|
|
|
| Hogyan alakulhat ki egy bonyolult soksejtű
szerkezet szerkezet, mint a légy vagy az ember testfelépítése
egyetlen sejtből?
Az anatómusok korán rájöttek arra, hogy a gerincesek testfelépítése
alapvetően azonos. A hasonlóság különösen szembetűnő az embrionális
fejlődés korai szakaszában. |
|
Please note,
all pictures are copy-righted. In this lecture note illustration is presented
as reminders of the lecture.
Közérthető bevezető: PBS angolul www
|
|
|
|
Geoffroy
Saint-Hilaire, francia zoológus egy lépéssel továbbment, amikor
azt állította, hogy az össze állat testfelépítése visszavezethető
egyetlen közös "tervrajzra". Van elejük és végük, jobb
és bal oldaluk, hasuk és hátuk. A különbségek a részletekben vannak.
Például a rovarok idegkötege a hasi, a gerinceseké a háti tájékon
fut, ezért Saint-Hilaire úgy gondolta, hogy a gerincesek tulajdonképpen
hanyattfordított rovarok! |
|
|
|
|
|
Az eredeti, ős tervrajz jobban megérthető
az egyedfejlődés legkorábbi szakaszának vizsgálatával. A gyümölcsmuslinca
teste pl. 3 fő részbol áll (fej, tor, potroh). A muslinca embrióban
azonban nem három, hanem 16 egyenlő méretű szegmens jelenik meg
először, és ezek összeolvadásából alakul ki a végső forma. |
|
|
|
|
|
 Kezdetben
úgy vélték, hogy ilyen bonyolult változásokat sok, esetleg többszáz gén
képes csak szabályozni.
Az 1940-es években azonban Edward B. Lewis
talált egy furcsa Drosophila mutánst, amelyben az egyik torszelvény
megkettőződött, és ezzel egy párral több szárnya fejlődött ki.
Hasonló mutánsok izolálása egyértelművé tette, hogy az alapvető
testfelépítés szabályozása viszonylag kevés számú génre vezethető
vissza. |
|
"Bithorax" mutáns |
|
|
|
Az 1970-es évek végén két német biológus, Christiane
Nüsslein-Volhard és Eric
F. Wieschaus szekvenálta azokat a géneket, amelyek a muslinca
testfelépítését szabályozzák. A szabályozó génekben kimutattak
egy 180 bázis hosszúságú szakaszt, amelyik az összes ilyen génben
szinte tökéletesen megegyezik. A szakasz terméke, egy 60 aminósavból
álló fehérje képes a DNS-hez kötődni, és ezzel be tudja indítani,
illetve le tudja állítani a transzkripciót. A homeoboxnak elnevezett
génekről kiderült, hogy alapvető szerepük van a sejtek sorsának,
és ezzel a szervek, szervezet fejlődésének meghatározásában. Lewis,
Nüsslein-Volhard és Wieschaus 1995-ben Nobel djat kaptak felfedezéeikért.
|
|
|
|
|
|
Vázlat |
|
|
Sorstérkép: Egy embionális sejt sorsa nyomon követhető
megfelelő jelölés után. A sejt alakulása a kezdeti állapottól
a végső, egy bizonyos szervben specializálódott állapotáig, a
sors-térkép.
Fejlődési potenciál: A zigóta, mint sejt, totipotens. Sok növény
sok sejtje az egyed élete végéig totipotens marad, az állatok
sejtjei azonban a zigóta első-második osztódása után veszítenek
potenciáljukból, lehetséges sorsuk beszűkül.
Determináció: A sejt és utódai az ontogenezis egy bizonyos fázisában már
csak egyetlen pályán haladhatnak, sorsuk determinált.
Differentáció: egy determinált sorsú sejt morfológiailag is specializálódik.
|
|
Példa a sors-térképre. Magyarázat www |
|
|
|
A determináció módjai
- aszimmetrikus szegregáció
- induktív szignalizáció
|
|
|
|
|
|
Aszimmetrikus szegregáció
Bizonyos anyagokból (többnyire mRNS) az egyik utódsejtbe
több kerül, mint a másikba.
Aszimmetrikus szegregáció határozza meg a Drosophila és
a C. elegans sejtek sorsát az ontogenezis korai szakaszában. |
|
|
Példa: A P-granulumok eloszlása a citoplazmában egyenletes,
az osztódás előtt a granulumok az egyik oldalra vándorolnak (film
Susan Strome laborjából) |
|
http://www.indiana.edu/~elegans/
Video_archive/pgranule/1cell.html
|
|
|
|
Induktív szignalizáció
 A
determináció leggyakoribb módja
Az egyik sejt(csoport) jelzései egy másik sejt(csoport)hoz jutnak.
|
|
|
| |
|
|
Diffundáló szignál: a jel a sejtközötti
térbe jut és a célsejtek specifikus receptoraihoz kötodik. A legtöbb
diffúziós mechanizmus esetében kiderült, hogy a terjedés szabad
diffúzió helyett valójában aktív transzport történik (jobboldali
ábra). |
|
|
| |
|
|
Direkt kontaktus: a két sejt transzmembrán fehérjéi
kapcsolódnak, interakciójuk hozza létre a jelet (balra)
Gap junction: az egyik sejt citoplazmájából a másik sejt citoplazmájába
jut a jel (jobbra) |
|
|
| |
|
|
Gyakran a két sejt interakciója során dől el, hogy melyiknek mi
lesz a sorsa. A két sejt az interakció előtt nem tökéletesen egyforma,
véletlenszerű különbségek vannak például a receptorok számában.
Az interakció során e különbségeket specifikus mechanizmus erúsíti
fel, és ezzel determinálódik a két sejt.
|
|
Greenwald (1988) LIN-12/Notch signaling: lessons from
worms and flies free
review article |
|
|
|
A sejttől a szervig: mintázatok
Két mechanizmus:
-
morfogén gradiens
-
szekvenciális indukció
|
|
|
|
|
|
Morfogén gradiens
Egy sejt(csoport) által termelt szignál (morfogén) diffúzióval
vagy aktív transzporttal terjed, és koncentrációja a távolság
függvényében csökken. A receptor sejtek sorsa meghatározott
koncentráció küszöbérték felett specifikusan determinálódik.
Az ábrán a magas küszöbértékre beállt sejtek sorsa "kék",
a közepes értékűeké "piros" az alacsony küszöbértékű
sejtek sorsa "lila" lesz. Ezzel a módszerrel egyetlen
jelfajta is képes komplex mintázatokat generálni.
|
|
|
|
|
|
| Egy példa: bicoid
A Drosophila melanogaster bicoid transzkripciós faktora morfogén
jel, amely koncentrációtól függően más és más géneket indukál.
Az ábra bal oldalán a 4 szín 4 gént (tailless, empty spiracles,
hunchback, és kruppel) jelöl. (A ábra)
A bicoid protein koncentrációja már a zigótában sem egyenletes
(B ábra), a magas koncetrációjú részből (fehér-piros terület)
fejlődik ki az állat feje.
Az anterior-posterior koncentráció grádiens több osztódás után is fennmarad
(C ábra)
A D ábrán két gén koncentrációtól függő expresszióját tették immunokémiai
festéssel láthatóvá. A magas bicoid koncentrációjú régióban a
Hunchback (zöld) gén, alacsonyabb koncentrációjú területen a Kruppel
gén (narancs) expresszálódik. A két régió átfedésénél látjuk a
sárga színt. |
|
Bicoid a Genes Network Database-ben
leírás,
illetve fotó
|
|
|
|
Szekvenciális indukció
Egy adott jelre (kék nyíl) érzékeny sejt a jel hatására
saját jeleket bocsát ki (piros nyilak).
A közelében lévő sejtek erre a jelre reagálva más,
szintén specifikus jeleket adnak (lila nyilak).
A jelet vevő és adó sejtek sorsa ezzel meghatározottá
válik, és együttesen egy bonyolult mintázatot hozhatnak létre.
|
|
|
|
|
|
A szekvenciális indukcióra példa lehet a C. elegans
vulvájának kifejlődése. A vulva prekurzor sejtek (P1.p - P12.p)
identikusak az ontogenezis korai szakaszában. |
|
|
|
|
|
Az iniciáló jelet (kék) specifikus receptorok fogják a
P6.p prekurzor sejten (fehér kör). Ennek hatására a P6.p saját
jelet bocsát ki (piros nyíl), amelyre a mellette lévő P5.p és
P7.p prekurzor sejtek működése megváltozik, és megnő bennük a
LIN-12 nevű fehérje szintje (szürke körök). Az indukció sorozat
közben tehát egy sejt két oldalán lévő sejtek azonossá, és a köztük
levőtől különbözővé válnak. |
|
|
|
|
|
Hasonló folyamatok eredményeként alakulnak az egyes
szegmenseken belül is anterior-poszterior gradiensek.
Robert J. Huskey izgalmas sorozata
|
|
|
|
|
|
Légy! (hogyan kell legyet csinálni)
Az előzőek alapján érthető, hogy a Drosophila alapvető szegmentáltságát
jelmolekula grádiensek, illetve a sejtcsoportok közötti szabályozott
interakció alakítja ki. |
|
|
| |
|
|
A zigótában expresszálódó gének (pl. bicoid és nanos) termékei morfogén
grádienst képeznek (A).
A gap gének az anterior-posterior tengely mentén nagyjából megfelezik
az embriót (B).
A gap gének olyan transzkripciós faktorokat kódolnak, amelyek az un.
pair-rule gének expresszálódását szabályozzák. A pair-rule gének hatására
alakulnak ki a szegmens párok (C).
A pair-rule gének tanszkripciós faktorai szabályozzák a szegmens
polaritás gének működését. A szegmens polaritás gének alakítják
ki az egyes szegmensek anterior-poszterior polaritását (D).
A gap, a pair-rule és a szegmens polaritás gének együtt a szegmentációs
gének, mert együttesen szabályozzák az egész organizmus szegmentációs
mintázatát.
Christiane
Nüsslein-Volhard és Eric
F. Wieschaus a korai differenciálódást szabályozó gének szekvenálásáért
kaptak Nobel díjat.
|
|
|
| |
|
|
Szegmensbol szem
A szegmentálódás a szükséges feltétele annak, hogy meghatározott
szegmenseken meghatározott szervek alakuljanak ki. Edward B.
Lewis,
aki a késői differenciálódás géneinek azonosításáért kapott
Nobel díjat, több olyan mutánst izolált, amelyekben az egyes
szervek (antenna, láb, szárny) nem a megfelelő helyen vagy számban
fordultak elő. A rendellenességért felelős faktorokat homeotikus
géneknek nevezték, amelyek 180 bp hosszúságú konzervatív szakasza
a homeobox.
|
|
|
|
|
|
A kép bal oldalán vad típusú, jobb oldalán antennapedia
mutáns Drosophila fejet látunk. A mutáns légy csápja helyett láb
nőtt. Az egyes szervek kialakulását a fejezet elején ismertetett
szerkezetű homeoboxot tartalmazó (Hox) gének szabályozzák.
Az antennapedia génről részletesen www |
|
|
| |
|
|
A Hox gének a kromoszómán annak megfelelő sorrendben helyezkednek
el, hogy a test melyik részének kialakulását szabályozzák. A Hox
gének szekvenciája és elhelyezkedése nagyon hasonló minden állatban.
Geoffroy Saint-Hilaire nem tévedett, az emlősök
valóban hanyattvágott rovarok a Hox gén expresszió mintázat alapján!
|
|
 |
| |
|
|
| |
|
|
| További anyagok (másold
be a címet a böngészőbe):
- http://www.bmb.psu.edu/courses/bmb252/lecture_31.pdf
- http://www.uvm.edu/~biology/Faculty/OGrady/ogrady22.pdf
- http://nema.cap.ed.ac.uk/teaching/devbio4/hoxjpg/Aboobaker_review.pdf
- http://www.bionet.nsc.ru/bgrs/thesis/3/
- http://biology.kenyon.edu/courses/biol114/biol114_fall_sec0.html
- http://biology.kenyon.edu/courses/biol114/Chap09/Chap09.html
- http://www.pnas.org/cgi/reprint/97/9/4481.pdf?ijkey=244aedd23d1c9461cbcf3b3318cc8b79bd5b82c7
- http://nsmserver2.fullerton.edu/departments/chemistry/evolution_creation/web/#9.5%20HOX%20Genes
- http://members.aol.com/darwinpage/jaws.htm
- http://www.pnas.org/cgi/content/full/97/9/4424#B10
- http://www.indiana.edu/~elegans/Video_archive/video_archive.html
- http://biology.kenyon.edu/courses/biol114/Chap13/Chapter_13A.html
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
