Hlavní geny řídící základní stavbu těla

Sladění exprese souboru genů ve správném čase a na správném místě je požadavkem pro vývoj organismu z oplodněného vajíčka přes embryonální a juvenilní stádia až po dospělost. Studium několika prapodivných mutací u octomilky, Drosophila, se ukázalo být klíčem k porozumění molekulárního základu rozsáhlého vývoje tělních plánů. U octomilky se geny v brzké embryonální fázi exprimují do proteinů, které definují jednotlivé tělní články a určují jejich orientaci. Poté tzv. homeotické geny odlišují jednotlivé tělní články.

Při analýze sekvencí homeotických genů drozofily a obratlovců byl nalezen shodný úsek o délce 180 nukleotidů nazvaný homeobox. Proteiny vzniklé z genů obsahujících homeobox vykazují vysokou podobnost s proteiny schopnými vazby na DNA promotory nebo zesilovače. Homeotické proteiny svojí vazbou na specifickou sekvenci promotoru nebo zesilovače vyvolají expresi skupiny genů, které jsou důležité pro vývoj dané oblasti těla či článku.

Věděli jste, že?

Telefonát z Nobelova výboru probudil Erica Wieschause z tvrdého spánku. Nobelův výbor si nebyl jist, zda ospale znějící Wieschaus pochopil, oč se jedná. Proto také naléhali na Christiane Nüsslein-Volhardovou, jeho přítelkyni a rovněž vítězku Nobelovy ceny, aby zavolala Wieschausovi a ujistila se, že si Wieschaus je vědom, o jak důležitou událost se jedná.

Hmmm…

Jak se vyvíjí jiné organismy než octomilka? Probíhá brzký embryonální vývoj u savců stejným způsobem jako u drozofily?

Galerie

Věděli jste, že?

Eric Wieschaus použil peníze za Nobelovu cenu ke koupi stavebního pozemku vedle svého domu a pro rozšíření zahrady.

Hmm…

Jak se homeotické geny důležité pro vývoj vyvinuly z jednobuněčných organizmů?

Video

Videa v této kapitole jsou v původním anglickém znění.

Eric Wieschaus Eric Wieschaus je profesorem na univerzitě v Princetonu. V roce 1995 se stal nositelem Nobelovy ceny za fyziologii a medicínu za svou práci týkající se vývoje drozofily.

Eric Wieschaus a Christiane Nüsslein-Volhardová izolovali a charakterizovali mnoho genů nezbytných pro raný embryonální vývoj drozofily. Ed Lewis charakterizoval jednu z prvních homeotických mutací.

Eric Francis Wieschaus (1947-)

Eric Wieschaus se narodil v roce 1947 v South Bend v Indianě, USA. Když mu bylo šest let, tak se rodina přestěhovala do Birminghamu v Alabamě. Vyrůstal bez zvláštního zájmu o vědu. Volný čas trávil kreslením a skicováním a chtěl se stát umělcem.

Toto všechno se změnilo po účasti na letním pobytu hrazeném Národní vědeckou nadací. Z programu byla sponzorována praxe v laboratořích, což mělo povzbudit mladé bystré lidi, aby uvažovali o vědecké kariéře. Eric si zde užíval kamarádství se svými spolužáky a získal možnost pracovat v neurologické laboratoři. Nejen, že nedokázal uvěřit, že vyprodukoval svou laboratorní činností takové množství dat, ale zaujal ho i samotný vědecký proces a komunikace s neobvyklými vědeckými osobnostmi, a tak se nakonec rozhodl studovat vědu na univerzitě.

Wieschaus se dostal na univerzitu v Notre Dame a specializoval se na biologii. Aby vydělal nějaké peníze, vzal práci v laboratoři Harveye Bendera, kde připravoval krmivo pro mouchy. Zde se naučil základy o octomilkách, ale stále více ho zajímala embryologie a otázky typu: „jak buňky vědí, co dělat, aby se embryo vyvíjelo?“, „co řídí diferenciaci a vývoj?“

Wieschaus se domníval, že nebude mít možnost se to dozvědět, protože v době, kdy končil školu, vypukla válka ve Vietnamu. Žádal o status pacifisty a rozhodl se studovat univerzitu v Yale, zatímco očekával, zda bude odveden do armády. Hervey Bender zasáhl a jeho jménem napsal dopis Donaldu Poulsonovi, genetikovi na Yale zabývajícím se drozofilou. Poulson přijal Wischause naslepo jako doktorského studenta.

Být v Poulsonově laboratoři bylo velkým štěstím, protože Poulson věnoval velkou část práce embryogenezi drozofily. Poulson byl před důchodem, a tak Wieschaus neztrácel čas a snažil se od Poulsona naučit co nejvíce. Asi za rok poslal Poulson Wieschause k Walteru Gehringovi, který právě zakládal laboratoř s octomilkami na Yale. Poulson mohl odejít do důchodu a Wieschaus se tak dostal do záviděníhodné pozice jediného studenta v nové laboratoři. On a Gehring úzce spolupracovali a v roce 1974 Wieschaus ukončil své doktorské studium. V té době byl v Bazileji ve Švýcarsku, kam se Gehringova laboratoř přestěhovala, a plánoval jít na postdoktorské místo do Zurichu ve Švýcarsku. Než opustil laboratoř, přišla do Bazileje Christiane Nüsslein-Volhardová a začali spolu konzultovat možné experimenty.

V roce 1978 byla Wieschausovi nabídnuta práce v nově založené Evropské laboratoři molekulární biologie (EMBL) v Heidelbergu. Nüsslein-Volhardové zde také byla nabídnuta práce, a tak mohli oba spolupracovat na experimentech, které probírali v Bazileji. Prováděli rozsáhlou mutagenezi u drozofily, aby našli mutanty s vývojovými vadami. Výsledkem jejich práce bylo nové porozumění mechanismu zahrnujícího raný vývoj drozofily. V roce 1995 získali Wieschaus a Nüsslein-Volhardová s Edem Lewisem za jejich práci Nobelovu cenu.

V roce 1981 přijal Wieschaus pozici na univerzitě v Princetonu, kde od té doby působí. Jeho výzkum pokračuje se zaměřením na vývoj, zvláště na změny tvaru buněk během různých vývojových stádií.

Wieschaus věří, že jeho dřívější vášeň pro umění zdokonalila jeho vědecké schopnosti, zvláště při pozorování věcí. Stále kreslí a edituje množství obrázků a upravuje prezentační výstupy o práci ve své laboratoři. Také připravuje všechno jídlo pro svou rodinu, do práce dojíždí na kole a po cestě přemýšlí nad nutričními a hodnotnými pokrmy.

Christiane Nüsslein-Volhardová (1942-)

Christiane (Janni) Nüsslein-Volhardová se narodila ve Frankfurtu v Německu během 2. světové války. Její otec byl architekt, oba rodiče byli umělci – kreslili a také byli hudebníci. Ačkoli bylo umění častou zábavou a Nüsslein-Volhardová se učila hrát na flétnu, více ji zajímaly rostliny a živočichové. Od 12 let věděla, že chce být bioložkou.

Učitelé na střední škole ji považovali sice za nadanou, ale línou studentku. Tvrdě pracovala pouze v předmětech, které ji bavily. Po ukončení střední školy pracovala měsíc jako zdravotní sestra, což ji utvrdilo v tom, že nechce svoji kariéru směřovat k medicíně. Na univerzitu ve Frankfurtu šla studovat biologii.

Biologické kurzy připadaly Nüsslein-Volhardové spíše mdlé. A když se dověděla, že univerzita v Tübingenu nabízí biochemický program, první svého druhu v Německu té doby, rychle se rozhodla změnit školu. V roce 1969 ukončila studium a její závěrečná práce pojednávala o determinaci promotorových oblastí fágů. Když v roce 1974 ukončila své doktorské studium, hledala novou výzvu a začala se zabývat myšlenkou využití genetiky při studiu vývojových problémů. Přečetla si článek o některých mutantech drozofily a začala se zajímat o mutaci bicaudal. Na setkání ve Freiburgu v roce 1973 navázala kontakt s Walterem Gehringem a zeptala se na možnost postdoktorské práce v jeho laboratoři právě na mutaci bicaudal. Souhlasil a v roce 1975 se přestěhovala do Bazileje.

Pro Nüsslein-Volhardovou byla drozofila fascinující; naučila se vyhledávat mutanty a vyvíjet techniky pro analýzu mutací. Také se seznámila s Ericem Wieschausem, který v Gehringově laboratoři dokončoval svou doktorskou práci. Po dvou letech v Gehringově laboratoři se přestěhovala zpět do Freiburgu, kde pracovala s Klausem Sanderem, který se zabýval embryologií hmyzu a byl prvním, kdo popsal gradienty v hmyzím vajíčku. Sanderovy experimenty ovlivnily Nüsslein-Volhardovou a ta pokračovala v práci s mutanty jako bicaudal a dorsal.

V roce 1978 přijala Nüsslein-Volhardová pracovní nabídku do Evropské laboratoře molekulární biologie v Heidelbergu. Ve stejné době byla práce nabídnuta i Ericu Wieschausovi. Oba začali spolupracovat na analýzách embryonálních mutací u drozofily a vyvinuli metodu pro izolaci nových mutací. V průběhu tří let dokázali izolovat dostatek mutantů a identifikovali tak hlavní jevy embryonálního vývoje drozofily. Své výsledky publikovali v časopise Nature v roce 1980 v klíčovém článku. V roce 1995 získali Nüsslein-Volhardová, Wieschaus a Ed Lewis Nobelovu cenu za práci na vývoji drozofily.

V roce 1981 se Nüsslein-Volhardová přemístila do laboratoře Friedricha Mieschera v Tübingenu, kde působila jako mladá badatelka. Pokračovala v práci na drozofile, vyhledávala a izolovala nové maternální mutace ovlivňující vývoj. Její laboratoř také začala pracovat na molekulárně-biologických aspektech mutací. V roce 1985 byla jmenována vedoucí Max-Planckova institutu pro vývojovou biologii v Tübingenu a je jí dodnes.

Laboratoř Nüsslein-Volhardové v současné době stále pracuje s drozofilou, ale také využívá zebřičky jako model pro studium vývoje obratlovců, o který se začala zajímat od poloviny 80. let.

O Nüsslein-Volhardové se říká, že je vynikající kuchařkou, často přinese nějaké jídlo i pro pracovníky laboratoře. Také má ráda zahradničení a poslech hudby.

Edward Lewis (1918-2004)

Ed Lewis se narodil ve Wilkes-Barre v Pensylvánii. Zajímal se o biologii již na střední škole. Studoval biostatistiku na univerzitě v Minnesotě, kterou ukončil bakalářským titulem v roce 1939.

Po získání doktorátu na Technologickém institutu v Kalifornii roku 1942 vstoupil do letectva armády Spojených států. V letech 1942-1945 sloužil v Pacifiku jako meteorolog a oceánograf a získal hodnost kapitána.

V roce 1946 se vrátil jako asistent do Kalifornského Technologického Institutu (CALTECH) a jako člen fakulty zde působil až do odchodu do důchodu v roce 1988. Většinu výzkumu na octomilkách provedl právě zde. S octomilkami se pracovalo jednoduše a jejich chov byl rychlý. Byly skvělou volbou pro studium genů zapojených do vývoje. V roce 1995 mu práce na homeotických genech přinesla Nobelovu cenu za medicínu a fyziologii, kterou získal společně s Ericem Wieschausem a Christine Nüsslein-Volhardovou.

Lewis za svoji práci získal i další ocenění zahrnující Mezinárodní cenu Gairdnerovy nadace z roku 1987, Národní medaili za vědu z roku 1990, Ocenění Alberta Laskera za základní medicínský výzkum v roce 1991. Byl členem Národní vědecké akademie, Americké genetické společnosti, Americké filozofické společnosti a Americké akademie pro umění a vědu.

Lewis hrál na flétnu a byl členem orchestru na univerzitě v Minnesotě, kde studoval.

Věděli jste, že?

Ed Lewis pracoval na komplexu bithorax více než deset let. Většina lidí, kteří se zabývali drozofilou, znali jeho výsledky z různých setkání, ještě dříve než je Lewis publikoval.

Hmmm…

Kolik genů je zapotřebí pro vytvoření živého organismu?

Odkazy a literatura

• Gehring, W.J. and Hiromi, Y., 1986, Homeotic Genes and the Homeobox, Ann. Rev. Genet., 20: 147-173.
• Lewis, E.B., 1978, A Gene Complex Controlling Segmentation in Drosophila, Nature, 276: 565-570.
• Lewis, R.A. and Kaufman, T.C., Denell, R.E. and Tallerico, P., 1980, Genetic Analysis of the Antennapedia Gene Complex (ANT-C) and Adjacent Chromosomal Regions of Drosophila melanogaster. I. Polytene Chromosome Segments 84B-D, Genetics, 95: 367-381.
• Lewis, R.A., Wakimoto, B.T., Denell, R.E. and Kaufman, T.C., 1980, Genetic Analysis of the Antennapedia Gene Complex (ANT-C) and Adjacent Chromosomal Regions of Drosophila melanogaster. II. Polytene Chromosome Segments 84A-84B1.2, Genetics, 95: 383-397.
• Nüsslein-Volhard, C. and Wieschaus, E., 1980, Mutations Affecting Segmentation Number and Polarity in Drosophila, Nature, 287: 795-801.
• Passner, J.M., Ryoo, H.D., Shen, L., Mann, R.S., and Aggarwal, A.K., 1999, Structure of a DNA-bound Ultrabithorax-Extradenticle homeodomain complex, Nature, 397: 714-719.
• Scott, M.P., 1986, Spatial Programming of Gene Expression in Early Drosophila Embryogenesis, Ann. Rev. Cell Biol., 2: 49-80.
• Weatherbee, S.D., Halder, G., Kim, J., Hudson, A., and Carroll, S., 1998, Ultrabithorax regulates genes at several levels of the wing-patterning hierarchy to shape the development of the Drosophila haltere, Genes and Development, 12: 1474-1482.

Centrum interaktivních a multimediálních studijních opor pro inovaci výuky a efektivní učení | CZ.1.07/2.2.00/28.0041