20. Komórkowe i molekularne podstawy rozwoju

Różnicowanie komórek jest kontrolowane przez molekularne szlaki sygnalizacyjne:

• komunikację międzykomórkową – przez połączenia jonowo-metaboliczne, interakcję ligand-receptor, za pomocą kanałów (przechodzenie jonów, neuroprzekaźników, białek)

• morfogeny – rozpuszczalne cząsteczki: determinują rodzaj kom., kierują migracją komórek i ich wypustek do ostatecznych miejsc (są to: kw. retinowy, transformujący czynnik β (TGF-β), białka morfogenetyczne kości (BMP), rodziny białek hedgehog i Wnt

• receptor kinazy tyrozynowej (RTK) – czynniki wzrostu przekazują sygnał, wiążąc się ze związanymi z błoną receptorami kinazy tyrozynowej aktywując je; regulują one proliferację, apoptozę i migrację kom.

• Notch/Delta – precyzuje przeznaczenie kom. prekursorowych

• czynniki transkrypcyjne – aktywuje lub hamuje geny poniżej w ścieżce sygnałowej, istotne dla wielu procesów komórkowych

Epigenetyka – zajmuje się mechanizmami dziedziczności zmian ekspresji genów, niezależnie od zmian sekwencji DNA (zmiany upakowania DNA i jego modyfikacje chemiczne)

KOMUNIKACJA MIĘDZYKOMÓRKOWA

• połączenie jonowo-metaboliczne (typu gap junction)

  • jony i drobne cząsteczki mogą przechodzić z jednej kom. do drugiej

  • utworzone przez koneksony (każdy zbudowany z 6 cząsteczek białka koneksyny, tworzących ukł. heksagonalny)

  • we wczesnym rozwoju – otwarte, w późniejszym okresie – bardziej hermetyczne

  • Istotne w przewodnictwie potencjałów elektrycznych serca i mózgu

MORFOGENY

• kierują różnicowaniem i migracją kom. podczas rozwoju, determinując morfologię i funkcję rozwijających się tkanek i narządów

• wytwarzają gradienty stężeń

• mogą ulegać ekspresji na przeciwległych biegunach w osiach

• kom. mogą być przez nie przyciągane lub odpychane, zależnie od obecności receptorów

Kwas retinowy:

• zmiany stężenia mogą prowadzić do wad wrodzonych

• bioaktywna forma wit. A

• powstaje na drodze enzymatycznego utlenienia

• stężenie regulowane przez wiązanie z komórkowymi białkami

• może ulegać aktywacji przez enzymy: CYP26

• odgrywa role w kształtowaniu się wzorca tylnej cz. Ciała

• nadmiar lub zahamowanie jego degradacji – tułowiowa oś ciała (bardziej rozwinięte struktury tylne)

• niewystarczające stężenie – lepsze rozwinięcie struktur w przedniej osi ciała

• podstawowe geny regulowane przez receptory kw. retinowego – geny Hox

Transformujący czynnik wzrostu β/ białko morfogenetyczne kości:

• ustalają grzbietowo-brzuszny wzorzec ciała, decydują o losie kom., tworzeniu się specyficznych narządów i układów (nerki, ukł. nerwowy, szkielet, krew)

• związanie z receptorami kinazy transbłonowej  fosforylacja wewnątrzkomórkowych białek Smad związanych z receptorem

• białka Smad:

  • aktywowane receptorem (R-Smads)

  • wspólnych partnerów (common-Smads, Smad4)

  • hamujące Smads (I-Smads)

• kompleksy R-Smad/Smad4  regulacja transkrypcji genu docelowego na drodze interakcji z innymi białkami lub jako czynniki transkrypcyjne, wiążąc się z DNA

• zmienność liganda TGF-β, jego receptora, powiązań z R-Smad  procesy rozwojowe i swoiste dla danej kom.

Hedgehog:

• niezbędne do wczesnego ustalania wzorca ciała, migracji kom., różnicowania się poszczególnych rodzajów kom. i narządów

• pierwotny receptor dla Shh – białko transbłonowe Patched (PTCH)

• przy braku Shh – Patched przyłącza inne białko – Smoothened  zahamowanie sygnalizacji transkrypcji genów docelowych w jądrze

• potranslacyjne modyfikacje białek Shh  wpływają na ich związek z błoną kom., tworzenie multimetrów Shh, przemieszczanie Shh, co zmienia ich rozkład tkankowy i gradient stężeń

• odgrywa rolę w ustalaniu się schematu budowy brzusznej cewy nerwowej:

  • Shh wydzielany przez strunę grzbietową (najwyższe jego stężenie – w dolnej części, najniższe – w szczytowej cz. Cewy nerwowej

  • różnicowanie kom. brzusznych w odpowiednie klasy interneuronów i neuronów motorycznych zależy od względnego stężenia Shh w tkance

• mutacje Shh i PTCH – holoprozencefalia (podział niedokonany przodomózgowia), fuzja dwóch półkul mózgowia, dorsalizacja struktur przodomózgowia, brak oczu lub tylko jedno oko

• mutacja genu PTCH – zespół Gorlina: wady wrodzone dotyczące naskórka, twarzoczaszki, ukł. nerwowego

Szlak Wnt/β-katenina:

• ustala polarność kom., proliferacja, apoptoza, określanie losu kom. i jej migracji

• Wnt wiążą się z receptorem powierzchniowym kom. Frizzled (Fzd) o siedmiu domenach transbłonowych i koreceptorami w postaci białek związanych z receptorem lipoprotein o niskiej gęstości  aktywacja ścieżki sygnałowej w kom.

• brak wiązania Wnt do receptora  β-ketanina ulega fosforylacji w cytoplazmie przez kinazę syntezy glikogenu i degradacji

• w obecności Wnt  kinaza zostaje inaktywowana, β-ketanina gromadzi się w cytoplazmie

• β-ketanina ulega translokacji do jądra, gdzie w kompleksie z czynnikiem transkryocji limfocytów T – aktywuje transkrypcję genu docelowego

• geny docelowe: geny naczyniowo-śródbłonkowego czynnika wzrostu i metaloproteinaz macierzy

• zaburzenia sygnalizacji Wnt  zespół Williamsa-Beurena (wady serca, ukł. nerwowego, twarzy), transformacja nowotworowa

RECEPTOR KINAZY TYROZYNOWEJ

Charakterystyka ogólna:

• czynniki wzrostu (insulina, naskórkowy czynnik wzrostu, czynnik wzrostu nerwów, neurotrofiny) wiążą się z transbłonowymi receptorami na kom. docelowych (należą one do nadrodziny RTK)

• receptory zawierają 3 domeny:

  • domenę zwenątrzkomórkową wiążącą ligand

  • domenę transbłonową (TMD)

  • domenę wewnątrzkomórkową

• normalnie monomery, po złączeniu liganda – dimery (receptory)

• proces dimeryzacji receptorów – zbliżenie 2 wewnątrzkomórkowych domen kinaz, wzajemna fosforylacja i aktywacja receptora (transfosforylacja)

• mutacja jednej z domen – inaktywacja całego receptora, zahamowanie sygnalizacji

• choroba Milroya – mutacja domeny kinazy trzeciego receptora VEGF, wrodzone zaburzenie ukł. limfatycznego

Regulacja angiogenezy przez receptor kinazy tyrozynowej:

• waskulogeneza i angiogeneza zależą od działania RTK, białek z rodziny VEGF i Tie

• VEGF-A  rozwój kom. śródbłonka i kom. krwi

• VEGF-C  kom. śródbłonka naczyń limfatycznych

• przebieg angiogenezy zależy od funkcji szlaku sygnalizacyjnego angiopoetyny/Tie2

  • Tie2 – receptor RTK ulegający ekspresji na kom. śródbłonka

  • angiopoetyna 1 i 2 – ligandy, ulegają ekspresji na otaczających je kom. mięśniowych gładkich naczyń

SZLAK NOTCH-DELTA

• określa dalszy los kom., utrzymanie nisz komórek macierzystych, proliferacja, apoptoza, różnicowanie

• białka Notch – pojedyncze receptory transbłonowe

• połączenie liganda z receptorem – indukuje proteolizę Notch, prowadząc do uwolnienia wewnątrzkomórkowej domeny Notch (NICD)  NICD przechodzi do jądra, gdzie reguluje ekspresję czynnika transkrypcyjnego  umożliwia utrzymanie stanu progenitorowego kom.

• hamowanie lateralne (przez bezpośredni kontakt)  utrzymanie prawidłowej liczby dwóch różnych typów kom. w populacji o podobnym potencjale rozwojowym

• sygnalizacja przez receptor Notch – utrzymuje jedną z kom. jako niezróżnicowany progenitor, przylegająca kom. – zmniejszona sygnalizacja Notch i ulega zróżnicowaniu

• sygnały indukcyjne ze strony innych kom. wykazujących ekspresję morfogenów mogą skierować kom. w stronę odmiennego różnicowania

• mutacje w zespole Alagille’a (dysplazja tętniczo-wątrobowa): wady wątroby, nerek, ukł. sercowo-naczyniowego, oczu i szkieletu

• mutacje genu NOTCH-3 w zespole CADASIL (mózgowa arteriopatia z podkorowymi zawałami i leukoencefalopatią): choroba zwyrodnieniowa naczyń (dorośli), epizody udaropodobne (u osób młodych)

CZYNNIKI TRANSKRYPCYJNE

• klasa białek – regulują ekspresję genów docelowych przez ich aktywację lub hamowanie

• wiąże się z sekwencją nukleotydów w regionie promotora/wzmacniacza genów docelowych i reguluje szybkość transkrypcji genów poprzez interakcję z białkami pomocniczymi

• mogą aktywować lub hamować transkrypcję genów docelowych, zależnie od komórki, w której ulegają ekspresji, swoistego promotora, struktury chromatyny i stadium rozwojowego

• niektóre nie muszą się wiązać z DNA, tylko z innymi czynnikami transkrypcji związanymi z promotorowym DNA albo wiążą i oddzielają inne czynniki transkrypcji od ich genów docelowych – hamują ich transkrypcję

Białka Hox/homeobox

• mutacje w kompleksie HOM-C  duże zmiany fenotypowe (transformacja homeotyczna)

• wady HOXA1 – zaburzenie rozwoju ukł. nerwowego, HOXA13 i HOXD13 – malformacje kończyn

• geny Hox – zawierają sekwencję 180 par zasad (homeobox) – koduje 60-aminokwasową homeodomenę, utworzoną z 3 α-helis

• trzecia helisa (rozpoznająca) – wiąże się z DNA

• mutacje w rejonie wiążącym DNA w genie homeobox NKX2.5 – wady przegrody międzyprzedsionkowej serca

• mutacje w ARX – malformacja OUN (brak zakrętów mózgowych)

Geny Pax:

• zawierają dwuczęściowe motywy wiążące DNA (domeny Pax/parzyste)

• mogą aktywować i hamować transkrypcję genów docelowych

• wada PAX6: wady oczu – aniridia (brak tęczówki), anomalia Petersa

• PAX3 i PAX7 – kodują homeodomenę i domeny PAX wiążące DNA

• mutacja genu PAX3 – zespół Waardenburga typu I (wady słuchu, oczu: zwiększenie odległości między wewnętrznymi kącikami oczu, anomalie pigmentacji)

Podstawowe czynniki transkrypcyjne typu helisa-pętla-helisa (bHLH):

• regulują przeznaczenie komórki i różnicowanie wielu tkanek podczas rozwoju

• na poziomie molekularnym: zawierają zasadowy (dodatnio naładowany) rejon wiążący DNA

• białka bHLH często łączą się z innymi białkami bHLH podczas regulacji transkrypcji (heterodimery)

• czynniki wzrostu hamujące proces różnicowania – zwiększają poziom białek Id, które odczepiają białka bHLH od ich promotorów

• bHLH – rozwój mięśni (MyoD/miogenina), neurony (NeuroD/neurogenina)

EPIGENETYKA

• odnosi się do dziedzicznych zmian, które wpływają na ekspresję genów, ale w wyniku innych mechanizmów niż zmiany sekwencji DNA

Metylacja DNA:

• DNA ulega metylacji na resztach cytozyny dzięki aktywności metylotransferaz DNA w miejscach CpG, w których cytozyna i guanina są sparowane

• wyspy CpG – wysoka koncentracja miejsc CpG

• metylacja DNA w miejscach CpG: redukcja ekspresji genu lub wyciszenia genu

• hipometylacja miejsc CpG: nadekspresja genu

Acetylacja:

• histony – dodatnio naładowane białka jądrowe, wokół nich nawija się genomowe DNA w celu jego upakowania

• DNA jest luźno wiązane z acetylowanymi histonami – ułatwia to dostęp czynników transkrypcji i innych białek do promotorów ich genów docelowych

• kontrolowana przez geny dołączające grupy acetylowe (transferazy histonów) lub odłączające je (deacetylazy histonów)

6