Genetyczna regulacja
różnicowania komórek i narządów u
ssaków
Genetyczna regulacja
różnicowania komórek i narządów u
ssaków
Dyferencjacja
(
różnicowanie
)
nabieranie przez komórkę cech klasyfikujących ją do
konkretnej grupy komórek, z których powstanie
tkanka o specyficznych właściwościach, czemu
towarzyszy stopniowe zmniejszenie możliwości
rozwojowych
danej komórki
Zmiany ekspresji genów w rozwoju
zarodkowym
Podczas podziałów komórkowych zarodka każdej komórce
potomnej przekazywane są identyczne chromosomy
W wyniku kolejnych podziałów i regulacji na
poszczególnych etapach podziału komórki stopniowo
zmieniają się i ostatecznie powstają z nich komórki o
różnych fenotypach, np.: mięśniowe, nerwowe, barwnikowe
i inne
Za różnorodność morfologiczną i fizjologiczną pomiędzy
komórkami odpowiedzialne są czynniki wpływające na
regulację genomu
W znacznym stopniu przypisujemy to czynnikom
regulacyjnym takim jak: hormony, czynniki wzrostu,
enzymy, jony i inne
JAK TO SIĘ DZIEJE ?
Struktura enzymów i wszystkich innych białek zakodowana jest
w sekwencji nukleotydów
Synteza odpowiedniego białka na danym etapie rozwoju
komórki jest wynikiem aktywności określonych genów
Białko takie może przenikać do sąsiednich komórek pobudzając
aktywację innych genów
Podobnie procesy kontrolują rozwój bezkręgowców i kręgowców
Proces różnicowania polega na selektywnym włączaniu
niektórych genów, a wyłączaniu innych; fenotyp komórki
determinują geny, które ulegają ekspresji
Geny homeotyczne
W genomie znajduje się pewna liczba genów, których
ekspresja ma bardzo istotny wpływ na rozwój
osobniczy
Produkty tych genów są regulatorami genów
odpowiedzialnych za determinację przyszłego
segmentu ciała
Istnieje wiele przykładów czasowej i komórkowej
specyficzności białek w ontogenezie:
np. białka wpływające na ekspresję genów
odpowiedzialnych za syntezę hemoglobiny we
wczesnym stadium życia erytrocytów – nie
ujawniające się w innych komórkach.
albo
białka pojawiające się tylko we wczesnej fazie
ontogenezy, aby następnie przestać być
produkowanym, np.: HbF, AFP, CEA
Rozwój organizmu
Mechanizmy rozwoju przebiegają pod kontrolą
genetyczną
Ekspresja genomu warunkowana jest: stanem
morfologicznym i fizjologicznym komórki oraz
wcześniej osiągniętym poziomem zróżnicowania,
oddziaływaniem komórek na siebie nawzajem,
czynnikami środowiska zewnętrznego
Morfogeneza – całokształt zmian rozwojowych,
zaczynających się zazwyczaj od 1 totipotencjalnej
komórki , w chwili bruzdkowania zygoty, następnymi
jej etapami są gastrulacja i wytwarzanie listków
zarodkowych
Rozwój organizmu przebiega w kilku etapach:
wyodrębnienie zarysów ciała, polaryzacja ciała,
wewnętrzna organizacja ciała
Teoria epigenezy: wszystkie komórki zawierają ten
sam sposób przekazywania informacji genetycznej, a
czynniki regulacyjne powodują wybiórcze
uczynnianie i hamowanie syntezy ważnych białek
Mechanizmy tego zjawiska są nieznane
Wpływ czynników na rozwój poszczególnych części ciała
Część głowowa
Część tylna zarodka
BMP/ Xwnt
Noggin
Goosecoid
Brachyura
WPŁYW CZYNNIKÓW NA KSZTAŁTOWANIE SIĘ
NARZĄDÓW
Układ oddechowy
Szereg czynników wzrostowych: białka z rodziny FGF, EGF, TGFß i
białka WNT, SHH, HGF
FGF-10 – nadaje kierunek rozrastającemu się pączkowi
Białko SHH – stymuluje proliferację komórek przyległej
mezenchymy
WNT-2 – podtrzymywanie ekspresji SHH
Białka rodziny BMP – prawdopodobnie hamują lokalnie proliferację
komórek nabłonka końcowego pączka płucnego
TGFß – hamuje rozgałęzienie się pączków końcowych
Amfiregulina - działa dwukierunkowo: pobudza podziały komórek
nabłonka , hamuje podziały komórek mezenchymatycznych
HGF, KGF – indukowanie rozgałęzienia końcowego pączka płucnego
Układ pokarmowy
BMP-1, BMP-2, TGFß – zrastanie się ściany ciała i cofanie
fizjologicznej przepukliny pępkowej
SHH – przekazywanie sygnałów z endodermy do mezodermy
jelita pierwotnego
IHH – jak SHH, tylko w odcinku jelita przedniego
BMP-4 – hamowanie proliferacji mięśni gładkich (regulacja
grubości warstwy mięśniowej w przewodzie pokarmowym)
HNF-6 – różnicowanie się nabłonka jelita
FKH-6 – reguluje ekspresję bmp-2 i bmp-4
GATA-6 – pobudzanie proliferacji komórek
GATA-4 i GATA-5 – różnicowanie się komórek
Geny hoxA-4, hoxB-3, hoxB-4, hoxB-5 – ich ekspresja w całym
jelicie, a w szczególności w jelicie przednim
Geny hoxA-8, hoxA-9, hoxD-9, hoxD-10 – obszar jelita
środkowego i końcowego
Geny hoxA-11, hoxA-13, hoxD-11, hoxD-12, hoxD-13 – jelito
tylne
Układ wydalniczy
Pax-2 – różnicowanie się wzgórków i pęcherzyków pranerczowych
Pax-2, Sim-1 i Emx-2 – markery mezodermy pośredniej różnicującej w
przednercze
emx-2 – ulega ekspresji w grzebieniu pranerczowym, kanalikach nefronów
pranercza i ścianie przewodu pranerczowego
BMP-7 – może brać udział w indukcji pączka moczowodowego ,
przeżywanie komórek mezenchymy
WNT-11
WNT-4 – indukuje rozwój kanalika nefronu (działa wspólnie z Pax-8)
Pax-2, Pod-1, WT-1 – udział w transdukcji sygnałów
GDNF – wiąże się z receptorem c-kit, stymulując rozgałęzianie się pączka
moczowodowego
PDGF – różnicowanie się kłębuszka naczyniowego
EGF – przeżywanie komórek zrębu nerki, razem z bFGF kontroluje rozwój
pączka moczowodoweg
Układ płciowy
– gen SRY na krótkim ramieniu chromosomu
Y
- koduje czynnik determinujący
powstawanie jądra TDF lub białko SRY –
różnicowanie się grzebienia płciowego w
jądro
Układ krwionośny
VEGF, b FGF i TGF β-1 – endodermalne czynniki
wzrostowe, powstanie hemoangioblastów
EGF i TGF α – ektodermalne czynniki wzrostowe,
powstanie angioblastów właściwych
VEGF - zainicjowania procesu waskulogenezy ,
proliferacja angioblastów oraz podtrzymywanie ich
żywotności, ułatwia otaczanie naczynia perycytami
angiopoetyna-1 - proliferację angioblastów,
różnicowanie się perycytów i komórek
mięśniowych gładkich
Układ kostny
Białko sekrecyjne SHH –> gen pax-3
Sekrecja genu pax-3 zanika w części
brzusznej somitu przeznaczonego na
sklerotom na rzecz genu pax-1
PAX-1 – w komórkach migrujących w kierunku
struny grzbietowej
Białko Scleraxis – czynnik transkrypcyjny
istotny w tworzeniu się chrząstki
Układ mięśniowy
– geny miogeniczne: myoD, myf-5, miogenina i
mrf-4 (myf-6) – kodują białka MRF
MRF – działają śródkomórkowo, uruchamiając
na zasadzie kaskady inne czynniki
Na czele kaskady białko Myf-5 i MyoD, potem
dopiero miogenina i mrf-4
Geny myoD, myf-5 – wyodrębnianie się
prekursorów mioblastów
miogenina i mrf-4 – ostateczne różnicowanie
się miotub
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
Bibliografia:
Genetyka molekularna, Piotr Węgleński, PWN, Warszawa 2008
Biologia rozwoju, R.M. Twyman, PWN, Warszawa 2003
Zarys organogenezy Różnicowanie się komórek w narządach,
Zofia Bielańska-Osuchowska, PWN, Warszawa2004