Mnohobuněčnost a diferenciace buněk

1. Mnohobuněčnost a diferenciace buněk Jana Fleischmannová

2. Vývoj mnohobuněčného organismu

3. Vývoj mnohobuněčného organismu 1. Dělení (cleavage) 2. Pattern formation - zajišťuje, že budou orgány založeny na správných místech 3. Organogeneze 4. Růst

4. Dělení Velmi rychlé dělení buněk, bez tvorby nové cytoplazmy Relativně velká zygota se dělí na mnoho mnohem menších buněk – blastomer Vzniká blastula

5. Gastrulace • Reorganizace blastomer do dvou nebo tří zárodečných listů • Entoderm • Mesoderm • Ektoderm

6. Gastrulace

7. Vznik tkání a orgánů • Ectoderm: – Epidermis a její deriváty (vlasy, nehty), nervový systém • Mesoderm: – svaly, kardiovaskulární soustava, kosti, krev, dermis, gonády, vylučovací soustava • Endoderm: – trávící soustava, plíce, žlázy

8. Organogeneze • Migrace a kombinace buněk z jednotlivých zárodečných listů • Epitelio-mesenchymální interakce • Kožní deriváty, trávící trakt, zuby, plíce

9. Embryologie Historie preformacionisté Buněčná teorie – Schleiden, Schwann Weismann barrier Germline cells contain information that passes to each generation unaffected by experience and independent of the somatic (body) cells.

10. Deskriptivní embryologie Cell fate mapping

11. Experimentální embryologie • Spemannův organizer • Spemann, Mangold • Transplantace, recombinační experimenty, farmakologické ovlivnění vývojových procesů • Xenopus laevis, kuřecí embryo, myš – explantátové kultury

12. Vývojová genetika • Studium vlivu mutací na vývoj organismu • Cílená mutageneze - homologická rekombinace • Genetický skrýning • Modelové organismy • Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Danio rerio, Mus musculus

13. Základní buněčné procesy během vývoje • Buněčná proliferace • Buněčná specializace (diferenciace) • Buněčné interakce • Buněčný pohyb (migrace) • Buněčná smrt (apoptóza)

14. Základní principy vzniku mnohobuněčnosti

15. Regulace těchto procesů probíhá na úrovni regulace transkripce • Všechny buňky těla nesou stejnou genetickou informaci (genom) • Základem diferenciace odlišnosti v genech, které jsou exprimovány

16. Regulace genové exprese • Extracellulární faktory • Růstové faktory, živiny, množství kyslíku, teplota • Intracellulární faktory • Změny struktury chromatinu • Zpřístupnění nebo znepřístupnění genu pro transkripci

17. Regulace genové exprese • Provozní (house-keeping) geny • Exprimovány konstantně • Nutné pro základní buněčné pochody • Inducibilní geny • Exprimované v přítomnosti specifických transkripčních faktorů

18. Regulace genové exprese • Klíčová úloha transkripčních faktorů • Vazba specifických úseků DNA a iniciace transkripce

19. Transkripční faktory DNA vazebná doména Oligomerizační doména Regulační doména: Aktivační Reprimační další

20. Zinkové prsty bZIP homeodoména bHLH

21. Transkripční faktory kontrolují vývojhomeoboxové geny

22. Homeoboxové geny • Homeobox 180 bp obsahující DNA vazebnou homeodoménu • Původně popsány u octomilky • Pak objeveny savčí homology • Mutace způsobují homeotickou trasformaci

23. Poruchy funkce homeoboxových genů Ultrabithorax (Ubx)určuje identitu halter Ubx mutant

24. Poruchy funkce transkripčních faktorů • Spojeno s vývojovými defekty u člověka • Synpolydactyly • HOXD13 • Hand-foot-genital syndrome • HOXA11-13 • Radioulnar synostosis • HOXA11

25. Transkripce je regulována extracellulárními signály

26. Regulace transkripce genů změnou struktury chromatinu

27. Remodelace chromatinu • Postranslační modifikace histonů • „Histonový kód“ • Acetylace • metylace • Ubikvitinace • Fosforilace • ATP-zavislá remodelace • Acetylace typická pro transkripčně aktivní geny • Deacetylace – inaktivace- gene silencing - umlčování

28. Enzymy účastnící se remodelace chromatinu • Modifikátory histonů - nemění pozici nukleozomů • Chromatin remodelační enzymy - hydrolýza ATP = aktivní remodelace - mění pozici nukleozomů, zpřístupňují nebo znepřístupňují regulační sekvence DNA - Multiproteinové komplexy

29. Remodelace chromatinu

30. Remodelace chromatinu

31. Vývojové defekty spojené remodelací chromatinu • Rett syndrom - mutace v MeCP2 • Rubinstein-Taybi syndrom - mutace v genu CREBBP - koactivátor transkripce

32. DNA metylace • DNA metylace – přidání metylové skupiny k cytosinu • DNA metyl transferázy • Často v CpG opakováních CpG ostrůvky v promotorových oblastech genu • Metylace brání vazbě transkripčních faktorů

33. Genomový imprinting • U určitých genů je u potomka exprimována pouze alela pocházející buď od matky nebo od otce (IGF2) • Poruchy imprintingu – dědičná onemocnění • IGF2 – Wilmsův nádor pokud exprimován i z maternální alely • Různé syndromy př. PraderWilli-Angelmann

34. Diferenciace buněk

35. Shh Wnt Laterální inhibice Laterální inhibice Parakrinní signalizace Notch/Delta Juxtacrinní laterální inhibice Vývojová signalizace

36. Reciproční a laterální induktivní interakce • Reciprocal inductive interactions involve cell populations that influence the development of each other • Lateral inductive interactions involve signaling between developmentally equivalent cells

37. Embryonální indukce • Signální centra produkují induktivní signály, na které reagují kompetentní okolní oblasti. • Instruktivní: různé možnosti odpovědi • - gradient morfogenu, apoziční indukce • Permisivní: pouze jedna možná odpověď

38. Embryonální indukce Spemann, Mangold Spemannův organizer

39. Embryonální indukce

40. Reciproční epitelio-mesenchymální interakce

41. Laterální inhibice Notch-Delta signalizace

42. Molekulární signální dráhy

43. Molekulární signální dráhy TGFbeta Shh wnt Delta/Notch

44. Signální dráhy mezibuněčná komunikace během vývoje • Opakované používání signálů „Add a pinch of BMP, sprinkle some Hedgehog, a touch of Wnt, and a handful of FGF and you can pattern an embryo, a limb, or an organ.“ (B.Z. Shilo, Cell, 2001)

45. Diferenciace buněk

46. Asymetrické dělení

47. Kmenové buňky

48. Vlastnosti kmenových buněk • Totipotence, pluripotence, multipotence • Asymetrické dělení • Embryonální kmenové buňky odběr z blastocysty • Výskyt i v dospělém organismu, zdrojem pro obnovu tkání „stem cellniches“

49. Zdroje embryonálních kmenových buněk • z nepoužitých několikadenních lidských zárodků (skládá se z několika desítek buněk) z klinik pro umělé oplodnění • terapeutické klonování (odběr buňky z pacienta → vložení do ženského vajíčka bez jádra → zárodek → blastocysta → z blastocysty se vyjmou kmenové buňky → kultivace kmenových buněk)

50. Zdroje embryonálních kmenových buněk