Vývoj (individuální vývin, ontogeneze,
development) je geneticky
programovaný a cyklický.
Evoluce (historický vývoj, fylogeneze)
není programovaná, nýbrž nahodilá.
Vývojové zákony
 Von Baerův zákon (1828):
“znaky vyskytující se u vyšší
systematické skupiny se obvykle objeví
ve vývinu dříve než znaky nižší skupiny”
 Haeckelův biogenetický zákon (1866):
“ontogeneze rekapituluje fylogenezu”
Evoluce a ontogeneze :
EVOlution and DEVelOpment
fylotypová stádia obratlovců
Carl Ernst von Baer
(1792-1876)
Baerovy zákony fylotypového stádia obratlovců
(1828)
[1] Obecné znaky velké skupiny živočichů se v embryu vyskytují dříve
než znaky specializované
[2] Méně obecné znaky se vyvíjejí ze znaků obecnějších,
přičemž znaky velmi speciální se tvoří až ke konci embryogeneze
[3] Embrya odlišných druhů se od sebe v průběhu individuálního
vývoje stále více a více odlišují
[4] Časné embryo evolučně vyššího živočišného druhu není podobné
dospělci nižšího živočicha nýbrž jeho časnému embryu
Ernst Haeckel
( 1834 – 1919)
„ ONTOGENEZE
REKAPITULUJE
FYLOGENEZU „
Omezení biogenetického zákona
 Dospělé znaky předků jsou jen
výjimečně časnými vývojovými stádii
evolučních následovníků.
 Adaptace ve vývoji jsou stadiumspecifické,
odráží se ve výsledných
fenotypech
 Ne všechny nové znaky vznikají
prostřednictvím terminální adice
Richard B. Goldschmidt (~ 1935) :
“… Evoluce spočívá ve zdědění změn
individuálního vývoje …”
funkční biologie = anatomie, genová exprese
vývoj = změny funkční biologie / reálný čas
evoluce = změny individuálního vývoje
/ historický čas
Étienne Geoffroy Jonathan Slack
Saint-Hilaire (*1949, Bath)
(1772-1844, Paris)
druh I druh II
paralogní geny
genová duplikace
divergence druhů
další
evoluce
ZOOTYP
Xenopus
Amphibia
pijavice
ploštěnci
Drosophila
myš
ZOOTYP
původ „helix-turn-helix“ genů
původ homeoboxových genů
původ genových shluků Hox
zootyp (fylotypové stádium)
P
r
o
k
a
r
y
o
t
a
houby rostliny žahavci červi
vyšší
živočichové
Weismann (1889): somatické změny získané v průběhu
života vyšších živočichů neovlivňují reprodukční buňky
či potomstvo (“Weismannova bariéra“).
evoluce
Ontogeneze, embryogeneze,
vývojová biologie
(Genotyp, transmisní genetika, zárodečná dráha )
(Soma, fenotyp)
V-trojúhelník
Po selekci se dědí (přenáší) genotyp,
selekce se však realizuje na bázi fenotypu !
R Pearl, WF Schoppe (1921), Zukerman (1951):
… základní biologická doktrína … v průběhu života jedince
nenastává zvýšení počtu primárních oocytů nad rámec těch,
které byly vytvořeny při tvorbě vaječníku (končí narozením) …
J Johnson et al. (2004):
… juvenilní i adultní vaječníky myši mají mitoticky aktivní
zárodečné buňky …
... chemoterapie eliminující zásoby folikulů může být překonána
aktivací nových zárodečných buněk …
… transplantace wt-ovarií do GFP-myši vede k infiltraci folikulů
GFP-pozitivními zárodečnými buňkami …
J Johnson et al. (2005):
… možnost extragonadálního zdroje zárodečných buněk – transplantace
kostní dřeně nebo periferní krve (pluripotentní buňky)
vedou ke vzniku oocytů donorového typu …
… schopnost fertilizace a dalšího vývoje oocytů odvozených z
kostní dřeně či krve však dosud nebyla prokázána …
Povedou tyto výsledky ke zpochybnění Weismannovy bariéry a umožní
vysvětlení epigenetického (Lamarckova) dědění získaných znaků ?!?
Pozor! U samečků-živočichů základní biologická doktrína (princip
reprodukční biologie) neplatí vůbec: samčí zárodečné buňky (spermatogonie)
se mitoticky množí a jejich meiotické deriváty (spermie)
obvykle vznikají až v dospělosti.
Transplantace pólové
cytoplasmy může indukovat
tvorbu zárodečné linie
…
primordiální zárodečné
buňky jsou prvními
odlišnými, na posteriorním
konci
…
u drosofily,
hlístice (granule P)
a žab
ink
ellow
ellow
reen
cytoplasma posterioru oplozeného vajíčka
přenesena do anterioru jiného
anteriorní buňky (s pólovou plasmou)
přeneseny do jiného posterioru
moucha G vytváří zárodečné buňky
s genotypem G a Y
migrace
do gonád
syncycium
celularizace
Heterotopní evoluce
 Změny pozice (topologie), ve které jsou znaky
exprimovány v průběhu vývoje
 Heterotopie může vytvářet nové morfologie
odlišné od drah, které vyvářejí formy předků
 Heterotopie je zvýrazněna prostorem,
nikoli časem
 Halder et al. (1995) indukovali extra-oči na
křídlech, nohách a tykadlech Drosophila
ektopickou expresí "eyeless" cDNA
PAX6/Eyeless exprese
v muších a myších očních základech
Homeotické geny dávají vznik
sériově homologním strukturám
Edward Lewis (1963) : pravidlo
spacio-temporální kolinearity
HOMEOTICKÉ GENY
jeden z klíčů specifikace a diferenciace
embryo dospělec
moucha
myš
Antennapedia Bithorax komplex
komplex (anterior) (posterior)
BITHORAX specifikuje třetí článek hrudi a
zadeček: ztráta funkce – místo kyvadélek
se tvoří druhý pár křídel
(více anteriorní fenotyp)
ANTENNAPEDIA specifikuje mesothorax:
jeho ektopická „dominantní“ exprese vyvolává tvorbu
nohou na hlavě (více posteriorní fenotyp)
Antennapedia
wt mutant
zadeček hruď hlava
Bithorax
Polarizační oblast pupene specifikuje
končetinu podél antero-posteriorní osy
exprese genu Sonic hedgehog na posteriorním konci
pupene poskytuje poziční signál podél A-P osy
0,1 mm
pupen kuřecí končetiny polydaktylie u člověka
Exprese homeotických genů
v pupenu křídla kuřete
Hox-a geny jsou exprimovány
podél proximo-distální osy :
Hox-a 13 je nejdistálnější
Hox-d geny jsou exprimovány
podél antero-posteriorní osy :
Hox-d 13 je nezadnější
Evoluce homeotických
(selektorových) genů
 vysoký stupeň podobnosti mezi geny
skupin Antennapedia a Bithorax,
duplikace
 všechny obsahují homeobox, 180 bp
 kódují 60-amino-kyselinovou
homeodoménu, která se váže k DNA
 příbuzné geny nalezeny i u všech jiných
živočichů, člověka i rostlin
Mouellic et al.: Homeosis in the mouse induced by a null
mutation in th Hox-3.1 gene. – Cell 69, 251, 1992
- nahrazení kódující sekvence genu Hox3.1 signálním genem lacZ
homologní rekombinací v kultivovaných embryonálních kmenových
buňkách
- gen rezistence k neomycinu zajišťuje selekci homologních rekombinantů
- lacZ gen je reportérový – detekuje místa exprese Hox3.1 v heterozygotních
myších Hox3.1 +/- (… hybridizace s mRNA či imunobarvení)
- homozygotní stav Hox3.1 -/- je semiletální, několik segmentů kostry je
transformováno jako více-anteriorní (podobně u drosofily loss-of-function,
mutace Bithorax)
- 8. pár žeber je spojen s hrudní kostí a tvorba 14. páru na bederním obratli
Homeoboxové genové shluky u metazoí
jsou staré asi 1 miliardu let, prostorová/časová kolinearita
částečně zachována, poprve se vyskytují na evolučním
přechodu Cnidaria/Bilateralia, souvislost se vznikem tří
zárodečných listů
MEGACLUSTER (ancestrální ProtoHox)
se postupně amplifikoval a divergoval ve tři skupiny genů
(a) Hox-shluk: (Lewis 1978; 5+3 geny u drosofily, 39 genů
ve 4 shlucích u savců), působí především v ektodermu
(b) ParaHox-shluk: Brooke, Garcia, Holland 1998; je pouze u
obratlovců, blízký Hox-shluku, řídí vývin endodermu
(c) NK-shluk: Kim-Niremberg 1989; 4 geny u drosofily, též
u obratlovců, řídí hlavně vývin mesodermu
Časování vývojových procesů,
zapínání a vypínání genů v závislosti
na koncentraci a čase, prahové hodnoty
HETEROCHRONNÍ GENY
HETEROCHRONNÍ MUTACE
model řízení časového vývoje larvy hlístice C-elegans
specifická stádia larválního vývoje jsou
určována hladinou proteinu lin-14
koncentrace
lin-14
vysoká
střední
nízká
časový gradient lin-14 je výsledkem transkripční
represe lin-14 proteinem lin-4,
začínající při časném vývoji larvy
standardní typ
represe lin-4
lin-14 mutace, „získání“ funkce,
nebo „ztráta“ lin-4 funkce
lin-14 mutace, „ztráta“ funkce
Heterochonie
 Evoluční změny v rychlosti nebo
časování vývojových událostí dávají
vznik novým adultním fenotypům
 Odlišné rychlosti růstu různých částí
těla během vývoje organismu jsou
podstatou allometrických vztahů
 Heterochonie tvoří zjevnou asociaci
mezi ontogenezou a fylogenezou
Heterochronní evoluce
 Pedomorfie: je způsobena redukcí rychlosti
vývoje znaku, což vede k juvenilním
charakteristikám adultního potomstva jedince
(vývin nastává časně = progeneze, nebo
relativní redukce rychlosti nástupu jednoho
znaku relativně k jinému = neotenie)
 Peramorfie: je způsobena zvýšením rychlosti
vývoje znaku vedoucího ke zvýrazněnému
znaku adultního potomstva
(prodloužení růstové fáze = hypermorfóza)
Heterochronní evoluce
 Pedomorfie: neotenie u axolotla
(Ambystoma mexicanum), kde juvenilní žábra
jsou zachovány až do dospělosti
 Peramorfie: vzrůst velikosti paroží
(hypermorfóza) u irského losa
(Megaloceros giganteus)
PROGERIE (progeneze)
předčasné stárnutí u člověka
Obvykle single-genové mutace jsou odpovědné
za senescentní fenotypy, které imitují normativní stárnutí
- impakt na určitý (jediný) orgán či tkáň (unimodální
progeroidní syndromy), př. Alzheimer
- impakt na mnohé orgány a tkáně (segmentační
progeroidní syndromy), př. Hutchinson-Gilford, Werner
Dr. Alois Alzheimer
(1864-1915, Mnichov)
Hutchinson-Gilfordův progeria-syndrom
je onemocnění dětí způsobené mutací
proteinu významného pro architekturu jádra: aberantní morfologie.
Filamenty u periferie jádra odpovídají za udržování struktury a stability jádra,
ochrana před mechanickým stresem. Lamina též udržují genomové domény,
regulační funkce v expresi.
wt
HGPS
Spontánní bodová mutace
v kodonu 608 genu kódujícího
protein lamin A
Silentní aa-mutace aktivuje
kryptické místo sestřihu RNA
Mutantní protein progerin
postrádá 50aa na C-konci
Mění se jeho post-translační
modifikace
Progerie u člověka i myši,
scvrklá jádra,
defektní reparace DNA,
genomová nestabilita
Wernerův syndrom – autosomální recesívní choroba, ztráta
funkce DNA helikázy, onset v dospělém věku.
Helikáza hraje úlohu v DNA replikaci a rekombinaci, replikační
vidlička.
Pacienti trpí defektní replikací DNA, problémy s reparací,
restrukturalizace chromatinu.
Senescence – permanentní zástava buněčného dělení,
dysfunkce telomer.
Kuriozní antagonismus mezi stárnutím a rakovinou:
buněčná senescence – zástava dělení – je obranným mechanismem
k účinnému zastavení proliferace nádorových buněk.