków.
Geny Pax
Geny Pax (paired box) mają właściwości podobne do genów Hox. Zarówno geny Hox, jak
i Pax początkowo zidentyfikowano tylko podczas badań mutacji rozwojowych u muszki owo-
cowej. Geny te działają w różny sposób, ale zarówno jedne jak i drugie uczestniczą w formo-
waniu systemu segmentacji zarodka owadów i kodują czynniki transkrypcyjne posiadające
domeny wiążące DNA typu helisa-skręt-helisa. U ludzi mutacje genów Pax powodują po-
ważne wady wrodzone np.: aniridia (brak tęczówki) lub zespół Waardenburga (głuchota, za-
burzenia barwnikowe, szeroko osadzone gałki oczne). W ludzkim genomie znajduje się 9
genów Pax, a u Drosophila melanogaster występuje 5 genów Pax.
Morfogeneza
Morfogeneza to ogół przekształceń dokonujących się w rozwoju osobniczym, prowadzą-
cych do osiągnięcia przez organizm właściwej dla danego gatunku budowy i kształtu. Morfo-
geneza zwykle rozpoczyna się od jednej totiopotencjalnej komórki - najczęściej od zapłodnio-
nej komórki jajowej i prowadzi do powstania organizmu wielokomórkowego.
U organizmów wielokomórkowych morfogeneza może trwać do końca rozwoju zarodko-
wego, może rozciągać się poza okres zarodkowy lub może wiązać się z przeobrażeniem.
Morfogeneza zachodzi dzięki różnicowaniu się komórek, tkanek, organogenezie oraz wzros-
towi. W przebiegu prawidłowej morfogenezy powstaje osobnik zdolny do reprodukcji, pełnie-
nia wszystkich funkcji fizjologicznych oraz reaktywności na bodźce środowiska. Mechaniz-
my sterujące rozwojem są pod kontrolą genetyczną, a rozwój jest wynikiem określonego cią-
gu ekspresji genomu. Ekspresja genomu, zarówno w komórkach inicjujących rozwój, jak i w
komórkach potomnych, jest uwarunkowana aktualnym stanem morfofizjologicznym komórek
(osiągniętym wcześniej poziomem zróżnicowania), wzajemnym oddziaływaniem na siebie
komórek oraz poziomem ich integracji z czynnikami środowiska zewnętrznego.
Do rozpoczęcia rozwoju niezbędne jest wyodrębnienie się zarysów nowego osobnika oraz
uzyskanie przez niego przodo-tylnej polaryzacji ciała i odpowiedniej wewnętrznej organiza-
cji. Wiąże się to z niejednorodnym rozmieszczeniem elementów strukturalnych i receptorów
powierzchniowych. Zapłodniona komórka jajowa podlega aktywacji związanej z szeregiem
procesów biochemicznych i fizycznych. Aktywacja ta polega między innymi na depolaryzacji
błony powierzchniowej oraz z cyklicznym podwyższeniem poziomu wolnych jonów wapnia
w cytoplazmie. Po aktywacji realizowany zostaję określony program rozwoju.
Genetyczna kontrola morfogenezy
Morfogeneza, czyli kształtowanie postaci osobnika, odbywa się według wzorów odziedzi-
czonych po rodzicach. Za proces ten odpowiedzialnych jest wiele genów. Klasyczna metoda
badania roli genów polega na analizie zmian spowodowanych mutacjami. Mutacje genów
kontrolujące morfogenezę zaburzają plan budowy osobnika. Mogą one doprowadzić do tego,
ż
e prawidłowo zróżnicowane komórki lub narządy pojawiają się w nietypowym miejscu,
liczbie czy stadium rozwoju, albo też nie wykształcają się wcale. Mutanty tego typu zidenty-
fikowano u gatunków o ściśle zdeterminowanym rozwoju mozaikowym (nicienia C. elegans
i muszki owocowej D. melanogaster). Identyfikacja genów wyznaczających rozwój muszki
owocowej doprowadziła do odkrycia konserwatywnej ewolucyjnie rodziny genów regulatoro-
wych, biorących udział w kierowaniu rozwojem różnych organizmów zwierzęcych, zarówno
bezkręgowców, jak i kręgowców.
6
Pozagenetyczne źródła informacji w procesie rozwoju
Poza DNA mogą istnieć dodatkowe źródła informacji w zapłodnionej komórce jajowej,
mające znaczenie dla rozwoju zarodka. Jedno z tych źródeł to wysoko zorganizowane układy
reakcji chemicznych, których produkt jednego etapu reakcji jest jednocześnie substratem dla
następnej reakcji – np. modyfikacja aminokwasów. Innym źródłem informacji pozagenetycz-
nej
jest obecność cząsteczek glikogenu koniecznych do syntezy jego dalszych łańcuchów.
Cząsteczki glikogenu, które są potrzebne to tego rodzaju przemian metabolicznych są przeka-
zywane przez komórki następnym generacjom komórek niezależnie od genomu. Równie
ważnym źródłem informacji pozagenetycznej
jest organizacja makrocząsteczek w struktury
wyższego rzędu, takie jak organella komórkowe. Rozwój przejawia się jako pewien ciąg
zdarzeń zmieniających kompetencje komórek składowych oraz powielanie i wzajemne
przemieszczanie komórek w obrębie kształtującego się zarodka. Niektóre z tych struktur
mogą odgrywać rolę matryc do szybkiego dołączania dodatkowych cząsteczek, w celu
namnożenia danej struktury.
Mechanizmy, które sterują rozwojem organizmu i doprowadzają do powstania osobnika o
właściwej dla danego gatunku budowie i kształcie są bardzo złożone i w dużej mierze regulo-
wane są przez geny, które w czasie rozwoju ulegają selektywnej ekspresji. Badania genetycz-
ne prowadzone na bezkręgowcach stanowią podstawę do wyjaśnienia procesów, jakie zacho-
dzą podczas rozwoju człowieka.
Zalecane piśmiennictwo:
1.
Drewa G., Ferenc T. Podstawy genetyki dla studentów i lekarzy. Urban & Partner, 2003.
2.
Limon J. Genetyka. Urban & Partner, 2000.
3.
Passarge E. Genetyka. Ilustrowany przewodnik. PZWL, 2004.
4.
Węgleński P. Genetyka Molekularna. PWN, 2002.