„Determinacja i różnicowanie w rozwoju układu nerwowego” (Z 621)

„Rozwój układu nerwowego”

(WBNZ – 818)

Jolanta Górska-Andrzejak

Neuron hipokampa szczura w hodowli komórkowej. Czerwony –tubulina, Zielony- synapsyna.

Podsumowanie:

Badania z zakresu embriologii

klasycznej wykazały, że układ

nerwowy wykształca się w

czasie rozwoju embrionalnego

z ektodermy na skutek

indukcji ze strony tkanki

budującej tzw. organizator

Spemann’a. Dalsze badania

pozwoliły poznać także

molekularny mechanizm

indukcji układu nerwowego,

polegający na inhibicji ścieżki

sygnałowej BMP (zależnej od

BMP represji) przez induktory

neuronalne.

dpp

zapobiega

różnicowaniu

w neuroektodermę

Sog

promuje

różnicowanie

w neuroektodermę

dpp, Sog

BMP2/4,Chordina

BMP

zapobiega

różnicowaniu

w neuroektodermę

Chordina

promuje

różnicowanie

w neuroektodermę

• Zarówno u

Drosophila

jak i u

Xenopus

do wykształcenia się w

embrionie regionu neurogenicznego konieczny jest antagonizm

czynników TGF-beta, takich jak dpp/BMP, przez substancje będące
induktorami neuronalnymi, które są wytwarzane przez organizator.

Wytwarzane przez organizator

noggina, chordina czy follistatyna

zapobiegają łączeniu się BMP do ektodermy i mezodermy w

pobliżu organizatora – > zapobiegają indukcji/powstaniu

w tym rejonie epidermy - zezwalają na powstanie tkanki

nerwowej.

Antagonizm BMP jest konieczny i wystarczający do indukcji

układu nerwowego, jednakże u

Drosophila

proces delaminacji

neuroblastów z regionu neurogenicznego (neuroektodermy)

zachodzi dzięki drugiej ścieżce sygnałowej –>

Notch/Delta,

która reguluje ekspresję i funkcję białek proneuralnych

będących czynnikami transkrypcji

bHLH

Kształtowaniem się zróżnicowanej budowy ciała

wzdłuż osi przednio-tylnej

Drosophila

zawiaduje hierarchiczny układ

genów regulatorowych.

Plan budowy ciała zostaje zdeterminowany już w

stadium blastodermy

-> uaktywnienie genów wyznaczających pozycję i

organizację przyszłych segmentów ciała.

• 5 grup genów tworzy hierarchiczny

układ regulacyjny.

• Geny wyższej kategorii decydują o

aktywności genów podrzędnych.

• Geny w obrębie tej samej kategorii

mogą nawzajem wpływać na swoją
aktywność

geny polarności jaja

(decydują o orientacji przedniej i tylnej części ciała;

pozycja nadrzędna)

geny segmentacji

(3 kategorie; wyznaczają podział ciała na segmenty)

geny homeotyczne

(decydują o prawidłowym zróżnicowaniu budowy każdego

segmentu zgodnie z jego pozycją wzdłuż osi przednio-

tylnej)

Geny te kodują białka typu regulatorowego, których struktura

wskazuje na to, że mogą wiązać się ze specyficznymi

sekwencjami DNA i jako czynniki transkrypcji wpływać na

aktywność innych i własnych genów.

Geny polarności jaja

(ang. egg polarity genes)

• Wywołują tzw.

efekt mateczny

gdyż ich

produkty zostają zdeponowane w oocycie,

są więc pod kontrola genotypu matki

(pod kontrolą genów matczynych; ang. maternal genes)

Bicoid

(

bcd

)

wyznacza

przedni

koniec ciała

• cząsteczki mRNA genu

bicoid

są syntetyzowane

w organizmie matki, w

komórkach odżywczych

jajnika, skąd przechodzą

do oocytu i gdzie od razu

zostają zakotwiczone

• po zapłodnieniu jaja na

matrycach tego mRNA

syntetyzowane jest

białko, które

rozprzestrzenia się i

tworzy gradient stężenia,

malejący ku tyłowi.

Zarodki mutantów

bcd

pozbawione są

głowy i struktur tułowiowych

bicoid

zachowuje się jak

typowy morfogen, (tzn.

substancja wywołująca

specyficzną indukcję);

cytoplazma zawierająca

białko kodowane przez ten

gen po wprowadzeniu w

dowolną okolicę mutanta

bicoid

indukuje w tym

miejscu powstanie struktur

charakterystycznych dla

przedniej części ciała.

Nanos (nos)

gen wyznaczający tylny koniec jaja, niezbędny do powstania

segmentów

odwłokowych.

cząsteczki mRNA tego genu są

syntetyzowane w organizmie

matki.

ulega translacji w tym samym

czasie co

bicoid

• Syncytialna blastoderma zawiera przynajmniej

dwa przeciwstawne gradienty produktów

kodowanych przez geny polarności jaja, takich

jak

bicoid

nanos

• Białka Bicoid i Nanos dostarczają wstępnych

sygnałów pozycyjnych, które wpływają na

aktywność genów niższej kategorii (genów

segmentacji) zawężając ich ekspresję do

konkretnych regionów ciała.

hunchback i caudal

W jaju występują także matczyne transkrypty genów

hunchback

caudal

•

hunchback

tak jak

bicoid

wyznacza przedni

koniec ciała

•

caudal

, tak jak

nanos

, wyznacza tylny koniec

ciała.

Zależności pomiędzy genami

• Bicoid zapobiega translacji

caudal

w przedniej części jaja.

• Nanos powoduje inhibicję

translacji

hunchback

w tylnej

części jaja.

• Gradient

hunchback

jest

dodatkowo wzmocniony dzięki

zachodzącej transkrypcji tego

genu w przedniej części jaja=>

białko Bicoid jest czynnikiem

transkrypcji

hunchback

Geny Luki

(ang. GAP genes)

-pierwsze geny zygotyczne, które ulegają ekspreji wzdłuż osi

przednio-tylnej

Geny segmentacji, których mutacje

wywołują utratę dużych partii ciała (ang.

gap genes) i wczesną letalność embrionu.

(pierwsza kategoria genów segmentacji)

Np.

ppel

–

ekspresja tego genu

zachodzi tylko w

środkowej części

embrionu

(zarówno w części

przedniej jak i w

tylnej jego

transkrypcja jest

hamowana przez

białka genów

polarności jaja).

Białka Bicoid,

Hunchback i Caudal

są czynnkami

transkrypcyjnymi, które

aktywują geny luki

Geny reguły

parzystej

(geny parzystości segmentów,

ang.pair-rule genes)

• geny segmentacji o bardziej lokalnym działaniu, wyznaczające

regiony tzw. parasegmentów

(zaczątków segmentacji, które

są przesunięte w stosunku do ostatecznych segmentów; 1/3

tylnej części segmentu + 2/3 segmentu następnego )

• ich mutacje wywołują brak co drugiego parasegmentu, np.

mutanty

fushi tarazu

(po japońsku: mało segmentów,

ftz

) nie

mają parasegmentów nieparzystych (brązowy), natomiast

mutanty

even-skipped

(

eve

) parzystych (fioletowy).

• Ich ekspresja zbiega się w czasie z celularyzacją;

przekształcenie blastodermy syncytialnej w komórkową.

(druga kategoria genów segmentacji)

Geny polarności segmentów

(ang. segment polarity genes)

(trzecia kategoria genów segmentacji)

Wyznaczają określoną część każdego

segmentu. Ich mRNA wykrywane jest w

formie prążków, często o szerokości jednej

komórki.

(trzecia kategoria genów segmentacji)

Ulegają ekspresji w blastodermie komórkowej, w postaci 14 prążków

• mRNA genu

engrailed

(

), wykrywalny jest w formie 14 prążków,

każdy o szerokości jednej komórki, zlokalizowanych w przedniej

ćwiartce poszczególnych parasegmentów.

• mRNA genu

wingless

(

) – w ćwiartce tylnej. U mutantów, ta część

każdego parasegmentu zbudowana jest jak lustrzane odbicie części

pozostałej.

• Po gastrulacji gen

patched

ulega ekspresji, ale tylko w tych

komórkach, w których brak jest ekspresji

egrailed

hedgehog

Ekspresja genów wspomnianych kategorii

tworzy coraz to dokładniejszą mozaikę

sygnałów pozycyjnych,

które dostarczają każdej z komórek

informacji

precyzujących jej dokładną lokalizację w

zarodku.

• Różnicują segmenty:

każdy segment

zdobywa własną

tożsamość, staje się

morfologicznie inny

od pozostałych.

Geny homeotyczne

(ang. homeotic genes, homeotic selector genes)

Geny

homeotyczne

zostały odkryte

przez

Edwarda Lewisa

(1978)

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1995

Lewis znalazł mutanta muszki owocowej

(

Bithorax

), który posiadał dwie pary

skrzydeł zamiast jednej pary.

Dodatkowa para wytworzyła się na

trzecim segmencie tułowiowym, ponieważ

mutacja (w genie

ultrabitorax

)

przekształciła trzeci segment tułowiowy

w segment drugi.

Główne geny homeotyczne występują w

prawym ramieniu 3 chromosomu,

w postaci dwóch kompleksów genów

sprzężonych:

- Kompleks

Antennapedia

(

ANT-C

), wyznacza

różnice między segmentem głowowym a

trzema segmentami tułowia

- Kompleks

bithorax

(

BX-C

), wyznacza różnice

między segmentami tułowia a odwłoka.

Geny obu kompleksów

ułożone są w

chromosomie w takiej

samej kolejności jak

parasegmenty, których

specjalizację

wyznaczają.

Geny homeotyczne cd.

• Ich ekspresją kierują białka (zestawy białek)

kodowane zarówno przez geny polarności jaja,

jak i przez geny segmentacji.

• Ekspresja g.h.rozpoczyna się bezpośrednio

przed celularyzacją blastodermy i początkowo

jest dość rozległa.

• W miarę jak aktywowane są kolejne grupy

genów segmentacji i przybywa kodowanych

przez te geny białek regulatorowych

ekspresja genów homeotycznych staje się

coraz bardziej precyzyjna.

• Klonowanie genów homeotycznych

ANT-C

BX-C

wykazało, że wszystkie zawierają

sekwencję o bardzo wysokim stopniu homologii

(o długości 180 nukleotydów)

• Sekwencja ta, odkryta w roku 1984 i nazwana

homeoboksem

(ang. homeobox), została potem

znaleziona również w genach polarności jaja, w

wielu genach segmentacji oraz w genach

kierujących rozwojem u różnych grup

zwierząt, także u ssaków.

Homeobox

• Homeobox koduje domenę

białkową zwaną

homeodomeną

o dł. 60

aminokwasów, złożoną z

trzech fragmentów alfa-

helikalnych, tworzących

strukturę typu „heliks-skręt-

heliks”, typową dla czynników

transkrypcyjnych.

• Białka, które zawierają

homeodomenę biorą udział w

regulacji ekspresji zespołów

genów, które są ze sobą

funkcjonalnie powiązane.

Sekwencja homeoboksu występuje w

genach kierujących rozwojem u zwierząt

bezkręgowych i kręgowych.

• Posługując się sekwencją homeoboksu jako sondą do hybrydyzacji

DNA banków genomowych różnych zwierząt, stwierdzono

obecność homeoboksu w genach wielu bardzo odległych od siebie

ewolucyjnie grup:

• u nicienia

C.elegans

• u pierścienic

• u jeżowców

• u prymitywnych strunowców

• u kręgowców ( żaby, kury, myszy i człowieka)

• Geny zawierające homeoboks zostały dość dobrze poznane u

człowieka i u myszy, u których nazwano je genami

Hox

• Geny

Hox

występują w 4 grupach sprzężeń jako kompleksy

HOX

• Ułożenie genów w każdym z tych kompleksów wykazuje bardzo

duże podobieństwo do połączonych kompleksów

ANT-C

BX-C

Drosophila

: Najbardziej homologiczne w stosunku do siebie geny,

tworzące tzw. podrodziny, występują w tej samej kolejności.

Podobnie jak u

Drosophila

istnieje

ścisły związek między

kolejnością ułożenia

genów w chromosomie

a miejscem ich

aktywacji w osobniku.

• przednia granica ekspresji genu

(na przednio-tylnej osi ciała) zależy od pozycji genu w

kompleksie

• geny wykazujące ekspresję w tym samym regionie

pochodzą z tej samej podrodziny

Układ nerwowy

• Granica ekspresji poszczególnych genów

Hox

jest bardzo wyraźna

w układzie nerwowym zarodka myszy i odpowiada kolejności tych

genów w chromosomie.

• Geny

Hox

, których ekspresja pojawia się najpierw w narządach

osiowych (system nerwowy, zawiązki kręgów), wykazują ekspresję

również w narządach obwodowych, np. kończynach. Układowi

przednio-tylnemu w narządach osiowych odpowiada układ

proksymalno-dystalny w kończynach.

=> Ten sam system regulacyjny jest stosowany wielokrotnie, w

podobny sposób na różnych etapach rozwoju

Geny

Hox

zachowały swoje pierwotne funkcje:

• Po wprowadzeniu do

organizmu

Drosophila

genu

myszy

odpowiadającego

genowi

Antennapedia

spowodowaniu jego

nadmiernej ekspresji,

uzyskano muchy z odnóżami

zamiast czułków => podobnie

jak przy nadmiernej

ekspresji własnego genu.

Eliminacja wszystkich genów

hox

Tribolium

–> wszystkie segmenty wyglądają tak samo

(Stuart i inni, 1993)

• A: normalny wygląd B: osobnik pozbawiony grupy genów

Hox