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) Regułą jest, że wszystkie komórki organizmu
wielokomórkowego posiadają cały genom, a
różnią się jedynie ekspresją poszczególnych
genów.
b) U roślin i u wielu zwierząt każda komórka
b) U roślin i u wielu zwierząt każda komórka
może rozwinąć się w cały organizm  mówimy, że
komórki są totipotencjalne.
c) U ssaków, komórki mają silne
zmiany epigenetyczne
Przez dziesiątki lat uważano, że
wzorce epigenetyczne komórek
wczesnych embrionów i komórek
somatycznych są na tyle różne, że
klonowanie ssaków jest niemożliwe
& aż do roku 1996, gdy sklonowano
Dolly
Dolly
- Przy klonowaniu Dolly, jądro z
komórek sutka owcy przeniesiono do
komórki jajowej a taką komórkę
komórki jajowej a taką komórkę
wszczepiono do macicy.
- Sklonowano też małpy, myszy, konie i inne ssaki. Sklonowna kotka (lewa) była
jednak inna niż matka. Miała inne wymiary, ubarwienie i inną  kocią osobowość .
- Poważniejsze problemy klonowania ssaków to bardzo niska efektywność procedury
i anormalność anatomiczna i metaboliczna klonów
- Mniej spektakularne a potencjalnie bardzo ważne, jest używanie komórek z
wczesnego embrionu do klonowania całego organizmu.
Czy klonowanie stanie się
formą terapii?
Przez klonowanie rozumiemy tutaj
uzyskanie organizmu z komórki innej niż
zygota.
Takie podejście wymaga generowania
zarodków, prawdopodobnie dużej ich
liczby, z których wiele zostanie
liczby, z których wiele zostanie
zniszczonych, co budzi opory etyczne.
Ostanie lata przyniosły niezwykły postęp
w uzyskiwaniu komórek toti- i
pluripotentnych  niektóre nie wymagają
zabijania zarodków
(Totipotencja  zdolność  do wszystkiego ,
pluripotencja  zdolność do zróżnicowania
się w 3 podstawowe listki zarodkowe)
Trzy z
ródła pozyskania komórek
pluripotentnych z żywych
organizmów:
- Z wczesnych embrionów (ES cells)
- Z komórek generatywnych póz
nych
embrionów (EG cells)
-Ze spermatogoniów dorosłych
organizmów (gPS cells)
Trzy z
ródła z hodowli
komórkowych:
-Fuzje komórki macierzystej i
somatycznej (Cell fusion)
- Jądro somatyczne do oocytu (NT-
ES fusion)
- Pluripotencja indukowana (iPS
cells)
Czy klonowanie stanie się formą terapii?
Do zabiegów nie wymagających manipulowania obcymi (pochodzącymi z
innego organizmu) komórkami należą:
- odnajdowanie komórek pluripotentnych w dorosłych organizmach (np. z jąder)
- odnajdowanie komórek pluripotentnych w dorosłych organizmach (np. z jąder)
- przekształcanie komórek somatycznych w pluripotentne (klasyczne iPS)
- przekształcanie jednych komórek somatycznych w innekowe)
Komórki pluripotencjalne
z jąder dorosłych mężczyzn
(listopad 2008, zespół niemiecki)
POSZUKIWANIE ISTNIEJ
CYCH KP
- stosując biopsje pobrano pewną liczbę
komórek
- hodowano je na podłożu dla komórek
embrionalnych
- monitorowano by znalez
ć podobne do
embrionalnych
- obiecujące wszczepiono myszom z
immunodepresją
- rozwinęły się grupy komórek ludzkich, w
których można było znalez
ć wszystkie
trzy listki zarodkowe
INDUKOWANIE komórek
pluripotencjalnych (iPS)
z komórek somatycznych
2006  dwójka Japończyków
wykazała, że nadekspresja 4
czynników traskrypcyjnych (białek)
indukuje pluripotencję fibroblastów
myszy
2007- dwa zespoły dokonały tego dla
komórek ludzkich (3-4), czynniki
transkrypcyjne
2008  nadekspresję
Kilka białek (c-Myc,Oct4, Sox2,
przeprowadzono z nie integrujących
Klf4) łączy się z DNA w
się adenowirusów, a nie jak wcześniej
miejscach promotorowych,
z retrowirusów
prawdopodobnie każdy w
wielu, i w ten sposób
zapoczątkowuje złożony proces
przeprogramowania
INDUKOWANIE komórek
pluripotentnych (iPS)
- co już wiadomo
Zmiany metylacji  zagęszczenie
rejonów ważnych dla komórek
somatycznych
Zmiany metylacji  rozluz
nienie
Zmiany metylacji  rozluz
nienie
rejonów ważnych dla komórek
pluripotentnych we wczesnych
& i póz
nych fazach przemiany
Aktywacja nieaktywnych
chromosomów X (u samic)
Aktywacja telomerazy
Wzrost długości telomerów
PRZEKSZTAA
CANIE jednych komórek somatycznych w inne
bez etapu pośredniego komórek iPS  rok 2010
Pobrano fibroblasty (góra) i po
hodowli na odpowiednich
podlożach z nadekspresją
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 można skierować do rozwoju trzech listków
zarodkowych (żółte strzałki)
3) Komórki somatyczne można przekształcać w inne somatyczne
wewnątrz listka zarodkowego (zielone strzalki) lub między 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 jąder (do 6 tys.) a dopiero potem
powstają ściany
2. Muszka owocowa  organizm
modelowy genetyki rozwoju
- cały rozwój trwa kilka dni
3. Mechanizmy rozwoju
embrionalnego muszki
a) Podstawą różnicowania są
gradienty morfogentyczne
Przykład - powstawanie osi długiej -
gdzie najważniejsze są dwa gradienty:
- mRNA bicoid złożone przez komórki
matki w końcu przednim ulega translacji
do białka Bicoid, które wędruje po
do białka Bicoid, które wędruje po
cytoszkielecie w kierunku tyłu jaja
- zdjęcia i rycina pokazują 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: początkiem spolaryzowania
jaja są sygnały ciała matki
b) Różnicowanie morfologiczne jest
zaprogramowane jako kaskada
oddziaływań gradientów
morfogenetycznych, przykład:
Z ciała matki pochodzą sygnały mRNA
Ó!
Sygnały mRNA prowadzą do gradientu
długiej osi ciała już w jaju
Ó!
Te gradienty aktywują w różnych częściach
embrionu różne geny  kardynalne (u
muszki są to tzw. gap genes) określające
cztery główne strefy ciała larwy; z kolei
geny kardynalne aktywują
Ó! Ó!
geny determinujące geny homeotyczne
liczbę segmentów determinujące
tożsamość
segmentu
(w co się rozwinie)
Ó!
geny determinujące
polarność pojedynczego
segmentu
mucha
4. Paralelizm genów
homeotycznych
Uderzające jest równoległe ułożenie
kompleksu genów homeotycznych
(homoebox): najpierw geny
odpowiedzialne za odcinki głowowe,
mysz
potem tułowiowe, odwłokowe
4. Paralelizm genów
homeotycznych
Ułożeniu genów odpowiada
przestrzenny rozkład gradientów, a
rozkładowi gradientów odpowiada
rozkład form anatomicznych.
Kompleksy homeotyczne myszy,
muchy, robaków i innych zwierząt są
muchy, robaków i innych zwierząt są
w oczywisty sposób homologiczne,
powstały około 600 mln lat temu
4. Paralelizm genów
homeotycznych
Warto zauważyć, że owady
przechodzą przeobrażenie zupełne
(odmiennie niż ssaki), a mimo tak
wielkiej różnicy, paralelizm rozwoju
jest zachowany.
Podobieństwo programu
rozwojowego roślin
U roślin występują cztery okółki i trzy
grupy genów homeotycznych: A, B, C
IV słupki
I  rozwoj zależny od genów A, np.
III pręciki
apetala1 i apetala2
II płatki
II płatki
II  zależy od genów A i B, te drugie to
II  zależy od genów A i B, te drugie to
np. apetala3 i pistillata
I kielich
III  zależy od genów B i genu C 
agamous
IV  zależy tylko od genu C
Wymienione geny są, podobnie jak u
muchy, aktywatorami trakskrypcji