Vývojová biologie obratlovců Protostome vs. deuterostome • Prvoústí • Dvě třídy, oddělení cca. 600 MYA • Dělení spirální (osud buněk je determinován dělením a tvorbou blastuly) • Ústa jsou formovány při prvním „otevření“, řitní otvor je formován později • Pravá tělní dutina (coelom) vzniká oddělením buněk • Druhoústí • Dělení je radiální • První „otevření“ ve stádiu blastospory definuje oblast prvoúst, které se přeměňují na řitní otvor a kloaku • Pravá ústa se vytvářejí později, pravá tělní dutina je založená během radiálního dělení, obklopená buňkami mezodermálního původu Obsah • Ježovka • Tvorba prvoúst, gastrulace u lidí • Danio rerio • Tvorba pigmentů, reaktivně difúzní model (model aktivátoru a inhibitoru) • Myš jako model embryonální biologie • Buněčná determinace v průběhu vývoje, čtyři pravidla vývoje blastocysty u savců, poziční informace u kuřete a vývoj končetin, exprese homeotických genů Model ježovka – fertilizace, embryologie a buněčné klonování • Paprsčitě souměrné tělo, zpravidla pětičetné, existence bilaterální souměrnosti • Kolem ústního otvoru Aristotelova lucerna (do kruhu 5 spořádaných zoubků) • S vývojem mikroskopie vhodný model pro embryogenezi (průhlednost vajíček) • Dnes model pro stárnutí a regeneraci, studium cis-regulačních oblastí a ekologické studie • Genom ježovky purporové umožnil studium evoluce vrozeného imunitního systému (>200 genů pro bílkovinné receptory „Toll-like receptors“ a cytosolické receptory „NOD-like receptors“) • Jev maskování RNA – ochrana RNA před vnějšími vlivy do zahájení proteosyntézy Gastrulace u mořské ježovky – tvorba prvoúst a druhoúst invaginace introgrese involuce druhoústa střevo anusprvoústa Klíčová stádia časné embryogeneze gastrulace tvorba zárodečných listů endoderm ektoderm osudová mapa blastuly animální pól vegetální pól neurální destička : nervový systém notochord blastopor endoderm : střevo, játra, plíce ektoderm : pokožka mezoderm : svaly, vazivo, ledviny, krev, gonády Proces gastrulace u lidí • Dvojvrstevný disk • epiblast (->amniová dutina) • hypoblast (->žloutkový váček) • Trojvrstevný disk • ektoderm (pochází s epiblastu), • mezoderm (vytváří se dělením některý buněk epiblastu) • endoderm (pochází z hypoblastu) • Embryonální disk • přítomnost notochordální ploténky (struna hřbetní) • budoucí destička pro ústní a řitní otvor Srovnání zárodečných listů u hmyzu a obratlovců Zárodečný list Orgány Endoderm střevo, játra, plíce střevo Mesoderm skelet, svaly, ledviny, srdce, krev svaly, srdce, krev Ektoderm pokožka, nervový systém kutikula, nervový systém Obratlovci HmyzDorsal Ventral Obsah • Ježovka • Tvorba prvoúst, gastrulace u lidí • Danio rerio • Tvorba pigmentů, reaktivně difúzní model (model aktivátoru a inhibitoru) • Myš jako model embryonální biologie • Buněčná determinace v průběhu vývoje, čtyři pravidla vývoje blastocysty u savců, poziční informace u kuřete a vývoj končetin, exprese homeotických genů Model Danio rerio Dćosta and Shpeherd, 2009 Model vývojové biologie (průhledné tělo-vývoj orgánů, buněčné migrace a diferenciace) Genetiky (velký počet potomků umožňuje jednoduché sledování genetických znaků) Model pro lidské onemocnění (rakovinné buňky, neurologické poruchy) Ekotoxikologie (vliv farmakolog a toxinů v prostředí) Regenerace (velká schopnost regenerace) George Streisinger Model genetiky a evoluce tvorby pigmentů Parichy 2006 • Tři skupiny pigmentových buněk • Melanofory (melanin) • Iridofory (guanin) • Xantofory (pteridiny a karotenoidy) • Savci mají pouze melanofory, které však mohou vytvářet dva typy pigmentů (eumelanin nebo pheomelanin) Metamorfόza melanoforů během gastrulace u zebřičky a uspořádání pigmentálních buněk Parichy 2006 Melanofory Melanofory Xantofory Melanofory Xantofory +metamorfické melanofory (později silně pigmentovány) Melanofory u ostatních druhů mohou difundovat (červená čárka), nediferencují do „plně“ zralých melanoforů nebo mohou podstoupit b. smrt (prázdná kolečka) Důkaz vztahu melanoforů a buněk xantoforů – přes GFP signalizaci • Přemístění pigmentálních buněk může vést ke dvěma fenotypům • xan(-) – bez proužků (aborce vývoje transplantovaných xantoforů s GFP) • xan(+) – tvorba pruhů (vývoj xantoforů s GFP) Parichy 2006 Reaktivně difúzní model tvorby pigmentů • Pruhy na skaláře se vyvíjejí podle tzv. Giere-Meinhardtova modelu – pomalu difúzní aktivátor (A) katalyzuje svoji vlastní produkci, zatímco rychle difúzní inhibitor (I) blokuje tuto samoaktivující smyčku • Po počáteční uniformitě signálu dochází na náhodnému nárůstu A (absence I), aktivace A způsobuje lokální obohacení o I, tedy potlačení pigmentu v určitém úhlu dle rychlosti difúze tvorba pigmentu sleduje růstovou křivku (6 vs 12 měsíců) Ostatní savci následují A-I systém, tedy napohled symetrické pruhy (tečky) jsou lokálně asymetrické • U savců není symetrie zachována na molekulární úrovni, u motýlu je však vzorec odlišný, tvorba vzorců následuje precizně determinovaný chemický gradient, s xy koordináty Obsah • Ježovka • Tvorba prvoúst, gastrulace u lidí • Danio rerio • Tvorba pigmentů, reaktivně difúzní model (model aktivátoru a inhibitoru) • Myš jako model embryonální biologie • Buněčná determinace v průběhu vývoje, čtyři pravidla vývoje blastocysty u savců, poziční informace u kuřete a vývoj končetin, exprese homeotických genů Myš jako model embryonální biologie • Model genetiky (jednoduché křížení, existence celé řady mutantních linií) • Stárnutí • Chování a reprodukce • Epigenetika • Embryologie • Neurogeneze EX.X=embryonální dny jednotlivých stádií E0.5 E1.5 E2.5 E3.5 E4.5 KYUSHU univerzity, 2024 Čtyři pravidla ranného vývoje blastocysty Nissen et al. 2016 Čtyři pravidla ranného vývoje blastocysty • Polarizace buněk – nutné pro utváření gradientu a udržení struktury • Koncentrance FGF faktoru – nutné pro formaci primitivního entodermu a vnitřní masy buněk (=„firoblast growth factor“) • Adheze buněk – nezbytné mezi Nanog a GATA6 pozitivními buňkami • Buněčná smrt – důležité pro špatně umístěné buňky, vývoj entodermu a epiblastu Pre-implantační perioda embrya do stádia E4.5 E0.5 E1.5 E2.5 E3.5 E4.5 Embryology online, 2024 Embryonální vývoj – den za dnem, užitečné informace Vývoj končetin a polarizace při specifikaci podél antero-posteriorní osy • exprese genu Sonic hedgehog na posteriorním konci pupene poskytuje poziční signál podél A-P osy pupen kuřecí končetiny polydaktylie u člověka Buňky v růstové zóně vyžadují poziční informaci • růstová zóna je specifikována apikální ektodermální rýhou na distálním konci a polarizační oblastí na posterioru, buňky od nich posléze získávají poziční hodnotu apikální ektodermální rýha zóna růstu polarizační oblast (Sonic hedgehog) 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 Růstové faktory (GF) u živočichů ➢Proteiny produkované určitými buňkami do okolí ➢ řídí RŮST a DIFERENCIACI (morfogeny, onkogeny) ➢ vážou se na TRANSMEMBRÁNOVÉ RECEPTORY, což vyvolává biochemické změny (časté fosforylace, tj. kinázy) vedoucí k aktivaci či supresi specifických genů ➢ tyto metabolické kroky mezi receptorem a cílovými geny se označují jako SIGNÁLNÍ DRÁHA (kaskáda) ➢ známo asi 200 GF: cytokiny, hedgehog, interleukiny,interferony, nervový, epidermální, krevních destiček, hematopoetické, kostní morfogenetický protein (BMP), Wnt (wingless-integrin) Děkuji za pozornost!