GENETYKA ROZWOJU

1. Specjalizacja i totipotencja komórek

2. Muszka owocowa – organizm modelowy genetyki rozwoju

2. Muszka owocowa – organizm modelowy genetyki rozwoju

3. Mechanizmy rozwoju embrionalnego muszki

4. Paralelizm genów homeotycznych

1. Specjalizacja i totipotencja komórek

a) Reguł

ą

jest,

ż

e wszystkie komórki organizmu

wielokomórkowego posiadaj

ą

cały genom, a

ró

ż

ni

ą

si

ę

jedynie ekspresj

ą

poszczególnych

genów.

b) U ro

ś

lin i u wielu zwierz

ą

t ka

ż

da komórka

b) U ro

ś

lin i u wielu zwierz

ą

t ka

ż

da komórka

mo

ż

e rozwin

ąć

si

ę

w cały organizm – mówimy,

ż

e

komórki s

ą

totipotencjalne.

c) U ssaków, komórki maj

ą

silne

zmiany epigenetyczne

Przez dziesi

ą

tki lat uwa

ż

ano,

ż

e

wzorce epigenetyczne komórek
wczesnych embrionów i komórek
somatycznych s

ą

na tyle ró

ż

ne,

ż

e

klonowanie ssaków jest niemo

ż

liwe

… a

ż

do roku 1996, gdy sklonowano

Dolly

Dolly

- Przy klonowaniu Dolly, j

ą

dro z

komórek sutka owcy przeniesiono do
komórki jajowej a tak

ą

komórk

ę

komórki jajowej a tak

ą

komórk

ę

wszczepiono do macicy.

- Sklonowano te

ż

małpy, myszy, konie i inne ssaki. Sklonowna kotka (lewa) była

jednak inna ni

ż

matka. Miała inne wymiary, ubarwienie i inn

ą

‘koci

ą

osobowo

ść

’.

- Powa

ż

niejsze problemy klonowania ssaków to bardzo niska efektywno

ść

procedury

i anormalno

ść

anatomiczna i metaboliczna klonów

- Mniej spektakularne a potencjalnie bardzo wa

ż

ne, jest u

ż

ywanie komórek z

wczesnego embrionu do klonowania całego organizmu.

Czy klonowanie stanie si

ę

form

ą

terapii?

Przez klonowanie rozumiemy tutaj
uzyskanie organizmu z komórki innej ni

ż

zygota.

Takie podej

ś

cie wymaga generowania

zarodków, prawdopodobnie du

ż

ej ich

liczby, z których wiele zostanie

liczby, z których wiele zostanie
zniszczonych, co budzi opory etyczne.

Ostanie lata przyniosły niezwykły post

ę

p

w uzyskiwaniu komórek toti- i
pluripotentnych – niektóre nie wymagaj

ą

zabijania zarodków

(Totipotencja – zdolno

ść

‘do wszystkiego’,

pluripotencja – zdolno

ść

do zró

ż

nicowania

si

ę

w 3 podstawowe listki zarodkowe)

Trzy

ź

ródła pozyskania komórek

pluripotentnych z

ż

ywych

organizmów:

- Z wczesnych embrionów (ES cells)
- Z komórek generatywnych pó

ź

nych

embrionów (EG cells)
-Ze spermatogoniów dorosłych
organizmów (gPS cells)

Trzy

ź

ródła z hodowli

komórkowych:

-Fuzje komórki macierzystej i
somatycznej (Cell fusion)
- J

ą

dro somatyczne do oocytu (NT-

ES fusion)
- Pluripotencja indukowana (iPS
cells)

Czy klonowanie stanie si

ę

form

ą

terapii?

Do zabiegów nie wymagaj

ą

cych manipulowania obcymi (pochodz

ą

cymi z

innego organizmu) komórkami nale

żą

:

- odnajdowanie komórek pluripotentnych w dorosłych organizmach (np. z j

ą

der)

- odnajdowanie komórek pluripotentnych w dorosłych organizmach (np. z j

ą

der)

- przekształcanie komórek somatycznych w pluripotentne (klasyczne iPS)

- przekształcanie jednych komórek somatycznych w innekowe)

Komórki pluripotencjalne

z j

ą

der dorosłych m

ęż

czyzn

(listopad 2008, zespół niemiecki)

POSZUKIWANIE ISTNIEJ

Ą

CYCH KP

- stosuj

ą

c biopsje pobrano pewn

ą

liczb

ę

komórek

- hodowano je na podło

ż

u dla komórek

embrionalnych

- monitorowano by znale

źć

podobne do

embrionalnych

- obiecuj

ą

ce wszczepiono myszom z

immunodepresj

ą

- rozwin

ę

ły si

ę

grupy komórek ludzkich, w

których mo

ż

na było znale

źć

wszystkie

trzy listki zarodkowe

INDUKOWANIE komórek
pluripotencjalnych (iPS)

z komórek somatycznych

2006 – dwójka Japo

ń

czyków

wykazała,

ż

e nadekspresja 4

czynników traskrypcyjnych (białek)
indukuje pluripotencj

ę

fibroblastów

myszy

2007- dwa zespoły dokonały tego dla
komórek ludzkich (

3

-4), czynniki

transkrypcyjne

2008 – nadekspresj

ę

przeprowadzono z nie integruj

ą

cych

si

ę

adenowirusów, a nie jak wcze

ś

niej

z retrowirusów

Kilka białek (c-Myc,

Oct4

,

Sox2

,

Klf4

) ł

ą

czy si

ę

z DNA w

miejscach promotorowych,
prawdopodobnie ka

ż

dy w

wielu, i w ten sposób
zapocz

ą

tkowuje zło

ż

ony proces

przeprogramowania

INDUKOWANIE komórek
pluripotentnych (iPS)

-

co ju

ż

wiadomo

Zmiany metylacji – zag

ę

szczenie

rejonów wa

ż

nych dla komórek

somatycznych

Zmiany metylacji – rozlu

ź

nienie

Zmiany metylacji – rozlu

ź

nienie

rejonów wa

ż

nych dla komórek

pluripotentnych we wczesnych

… i pó

ź

nych fazach przemiany

Aktywacja nieaktywnych
chromosomów X (u samic)

Aktywacja telomerazy

Wzrost długo

ś

ci telomerów

PRZEKSZTAŁCANIE jednych komórek somatycznych w inne
bez etapu po

ś

redniego komórek iPS – rok 2010

Pobrano fibroblasty (góra) i po
hodowli na odpowiednich
podlo

ż

ach z nadekspresj

ą

odpowiednich genów uzyskano
komórki o impulsach błon takich
jak w neuronach (na prawo)

Przekształcanie typów komórek:

1) Somatycznych w iPS (czarna strzałka).
2) Komórki iPS mo

ż

na skierowa

ć

do rozwoju trzech listków

zarodkowych (

ż

ółte strzałki)

3) Komórki somatyczne mo

ż

na przekształca

ć

w inne somatyczne

wewn

ą

trz listka zarodkowego (zielone strzalki) lub mi

ę

dzy listkami

(niebieska)

2. Muszka owocowa – organizm
modelowy genetyki rozwoju

- znakomicie rozpoznana genetyka
(sekwencja DNA i technologia)

- łatwe rozchodzenie sie morfogenów:
najpierw zachodzi zwielokrotnienie

najpierw zachodzi zwielokrotnienie
liczby j

ą

der (do 6 tys.) a dopiero potem

powstaj

ą ś

ciany

2. Muszka owocowa – organizm
modelowy genetyki rozwoju

- cały rozwój trwa kilka dni

3. Mechanizmy rozwoju
embrionalnego muszki

a) Podstaw

ą

ró

ż

nicowania s

ą

gradienty morfogentyczne

Przykład - powstawanie osi długiej -
gdzie najwa

ż

niejsze s

ą

dwa gradienty:

- mRNA bicoid zło

ż

one przez komórki

matki w ko

ń

cu przednim ulega translacji

do białka Bicoid, które w

ę

druje po

do białka Bicoid, które w

ę

druje po

cytoszkielecie w kierunku tyłu jaja

- zdj

ę

cia i rycina pokazuj

ą

gradient

BICOID

- inne gradienty: od strony tylnej jaja
odkładane jest mRNA nanos, jako sygnał
do wykształcania struktur tylnych larwy

do wykształcania struktur tylnych larwy
(nie pokazane)

Wniosek: pocz

ą

tkiem spolaryzowania

jaja s

ą

sygnały ciała matki

b) Ró

ż

nicowanie morfologiczne jest

zaprogramowane jako kaskada
oddziaływa

ń

gradientów

morfogenetycznych, przykład:

Z ciała matki pochodz

ą

sygnały mRNA

⇓

Sygnały mRNA prowadz

ą

do gradientu

długiej osi ciała ju

ż

w jaju

⇓

Te gradienty aktywuj

ą

w ró

ż

nych cz

ęś

ciach

embrionu ró

ż

ne geny “kardynalne” (u

muszki s

ą

to tzw. gap genes) okre

ś

laj

ą

ce

cztery główne strefy ciała larwy; z kolei
geny kardynalne aktywuj

ą

⇓

⇓

geny determinuj

ą

ce

geny homeotyczne

liczb

ę

segmentów

determinuj

ą

ce

to

ż

samo

ść

segmentu

(w co si

ę

rozwinie)

⇓

geny determinuj

ą

ce

polarno

ść

pojedynczego

segmentu

mucha

mysz

4. Paralelizm genów
homeotycznych

Uderzaj

ą

ce jest równoległe uło

ż

enie

kompleksu genów homeotycznych
(homoebox): najpierw geny
odpowiedzialne za odcinki głowowe,
potem tułowiowe, odwłokowe

4. Paralelizm genów
homeotycznych

Uło

ż

eniu genów odpowiada

przestrzenny rozkład gradientów, a
rozkładowi gradientów odpowiada
rozkład form anatomicznych.

Kompleksy homeotyczne myszy,
muchy, robaków i innych zwierz

ą

t s

ą

muchy, robaków i innych zwierz

ą

t s

ą

w oczywisty sposób homologiczne,
powstały około 600 mln lat temu

4. Paralelizm genów
homeotycznych

Warto zauwa

ż

y

ć

,

ż

e owady

przechodz

ą

przeobra

ż

enie zupełne

(odmiennie ni

ż

ssaki), a mimo tak

wielkiej ró

ż

nicy, paralelizm rozwoju

jest zachowany.

IV słupki

II płatki

III pr

ę

ciki

Podobie

ń

stwo programu

rozwojowego ro

ś

lin

U ro

ś

lin wyst

ę

puj

ą

cztery okółki i trzy

grupy genów homeotycznych: A, B, C

I – rozwoj zale

ż

ny od genów A, np.

apetala1 i apetala2

II – zale

ż

y od genów A i B, te drugie to

II płatki

I kielich

II – zale

ż

y od genów A i B, te drugie to

np. apetala3 i pistillata

III – zale

ż

y od genów B i genu C –

agamous

IV – zale

ż

y tylko od genu C

Wymienione geny s

ą

, podobnie jak u

muchy, aktywatorami trakskrypcji