Biomedyczne podstawy rozwoju

WYKŁAD 3

Materialne aspekty rozwoju somatycznego

• wzrastanie

• różnicowanie

• dojrzewanie

• zanik

Główne etapy i procesy w rozwoju prenatalnym

• stadium jaja płodowego

• stadium zarodka

• 
  stadium płodu

Rola czynników genetycznych w rozwoju prenatalnym

• podstawy genetyki molekularnej i mendelowskiej

• oddziaływania pomiędzy genami w rozwoju

• dziedziczenie cech somatycznych i psychicznych

• genetyczna determinacja możliwości rozwojowych

• dziedziczenie epigenetyczne

Materialne aspekty rozwoju

1. Wzrastanie

2. Różnicowanie

3. Dojrzewanie

4. Zanik (inwolucja)

1. Wzrastanie

- rozplem (proliferacja, hiperplazja)

- rozrost (hipertrofia)

2. Różnicowanie

Różnicowanie rozpoczyna się w stadium moruli i prowadzi do powstania blastocysty

Węzeł zarodkowy

(embrioblast)

Trofoblast

Owodnia

Błona płodowa

(kosmówka)

Tarczka

Zarodkowa

Listki zarodkowe

• Różnicowanie zwykle łączy się (czasowo) ze wzrastaniem.

Różnicowanie listków zarodkowych

Blastocysta

Trofoblast

Węzeł

Zarodkowy

kosmówka

Tarczka

zarodkowa

Owodnia

Listki zarodkowe Tkanki

- ektoderma

- endoderma

- mezoderma

Narządy

Tkanki wymienialne - krótki okres życia komórek wymusza ich ciągłą wymianę na nowe (szybka regeneracja).

Tkanki statyczne - rozplem zachodzi tylko w określonych stadiach rozwoju; długi okres życia; słaba regeneracja lub jej brak!

Tkanki ekspansywne - zdolne do rozplemu cały czas, zachodzi on jednak tylko w określonych warunkach.

W trakcie rozwoju z zygoty powstaje ponad 100 różnych typów komórek budujących tkanki i narządy ciała.

3. Dojrzewanie

Wzrastanie charakteryzuje:

Kinetyka wzrastania - poziom wzrostu w czasie

Dynamika wzrastania (= tempo rozwoju) - zmiany przyrostu cechy w jednostce czasu w trakcie rozwoju

Rytm wzrastania - następstwo nasilenia i zmniejszenia szybkości przyrostu cechy

Główne etapy i procesy w rozwoju prenatalnym

XIX-wieczne przedstawienie związku

pomiędzy ontogenezą a filogenezą

(mimo, że prezentowane jako empiryczne,

przesadnie pomniejsza różnice pomiędzy

gatunkami)

Periodyzacja okresu rozwoju prenatalnego

Faza jaja płodowego (od zapłodnienia do implantacji (7 dzień))

Faza zarodka (od 2 tyg. życia do końca 8 tyg. życia

(2 miesiąca ciąży))

Faza płodu (od 9 tyg. życia do porodu)

Błony pozazarodkowe

owodnia - otacza zarodek i zapewnia wodne środowisko

kosmówka - buduje zarodkową część łożyska

omocznia - buduje naczynia krwionośne pępowiny

pęcherzyk żółtkowy - słabo wykształcony, buduje pępowinę

Budowa i funkcje łożyska

Część płodowa: dysk kosmówki z naczyniami płodowymi i kosmki

Część matczyna: endometrium z tętnicami spiralnymi i przegrodami łożyska,

które oddzielają przestrzenie śródkosmkowe wypełnione krwią matczyną.

Wymiary:

całkowita powierzchnia kosmków: 8−14 m2;

średnica dojrzałego łożyska: ok. 18 cm;

masa: 450−500 g.

Rozwój płodu

Wzrost na długość (od pięty do czubka głowy) w n-tym miesiącu księżycowym ciąży:

- reguła Haasego:

L [cm] = n2 (pomiędzy 4 i 5 miesiącem)

L [cm] = 5 × n (od 6 miesiąca do porodu)

Długość trwania ciąży:

280 dni (= 10 m-cy księżycowych) licząc od 1-go dnia ostatniego cyklu;

266 dni licząc od dnia owulacji lub zapłodnienia.

Anatomiczne oznaki dojrzałości płodu w terminie porodu:

• długość ciała 49−51 cm, długość od czubka głowy do kości ogonowej 33 cm

• masa ciała 3,2−3,4 kg

• paznokcie dłoni i stóp wystają poza paliczki

• Jądra w mosznie (u chłopców); wargi sromowe większe przykrywają mniejsze

(u dziewcząt)

KAMIENIE MILOWE ROZWOJU GENETYKI

Lata 60te XIX w. - badając dziedziczenie cech u grochu G. Mendel formułuje podstawowe prawa dziedziczenia. Cechy są określone przez nieciągłe jednostki przenoszone na potomstwo.

1900-1903 - de Vries badając wiesiołki formułuje teorię mutacji i przypisuje mutacjom dominującą rolę w ewolucji.

1909 - W. Johanssen, wprowadza termin „gen” oznaczający jednostkę dziedziczenia cechy. 1910 - T. Morgan (badania na Drosophila) chromosomowa teoria dziedziczności - geny zajmują określone locus na chromosomie i ułożone są liniowo;.

1941 - G. Beadle i E. Tatum: koncepcja „jeden gen, jeden enzym”.

1944 - O. Avery, C. MacLeod i M. McCarty ustalenie, że geny zbudowane są z DNA.

1953 J. Watson i F. Crick ustalają chemiczna strukturę DNA i formułują centralny dogmat biologii molekularnej: DNA → RNA→ białko

Cząsteczka DNA jest stabilizowana przez białka tworzące struktury wyższego rzędu o różnym stopniu upakowania:

• nukleosom

• spirale (solenoid), pętle itp.

• chromatyda (=chromosom)

Dzięki temu ok. 190 cm! DNA w komórce jest podzielone na kawałki - chromosomy (46), których liniowe rozmiary mogą być < 10 μm, co umożliwia ich rozdział podczas podziału.

Główne zasady i prawa dziedziczenia

I prawo Mendla (czystości gamet)

allele homologiczne wykluczają się w gametach;

w czasie mejozy (anafaza I) dwa występujące w macierzystej komórce gamet allele danego genu

(biwalent) rozchodzą się po jednym do każdej z potomnych komórek rozrodczych, tak że każdy plemnik lub jajo ma tylko jeden allel danego genu (podczas gdy zygota dwa) (prawo nie dotyczy genów w chromosomach płciowych mężczyzn)

II prawo Mendla (niezależnego dziedziczenia różnych par alleli)

allele niesprzężone dziedzicza sia niezależnie od siebie;

w czasie mejozy allele należące do dwóch różnych par (genów) rozchodzą się do gamet niezależnie

od siebie (pod warunkiem, że nie leżą na jednym chromosomie) tak, że w gametach mogą się spotykać ze sobą w dowolnych, zależnych od przypadku kombinacjach

(prawo nie dotyczy genów sprzężonych, t.j. leżących na tym samym chromosomie; crossing-over umożliwia częściowo niezależną segregację alleli sprzężonych)

Kariotyp - obraz chromosomów w komórce (podczas metafazy - największa spiralizacja). Gatunkowo specyficzny, co pozwala wykryć ewentualne zmiany strukturalne. Dowodzi istnienia szkieletu białkowego, tworzącego strukturę każdego chromosomu

ORGANIZACJA GENOMU

Genom człowieka (ok. 3 × 109 bp) zawiera:

• zaledwie 20-25 tys genów kodujących białka przez mRNA (ok. 3-5%)

• geny kodujące RNA (rRNA, tRNA, ncRNA: miRNA, duże RNA)

• niekodujące sekwencje DNA:

- regulatorowe - regulują ekspresję genu: promotor, enhancer, silencer, izolator chromosomowy

- repetytywne (powtarzalne),

- elementy ruchome (transpozony i retrotranspozony).

ncRNA (niekodujące RNA):

• potranskrypcyjna regulacja ekspresji swoistych mRNA

• regulacja procesów rozwoju u zwierząt

• blokowanie ekspresji genów

Organizacja informacji w DNA przypomina raczej bardzo złożony program

komputerowy niż zestaw przepisów na różne białka.

Efekty fenotypowe (molekularne) ekspresji genów

Białko Cecha fenotypowa

białko strukturalne np.:

tubulina kształt komórki (cytoszkielet)

aktyna kształt i ruch komórki (mikrofilamenty)

antygen AB0 grupa krwi

receptor ACh pobudliwoąść błony komórkowej

białko enzymatyczne np.:

synteza NA, A, DA neurotransmisja - procesy umysłowe;

amylaza, pepsyna - trawienie pokarmów;

synteza melaniny - obecność pigmentu w skórze

białko regulatorowe np.:

insulina - metabolizm glukozy;

hormon wzrostu - wielkość ciała

czynniki wzrostu - komórkowe regulatory mitoz

czynniki transkrypcyjne - regulacja procesów wzrostu komórki

i jej metabolizmu

Translacja czyli tłumaczenie

Translacja - proces, w którym następuje odczyt informacji genetycznej z mRNA i synteza białka. Biorą w nim udział oprócz matrycy ( mRNA ) i aminokwasów także cząsteczki tRNA ( dostarczające aminokwasów), rybosomy oraz szereg czynników wspomagających.

Komplikacja zapisu i odczytu - geny podzielone

Typowe geny strukturalne, kodujące białko zawieraja na przemian sekwencje

kodujące aminokwasy (eksony) i niekodujace (introny). Co to oznacza?:

- konieczność precyzyjnego oznaczenia końców każdego intronu

- konieczność obróbki pierwotnego transkryptu (pre-mRNA):

• wycięcie intronów

• połączenie eksonów (składanie - splicing)

• 
  oznaczenie początku cząsteczki

• dołączenie sekwencji końcowej

Regulacja ekspresji u organizmów jądrowych

Schemat kompleksu inicjującego transkrypcję 1- enhancer, połączony z aktywatorem - czynnikiem transkrypcyjnym; 2 - kompleks mediatora; 3 - podstawowe czynniki

transkrypcyjne: TBP, TFIIB, TFIIE, TFIIF, TFIIH; 4 - RNA - polimeraza II.

Przepływ informacji genetycznej

Według centralnego dogmatu Według koncepcji probabilistycznej epigenezy

Białko → Białko zmiana konformacji białek przez priony

aktywacja/inaktywacja białek przez fosforylacją

Białko → RNA aktywacja mRNA przez białka

alternatywne składanie mRNA przez białka (splajsosomy)

Białko → DNA regulacja ekspresji genów przez białka, także wpływy

środowiska, za pośrednictwem białek, na ekspresję

DNA ↔ DNA efekty epistatyczne (modyfikacja ekspresji genu w zależności

od sąsiedztwa innych genów);

regulacja ekspresji genów przez białkowe produkty innych genów

DZIEDZICZENIE CECH - cechy jakościowe:

• Jądrowe (podlega prawom Mendla i Morgana)

• Pozajądrowe = cytoplazmatyczne (mitochondrialne); nie podlega prawom Mendla i Morgana. Przyczyny: haploidalny genom mitochondrialny; dziedziczenie zasadniczo tylko po matce („po kądzieli”); „mitochondrialna Ewa”

Schemat dziedziczenia monogenowego genów autosomalnych

1. G - 1:1

F - 1:1

2. G - 1:2:1

F - 3:1

3. G - 1:0

F - 1:0

Dziedziczenie sprzężone z płcią (z chromosomem X). Mutacja ujawnia się przede

wszystkim u mężczyzn (hemizygot)

Dziedziczenie cech ilościowych

Kodowanie przez wiele genów dotyczy różnych cech (c. poligeniczne):

Cechy somatyczne np.

• wzrost,

• konstytucja ciała

• karnacja skóry,

• swoistość immunologiczna

Cechy psychiczne np.

• cechy temperamentu

(neurotyczność, ekstrawersja, poszukiwanie nowości, …)

• inteligencja poznawcza

• inteligencja emocjonalna

Odziedziczalność (heritablility) - część zmienności fenotypowej między osobnikami, która może być przypisana różnicom genetycznym w populacji:

- obejmuje addytywną wariancję genetyczną, czyli sumowanie się niezależnych wpływów alleli lub loci (o. sensu stricto)

- obejmuje addytywne i nieaddytywne ródła wariancji, czyli prócz powyższego także różnice wynikające z interakcji pomiędzy różnymi allelami (dominacja) albo loci (epistaza) (o. sensu lato)

Dziedziczenie inteligencji

Współczynnik korelacji (średnia i zakres) dla podobieństwa IQ między osobami o różnym stopniu spokrewnienia i niespokrewnionych.

ZMIENNOŚĆ GENETYCZNA I JEJ PODŁOŻE

Rekombinacje (crossing-over, losowa segregacja w anafazie I mejozy)

Mutacje (punktowe, chromosomowe, genomowe)

Mutacje liczbowe chromosomów (genomowe)

- aneuploidzie (Aneuploidia jest jednym z kilku zaburzeń ilości materiału genetycznego i oznacza, że jego ilość w komórkach nie jest wielokrotnością zawartości DNA w jednym garniturze chromosomów typowym dla danego osobnika lub gatunku (euploidia), ale ma wartość pośród nią)

- euploidie (wielokrotność haploidalnej liczby chromosomów)

tripoloidy

triploidy- organizmy poliploidalne, tj. o zwiększonej liczbie chromosomów w jądrach komórkowych; zawierają w jądrach komórkowych 3 zespoły chromosomów; t. posiadają z reguły pożądane cechy, np. dają duże plony, mają zwiększoną odporność na mrozy; do t. zalicza się wiele roślin uprawnych.

Komórki

macierzyste

Gamety, komórki krwi, nabłonek

Mięśnie poprzeczne, prążkowane, neurony

Soczewka oka

Gruczoły: wątroba, nerki

Mięśnie gładkie

Kora, nadnercza, kość

Wymienialne statystyczne ekspansywne

Naczynia pępowiny

owodnia

Krew matczyna w przestrzeni śródkosmkowej

Dysk łożyska

Błona mięśniowa

Tętnica spiralna ednometrium

Mendel

Żyły ednometrium

Przegroda łożyskowa

Naczynia kosmka

Kosmki kosmówki

Watson i Crick

Morgan

Avery

1

3

2

tripoloidy

---