GELİŞİM BİYOLOJİSİ

1. GELİŞİM BİYOLOJİSİ Yard. Doç. Dr. Bedia PALABIYIK

2. Gelişim Biyolojisi bu bilmecenin nasıl olduğunu çözmeye çalışır

3. Çok Hücreli bir Organizmanın Sahip Olduğu Hücrelerin Farklılığı Hücre Çoğalması Hücre Özelleşmesi Hücre Etkileşimi Hücre Hareketi • Hücreler aynı genetik bilgiyi taşır. • Her hücrede farklı gen kümelerinin anlatımı yapılır (hücre farklılaşması). Bu süreç embriyoda dört temel işlemi denetler:

4. HAYVAN GELİŞİMİNİN EVRENSEL DÜZENEKLERİ • Yaklaşık on milyon hayvan türünde gelişimin temel mekanizmaların pek çoğu aynıdır. • Özelleşmiş hücre türlerini ve vücut bölgeleri arasındaki farklılıkları belirleyen moleküllerle vücudun biçimsel düzeninin oluşmasını sağlayanlar evrimsel açıdan fark edilir düzeyde birbiriyle ilişkili, benzerdirler.

5. Hayvanlarda Temel Anatomik Özellikler Ortaktır • Gelişimi denetleyen genler hayvan türleri arasında benzerdir (ortak bir atadan) • Bir hayvan vücudu, koruyucu bir dış katman oluşturan epiderm hücreleri, sindirilmiş yiyeceklerden besin emilimini gerçekleştiren sindirim kanalı hücreleri, hareketi sağlayan kas hücreleri, hareketleri denetleyen sinir ve duyu hücrelerinden oluşmaktadır. • Devasa yumurta hücresi bölünür daha küçük boyutta çok sayıda hücre oluşturur. Bu hücreler birbirine yapışır ektodermi oluşturur. Bir yerinden içeri kıvrılır ve endodermi oluşturur. Bir grup hücre ektoderm ile endoderm arasına göç ederek mezodermi oluşturur.

6. Deniz kestanesinde gastrulasyon

7. Çok Hücreli Hayvanlar Hücre Etkileşimlerine ve Gen Düzenlenmesine Aracılık Eden Proteinler Yönünden Zengindir • Moleküler örgütlenme için iki farklı protein sınıfı önemlidir. • Özellikle hücre yapışması ve hücre sinyal iletisinde önemli olan zar geçen moleküller (C.elegans’da 2000, mayada yok) • Gen düzenleyici proteinleri kodlayan genler. Bu proteinler DNA’ya bağlanır. C. elegans’da 41, Drosophila’da 84, insanda 131 ve mayada yalnızca 7 üyesi vardır.

8. Düzenleyici DNA Gelişim Programını Tanımlar • Farklı hayvan grupları benzer gen topluluğuna sahipse, nasıl bu kadar farklı hayvan grupları ortaya çıkıyor? • DNA’da gen dışında bulunan düzenleyici bölgeler ilgili genlerin anlatım yapmasını sağlar ya da engeller. • Hücreler embriyo içindeki konumlarını çevrelerini referans alarak çoğalırken, o an içerdikleri proteinlerin etkinliklerine bağlı olarak, yeni gen gruplarını çalıştırıp bir durumdan bir sonrakine geçerler.

9. Embriyo Çalışmaları Hücreler Arasındaki Etkileşimleri Ortaya Çıkarır • Erişkin bir hayvanın oluşum süreci nasıl incelenir? • Tanımlayıcı embriyoloji • Gelişimi hücrenin davranışı bakımından açıklamak için her hücrenin embriyodaki kendi bölünme, dönüşüm ve göçü izlenebilir • Temeli 19. yy da atılmış. Günümüzde hücre soyu iz sürümü teknikleriyle yapılmakta Xenopus embriyosunda hücre soyu izlenmesi. Erken evredeki (32 hücre) üç hücreye enjeksiyonla farklı floresan boyalar verilmiş ve 10 saat bekletildikten sonra kesit alınmış.

10. Gelişimi, • Deneysel embriyologlar, hücre ve dokuların çok hücreli yapıları oluşturmak için izledikleri etkileşim yollarını, • Gelişim genetikçileri ise, genlerin etkileri • bakımından analiz ederler. İki yaklaşım birbirini tamamlar.

11. Bir Hücrede Gelişimsel Karar Gözle İzlenebilen Değişikliklerin Çok Öncesinde Verilir • Normal gelişmeye bırakılmış bir embriyodaki belirli bir hücrenin kaderinin ne olacağı, yalnızca yakın gözlem yaparak, iz sürücü boyalar ya da diğer hücre işaretleme teknikleri kullanılarak keşfedilebilir. Hücre kararlılığının standart testi Normal Yazgı Kararsız Kararlı

12. Hücreler Vücut Yerleşimlerini Yansıtan Konumsal Değerlerini Belleklerinde Tutar • Hücreler, özgül bir hücreye farklılaşmaya adanmalarından çok öncesinde, bölgesel olarak kararlı hale gelir. • Bir hücrenin konumuna özgü karakteri, hücrenin konumsal değeri olarak adlandırılır ve etkisini daha sonra gelen örüntü oluşum basamaklarında hücrenin davranış şekliyle gösterir. • Tavukta kanat ve bacak gelişimi. Benzer dokulardan oluşuyorlar. Ne oluyor da farklılık meydana geliyor?

13. Hücre farklılaşması • Gelişimin her evresinde embriyodaki bir hücreye, sınırlı seçenekler sunulur. Gelişimi anlamak için seçenekler arasındaki seçimin nasıl denetlendiğini ve bir önceki seçime nasıl bağlı olduğunu bilmek gerekir. 1) Önemli molekül takımlarının hücre bölünmesi sırasında kardeş hücrelere dengesiz olarak paylaştırıldığı asimetrik hücre bölünmesinin bir sonucu olarak, iki kardeş hücre birbirinden farklı özelliklerle doğar.

14. 2) Komşu hücrelerden gelen sinyaller • Yanal engelleme (Notch yolağı)

15. 3) Aynı gelişim potansiyeline sahip bir grup hücrede, grubun dışındaki hücrelerden gelen bir sinyalin, grubun bir ya da daha çok üyesini farklı bir gelişim yolağına itmesidir. -uyarıcı etkileşim

16. Morfogenler Dereceli Etkiye Sahip Uzun Mesafeli Uyaranlardır • Sinyallerin varlığı ve yokluğunun yanında, ne kadar olduğu da önemlidir. • Örneğin, molekül derişiminin yüksek olması durumunda hedef hücreler belirli bir gelişim yolağına yönelirken, orta düzeydeki gelişim bir başka, daha az düzeydeki derişim de daha başka yolağa yönlendirir. • Hücrenin bulunduğu alanın tamamında belirli bir örüntü oluşturan sinyal molekülleri morfogen olarak adlandırılır.

17. Hücre Dışındaki Sinyal Molekül Engelleyicileri Uyarıcı Yanıtı Şekillendirir • Özellikle uzak noktalarda etkin olabilen moleküller için, sinyal oluşumunu ve etkisini sınırlamak önemlidir. Gelişimsel sinyal proteinlerinin pek çoğunun, işlevlerini engelleyen hücre dışı antagonistleri vardır. • Aslında, şaşırtıcı sayıda gelişim kararı birincil sinyal molekülünün kendisinden ziyade engelleyenler tarafından düzenlenir.

18. Hücrenin İçsel Programı Çoğu Kez Gelişiminin Zaman Sürecini Belirler • Her gelişimsel değişiklik için bir uyarıcı sinyalin gerekli olduğunu düşünmek yanlış olur. • Hücrenin karakterini değiştiren mekanizmaların çoğu, çevresel bir uyaran gerektirmeksizin, hücrenin kendi iç donanımındadır. • Yani hücre sabit bir ortamda tutulsa bile gelişimsel program basamaklarına devam edecektir.

19. İlk Örüntüler Küçük Hücre Alanlarında Oluşur ve Ayrıntılar Embriyo Büyüdükçe Ardışık Uyarılarla Oluşturulur • Embriyodaki uzaysal örüntüyü düzenleyen sinyallerin etkinliği genellikle kısa mesafelidir ve basit seçenekleri yönetir. • İlk komutları izleyen hücre çoğalması boyut artışından sorumludur. İki farklı türden hücre oluşur oluşmaz, bunlardan biri, komşu hücrelerin bir alt kümesini üçüncü bir şekilde özelleşmeleri için uyaran bir etmen üretebilir. Buna karşılık üçüncü hücre ise yakındaki diğer iki hücre tipine sinyal vererek dördüncü ve beşinci hücre türünün oluşumuna yol açar. • Gittikçe daha karışık bir örüntü meydana getiren strateji: ardışık uyarım

20. Caenorhaptidiselegans: HER HÜCRENİN KENDİ BAKIŞ AÇISINDAN GELİŞİMİ • Küçük, nispeten basit ve özenle yapılandırılmış • Gelişim anatomisi tanımlanmış ve vücudundaki her hücrenin soyu kesin olarak haritalanabilmiştir • Tüm genom dizisi bilinmektedir ve mutantfenotipler gen işlevlerini saptamak için analiz edilmiştir • Anatomik açıdan basit olmasına karşın, bilgisayar desteği olmadan izlenemeyecek kadar çok sayıda geni (18.000) ve hücresi (1000) vardır. • Göz ve uzuv gibi organları izlemek için uygun değildir. • Bu kurtçuk başlangıç düzeyi için mükemmel bir örnektir.

21. CaenorhabditiselegansAnatomik Açıdan Basit Bir Organizmadır • 1000 somatik hücre ve 1000-2000 germ hücresi • Anterior uçta ağız ve beyin, posterior uçta anus (bilateral simetri ) • Vücut yapısı, sinir, kas, bağırsak ve deriden oluşmuştur. • Dış vücut duvarı: koruyucu epidermis ve kas katmanı • Endodermal hücrelerden oluşan tüp bağırsağı oluşturur. • Gonadları meydana getiren ikinci tüp, bağırsakla vücut duvarı arasındadır. • C. elegansiki eşeylidir: Hermafrodit ve erkek. Hermafrodit sınırlı sayıda sperm üreten dişidir. Kendileşerek ya da çapraz döllenmeyle üreyebilir. Genetik çalışmalar için önemli

22. Gelişmekte Olan Nematoddaki Hücre Yazgıları Neredeyse Mükemmel bir Şekilde Öngörülebilir • Yaşama döllenmiş bir yumurta halinde başlar ve tekrarlı hücre bölünmeleriyle, yumurta kabuğunun içinde 558 hücreli küçük kurtçuk oluşturur. • Deri değiştirerek dört larva evresi geçirir. • Devam eden bölünmelerle büyür ve cinsel olgunluğa erişir ve kendi yumurtalarını üretmeye başlar. • Yumurtadan yumurtaya gelişimsel süreci üç gün • Tek hücreli yumurtadan çok hücreli erişkin oluşana kadar tüm hücre soyları, gelişen hayvan doğrudan izlenerek haritalanmıştır. • Bu durumdan dolayı uygun model olmadığı ileri sürülmüş • Aksine, gelişim her hücrenin iç işleyişine bağlı olduğu kadar, hücre hücre etkileşimlerine de bağlıdır. • Burada, hücre hücre etkileşim örüntüsü son derece tekrarlanabilir özelliktedir

24. Anasal Etkili Gen Ürünleri Yumurtanın Asimetrik Bölünmesini Düzenler • Gelişimin erken dönemindeki farklar nasıl ortaya çıkar? • Germ hattı, döllenmiş yumurtanın asimetrik bölünme dizisi ile oluşur. • Spermin giriş noktası, uzayan yumurtanın ileri dönemdeki posterior kutbunu tanımlar. • Hücre içinde yumurtadaki proteinler birbirleriyle etkileşir ve kendilerini spermin giriş noktasına göre düzenlerler. Bu işlemde yer alan proteinler genellikle, annenin genlerinden sentezlenmiş mRNA ürünlerinin anlatımı sonucunda üretilmiştir. Bu RNA yumurtlama işleminden önce yapıldığından, bu şekilde etki eden genlere anasal etkili genler denir

25. Nematodlarda “partitioningdefective” par genleri, hücre asimetrisini yapılandırır • Par proteinleri, P tanecikleri olarak adlandırılan bir grup ribonükleoproteini yumurtanın posterior kutbuna getirir. Posterior yavruya P tanecikleri aktarılırken, anterior yavruya aktarılmaz. Birkaç hücre bölünmesinde de bu şekilde çalışır. 16 hücreli evrede P tanecikli sadece bir hücre bulunur.

26. Heterokronik Genler Gelişimin Zamanlamasını Denetler • Hücre içinde yer alan düzenleyici molekül kümesi(leri) de düzenlemeye yol açabilir. • Nematod embriyosunda bile hücre bölünme aşamalarının nasıl denetlendiği hakkında bilinenler azdır. • Ancak, larvaların beslenip büyüdüğü ve erişkin olmak için deri değiştirdiği daha geç evreler için hücresel olayların zamanlamasını denetleyen genlerden bazıları tanımlanmıştır. Bu genlerdeki kusurlar heterokronikfenotiplereyol açar.

27. DROSOPHILA • C. elegans’dan yüz kat daha fazla hücre; 14.000 gen • Sineğin vücut yapısı ve gelişimini denetleyen genlerin bir seti oluşturulmuştur. • Drosopila’da vücut örüntüsünü belirleyen genlerin insan dahil yüksek organizasyonlu canlılarda homologları vardır. Hatta, vücut planını, organ ve dokuların örüntüsünü tanımlayan temel yapılar çok benzerdir. • Çoğaltılması ucuz, mutasyon oluşturulması kolay ve üreme döngüleri hızlı olduğundan genetik çalışmalar için idealdir. Ayrıca, bir karakter- bir gen olduğu için buradaki bir mutasyon doğrudan fenotipte izlenebilir.

28. Sineğin Vücudu Bir Dizi Bölütlenmiş (segmentlenmiş) Birimden Oluşmaktadır

30. Drosopila Gelişimine Ortak Sitoplazmalı Olarak Başlar • Yumurta boyutu 0,5x0,15 mm. • (Dokuz bölünme) ortak sitoplazmalı blastodermtabakası • (Dört tur çekirdek bölünmesi) yumurta yüzeyinden içeriye doğru çekirdekleri çevreleyecek plazma zarı gelişir ve (6000 hücreli) hücresel blastoderm • Yumurtanın posterior ucuna yerleşen yaklaşık 15 çekirdek birkaç döngü önceden hücrelere ayrışır. Bu kutup hücreleri sperm ve yumurtalara dönüşecek germ hattı öncülleridir. • Hücresel blastoderm evresine kadar, yumurtada biriken anasal mRNA ve protein stokları gelişimi yönetir.

31. Hücreleşmenin tamamlanmasından kısa bir süre önce hücre katmanının bir kısmı içeriye sokulmaya başlar (gastrulasyon) başlar. • Gastrulasyon tamamlanmaya başladıkça embrio yüzeyinde vücudun alt bölmelerini anteroposterior eksen boyunca bölütler (segmentler) halinde işaretleyen girinti ve çıkıntılar görünmeye başlar. Yeme ve büyümeye başlamak için hazır larva meydana gelir.

32. Erken Örüntüleme İçin Gerekli Gen Grupları

34. Oositin Çevresiyle Etkileşimi Embriyo Eksenini tanımlar: Yumurta kutuplaşma Genlerinin Rolü

35. Embriyonun gelecekteki anterior ucunda BicoidmRNA’sı bulunur. Bicoid protein gradyanı oluştururlar. anterior • Embriyonun gelecekteki posterior ucunda Nanos’a ait mRNA’larposteriorgradyanı oluşturur. posterior • Torso’nun yerel olarak etkinleşmesiyle, gelecekte larvanın baş ve kuyruk uçlarını oluşturacak özelleşmiş uç yapılarının yerleri ile sindirim kanalının temel yapılarını belirler. Etki alanı kısadır. terminal • Dorsoventral ekseni tanımlar. Embriyonun hemen altındaki folikül hücrelerinin ürettiği bir protein, oosit zarında bullunan, Toll reseptörünün yerel etkinliğine yol açar. Burada görevli genler dorsoventralyumurta kutuplaşma genleri • Bicoid, Nanos, Torso ve Toll tarafından sağlanan her kutuplaşma sinyali, etkisini doğrudan veya dolaylı olarak blastoderm çekirdeklerindeki genlerin anlatımını düzenleyerek gösterir.

36. Böcek Dorsaventral Ekseni Omurgalı Ventrodorsal Eksenine Karşılık Gelir • Omurgalılarda, Drosophila’da bulunan Dpp ve sog proteinlerine benzer şekilde çalışan BMP4 ve kordin proteinleri vardır.

37. Üç Sınıf Segmentasyon Geni AnteriorPosterior Anasal Örüntüyü Ayrıntılandırır ve Embriyoyu Alt Bölümlere Ayırır • Bu genler embriyonun kendi genomunun ürettiği ilk genlerdir. Zigotik etkili genler.

38. Segmentasyon genlerinin Lokal Anlatımı Sinyal Hiyerarşisiyle Düzenlenir

39. Her aşamada sırasıyla yeni ayrıntıları tanımlamak için yeterli düzeyde derişim farkları sağlayan yeni sinyaller ortaya çıkar. • Böylece, biyolojik denetim sistemindeki düzensizliklere ve sineğin gelişimi sırasında değişen çevresel koşullara karşın, tümüyle aynı örüntüye sahip sinek embriyoları oluşturulabilir.

40. HOMEOTİK SEÇİCİ GENLER VE ANTEROPOSTERİOR EKSENİN ÖRÜNTÜLENMESİ • Gelişim ilerledikçe vücut daha karmaşık hale gelir. • Her türde ve yapılanmanın her düzeyinde, karmaşık yapıların her zaman az sayıdaki temel olgunun küçük değişikliklerle tekrarlanmasından oluştuğunu görüyoruz. • Kas, fibroblast • Çeşitli dokuların bir araya gelmesinden, diş veya parmak gibi organlar ortaya çıkar. • Bu modüler tekrarlamanın olduğu yerde iki soru: Belli bir grup nesnenin tamamında ortak olan temel yapım mekanizması nedir? Ve bu mekanizma gözlemlenen farklılıkları oluşturmak için nasıl değişkenlik göstermektedir? • Segmentlerin temelinin ortak ve ayrı özellikleri

41. ORGANOGENEZ VE UZUV ÖRÜNTÜLENMESİ • Böcek vücudundaki başlıca uzantılar ve diğer pek çok vücut parçası, evrimsel olarak korunmuş, az sayıdaki temel temanın değişik biçimleri olan alt yapılardan oluşmaktadır.

42. Erişkin Sineğin Vücut Bölümleri İmge Disklerinden Gelişir • Erişkin sinekteki dış yapılar, larvanın her segmentinde bulunan, görünürde farklılaşmamış hücre gruplarının oluşturduğu, imge diskleri “imaginaldiscs”den gelişmiş yapılardan köken alır. • Diskler sinmiş, buruşuk balon görünümündeki epitel torbacıklardan oluşur ve larvanın epidermis yüzey katmanıyla devamlılık gösterir. Bunlardan her yanda dokuzar çift ve ortada bir adet olmak üzere 19 adet vardır.

44. Uzuvları Oluşturacak Hücreleri Özgül Düzenleyici Genler Tanımlar • İşlem erken dönem örüntülenme mekanizmaları ile başlar. • Moleküler anlamda imge diski-tanıyıcı düzenleyici genlerin açılmasına karşılık gelmektedir. Disklerin çoğunda Distal-lessgeni açılır. Bu gen anten veya bacak gibi proksimodistal eksenli uzantıları oluşturmak üzere devamlı büyüme için gerekli olan düzenleyici protein genini kodlar. Genin yokluğunda bu tür uzantılar oluşmaz, gen olağan dışı bölgelerde ifade edilirse yanlış yerleşimli uzantılar oluşur. Göz diski için de eye-lessgeni benzer işlev yapar. Güve larvası Deniz kestanesi

45. Böcek Kanat Diski Bölmelere Ayrılmıştır • İmge diskini oluşturan hücre kümeleri başlangıçtan itibaren, henüz tam gelişmemiş iç örüntüleri taşırlar. Kanat diskinin posterior yarısında bulunan hücreler engrailedsegment kutuplaşma genini ifade ederken, anterior yarıda bulunan hücrelerde bu gen ifade edilmez.

46. Kanat Örüntüsünü İyi Bilinen Dört Sinyal Yolağının Bileşimi Oluşturur: Wingless, Hedgehog, Dpp ve Notch • Her bölmenin sınırları boyunca uzanan farklı durumdaki hücreler birbirleriyle karşılaşır ve özelleşmiş hücrelerden oluşan dar bantları oluşturmak için etkileşir. Bu sınır hücreleri daha sonraki büyümeyi sağlamak ve uzantıların ayrıntılı örüntüsünü sağlamak için yeni sinyaller üretir. • Posterior kanat bölmesindeki hücreler Hedgehog sinyal proteinini ifade eder ancak buna yanıt veremez. • Anterior bölmedeki hücreler buna yanıt verebilir. Hedgehog etki alanı kısa olduğundan sınırdaki hücre bantı etkin olur. • Bu sınır hücreleri Dpp sinyalini de başlatır. Sınır hücrelerinden dışarıya doğru difüzyonla yayılarak bir morfogengradyanıoluşturur. Bu şekilde sonraki örüntüyü denetleyebilir. • Benzer olaylar dorsoventralsınırda da gerçekleşir. Notch yolağının aracılığıyla diğer bir morfogen olan Winglessproteinini üreten bir sınır hücre bandı yaratır.

48. Her Bölmenin Boyutu Hücreleri Arasındaki Etkileşimlerle Düzenlenir • Neden vücudun her bölümü kesin olarak belirlenmiş bir boyuta kadar büyümektedir? • Bölme içindeki hücreler birbirleriyle etkileşerek bölmenin sonlandırılacağı zamanı belirlemekte • Hücre bölünmesini yavaşlatan yada hızlandıran mutasyonlarda, hücre boyutu ve sayısı değişerek organ boyutunun sabit • İnsülin gibi büyüme etmenlerinin aracılık ettiği sinyal yolaklarındaki genetik kusur: az sayıda hücre içeren küçük sinekler, aşırı etkinlik: dev sinekler Erişkin kanatta işaretlenmiş kolonilerin şekli engriled geninin kanattaki anlatımı

49. Büyüme hızındaki veya başlangıç koşullarındaki yerel bozukluklara karşın bir bölmenin içindeki her küçük örüntünün uygun boyutlara büyümesini sağlayan mekanizma nedir? • Morfogengradyantları farklı konumdaki hücrelere farklı özyapılar yüklemektedir. • Gelişmekte olan hamam böceğinde farklı ayak parçaları birbirine nakledildiğinde meydana gelen ara doldurucu yeniden oluşumla bacağı olağan yapı ve boyutuna uygun olarak onarır.

50. Omurgalılarda Uzuv Örüntülenmesini de Benzer Mekanizmalar Sağlar • Omurgalılardaki kol ve bacak uzantıları böceklerinkinden çok farklıdır. Ancak, moleküler mekanizmalar oldukça benzerdir. • Tavuğun bacak ve kanatlarından her biri uzuv tomurcuğundan kökenlenir. Drosophila kanat disklerindeki Distal-less, wigless, Notch, engrailed, dppve hedgehog genlerinin benzeşikleri bu yapının içinde anlatılır edilir. • Hox genleri de omurgalı uzantılarında rol oynar. Tüm vücudun anterioposterior ekseni boyunca Hoxkarmaşım genlerine ait farklı genler ardışık anlatımları yapılır.