Gradient ekspresji genów w regulacji morfogenezy u ssaków
Morfogeneza to ogół przekształceń dokonujących się w rozwoju osobniczym, prowadzących do osiągnięcia przez organizm właściwej dla danego gatunku budowy i kształtu. Morfogeneza zwykle rozpoczyna sie od jednej totiopotencjalnej komórki - najczęściej od zapłodnionej komórki jajowej i prowadzi do powstania organizmu wielokomórkowego. U organizmów wielokomórkowych morfogeneza może trwać do końca rozwoju zarodkowego, może rozciągać sie poza okres zarodkowy lub może wiązać sie z przeobrażeniem. Morfogeneza zachodzi dzięki różnicowaniu sie komórek, tkanek, organogenezie oraz wzrostowi. W przebiegu prawidłowej morfogenezy powstaje osobnik zdolny do reprodukcji, pełnienia wszystkich funkcji fizjologicznych oraz reaktywności na bodźce środowiska.. Do rozpoczęcia rozwoju niezbędne jest wyodrębnienie się zarysów nowego osobnika oraz uzyskanie przez niego przodo-tylnej polaryzacji ciała i odpowiedniej wewnętrznej organizacji. Bez morfogenezy zarodek powstałby w rozwoju na poziomie kulistego zespołu komórek, niemożliwe byłyby także procesy takie jak gastrulacja i organogeneza.
Genetyczna kontrola morfogenezy
Klasyczna metoda badania roli genów polega na analizie zmian spowodowanych mutacjami. Mutacje genów kontrolujące morfogenezę zaburzają plan budowy osobnika. Mogą one doprowadzić do tego, że prawidłowo zróżnicowane komórki lub narządy pojawiają się w nietypowym miejscu, liczbie czy stadium rozwoju, albo te nie wykształcają sie wcale. Mutanty tego typu zidentyfikowano u gatunków o ściśle zdeterminowanym rozwoju mozaikowym (nicienia C. elegant i muszki owocowej D. melanogaster). Identyfikacja genów wyznaczających rozwój muszki owocowej doprowadziła do odkrycia konserwatywnej ewolucyjnie rodziny genów regulatorowych, biorących udział w kierowaniu rozwojem różnych organizmów zwierzęcych, zarówno bezkręgowców, jak i kręgowców. Ponieważ kształtowanie postaci osobnika, czyli morfogeneza, odbywa się według wzorców odziedziczonych po rodzicach, muszą istnieć odpowiedzialne za to geny. Klasyczna metoda badania roli genów poleca na analizie zmian spowodowanych mutacjami. Po czym więc poznać geny kontrolujące morfogenezę? Ich mutacje powinny zaburzać plan budowy osobnika, powodując na przykład, że prawidłowo zróżnicowane komórki lub narządy pojawiają się w nietypowym miejscu, liczbie czy stadium rozwoju, albo też nie wykształcą się wcale.
Ekspresja genów obejmuje transkrypcję i translację.
W czasie rozwoju organizmu każda jego komórka ( z nielicznymi wyjątkami) zawiera taki sam DNA. Zróżnicowanie budowy ciała w czasie rozwoju osobnika zależy od zróżnicowania ekspresji genów w komórkach różnych tkanek i narządów. Ekspresja genu obejmuje dwa główne procesy: transkrypcję DNA do RNA i translację RNA do białek. Informacja niesiona przez gen określa rodzaj i kolejność aminokwasów, które mają być wbudowane w białko podczas jego syntezy. Gen jest także otoczony przez sekwencje regulatorowe usytuowane w pozycji cis w stosunku do niego, które kontrolują, gdzie i kiedy ma on być transkrybowany, decydują o poziomie transkrypcji poprzez określenie ilości wytwarzanego RNA i wzór jego ekspresji. Te regiony flankujące (otaczające z boku) gen mogą również być odpowiedzialne za przyjmowanie z zewnątrz sygnałów związanych z regulacją ekspresji genów. Regulacja transkrypcji przez takie elementy jest często najważniejszym poziomem kontroli ekspresji genów.
Po zakończeniu transkrypcji i powstaniu RNA następuje potranskrypcyjna regulacja ekspresji genu, wpływająca na ilość aktywnych białek wytwarzanych w komórce. RNA przechodzi dojrzewanie, a następnie zostaje wyeksportowany z jądra komórkowego do cytoplazmy, a czasem nawet skierowany do określonych regionów komórki, następnie ulega translacji, po czym jest degradowany. Te kolejne etapy również mogą podlegać regulacji. Wszystkie nowo powstałe białka, zanim zaczną prawidłowo funkcjonować, ulegają różnorodnym modyfikacjom. Mogą być to modyfikacje chemiczne, z białka może być usunięta część aminokwasów, nowo syntezowane cząsteczki mogą przyłączać się do innych lub łączyć w multimetry, aby tworzyć wieloskładnikowe kompleksy. Nowe białka mogą być skierowane do różnych części cytoplazmy, importowane do innych organelli albo być wydzielane z komórki. Ostatecznie mogą być także rozkładane. Na wszystkich tych etapach może zachodzić regulacja ekspresji genów.
Działanie genów we wczesnym rozwoju osobniczym
Rozwój zygoty w okresie bruzdkowania odbywa się przede wszystkim na koszt rezerw zawartych w cytoplazmie jaj, która wykazuje w tym czasie znaczną autonomię, decydując o tempie podziałów, orientacji wrzeciona itp. Najbardziej jaskrawym dowodem tej autonomii jest możliwość wywołania podziałów przypominających normalne bruzdkowanie, w komórce jajowej pozbawionej jądra. Dzieje się tak na skutek tego, iż w cytoplazmie oocytu, w czasie jego wzrostu zostaje zgromadzona znaczna ilość kwasów nukleinowych i białek, a w ich składzie chemicznym oraz organizacji zawarta jest informacja genetyczna kierująca wczesnym rozwojem. Substancje te zostały wyprodukowane pod kontrolą diploidalnego jeszcze jądra oocytu, czyli genów, która posiadał organizm matki. Nic dziwnego więc, że w początkowym rozwoju uwidaczniają się przede wszystkim cechy charakterystyczne dla genotypu matki.
Okres gastrulacji jest przełomowym etapem w życiu zarodka. Rozpoczynają się wtedy, lub znacznie nasilają, reakcje anaboliczne. Są one uzależnione od działalności genów, które kierują syntezą wszystkich trzech rodzajów kwasów rybonukleinowych (mRNA, tRNA, rRNA), warunkujących tworzenie się białka. Cząsteczki białka stają się elementami strukturalnymi budującymi ciało zarodka lub wchodzą w skład enzymów, niezbędnych do syntezy innych związków. We wszystkich więc procesach życiowych przejawia się działanie genów.
Zależność między informacją genetyczną zgromadzoną w cytoplazmie komórki jajowej a własnymi genami zygoty widać wyraźnie w krzyżówkach między różnymi rasami czy nawet gatunkami. Już dość dawno zauważono, że tempo bruzdkowania mieszańców jest charakterystyczne dla tej formy, z której pochodzi matka, mimo iż w późniejszym wieku mieszańce te przejawiają cechy obu rodziców. U progu procesu gastrulacji ujawnia się działalność genów jądrowych. Od nich oraz ich współdziałania z cytoplazmą zależeć będzie dalszy rozwój. Wiele danych przemawia za tym, że większość genów zygoty jest początkowo nieczynna, a włączają się one do akcji nie wszystkie naraz, lecz stopniowo, w pewnym porządku.
Geny a różnicowanie się tkanek
U podstaw różnicowania się komórek leżą różnice w ich składzie chemicznym i metabolizmie. Każdy typ tkanki produkuje właściwe sobie białka strukturalne i enzymy, które kierują wytwarzaniem specyficznych związków. Oczywiście, reakcje te zachodzą pod kontrolą genów. Wynika z tego, że poszczególne geny działają tylko w pewnych komórkach. Tak np. gen albinizmu, który warunkuje brak enzymu oksydazy o-dwufenolowej (tyrozynazy), niezbędnego do syntezy melaniny, przejawia swe działanie w melanocytach, natomiast gen zmieniający budowę hemoglobiny – w erytrocytach. Zachodzi więc pytanie, czy wszystkie komórki zawierają cały komplet genów, czy też tylko te, które są im potrzebne. W pierwszym przypadku musiałyby istnieć mechanizmy regulujące, umożliwiające wybiórczą działalność genów. Wiele danych wskazuje, że to właśnie rozwiązanie jest prawdziwe. Dowodzą tego m. in. Wyniki przeszczepiania jąder komórkowych. Jeżeli do komórki jajowej pozbawionej własnego jądra wszczepi się jądro pochodzące np. ze zróżnicowanej już endodermy gastruli, a nawet późnej neuruli, to w pewnym procencie przypadków rozwój przebiega normalnie. Wynika z tego, że komórka zróżnicowana, której typ rozwoju w normalnych warunkach jest już zdeterminowany, zawiera jednak pełną informację genetyczną, zdolną pokierować rozwojem całego osobnika. Do podobnych wniosków doprowadzają też badania biochemiczne nad tzw. Hybrydyzacją kwasów nukleinowych. Metoda ta polega na tym, że do frakcji zawierającej pojedyncze nici DNA, uwięzione w podłożu agarowym, dodaje się badany kwas nukleinowy, również w postaci pojedynczych nici. Dzięki zdolności DNA do tworzenia podwójnych łańcuchów, odcinki badanego kwasu, zawierające układ zasad komplementarny w stosunku do DNA z frakcji agarowej, zostają wychwycone i związane z nim w postaci podwójnych łańcuchów. Wysoki procent wyłapanych odcinków świadczy o podobieństwie struktur cząsteczek z obu frakcji. Tą drogą nie udało się wykazać różnic w sekwencji nukleotydów DNA pochodzących z różnych tkanek myszy. Natomiast różnice między cząsteczkami informacyjnego RNA, pochodzącymi z poszczególnych narządów, były bardzo znaczne. Świadczy to o tym, że we wszystkich tkankach zawarta jest taka sama informacja genetyczna, zakodowana w łańcuchach DNA, natomiast w każdym z narządów tylko część tej informacji jest wykorzystywana w syntezie mRNA. Innymi słowy – w każdym narządzie czynne są inne geny.
Regulacja czynności genów
Jeżeli geny nie pracują stale to muszą istnieć mechanizmy kierujące ich działalnością. O ich istnieniu przekonano się najpierw u mikroorganizmów. Dokładne badania pozwoliły wniknąć głębiej w istotę procesów regulacyjnych i doprowadziły Jacoba i Monoda (1961) do sformułowania tzw. teorii operonu. Zgodnie z nią oprócz genów strukturowych, które są odpowiedzialne za wytworzenie właściwej struktury białka, istnieją geny regulujące, służące do włączania i wyłączania pracy tych pierwszych. Zespół genów strukturowych wraz z kierującym nimi mechanizmem regulacyjnym nosi właśnie nazwę operonu. Niektóre geny są zorganizowane w postaci rodzin wielogenowych utworzonych przez identyczne lub podobne geny, które nie podlegają wspólnej regulacji.
- Proste rodziny wielogenowe- zawierają identyczne geny, których produkty są wymagane w dużych ilościach Przykładem mogą być tu geny rybosomowego 5S RNA. W genomie człowieka istnieje około 2000 kopii tego genu, co odzwierciedla duże zapotrzebowanie komórek na jego produkt.
złożone rodziny wielogenowe obejmują bardzo podobne geny, kodujące białka o podobnych funkcjach. Przykładem może być rodzina genów globinowych, kodujących serię polipeptydów globiny (a, b, g, e, z), które różnią się między sobą zaledwie kilkoma aminokwasami. Polipeptydy globiny po przyłączeniu hemu tworzą dojrzałe i embrionalne formy hemoglobiny.
Geny homeotyczne
grupa genów kontrolujących rozwój morfologiczny poszczególnych części ciała w początkowych stadiach rozwoju zarodkowego, zarówno u bezkręgowców jak i kręgowców. Mutacje w obrębie tych genów zazwyczaj nie wpływają negatywnie na układ segmentów ciała ale prowadzą do stanu określanego mianem homeosis, w którym określony segment zostaje zastąpiony przez inny. Wynika to z tego, że w przypadku takiej mutacji niektóre komórki otrzymały w czasie rozwoju zarodka błędną informację pozycyjną i dlatego zachowują się w niewłaściwy dla siebie sposób. Geny homeotyczne niższych bezkręgowców oznacza się HOM, u wtóroustych – Hox, a u człowieka – HOX.
Geny regulatorowe w rozwoju kręgowców
U kręgowców istnieją geny regulatorowe kontrolujące tworzenie się osi przodo – tylnej i grzbietowo-brzusznej. Gen Goosecoid odpowiedzialny jest za powstawanie bieguna przedniego. Gen Brachyury bierze udział w determinacji regionu ogonowego, gen Wnt kontroluje różnicowanie się strony brzusznej. Rozpoczynają one działanie podczas gastrulacji wcześniej niż geny homeotyczne. Ustalenie, które narządy będą się różnicowały wzdłuż osi przodo-tylnej pod kontrolą genów homeotycznych, następuje znacznie później. To geny homeotyczne ustalają wzorzec organogenezy.
Pola morfogenetyczne
Różnice fenotypowe między gatunkami powstają częściowo w wyniku uporządkowania przestrzennego około 300 różnych linii komórkowych ssaków. Układ przestrzenny jest określany przez informację pozycyjną, jaką posiadają komórki zarodkowe, którą możemy podsumować jako mapę losów komórek. Pamięć komórkowa położenia zarodkowego pozwala zróżnicowanym komórkom jednego przedziału zachować fenotyp, niezależnie od przeszczepienia ich w inne pod względem rozwojowym miejsce. Informacja pozycyjna agregatów komórkowych wpływa na zmiany kształtu w trakcie gastrulacji, prowadzące do asymetrii zarodka. Na zarodek człowieka nakładane są trzy osie polarności: przednio-tylna, prawo-lewa i grzbieto-brzuszna. Uważa się, że w procesach tych uczestniczą cząsteczki sygnałowe z rodziny TGFβ, włącznie z aktywnym sygnałem brzusznym BMP4, który jest wiązany i inaktywowany przez sygnały grzbietowe. Na przykład aktywina uwalniana z komórek współczulnych indukuje mezodermę w komórkach ujawniających odpowiednie receptory; w ciągu kilku godzin aktywina jako sygnał może biernie dyfundować na obszarze średnicy dziesięciu komórek, prowadząc do zróżnicowania wzoru ekspresji regulowanych genów. Wzorzec grzbieto-brzuszny jest więc nakładany na trzy listki zarodkowe: brzuszna pochodna ektodermy to naskórek, grzbietowa – układ nerwowy. Podobnie brzuszne pochodne mezodermy to krew i mezenchyma, grzbietowe obejmują mięśnie, strunę grzbietową i mezodermę głowy. Endoderma daje początek jelitu. Asymetria płodu ujawnia istnienie morfo genów dyfundujących w obrębie zarodka. Są to induktory, takie jak kwas Reginowy, które tworzą funkcjonalne gradienty morfogenetyczne wyznaczające strukturalne pola morfogenetyczne. Pierwsze gradienty morfogenetyczne powstają de novo w wyniku asymetrii oocytu, podczas gdy późniejsze tworzone są w rezultacie sekrecji w zarodkowych obszarach polaryzujących. Kiedy następuje przekroczenie małego stężenia gradientu – przełącznik aktywowany przekroczeniem progu indukuje kaskadę transkrypcyjną, co skutkuje określeniem współrzędnych pozycji zarodkowych i podziałem zarodka na obszary odpowiadające częściom ciała. Poniższy przykład odwołuje się do indukcji wątroby w obrębie endodermy jelita przedniego ujawniającej receptory 1 i 4 czynnika wzrostu fibroblastów (FGF): przylegająca mezoderma serca wydziela FGF 1, 2 i 8, z których dwa pierwsze indukują wstępną reakcję hepatogenną, podczas gdy ostatni wspomaga rozrost wątroby.
Aspekty molekularne Spośród trzech osi nakładanych na zarodek: przednio-tylnej, grzbieto-brzusznej i lewo-prawej – najmniej poznane jest tworzenie tej ostatniej. Istotnie, lewe i prawe nie może być określone, dopóki nie wyznaczono przodu/tyłu i strony grzbietowo-brzusznej. Kubkowate zagłębienie w linii środkowej zarodka, zwane węzłem (node), jest kluczowym centrum tworzenia wzoru: brzuszna strona węzła zbudowana jest z komórek mających pojedynczą rzęskę. Czynniki brane pod uwagę w genezie asymetrii lewo-prawo obejmują:
Gen Inv (inversion of embryonic turning; odwrócenie obrotu zarodka), kontroluje skręt zarodka, następujący wcześnie w rozwoju poimplantacyjnym i będący jednym z pierwszych przejawów polarności trzewnej lewo-prawo. Inaktywacja Inv powoduje niezmiennie (w odróżnieniu od przypadkowego) odwrotne położenie trzewi oraz nerki torbielowate
Asymetryczna ekspresja N-kadheryny przed gastrulacją oraz asymetryczna ekspresja receptora aktywiny ActRII po prawej stronie smugi pierwotnej po gratulacji
Sonic hedgehog, członek rodziny TGFβ Nodal i czynnik transkrypcyjny Snail wykazują ekspresję w mezodermie bocznej po lewej stronie węzła.
Krytyczny dla określenia symetrii lewo-prawo jest kierunek rotacji rzęsek komórek węzła (zgodnie lub przeciwnie do kierunku wskazówek zegara). Jedną z pierwszych oznak prawidłowego tworzenia wzorca symetrii ciała lewo-prawo jest wygięcie zawiązka serca w prawo. Jednak w autosomalnym recesywnym zespole Kartagenera mutacje dyneiny osiowej rzęsek powodują przypadkową orientację trzewi (tzn. 50% występowania situs inversus, czyli położenia serca i wątroby po nieprawidłowej stronie). Osobniki z całkowitym odwróceniem położenia trzewi funkcjonują na ogół dobrze, natomiast znaczne kłopoty mogą mieć osoby z częściową dezorganizacją lewo-prawo. Przypadkową orientację lewo-prawo mogą powodować mutacje genów aktywiny, sonic hedgehog i Wnt.
Organizatory
Układ sygnałowy Wnt wspólnie ze szklakiem sygnałowym TGFβ kierują ustawianiem pierwotnych centrów sygnałowych w gastruli. Organizatorami są 2 grupki nadrzędnych komórek wyzwalające kaskadę sygnałów indukcyjnych, które określają tworzenie wzorów budowy zarodka:
Organizator głowy – umieszczony w przedniej części endodermy trzewnej
Organizator tułowia – występuje w dystalnej części smugi pierwotnej, w obrębie mezodermy grzbietowej.
Retinoidy są silnymi morfogenami i teratogenami
Kwas Reginowy (RA) jest jednym z członków rodziny retinoidów – grupy molekularnej ważnej nie tylko dla widzenia z wykorzystaniem siatkówki (retina), ale także dla widzenia przestrzennego rozwijających się komórek. Retinoidy indukują ekspresję genów tworzenia wzorców budowy zarodka, regulujących tworzenie centralnego układu nerwowego, kończyn, twarzy i palców. Należy zauważyć, że sam ligand może mieć odrębne efekty w różnych tkankach, zgodnie z różnorodnością dimerów receptorów retinoidów. Wpływ retinoidow na różnicowanie może być związany z acetylacją histonów genów docelowych. Do różnicowania przez retinoidy niezbędny jest indukowalny przez niedotlenienie regulator tranksryocyjny CBP/p300 – acetylotransferaza histonu, potrzebna do apoptozy zależnej od p53 – co wskazuje, że różnicowanie może wymagać zależnego od p53 zahamowania wzrostu. Zwiększona ekspresja inhibitora Cdk, p27 i zmniejszona ekspresja Myc również mogą być częścią szlaku różnicowania przez RA. Te efekty mogą być istotne w antynowotworowym działaniu retinoidów, takim jak chemoprewencja raków skóry i ust. Zauważmy jednak, że podawanie w diecie prekursora retinoidów, β-karotenu, wiązano ze zwiększeniem ( a nie zmniejszeniem) liczby zgonów na raka płuc.
Zespoły Waardenburga - grupa kilku, genetycznie uwarunkowanych zespołów wad. Łączy je różnego stopnia niedosłuch czuciowo-nerwowy, plamy bielacze na skórze, jasne i niekiedy różnobarwne tęczówki oraz występowanie jasnego pasma włosów.
Zespoły Waardenburga są spowodowane mutacjami w genach kodujących czynniki transkrypcyjne, mające wpływ na migrację melanocytów w embriogenezie. Czynniki transkrypcyjne zaangażowane w ten proces to PAX3, MITF i SOX10. Gen PAX3 we wczesnym okresie zarodkowym ma największą ekspresję w grzebieniu neuronalnym i w dermatomiotomach, z których powstają mięśnie i skóra. Heterozygotyczna mutacja w genie PAX3 spotykana jest u większości chorych (zespół Waardenburga typu I) choroby; mutacje w obydwu kopiach genu (stan homozygotyczny lub stan złożonej heterozygotyczności) warunkuje ciężką postać choroby, jaką jest zespół Waardenburga typu IV.
Heterozygotyczna mutacja genu MITF (micropthalmia-associated transcription factor) powoduje haploinsuficjencję genu. Czynnik transkrypcyjny MITF transaktywuje gen tyrozynazy w melanocytach, a zaburzenie jego funkcji leży u podłoża części przypadków zespołu Waardenburga typu II. Natomiast mutacja z utratą funkcji w genie MITF wywołuje zespół Tietza.
Cechy charakterystyczne dla zespołu Waardenburga typu I (WS1)
* zniekształcenia nosa
* telekantus (dystopia canthorum)
* białe plamy na sierści
* wczesne siwienie/odbarwienia
* różnobarwność tęczówek
* hipoplazja podścieliska tęczówki, błękitne (szafirowe) oczy
* bielactwo
* skrócenie rynienki podnosowej
* niedosłuch czuciowo-nerwowy
Obraz kliniczny zespołu cechuje duża zmienność; niektórzy chorzy mają łagodną postać choroby i ich słuch jest nieuszkodzony.
W zespole Waardenburga typu II (WS2) chorzy mają objawy ograniczone do defektu melanocytów
* biały plamy na futrze (poliosis)
* niedobór barwnika w tęczówkach, błękitne oczy
* wczesne odbarwienie
* bielactwo
* niedosłuch, spowodowany brakiem melanocytów w rąbku barwnikowym ślimaka
W zespole Waardenburga typu III (WS3) charakterystyczne są
* wady ubytkowe kończyn górnych
Dla obrazu klinicznego zespołu Waandenburga typu IV (WS4) charakterystyczna jest
* choroba Hirschsprunga (łac. morbus Hirschsprung, ang. Hirschsprung’s disease, aganglionic megacolon, HSCR) – rzadkie, wrodzone schorzenie unerwienia jelita, uwarunkowane genetycznie, o wieloczynnikowym, zarówno dominującym jak i recesywnym sposobie dziedziczenia i zmiennej ekspresji. Jego istotą jest brak śródściennych zwojów nerwowych w dystalnym odcinku jelita grubego, rzadziej odcinek bezzwojowy jest dłuższy. Objawy choroby są zmienne; w obrazie klinicznym dominują zaparcia. Choroba Hirschsprunga jest najczęstszą przyczyną niedrożności przewodu pokarmowego.
W 1992 roku Waardenburg Consortium grupujące specjalistów od WS z całego świata ustaliło kryteria diagnostyczne dla zespołu Waardenburga typu I. Rozpoznanie można postawić gdy pacjent spełnia dwa większe kryteria albo jedno większe i dwa mniejsze; kryteria dodatkowe mają znaczenie pomocnicze.
Kryteria większe
1. Niedosłuch czuciowo-nerwowy z progiem większym niż 25 dB dla przynajmniej dwu częstotliwości z przedziału 250-4.000 Hz, bez cech wysięku i innej uchwytnej przyczyny niedosłuchu
2. Anomalie rozmieszczenia barwnika w siatkówkach:
a) Różny kolor tęczówek
b) Teczówka dwubarwna (segmentalna różnobarwnosć)
c) Charakterystyczne, błękitne (szafirowe) tęczówki, opisywane jako błękitne oczy Waardenburga albo oczy koloru błękitu nieba – hipopigmentacja tęczówek; anomalia podścieliska
3. Hipopigmentacja włosów
4. Dystopia canthorum (boczne przemieszczenie kątów wewnętrznych szpary powiekowej, ze zmniejszeniem widocznego pola twardówki w przyśrodkowym kącie oka, najlepiej oceniane wskaźnikiem W (≥2,07)
5. Krewny pierwszego stopnia ze zdiagnozowanym zespołem Waardenburga
Kryteria mniejsze
1. Wrodzone bielactwo (liczne obszary hipopigmentowanej skóry)
2. Synophrys albo włosy brwi w linii środkowej twarzy, powyżej nasady nosa
3. Szeroka i wysoka nasada nosa
4. Hipoplazja skrzydełek nosa (hypoplasia alae nasi) – hipoplastyczne dolne chrząstki nosowe, zwykle powodują zwężenie dolnej trzeciej części nosa
5. Przedwczesne siwienie/odbarwienia
Rzadko spotykane wady (kryteria dodatkowe)
1. Choroba Hirschsprunga
2. Anomalia Sprengla
3. Tarń dwudzielna (spina bifida)
4. Rozszczep wargi i (lub) podniebienia
5. Defekty kończyn
6. Wrodzone wady serca
7. Zaburzone funkcjonowanie narządu przedsionkowego
8. Szeroka, kwadratowa w zarysie szczęka
Nadrodzina transformujących czynników wzrostu TGFβ: Rodzina TGFβ- zawiera białka biorące udział w tworzeniu macierzy międzykomórkowej, regulujące podziały komórkowe oraz kontrolujące tworzenie się przewodów. Rodzina BMP- zdolne do indukowania tworzenia się kości. Rodzina Vg1- w zależności od stężenia indukują ekspresję genów Brachyury, Xwnt-8 i Gossecoid. Rodzina aktywin- bierze udział np. w tworzeniu nerek i trzustki.
Rodzina inhibitorów BMP:
NOGGIN- indukuje ektodermę w kierunku nerwowym.
CHORDYNA- działa podobnie jak Noggin.
FOLISTATYNA- wydzielana jest przez strunę grzbietową i lokaluzuje się w strunie grzbietowej. Działa antagonistycznie do aktywiny.
Cząsteczki adhezji międzykomórkowej.- białka adhezyjne SA białkami transbłonowymi. Ich główna funkcją jest rozpoznawanie i spajanie są siadujących komórek:
Kadheryny- uczestniczą w oddziaływaniach między komórkami, poprzez jony wapnia Ca2+.
Integryny- biorą udział w migracji komórek.
Polaryzacja grzbietowo- brzuszna cewki nerwowej kręgowców. Powstawanie neuronów
Brzuszna część cewki nerwowej zostaje określona dzięki impulsom biegnącym ze struny grzbietowej w postaci białka SHH. Białko to determinuje komórki cewki w tak zwane komórki płyty podstawowej. ( nie będą się one różnicować w neurony). Później i one wytwarzają SHH, które dyfunduje pomiędzy reszta komórek cewki przeznaczonych na neurony i wyznacza ich losy. Komórki otoczone największym stężeniem SHH przekształcą się w neurony ruchowe inne w kojarzeniowe. SHH działa na kom naznaczone przez białko Match.
SHH blokuje też w brzusznej części cewki ekspresje genów dorsalina (białko z rodziny TGF-beta, Pax-3 i msx-1.
Cechy charakterystyczne dla grzbietowej połowy cewki nerwowej powstają pod wpływem białek BMP-4 i BMP-7 (Ulegają ekspresji w epidermie grzbietowej w okresie zamykania się cewki nerwowej aż do zakończenia neurulacji. Blokują działanie SHH co umożliwia ekspresje takich genów jak dorsalin msx-1 i Pax-3.
Powstające neurony wysuwają wypustki: akson i liczne dendryty. Na końcu aksonu pojawia się stożek wzrostu. W błonie komórkowej stożka wzrostu znajdują się integryny. Stożki wzrostu przesuwają się po komórkach i innych aksonach na zasadzie interakcji N-CAM i innych kadheryn. Na koniec stożek wzrostu zmienia się w synapsę.
Migracja komórek grzebienia nerwowego.
Możliwa jest dzięki obecności kadheryn. Decyzja o migracji tych komórek powstaje pod wpływem białek z rodziny TGF.
Kwas hialuronowy- odgrywa rolę w zapewnieniu odpowiednich przestrzeni dostępnych dla komórek grzebienia nerwowego.
Mechanizmy różnicowania mezodermy.
Mechanizm miogenezy.
Do wyodrębnienia się prekursorów mioblastów i zróżnicowania we włókna mięśniowe konieczna jest aktywność genów zwanych genami miogenicznymi tj. myoD, myf-5, miogenina i mrf-4. Białka te należą do rodziny MYOD. Ich syntezę indukuje aktywina. Wiążą się one do podobnych miejsc na DNA i aktywują geny specyficzne dla mięśni. Komórki miotonu, które produkują białka z rodziny MYOD są mioblastami.( W wyodrębnianiu prekursorów mioblastów biorą udział geny myf-5 i myoD). Mioblasty mają tendencję do układania się w szeregi i łączenia w wydłużone komórczaki miotuby. ( w ostatecznym różnicowaniu się miotub biorą udział geny: mrf-4 i miogenina).
Mechanizm rozwoju nerki.
Rozwój nerki rozpoczyna się od wyznaczenia pozycji tego narządu wzdłuż osi przedni- tylnej zarodka. Zaangażowane są w to geny z grupy Hox. Przede wszystkim: HoxB-7, HoxA-11 i HoxD-11.
Nastepnie w blastemie nerkotwórczej pojawiają się dwa czynniki transkrypcyjne EYA-1 i WT-1, które uruchamiają produkcję cząsteczek sygnałowych GDNF, wydzielanych przez komórki mezenchymy nerko twórczej. GDNF wraz z ich receptorami na przewodzie Wolffa powodują uwypuklenie i wrastanie do mezenchymy pączka moczowodowego. Wzrastający pączek wydziela czynnik wzrostu FGF-2, który podtrzymuje przy życiu komórki mezenchymy, oraz białko LIF, które bierze udział w tworzeniu nefronów. Do ich prawidłowego działania niezbędna jest obecność białek sygnałowych WNT-1 i EMX-2, wydzielanych także przez paczek moczowodowy. Z kolei do tworzenia się nefronów konieczna jest w komórkach mezenchymy ekspresja białek PAX-2 i WT-1, które indukują ekspresję białka BMP-7. Czynnik ten zwalnia proces nefrogenezy dlatego kontrolowany jest przez WNT-4.
Mechanizmy morfogenezy serca.
U owodniowców, tuz po gastrulacji, mezoderma sercowa występuje pomiędzy ektodermą i endodermą, zajmując obszar po bokach węzła Hensena. W tym czasie pod wpływem jednoczesnego zadziałania impulsu indukcyjnego w postaci BMP-2-4, w obecności czynnika wzrostowego FGF-8 w komórkach mezodermy sercowej zaczyna sie synteza czynników transkrypcyjnych NKX-2.5 i GATA-4. Pod wpływem tych czynników komórki mezodermy przekształcają się w komórki mięśnia sercowego, wytwarzają białka specyficzne dla tej tkanki i tworzą rurę sercową. Rura wygina się i zaczyna uwidaczniać się prawa i lewa część serca. Odpowiedzialne są za to geny Nodal i Lefty-2. W obrębie zawiązka serca białko NKX-2.5 kontroluje produkcję czynników transkrypcyjnych HAND (HAND-1, lewa komora; HAND-2, prawa komora). Wpływa ono na tworzenie się komór.
Przegrody pomiędzy przedsionkami i komorami oraz zastawki różnicują się z proliferujących komórek wsierdzia, namnażając się między wsierdziem a miokardium. Najważniejsza rolę w powstaniu przegrody międzykomorowej pełni gen tolloid-like-1 (Tll-1), a w powstaniu przegrody miedzy przedsionkowej gen tbx-5.
Mechanizmy różnicowania się endodermy.
Mechanizmy wyznaczania regionów funkcjonalnych w zawiązku układu pokarmowego oraz geny aktywne w poszczególnych jego odcinkach.
U kręgowców najważniejszą rolę w wyznaczaniu odcinków przyszłego układu pokarmowego pełnią geny z grupy Hox.
W obrębie rozwijającej się gardzieli gdzie tworzą się kieszenie skrzelowe, wykryto aktywność odrębnych zespołów genów niż w innych odcinkach zawiązka układu pokarmowego. Na terenie różnicującej się tarczycy wystepuje aktywność genu Nkx-2.1, w obrebie różnicujących się gruczołów przytarczycznych- aktywnośc genu Pax-9, przy czym brak aktywności tego genu powoduje także zablokowanie powstawania tarczycy i grasicy. Do wytworzenia grasicy niezbędna jest obecność genów: Pax-9, Pax-1 i HoxA-3.
Różnicowanie się wątroby zalezy od działania wielu czynników. Białko HNF-3 oraz GATA mają zdolność modelowania chromatyny i „uczulają” pewne geny na działanie późniejszych czynników indukcyjnych. Przed wytworzeniem pączka wątrobowego działają geny wyznaczające obszar dwunastnicy Pdx-1, Hex, HoxA-2, HoxC-5, a przy tworzeniu pączka wątrobowego istotna rolę odgrywają czynniki wydzielane przez komórki mezenchymy. W tym przypadku najważniejsza jest aktywnośc genu Hlx, który uruchamia produkcję czynnika wzrostowego hepatocytów HGF, pobudzającego wzrost pączka wątrobowego i proliferację komórek pochodzenia endodermalnego. Morfogeneza i dalsze różnicowanie zawiązka wątroby wymaga współdziałania genów podtrzymujących proliferację(integryny β1), indukujących apoptozę (czynnik FAS) oraz czynniki kontrolujące apoptozę (RELA, JUMONIJ i N-MYC).
Trzustka rozwija się z zawiązka grzbietowego i brzusznego. Proces różnicowania rozpoczyna sygnał wychodzący ze struny grzbietowej, aktywujący produkcję czynnika transkrypcyjnego PDX-1. Początkowo jego ekspresja obejmuje cały obszar dwunastnicy. W szegółowym określaniu miejsca które ma się zróżnicować w trzustkę najbardziej znacząca rola należy do Shh, którego ekspresja ogranicza się początkowo do tylnego rejonu zawiązka przewodu pokarmowego, a później obejmuje cały jej obszar, z wyjątkiem regionu przeznaczonego do różnicowania się w trzustkę. Determinacja rozwoju trzustki wymaga obecności ekspresji genu Pdx-1 przy braku ekspresji genu Shh. Na rozwój trzustki wpływa struna grzbietowa. Prawdopodobnie przez wydzielane przez nią substancje: aktywinę i FGF-2. Do różnicowania się poszczególnych składników trzustki przeznaczonych do wydzielania wewnętrznego i zewnętrznego niezbędne są TGFβ i HGF( czynnik wzrostowy hepatocytów), indukują rozwój składników endokrynowych, podczas gdy białko folistatyna, które jest inhibitorem TGFβ indukuje rozwój gruczołow wydzielania wewnętrznego.
Wspólna ekspresja genów Shh i Pdx-1 determinuje rozwój dwunastnicy, natomiast samotna ekspresja genu Shh determinuje rozwój żołądka.
Płuca.
Pojawienie się nieparzystego uchyłka, bedącego zawiązkiem płuc, w przedniej części prajelita przeznaczonej na przełyk, zachodzi pod kontrolą genu Shh. Białko SHH jest rozdzielane na dwie domeny. Jedna zostaje zakotwiczona w błonie komórkowej, a druga dyfunduje do przestrzeni miedzykomórkowej, gdzie działa na komórki mezenchymy, aktywując w nich receptory patched( ptc). Po związaniu białka SHH przez receptory Ptc wydzielany jest czynnik zwany (smo), który z kolei aktywuje wydzielanie czynnika transkrypcyjnego GLI. Wiadomo także że bardzo ważna rolę zarówno w morfogenezie jak i różnicowaniu się komórek płuc pełnią geny grupy Hox i czynniki wzrostowe.
Genetyczna regulacja rozwoju zawiązków kończyn.
U wszystkich kręgowców czworonożnych, w tym u ssaków, występują cztery zawiązki kończyn. Powstanie pączka kończyny jest poprzedzone skomplikowaną interakcją między czynnikami z grup FGF i WNT. W wyznaczaniu rejonów pól kończyn biorą udział geny z grupy Hox (aktywowane przez kwas retinojowy), białka należące do rodziny czynnika wzrostu fibroblastów FGF ( uzalezniona od WNT-2B w polach kończyn przednich i WNT-8C w polach kończyn tylnych).
Tuż po wyznaczeniu pól kończyn dochodzi do różnicowania zawiązków kończyn przednich i tylnych. Kluczowa rolę odgrywają tu geny z rodziny genów Tbx: TBx-4 i Tbx-5. Tbx-5 powstaje w zawiązkach przyszłych kończyn przednich, gen Tbx-4 w zawiązkach przyszłych kończyn tylnych.
Do prawidłowego rozwoju wczesnego pączka kończyny niezbędny jest także szlak sygnalizacyjny aktywowany przez kwas retinojowy. Cząteczki tego kwasu łaczą się ze specyficznymi receptorami o charakterze czynników transkrypcyjnych, które regulują m.in. ekspresję genów Bmp-2 i HoxB-8.