Úvod do ontogeneze člověka
Department of Biology, Medical Faculty, Masaryk University
2024
Vladimír Rotrekl
vrotrekl@med.muni.cz
VÝVOJOVÁ BIOLOGIE
je věda studující:
Proces budování a organizování organismu
od oplozeného vajíčka po plně vyvinutého jedince
na základě zděděných (genetických) informací
a epigenetiky
V genomu není tolik genů, aby byla zajištěna obrovská
komplexita a diverzita dospělého organismu
Geny jsou ve vývoji „recyklovány“
- Časování, lokalizace, kombinace, dávky genu, regulace genové exprese
- Historický koncept „jeden gen = jedna vlastnost“ je chybný!
Složité mechanismy vlastní organizace
- Mezibuněčné komunikace
- Formování komplexních struktur – orgánů a tkání
Paradox vývojové biologie
Buňky vytvářejí intenzivně komunikující společenství,
ve kterém se jednotlivé buňky navzájem ovlivňují,
a formují mnohobuněčné tkáně a orgány v identickém
časovém a prostorovém vzoru z generace na generaci
Základní princip vývojové biologie
K tomuto účelu buňky využívají:
Genetické mechanismy
 jaderná a mitochondriální DNA, geny významné pro vývoj
Negenetické mechanismy
 epigenetika, vnitrobuněčné přestavby, fyzikální síly, adhezní
molekuly, mezibuněčné interakce, mezibuněčná komunikace
– takzvaná buněčná sociologie
…a přetrvávající záhady vývojové biologie
Buňky vytvářejí intenzivně komunikující společenství,
ve kterém se jednotlivé buňky navzájem ovlivňují,
a formují mnohobuněčné tkáně a orgány v identickém
časovém a prostorovém vzoru z generace na generaci
Základní princip vývojové biologie
Česká republika v roce 2014:
4794 dětí s vývojovou vadou (441 dětí na 10 000 narozených)
307 mrtvě narozených dětí v důsledku vývojové vady (0,03%)
Proč učit vývojovou biologii na LF?
Nejčastější vývojová vada dětí: Ventrikulární septální defekt
Proč učit vývojovou biologii na LF?
Ilustrační příklady množství a rozmanitosti vývojových vad – nejčastější vývojové vady srdce:
Aortic Valve Stenosis (AVS)
Atrial Septal Defect (ASD)
Coarctation of theAorta (CoA)
CompleteAtrioventricular Canal defect (CAVC)
d-Transposition of the great arteries
Ebstein'sAnomaly
I-transpositionof the great arteries
Patent DuctusArteriosus (PDA)
Pulmonary ValveStenosis
Single Ventricle Defects
Tetralogy of Fallot
TotalAnomalous Pulmonary Venous Connection (TAPVC)
TruncusArteriosus
VentricularSeptal Defect (VSD)
Nejčastější vývojová vada dětí: Ventrikulární septálníí defekt
Proč učit vývojovou biologii na LF?
Vývojové vady postihují zhruba 3% novorozenců a jsou hlavní příčinou
novorozenecké mortality v ČR
Vývojové vady vznikají jako následek:
• molekulárních a strukturních defektů (genetika a epigenetika)
• metabolických a endokrinních defektů (genetické, maternální a environmentální faktory)
• působení teratogenů (environmentální faktory)
ALE..!!!
Etiologie vývojových vad je většinou nejasná a tedy prevence téměř nemožná.
Lidské embryo, 5 týdnů
(Lennart Nilsson)
Pochopení molekulárních mechanismů
Velmi časná diagnostika (nejlépe na úrovni časného embrya)
Případná intervence in utero (prenatální chirurgie, ale i molekulární
intervence a zásah do vývoje)
Proč učit vývojovou biologii na LF?
Proč učit vývojovou biologii na LF?
Abychom vývojovým vadám mohli zabránit nebo je včas
detekovat, musíme pochopit jejich molekulární mechanizmus:
• Poznání mechanizmů na modelových organismech
• Odhad rizika a strategie prevence
Vývojová biologie profituje z mnoha modelových organismů
A. Červ Caenorhabditis elegans
B. Muška Drosophila melanogaster
C. Žába Xenopus laevis
D. Rybka Danio rerio
E. Kur
F. Myš
Proč modelové organismy?
- Etické důvody
- Rychle rostou
- Rychle se množí a mají mnoho embryí
- Některé se vyvíjí mimo mateřský
organismus
- Vývojové procesy jsou vysoce
evolučně konzervovány
Vývojová biologie profituje z mnoha modelových organismů
A. Červ Caenorhabditis elegans
B. Muška Drosophila melanogaster
C. Žába Xenopus laevis
D. Rybka Danio rerio
E. Kur
F. Myš
Proč modelové organismy?
- Etické důvody
- Rychle rostou
- Rychle se množí a mají mnoho embryí
- Některé se vyvíjí mimo mateřský
organismus
- Vývojové procesy jsou vysoce
evolučně konzervovány
Tvorba
Blastodermu
Dorzo-
Ventrální
polarizace
Tvorba
ektodermu a
endodermu
Anterior-
posteriorní
polarizace
Keller et al., SCIENCE 2008, 322, 1065-9
Prvních 16 hodin po opodněníí – Dánio pruhované
Migrace a diferecniace buněk v časném embryu:
Kdo je tady šéf?!
Organizér – dynamicky umístěná skupina buněk se schopností ovlivnit osud okolních buněk uvolněním
morfogenu
Morfogen – sloučenina uvolněná organizérem, která vytváří gradientkoncentrace signálu
Migrace a diferecniace buněk v časném embryu:
Kdo je tady šéf?!
1924: Hilde Mangold v laboratoři Hanse SpemannaTkáň
z dorzální části mebrya transplantována do ventrální oblasti:
Yolk
Základní stádia embryonálního vývoje savců
a epigenetika
• (Gametogeneze)
• (Oplození)
• Aktivace embryonálního genomu
• Embryonální dělení
• Časná polarizace embryí
• Gastrulace
• Neurální indukce
• Hlavní vlna organogeneze
genomický imprinting
paternální/maternální epigenetický imprinting
inaktivace chromozomu X
Genomický imprinting – epigenetický proces umožňující expresi genů
důležitých pro vývoj jen z JEDNÉ parentální alely (buď mateřské, nebo otcovské)
Genomický imprinting je charakteristický pro savce, probíhá “až” během maturace gamet,
tedy vajíček a spermií, a imprintované geny jsou klíčové v nejčasnějších vývojových stádiích
normální vývoj umělý přenos jádra
- embryo zaniká už před
implantací do děložní stěny
otcovská i mateřská
sada genomu
dvě mateřské
sady genomu
dvě otcovské
sady genomu
[McGrath,Cell 1987]
Mateřská alela genu A Otcovská alela genu A
AA
Běžné geny: každý gen - 2 alely
(samčí A samičí)
Fenotyp (dávkování genu)
Genomický imprinting – epigenetický proces umožňující expresi genů
důležitých pro vývoj jen z JEDNÉ parentální alely (buď mateřské, nebo otcovské)
Genomický imprinting je charakteristický pro savce, probíhá “až” během maturace gamet,
tedy vajíček a spermií, a imprintované geny jsou klíčové v nejčasnějších vývojových stádiích
normální vývoj umělý přenos jádra
- embryo zaniká už před
implantací do děložní stěny
otcovská i mateřská
sada genomu
dvě mateřské
sady genomu
dvě otcovské
sady genomu
[McGrath,Cell 1987]
Mateřská alela genu A Otcovská alela genu A
AA
Běžné geny: každý gen - 2 alely
(samčí A samičí)
Fenotyp (dávkování genu)
AXA or AXA
~96 genes
54 : 42
Imprintované geny: 1 alela umlčena
(samčí NEBO samičí)
Imprintované geny:
•Zřejmě náhodně rozmístěny v genomu, ale přibližně
polovina je na chromozomu 7
•Často souvisí s dělením buněk (růstem) a
metabolickými aktivitami buněk (Igf2, Ins2..)
Genomický imprinting – epigenetický proces umožňující expresi genů
důležitých pro vývoj jen z JEDNÉ parentální alely (buď mateřské, nebo otcovské)
Genomický imprinting je charakteristický pro savce, probíhá “až” během maturace gamet,
tedy vajíček a spermií, a imprintované geny jsou klíčové v nejčasnějších vývojových stádiích
Mateřská alela genu A Otcovská alela genu A
AA
Běžné geny: každý gen - 2 alely
(samčí A samičí)
Fenotyp (dávkování genu)
AXA or AXA
~96 genes
54 : 42
Imprintované geny: 1 alela umlčena
(samčí NEBO samičí)
Biologické důvody imprintingu:
• ovarian time bomb hypothesis:
(zabránění vývoje vajíček bez oplození)
Obrana před partenogenezí a
teratocarcinomy
• parentální konflikt a regulace
metabolismu embrya
Zvýšení maternálního reprodukčního
potenciálu a zabránění nadměrného růstu
embrya na úkor matky)
Genomický imprinting – epigenetický proces umožňující expresi genů
důležitých pro vývoj jen z JEDNÉ parentální alely (buď mateřské, nebo otcovské)
Genomický imprinting je charakteristický pro savce, probíhá “až” během maturace gamet,
tedy vajíček a spermií, a imprintované geny jsou klíčové v nejčasnějších vývojových stádiích
Biologické důvody imprintingu:
• ovarian time bomb hypothesis:
(zabránění vývoje vajíček bez oplození)
Obrana před partenogenezí a
teratocarcinomy
• parentální konflikt a regulace
metabolismu embrya
Zvýšení maternálního reprodukčního
potenciálu a zabránění nadměrného růstu
embrya na úkor matky)
Abnormality epigenetického
imprintingu jsou spojeny s
vývojovýmu poruchami a
rakovinou
Syndromes, such as e.g.:
Beckwith-Wiedemann‘s
Silver-Russell‘s
Prader-Willi‘s
Angelman‘s..
Silver-Russell syndrom Prader-Willi syndrom
Základní stádia embryonálního vývoje savců
a epigenetika
• Gametogeneze
• Oplození
• Aktivace embryonálního genomu
• Embryonální dělení
• Časná polarizace embryí
• Gastrulace
• Neurální indukce
• Hlavní vlna organogeneze
inaktivace chromozomu X
K aktivaci embryonálního genomu dojde
už během preimplantačního vývoje embrya
Po vzniku zygoty je potřeba maternální mRNA deaktivovat, a naopak aktivovat expresi
genů nutných pro zygotu a časný vývoj embrya – aktivace genomu
Kdy probíhá epigenetická deaktivace rodičovských genomů
a začne docházet k expresi “nového” genomu potomka?
Vajíčko obsahuje v
cytoplazmě velké
množstvítranskriptů
(mRNA)
Spermie je
transkripčně nekativní
a nevnáší do embrya
cytplazmu s transkripty
Mechanismus aktivace embryonálního genomu
Prvních několik hodin produkuje
zygota proteiny z molekul mRNA
přítomných ve vajíčku už před
oplozením, ale produkované
proteiny Oct4 a Nanog brání vývoji
embrya (například z neoplozeného
vajíčka partenogenezí).
Poté jsou maternální mRNA
degradovány pomocí microRNA,
která je jedním z prvních transkriptů
genomu zygoty.
Embryo (rybka zebřička)
21 hodin po oplození
[Miler Lee, 2014, upraveno]
Maternální geny Zygotické geny
hladiny
čas
Aktivace
genomu zygoty
Oct4
Mechanismus aktivace embryonálního genomu
RNA Pol II RNA Pol II
P
transcriptional
iniciation
transcriptional
elongation/
splicing
ERK
Výsledek: Nový buněčný cyklus řízený genomem embrya
Autodestrukce maternálních transkriptů:
➢ Mateřské transkripty (NANOG, Oct4,
SoxB1) aktivují RNA Pol II z
embryonálního genomu
➢ Aktivovaná RNA Pol II procesuje mikro
RNA miR-430
➢ miR-430 zprostředkovává deadenylaci
mateřskýchtranskriptů.
[LeeNature2013][BonnetNAR1999]
Reik, 2001
Acetylace histonů (demetylace, fosphorylace)
Demetylace DNA
Maternální a paternální genom mají různou kinetiku epigenetických změn
Demetylace paternálního genomu velmi rychle, maternálního cca 4 dny
Aktivace embryonálního genomu pak má společnou dynamiku pro
maternální i paternální DNA
Mechanismus aktivace embryonálního genomu
Základní stádia embryonálního vývoje savců
a epigenetika
• Gametogeneze
• Oplození
• Aktivace embryonálního genomu
• Embryonální dělení
• Časná polarizace embryí
• Gastrulace
• Neurální indukce
• Hlavní vlna organogeneze
genomický imprinting
paternální/maternální epigenetický imprinting
inaktivace chromozomu X
Zygota
Časná blastocysta
Implantace
D 3-4 D 4
D 5
D 7
Pozdní blastocysta
Inaktivace chromozomu X – klíčový
proces časného vývoje embrya, který
hraje roli v mnoha vývojových vadách
- je iniciován krátce po oplození a
dokončen pravděpodobně při gastrulaci
Viz přednáška č. 13 – Epigenetika
Nekódující geny Xist a Tsix jsou aktivovány v savčích embryích krátce po oplození.
Vzájemná komplementarita long non coding RNA (lnRNA) epigenetický proces
vedoucí k umlčení genů na jednom z chromozomů X a naopak k aktivaci genů na
druhém chromozomu X.
U samic savců je dvojnásobná dávka X-vázaných genů
kompenzována inaktivací (umlčením) jednoho ze dvou
chromozomů X, ke které dochází už v buňkách samičího
embrya (XX)..
Inaktivace chromozomu X – epigenetické transkripční
umlčení jednoho ze dvou X chromozomů u samic savců
X
Y
X
X
X
X
X
Y
Tsix
TsixTsix
Tsix Xist Tsix Xist
Active X Inactive X
XistXist
Xist Xist
X
Y
X
X
X
X
X
Y
Inactivace chromozomu X je
NÁHODNÝ proces nicméně
PERMANENTNÍ pro dceřinné buňky
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
NÁHODNÁ
INACTIVACE x
DETERMINISTICKÁ
INACTIVACE X
(ZYGOTA)
VÝVOJ
U samic savců je dvojnásobná dávka X-vázaných genů
kompenzována inaktivací (umlčením) jednoho ze dvou
chromozomů X, ke které dochází už v buňkách samičího
embrya (XX)..
Inaktivace chromozomu X – epigenetické transkripční
umlčení jednoho ze dvou X chromozomů u samic savců
X
Y
X
X
X
X
X
Y
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
NÁHODNÁ
INACTIVACE x
DETERMINISTICKÁ
INACTIVACE X
(ZYGOTA)
VÝVOJ
Inaktivace chromozomu X – epigenetické transkripční
umlčení jednoho ze dvou X chromozomů u samic savců
JE VŽDY NÁHODNÉ?
..X-VÁZANÉ CHOROBY S NENÁHODNOU INAKTIVACÍ
Muži: 100% penetrance
Ženy heterozygotky: nenáhodná inaktivace X
PŘÍKLADY NENÁHODNÉ
INAKTIVACE U CHOROB:
• Duchennova svalová dystrofie
• Syndrom předčasného stárnutí
• Immunodeficience
• Rakovina
• Hemofílie
dominantní X-vázaná onemocnění
recesivní X-vázaná onemocnění
Nenáhodná inaktivace X u heterozygotek?
Základní stádia embryonálního vývoje savců
a epigenetika
• Gametogeneze
• Oplození
• Aktivace embryonálního genomu
• Embryonální dělení
• Časná polarizace embryí
• Gastrulace
• Neurální indukce
• Hlavní vlna organogeneze
genomický imprinting
paternální/maternální epigenetický imprinting
inaktivace chromozomu X
Polarizace embrya
Ustavení prostorové strukturní a funkční architektury embrya
předo-zadní (Anterior-Posteriální) a dorzo-ventrální osy těla jsou ustaveny
1. diferenciace buněk, 2.migrace buněk, a 3.asymetrickým buněčným
dělením
přední – anteriální
(cefalická, kraniální, hlava)
zadní – posteriální
(kaudální, kostrč)
dorzální
(záda)
ventrální
(břicho)
Polarizace embrya
Dvě buňky (vzniklé diferenciací nebo asymetrickým
dělením) produkují také různé receptory, signální
přenašeče a transkripční faktory, a proto také reagují
na jiné signály – to umožňuje další diferenciaci do
specializovanějších buněčných typů a formování
složitějších struktur, tkání a orgánů.
Gradient
buněčného
signálování
Dceřiné buňky
s rozdílnou
expresí genů
Ustavení
tělní osy
Polarizace: Proces ve vývoji, při kterém jednotlivé buňky (blastomery) získají
vlastní identitu (odlišnou od ostatních blastomer)
Časná polarizace embrya – dva možné scénáře
Adaptováno z: Takaoka K , and Hamada H Development 2012;139:3-14
Žádný vliv maternálních determinant – náhodná diferenciace
Oplozené
vajíčko
Oplozené
vajíčko
Asymetrické dělení
a odlišný vývoj blastomer
Definovaná lokalizace maternálních determinant ( )
Polarizované embryo
a vznik dvou
buněčných typů
Už první dělení zygoty je u mnoha modelových organismů polarizované
(u lidského embrya jsou možnosti výzkumu omezené a tak není dostatek informací)
Dělení embrya a časná polarizace
Už od prvního mitotického dělení dochází k řízené (řízeně náhodné) asymetrii embrya
(Goldstein and Hird, 1996)
Principy polarizace:
1) Gravitace – žloutek klesá na spodní stranu vajíčka
spolu s mRNA a proteiny obsaženými ve vajíčku
Příklad: Bone morphogenic protein (BMP) antagonists
Dorzalizační
factory:
NOGGIN
CHORDIN
GREMLIN(kostní morfogenní protein)
Dělení embrya a časná polarizace
(Goldstein and Hird, 1996)
- tam, kde jsou přítomné dorzalizační faktory a není přítomný BMP4,
vznikne v budoucnu neurální trubice a páteř – dorzální strana embrya
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4 BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4BMP4BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4 BMP4
BMP4
NOGGIN
CHORDIN
GREMLIN
= inhibice
Principy polarizace:
1) Gravitace – žloutek klesá na spodní stranu vajíčka
spolu s mRNA a proteiny obsaženými ve vajíčku
Už prvním dělením zygoty tedy vzniknou dvě
buňky s rozdílným obsahem mRNA a proteinů
Dělení embrya a časná polarizace
(Goldstein and Hird, 1996)
„Recyklace“ genu BMP4:
V časném embryu BMP4 indukuje
diferenciaci do trofoblastu
Později BMP4 indukuje časnou
neurulaci (tvorbu míchy a dorzalizaci
embrya)
Ještě později BMP4 inhibuje růst
chrupavku a podporuje tvorbu kostí
Principy polarizace:
1) Gravitace – žloutek klesá na spodní stranu vajíčka
spolu s mRNA a proteiny obsaženými ve vajíčku
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4 BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4BMP4BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4 BMP4
BMP4
NOGGIN
CHORDIN
GREMLIN
= inhibice
Dělení embrya a časná polarizace
(Randall, Nature 2002)
Principy polarizace:
1) Gravitace – žloutek klesá na spodní stranu vajíčka
spolu s mRNA a proteiny obsaženými ve vajíčku
2) Určení roviny prvního dělení tím, že
spermie vnese do zygoty druhý centrozom
Lokalizace sperma vázajících glykoproteinů ZP
v apikální části oocytu a vstup spermie z této
strany předurčuje rovinu prvního rýhování..
Dělící rovina
prvního rýhování
Centrozom
oocytu
Centrozom
spermie
Vstup spermie v
apikální oblasti
Adhezní molekuly spouštějí reorganizaci cytoskeletu
a udržují polarizaci
Vazba na další blastomeru
Noggin
(dorzalizace)
Principy polarizace:
1) Gravitace – žloutek klesá na spodní stranu vajíčka
spolu s mRNA a proteiny obsaženými ve vajíčku
Adhezní molekuly nejen drží buňky u sebe, ale podílí se i na signalizaci:
➢ Integriny – stabilizují beta-katenin po vazbě s extracelulární hmotou (ECM)
➢ Kadherin – uvolňují beta-katenin v důsledku přstavby cytoskeletu buňky
ECM
β-katenin
integriny
kadherin
Tlak polárního tělíska
2) Určení roviny prvního dělení tím, že
spermie vnese do zygoty druhý centrozom
3) Mechanicky (deformace cytoskeletu např. tlakem polárního tělíska)
Wnt
Amack & Manning, Science, 2012
b-katenin – viz signálování WNT
(slajd 56)
Následná epigenetická modifikace specifických histonů
Modifikace histonu H3 metylací specifických argininů:
• metylace histonu H3 je silnější v blastomerách, ze kterých vzniká embryoblast, a
zanedbatelná v blastomerách, ze kterých vzniká extraembryonální tkáň trofoblast
• rozdíly v metylaci jsou patrné už ve 4-buněčném embryu
Přispívají epigenetické změny k polarizaci embrya a předurčení osudu buněk ???
embryo ve
stadiu 4
buněk polární
tělísko
Torres-Padilla et al. Nature, 2007
DNA metylace
Gradient specifické metylace histonu H3 polarizuje časné embryo po prvním rýhování
Nízká hladina H3R26me2:
- budoucí trofektoderm
(diferencuje dříve než buňky
embryoblastu)
Vysoká hladina H3R26me2:
- exprese PRDM14
- budoucí pluripotentní buňky
embryoblastu
Regulace genové exprese preimplantačního embrya
Burton, Nature Review Genetics, 2014
budoucí
embryoblast
budoucí
trofektoderm
RFP-PAR6 PAR2-GFP
[ Zdroj: Adriana Dawes ]
Suzuki, Journal of Cell Science, 2006
Dělení embrya a časná polarizace
anterior-posteriální osa
(určující umístění hlavové a ocasní
strany budoucího embrya)
Ustavení anterior-posteriální osy embrya:
• Gradient PAR1 je vytvořen vzájemným
antagonistickým působením PAR2 a PAR6
RFP-PAR6 PAR2-GFP
[ Zdroj: Adriana Dawes ]
Dělení embrya a časná polarizace
Suzuki, Journal of Cell Science, 2006
Ustavení anterior-posteriální osy embrya:
• Gradient PAR1 je vytvořen vzájemným
antagonistickým působením PAR2 a PAR6
• Protein Mex5 váže maternální transkripty
RFP-PAR6 PAR2-GFP
[ Zdroj: Adriana Dawes ]
Dělení embrya a časná polarizace
Suzuki, Journal of Cell Science, 2006
Ustavení anterior-posteriální osy embrya:
• Gradient PAR1 je vytvořen vzájemným
antagonistickým působením PAR2 a PAR6
• Protein Mex5 váže maternální transkripty
• Kináza PAR1 fosforyluje Mex5
• Fosforylovaná forma mRNA-Mex5 má nižší
mobilitu než nefosforylovaná forma
• Výsledek – hromadění maternálního transkriptu
v místě aktivní PAR1
Geny definující polarizaci/diferenciaci embrya
Stochastická
exprese genu
Nanog
Stochastická
exprese genu
Gata6
Bazolaterální a apikální exprese adhezních proteinů
Adaptováno z: Rossant J , and Tam P P L Development 2009;136:701-713
Specifická exprese
v epiblastu
(budoucí embryo)
Specifická exprese
v trofektodermu
(budoucí placenta)
Náhodná exprese
v epiblastu
(budoucí embryo)
Náhodná exprese
v epiblastu
(budoucí embryo)
MaternálnědeterminovanéNáhodnápolarizace
Homogenní exprese
maternálníhoa
zygotického genu
Oct4
Apikálně
determinovaná exprese
Cdx2
Maternální determinace vs. náhodná diferenciace – podílí se obě
Časná polarizace embryí versus plasticita blastomer
(Kdy dochází k prvnímu asymetrickému dělení?)
Jedna blastomera 2- až 4-buněčného embrya může vytvořit
úplnou a normální blastocystu – plasticita
agregační chimérainjekční vnesení blastomer
Jednotlivé blastomery nebo dokonce buňky epiblastu se po
vnesení do časného embrya jiného jedince podílí na tvorbě tohoto
nového jedince – tvoří chiméru
Genetická chiméra vzniklá
z buněk jednoho druhu
Mezidruhové chiméry
..plasticitablastomer má mnoho aplikací v biomedicíně..
Plasticita blastomer a vznik monozygotických dvojčat
➢ pokud v této fázi dojde k rozpadu
blastocysty– vzniknou dvě geneticky
identická embrya – monozygotická
(identická) dvojčata
(blastomery blastocysty jsou dostatečně plastické a
vytvoří plně vyvinuté organizmy)
zona pellucida blastocysta
Blastocysta opouštějící degenerující zonu
pellucidu a připravující se na implantaci do
děložní sliznice.
https://embryology.med.unsw.edu.au
Identická (monozygotická) dvojčata
Z vaječníku se uvolňuje
jedno vajíčko, a je
oplodněno jednou spermií
Neidentická (dizygotická) dvojčata
Z vaječníku se
uvolňují dvě vajíčka
Každé vajíčko je
oplodněno jinou spermií
Další diferenciací a migrací buněk se tvoří nejprve dvě a poté tři
zárodečné vrstvy – ektoderm, mezoderm a endoderm
Den 4
Den 6
Den 10
Den 16
Pozdníblastocysta:
pre-embryo s
embryonálním
diskem – dvě vrstvy
buněk, ze kterých
vznikne embryo
Morula: pevná koule
buněk vytvořená
rýhováním zygoty
Časná blastocysta:
dutá koule buněk
vyplněná
tekutinou
Gastrula: embryo se třemi
primárními zárodečnými
listy (ektoderm,
mezoderm a endoderm)
vnitřní buněčná masa
dutina blastocysty
trofoblast
amniotická
dutina
embryonální disk
(zárodečný terčík)
žloutkový váček
ektoderm
mezoderm endoderm
Ektoderm
• epidermis kůže, vlasy, nehty, zuby
• oční čočka, rohovka, sítnice
• nervový systém (mozek, mícha, nervy)
• dřeň nadledvin
• prsní žlázy
Mezoderm
• svaly, kosti, chrupavka, pojivová tkáň
• tuková tkáň, dermis kůže, většina
urogenitálního traktu
• oběhová soustava, lymfatický systém
• notochord, meta-, mezo-, pro-nefros)
• hlavový mezenchym
Endoderm
• epiteliální výstelky vnitřních orgánů
• trávicí soustava (hltan, jícen, žaludek,
játra, slinivka, střeva, atd.), prvostřevo
• dýchací soustava (plíce, epiteliální
výstelka trachey a průdušek)
• močový měchýř, štítná žláza a příštítná
tělíska, epitel sluchové trubice
Původ tkání a orgánů z blastocysty
Primitivní ektoderm TrofektodermPrimitivní endoderm
GASTRULACE
Předtím, než dojde k implantaci blastocysty, diferencují
buňky vnitřní buněčné masy do primitivního
ektodermu (epiblastu), ze kterého později vzniknou
vešteré tkáně embrya, a do primitivního endodermu
(hypoblastu), který přispívá k tvorbě extraembryonálních
tkání. Hlavním zdrojem budoucích extraembryonálních
tkání (například placenty) je nicméně trofektoderm
(pocházející z trofoblastu).
Polární trofektoderm
Extraembryonální ektoderm
Choriový ektoderm
Trofoblast placenty
Murální trofektoderm
Ektoplacentální konus
Obří buňky trofoblastu
Placenta
Parietální
žloutkový
váček
Viscerální endoderm
Parietální endoderm
Zárodečné buňky
• gamety
Extracelulární matrix; ligandy FGF, BMP, WNT, NOTCH, SSH signálování a jejich inhibitory,
Retinová kyselina, inhibitory histone deacetyláz (kyselina askorbová)a mnoho dalších..
Morphogeny v průběhu embryonálního vývoje
Jak mohou organizovat vývoj složitého organizmu?
Morphogeny v průběhu embryonálního vývoje
Model francouzské vlajky
Různé transkripční programyjsou
aktivovány v závislosti na
koncentracimorfogenu..
Morfogen – signální molekula vyskytující se v
různých částech embrya v různé koncentraci
(většinou gradient)
-je schopný indukovat buněčné signálování
-a tedy expresi genů kontrolujících vývoj
mebrya
Různé koncentrace – různé geny
Příklady: Retinová kyselina, WNT, Shh, TGF-b,
FGF)
Morphogens: Organizerformation
Retinoic acid
AP axis establishment
Osud kmenových buněk v morfogenezi:
Morphogeny a tvorba organizéru
Retinová kyselina je schopná indukovattvorbu extra pupene končetiny
Morphogens: Organizerformation
Retinoic acid
AP axis establishment
Osud kmenových buněk v morfogenezi:
Morphogeny a tvorba organizéru
Morfogeny tedy ovlivňují buněčné
signálování…
Úvod do ontogeneze člověka
I. Úvod do vývojové biologie
II. Molekulární podstata řízení vývoje savců v
normě a patologii
III. Růstové faktory a přenos signálu ve vývoji a
patologii
IV. Morfogeny a hlavní transkripční faktory v
savším vývoji a patologii
Osud kmenové buňky je určen mikroprostředím (niche) cílového orgánu, nebo prostorově
časovou lokalizací v embryu
Sebeobnova
Kmenová buňka
Diferenciace
Primovaná/Diferencovaná buňka
Určení osudu buněk a jejich diferenciace
Určení osudu buňky
Niche
(mikroprostředí)
Epigenetický
stav
Exprese
specifických
transkripčních
faktorů
Buněčné
signálování
Jaké signálování ?????
Určení osudu buněk a jejich diferenciace
5 základních vývojových signálních drah přenáší signál z niche do jádra buňky
Určení osudu buňky
Niche
(mikroprostředí)
Epigenetický
stav
Exprese
specifických
transkripčních
faktorů
Buněčné
signálování
Určení osudu buněk a jejich diferenciace
5 základních vývojových signálních drah přenáší signál z niche do jádra buňky
Určení osudu buňky
Niche
(mikroprostředí)
Epigenetický
stav
Exprese
specifických
transkripčních
faktorů
Buněčné
signálování
Signální dráhy kostního morfogenního proteinu (BMP) a transformujícího
růstového faktoru beta (TGFb)
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4 BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4BMP4 BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4
BMP4 BMP4
BMP4
NOGGIN
CHORDIN
GREMLIN
= inhibice
V časném embryu
působí proti
dorzalizaci
Ve vývoji kosti a homeostáze chrupavky
Antagonista FGF signálování
FGF BMP
Mnohokrát recyklován ve vývoji..
Při gastrulaci a dalším vývoji
Mutace signální dráhy BMP a TGFb v patologii
doi: 10.1038/boneres.2016.9
doi: 10.1038/boneres.2016.9
Mutace signální dráhy BMP a TGFb v patologii
Transkripční faktor RUNX2 je zodpovědný za osifikaci
Sučástí rodiny transkripčních faktorů RUNT
CHRUPAVKA
KOST
Absence RUNX2:
-chrupavka neosifikuje
-letální krátce po narození (chrupavčitá
žebra nejsou schopny podpory dýchání)
Mutace signální dráhy BMP a TGFb v patologii
Cílení TGFb signalizace v protinádorové léčbě
https://doi.org/10.1016/j.pharmthera.2014.11.001
Mutace signální dráhy BMP a TGFb v patologii
Určení osudu buněk a jejich diferenciace
5 základních vývojových signálních drah přenáší signál z niche do jádra buňky
Určení osudu buňky
Niche
(mikroprostředí)
Epigenetický
stav
Exprese
specifických
transkripčních
faktorů
Buněčné
signálování
Notch signální dráha
➢ Notch není aktivováno rozpustným ligandem
➢ Sousední buňky se váží ligandem (Delta, Jagged) a receptorem (Notch), jehož
štěpením a transportem do jádra je aktivován transkripční faktor CSL
Notch signálování je esenciální například pro:
vývoj cév, senzorických chloupků u drozofily, nebo pruhů zebřičky (Danio)
Notch signální dráha
Mutace v ligandech Delta, Jagged a receptorech Notch…
Algilův syndrom
Recesivní spondylokostálnídystóza
Hajdu-Cheney syndrom
Dědičná kardiomyopatie
CADASIL (Leukodystrofie – postižení bílé hmoty mozkové)
Určení osudu buněk a jejich diferenciace
5 základních vývojových signálních drah přenáší signál z niche do jádra buňky
Určení osudu buňky
Niche
(mikroprostředí)
Epigenetický
stav
Exprese
specifických
transkripčních
faktorů
Buněčné
signálování
Signální dráha fibroblastového růstového faktoru
Aktivovaný receptor signáluje MAP
kinázovou (mitotickou) a PI3K/AKT
dráhou (antiapoptotickou)..
FGF signální dráhy jsou
zapojeny v embryonálním
vývoji do:
➢ Proliferacebuněk
➢ Diferenciace buněk
➢ Migrace buněk
➢ Změna morfologie buněk
FGF
MEK/ERK
CYC D
PI3K/AKT
CASPASES
SURVIVALPROLIFERATION
FGFR
Gradient morfogenu jako architekt vývoje
FGF10
Signální dráha fibroblastového růstového faktoru
FGF signální dráhy jsou
zapojeny v embryonálním
vývoji do:
➢ Proliferacebuněk
➢ Diferenciace buněk
➢ Migrace buněk
➢ Změna morfologie buněk
Počet kopií retrogenuFGF4
Achondroplezie – (bodová) mutace receptoru FGFR3
Určení osudu buněk a jejich diferenciace
5 základních vývojových signálních drah přenáší signál z niche do jádra buňky
Určení osudu buňky
Niche
(mikroprostředí)
Epigenetický
stav
Exprese
specifických
transkripčních
faktorů
Buněčné
signálování
Wnt/b-kateninová dáha
VYPNUTO:
aktivní „destrukční komplex“ ničí
transkripční faktor b-katenin
ZAPNUTO:
Vazba ligandu (WNT) na receptor
FRIZZLED (FZ) vede ke zničení
destrukčního komplexu, stabilizaci
b-kateninu a jeho transportu do
jádra, kde se váže na transkripční
faktory TCF/LEFa spouští transkripci
Recyklace WNT signálování v
embryogenezi:
• První polarizace embrya (D-V osa)
• Ustavení dalších os
• Gastrulace
• Udržování pluripotence a
diferenciace (v kontextu niche)
• Epiteliální-Mezenchymální
tranzice
Nedostatečné Wnt/b-kateninové signálování v
průběhu gastrulace = ztráta zadní části těla
Umlčení WNT-3A (člen rodiny WNT) u myši vedlo k
nedostatečnému vývoji posteriorní části embrya.
Absence inhibitoru Wnt/b-kateninové signalizace v
průběhu gastrulace = ztráta anteriorní části embrya
Buňky v anteriorní
části embrya produkují
WNT inhibitor Dkk1
(dickkopf 1). U myši s
umlčeným Dkk1 se
nevyvine přední část
embrya
Určení osudu buněk a jejich diferenciace
5 základních vývojových signálních drah přenáší signál z niche do jádra buňky
Určení osudu buňky
Niche
(mikroprostředí)
Epigenetický
stav
Exprese
specifických
transkripčních
faktorů
Buněčné
signálování
Hedgehog signální dráha
Ligandy z rodiny
Hedgehog u savců
➢ GLI funguje jako
transkripční represor
➢ Vazba SHH transformuje
GLI na transkripční
aktivátor
Hedgehog ve vývoji embrya:
Správné členění těla
Organogeneze
Např. vývoj končetin
Ligandy hedgehog rodiny u savců:
Desert hedgehog Indian hedgehog Sonic Hedgehog
BEZ HEDGEHOG LIGANDU:
Patched inhibits Smoothened which
GLI is repressor no transcription
HEDGEHOG LIGAND:
GLI is TF transcription
Hedgehog (SHH) signální dráha
Hedgehog signální dráha
Zvýšené Shh signálování Snížené Shh signálování
Rozštěp (rtu a patra), polydaktylie atd..
Gradient morfogenu jako architekt vývoje
Př.: Shh určuje počet prstů na končetinách a jejich identitu
Organizér na posteriorní straně pupenu
produkuje Sonic Hedgehog (Shh):
• Malíček – potřebuje nejvíce Shh (inaktivní
Gli)
• Palec – nepotřebuje Shh – aktivní Gli
Úvod do ontogeneze člověka
I. Úvod do vývojové biologie
II. Molekulární podstata řízení vývoje savců v
normě a patologii
III. Růstové faktory a přenos signálu ve vývoji a
patologii
IV. Morfogeny a hlavní transkripční faktory v
savším vývoji a patologii
Folistatin
Myosatin (GDF8 z rodiny TGFbeta)
Proliferacesatelitních buněk
Folistatin
Myosatin (GDF8 z rodiny TGFbeta)
Proliferacesatelitních buněk
svalová hypertrofie kachexie
Myostatin
Užití folistatinu proti kachexii, a svalové dystrofii (zneužití u atletů – dopingové
kontroly na rekombinantní folistatin)
…ale také vyšší hladina folistatinu asociována s mortalitou u kardiometab. chorob
Role transkripčních faktorů ve vývoji
Cell fate determination
Niche
(micro-environment)
Epigenetic
status
Specific
transcription
factor expression
Cell
signaling
Transcriptionregulators in the trophoblast lineage
Transcription regulators in cardiac development
Role transkripčních faktorů ve vývoji
Cell fate determination
Niche
(micro-environment)
Epigenetic
status
Specific
transcription
factor expression
Cell
signaling
Příklady důležitých (rodin) transkripčních
faktorů ve vývoji a patogenezi:
homeobox TF (př NANOG – viz stem cells)
RUNT rodina (viz TGFb signálování)
Rodina TBX
Rodina PAX
Rodina obsahující HMG doménu
NK2 rodina homeobox transkripčních faktorů
Př. NANOG
Sebeobnova
FGF signaling
Transkripční faktory:
NANOG
Oct4
Sox2
Diferenciace
Primovaná/Diferencovaná buňka
Pluripotentní
kmenová
buňka
..irská mýtická země
věčného života Tír na nÓg
Mutations: (embryonicaly lethal), Teratocarcinoma, Germ cell and embryonal cancer..
Klíčové trankripční faktory v embryonálním vývoji
Transkripčnífaktory TBX rodiny
Tbx5 – transkripční faktor
- Zodpovědný za vývoj předních končetin
- Myš Tbx5-/- nemá vyvynuty přední končetiny
Tbx4 – dtto pro zadní končetiny
Klíčové trankripční faktory v embryonálním vývoji
Transkripční faktory TBX rodiny – určují identitu končetin (křídla/nohy)
Pax6 mutations cause aniridia in humans
https://doi.org/10.1038/hgv.2017.53
Rodina obsahuje transkripční faktory důležité pro vývoj:
SRY – vývoj pohlavních orgánů (mutace: Swyerův syndrom-kompletní dysgeneze gonád)
LEF1, TCF1 – vývoj sommitů, nervového systému a lymfocytů (mutace: leukémie u dětí,
dětská diabetes 3 typu)
SOX rodina:
Mutace SOX:
Mentální retardace
XX male sex reversal
Coffin-Sirisův
syndrom
Lamb-Shafferův
syndrom
Campomelická
dyslplazie
A mnoho dalších..
Transkripční faktory obsahující HMG doménu
Department of Biology, Faculty of Medicine, Masaryk University
Vladimír Rotrekl
vrotrekl@med.muni.cz
Thank you for your attention…