Krátké shrnutí základů z Vývojové fyziologie živočichů I Buňka ve vyvíjejícím se embryu musí umět a vědět nejrůznější věci: •vědět kdo je, kde je, kým bude a co bude dalším krokem v jejím buněčném životě •buňka činí rozhodnutí na otázky typu jako: Dělit se? Diferencovat? A v co diferencovat? Migrovat? A kam? Zemřít? • • • Co poskytuje buňce tyto informace? •a) signály z okolního prostředí b) transkripční program v jádře jednotlivé signální dráhy modulují transkripci a strukturu chromatinu transkripce určuje citlivost buňky k vnějším signálům (např. regulací exprese receptorů či komponent přenosu signálu) Signály z vnějšího prostředí ruka Notch Signály z vnějšího prostředí ruka Notch TGFb nadrodina má následující podrodiny: 1.TGFb1-3 2.BMPs – 20 různých ligandů 3.GDF (growth differentiation factor): 9 ligandů 4.activin/inhibin/nodal Společným znakem je signalizace přes: - konzervativní rodinu Ser/Thr kinázových receptorů – jsou dvou typů a po vazbě ligandu dimerizují - cytoplazmatická signalizace přes tzv. SMAD proteiny Inhibitory BMP faktorů, jsou klíčové pro fyziologické funkce BMP: •noggin •chordin (Chd) •sklerostin chordin vs chordin vs Přímá fyzická interakce mezi chordinem a BMP je podstatou inhibičního působení chordinu LR assymetry in GDF mutant Figure 2. Analysis of situs defects in Gdf1-/- mice. a, Gdf1 +/- and Gdf1 -/- newborn mice with stomachs (arrowheads) on the left and right sides, respectively. Ventral views of tissues from newborn Gdf1 +/- (b,d,f,h) and Gdf1 -/- (c,e,g,i) mice are shown. b,c, Reversal of the orientation of the abdominal organs in Gdf1 -/- mice. Note also the streak-like appearance of the spleen and the abnormally shaped medial lobe of the liver. H, heart; Lv, liver; St, stomach; Sp, spleen; AC, Signály z vnějšího prostředí ruka Notch Notch and the segmentation clock Signály z vnějšího prostředí ruka Notch Receptorové tyrosin kinázy (RTK) RTKs - simplified scheme of action Schematická struktura jednotlivých receptorů RTK families transmembránová doména tyrosin-kinázová doména extracelulární domény vážící ligand Erk MAP kinase activity is necessary for FGFR3 phenotype in cartilage FGFR3 Ras Raf-1 MEK Erk FRS2 FGF2 VEGF in angiogenesis Blood vessel formation and tumor angiogenesis. During development, VEGF induces differentiation and proliferation of endothelial cells from its progenitors (the hemangioblast and angioblast) to form a poorly differentiated primitive vascular plexus (vasculogenesis). Angiopoietin-1 (Ang-1) and other morphogens (e.g. Ephrins-Eph) induce remodeling of the vascular plexus into a hierarchically structured mature vascular system through endothelial cell sprouting, trimming differentiation and pericytes recruitment (angiogenesis). During tumor angiogenesis, angiopoietin-2 (Ang-2) destabilizes the vessel wall of mature vessels. Quiescent endothelial cells become sensitive to VEGF (or other angiogenic factors), proliferate and migrate to form new vessels. Bone marrow-derived endothelial cell progenitors are found in the peripheral blood and can recruit at sites of angiogenesis. Eph/ephrin komplex •ephrin – jsou membránově vázané ligandy (podobně jako ligandy Notch dráhy) •ephriny A – na membráně upevněny pomocí tzv. GPI kotvy •ephriny B – transmembránové ligandy, které samy jsou schopny signálovat do buňky •Eph/ephrin systém je zapojen zejména do „navigace“ buněk (např. buněk cév) či jejich částí (např. navádění axonů v nervové soustavě), a do „contact-mediated cell sorting“ ve vyvíjejícím se embryu. Jde o obecný mechanismus regulující migraci buněk. ephb4 Signály z vnějšího prostředí ruka Notch Wnts (Wingless/Int) - family of ligands - 19 members in human and mouse - glycosylated and palmitoylated extracellular proteins - short range of action, bind to extracellular matrix - only in multicellular animals canonical (eg. Wnt-1 or Wnt-3a) non-canonical (eg. Wnt-5a) Wnt/b-kateninová dráha WNTSignPathFig1 Deplece Wnt/b-kateninové dráhy při gastrulaci = ztráta zadních částí těla wild type Wnt-3a knockout Deplece inhibitorů Wnt/b-kateninové dráhy při gastrulaci = ztráta předních částí těla wild type vs. Dkk1 knockout Molekulární mechanismus ustavení PCP Seifert and Mlodzik, Nature Reviews in Genetics, 2007 Signály z vnějšího prostředí ruka Notch Hedgehog dráha •hedgehog (Hh) u octomilky – název „ježek“ podle fenotypu larvy •u savců jsou tři homology – sonic hedgehod (Shh), indian hedgehog (Ihh) a desert hedgehog (Dhh) hedgehog in Drosophila Sonicrun_2006 Sonic the Hedgehog Shh – jeden z nejlépe popsaných klasických morfogenů (tzv. model francouzské vlajky) – v závislosti na koncentraci morfogenu se spouští odlišné transkripční programy Limb_bud Shh Např. specifikace jednotlivých prstů končetiny Shh in limb Shh limb phenotypes Limb_bud Shh Co poskytuje buňce tyto informace? •a) signály z okolního prostředí b) transkripční program v jádře jednotlivé signální dráhy modulují transkripci a strukturu chromatinu transkripce určuje citlivost buňky k vnějším signálům (např. regulací exprese receptorů či komponent přenosu signálu) 1. HOMEODOMAIN FACTORS Homeodomain – 60aa sequence that interact with DNA, encoded by homeobox in the particular gene. Many homeobox genes regulate segment identity. Homeotic genes cause homeosis – a transformation of one whole segment into another related one, such as antenna into leg. Segment polarity genes – basic shape of segment, same for all segments. Homeotic selector genes – control the differences in segment development via initiation of future developemntal pathways in each segment. TRANSCRIPTION FACTORS -ultimate effectors of the outside-in intercellular signaling -one of the most important molecules in shaping of the embryo -classified in families by DNA-binding domain Antennapedia Bithorax Chinook 1. HOMEODOMAIN FACTORS Two LIM domains fused to DNA-binding homeodomain Islet-1 2. LIM-HOMEODOMAIN PROTEINS (myosin-light chain) Isl1-/- Isl1-/- wt wt sv – sinus venosus ot –outflow tract E9.5 DNA binding region: paired domain with 6 a-helical segments 3. PAX PROTEINS Pax6 (paired box gene 6) Pax6-/- wt E11.5 se - surface ectoderm ms –mesenchymal-like cells rpe – pigmented retinal epithelium ret – retina os – optic stalk ov- optic vesicle nc – nasal cavity ls -lens Bind DNA via zinc-finger motif 4. ZINC-FINGER PROTEINS Dracula fish – loss-of-function mutation in GATA1 – impaired erythroid differentiation Intracellular receptor that function as transcription factors. Lipophilic ligands: steroids, thyroid hormone, retinoid acid. Inactive – Hsp90-bound in cytoplasm, complexed with ligand, - nuclear. 5. NUCLEAR RECEPTOR SUPERFAMILY Retinoid acid signaling in limiting the cardiac progenitor pool (RAR antagonist) precardiac mesoderm cardiomyocytes MyoD+/- Myf-5+/- 6. BASIC HELIX-LOOP-HELIX (bHLH) FACTORS MyoD-/- Myf-5-/- a-actin IHC (smooth and striated muscle fibers) desmin IHC (skeletal muscle fibers, myoblast-like cells) Contain basic DNA binding region and hydrophobic helix-loop-helix region responsible for dimerisation DNA binding domain derived from the prototype gene called transcription factor T. Limb identity factors Tbx4 and Tbx5 7. T-BOX FACTORS Operate via bending DNA to bring regulatory sites with transcriptional complex Sox9 (Sry-Box9) – master inducer of cartilage 8. HIGH MOBILITY GROUP (HMG)-box FACTORS wt Sox9+/- Sox9-/- alcian blue collagen type II IHC 10. RUNT DOMAIN-CONTAINING FACTORS Runx2 (Runt-related transcription factor 2) Runx2+/- Runx2-/- wt 2006- INDUCIBLE PLURIPOTENT CELLS (iPS)