shkolageo.ru 1


Лекция 1 «Биология развития» курс из 17 лекций (проф. А. П. Перевозчиков, Т.Б. Батыгина, A. Г. Десницкий; доценты: Е. Б. Малашичев, А. Б. Малашичева, Р.П. Костюченко) и 10 практических занятий Основные литературные материалы: 1) презентации курса лекций на сайте: www.embryo.pu.ru (основные слайды – из книги 2) С. Гилберт “ Биология развития” 7-у издание, 2010) 3) учебник А. К. Дондуа «Биология развития» Изд-во СПбГУ, 2005 г., т.т. 1,2


"Views of a Fetus in the Womb", Leonardo da Vinci, ca. 1510-1512. (пренатальное и постнатальное развитие – предмет изучения биологии развития.









Карты презумптивных зачатков зародышей позвоночных (создаются на основе топографии ранней гаструлы)



  • Раннее развитие зародышей животных может быть детерминированным

  • или регулятивным



Карта презумптивных зачатков (судьбы) зародыша оболочника, может быть построена уже на одноклеточном зародыше (детерминированное развитие)



Автономная спецификация (детерминированное развитие) раннего зародыша асцидии: из различных бластомеров при культивировании образуются различные структуры



Карта судьбы зародыша оболочника (продолжение)


Автономная спецификация (мозаическое развитие) клеток зародыша моллюска Patella


Регулятивное развитие Может приводить к появлению однояйцевых близнецов У броненосца Daspus novemcintus первоначальный зародыш разделяется на четыре группы клеток и из каждой развивается полноценный зародыш



Регулятивное развитие морского ежа



Регулятивное развитие

  • Изучение регулятивного развития со всей очевидностью позволило установить существование двух важных для развития явлений: «индукции» и «морфогенетического поля»

  • Эти явления, как оказалось, играют важную роль и при детерминированном развитии



Зависимая спецификация (регулятивное развитие) у земноводных. Недостающие клетки восполняются без потери функций поврежденного участка. Судьба пересаженных в другое место клеток определяется их взаимодействием с соседями (новой позицией)



Региональная специфичность индукции структур эпидермального эпителия под воздействием различных участков дермиса у куриного зародыша



Пересадка клеток имеющих морфологические различия, но сходных по судьбе, у зародышей близкородственных видов позволяет проследить судьбу пересаженных клеток (перепёлка -курица)



Участие транскрипционного фактора Pax6 в индукции зрительных и назальных структур у зародыша крысы (Слева -норма, справа - гомозигота по мутантному Pax6)


Паттернинг - процесс, в котором из эмбриональных клеток устанавливается пространственно упорядоченная организация каких-либо тканей ( паттерн). Паттерн имеет динамические характеристики. Паттерн экспрессии гена - специфическая(пространствено-временная) картина экспрессии, выявляемая методами молекулярной биологии вдоль осей тела (или его частей) зародыша Паттерн осевых структур (передне-задних, дорсо-вентральных) раннего зародыша - определяется паттернами экспрессии генов, специфичных для формирования осей.


Экспрессия гена sonic hedgehog в различных зачатках 3-х дневного куриного зародыша (иРНК)



Экспрессия гена Vg1 в вегетативной области ооцита Xenopus laevis (иРНК)



Паттернирование

  • Создание (установление) паттерна (динамических пространственных структур) может объясняться достаточно простыми причинами (например градиентами концентраций каких-либо веществ, химические свойства которых комплементарны друг другу)



Реакционно-диффузионная модель Тьюринга для объяснения формирования пространственной морфологической структуры (паттерна). Создание волн (периодических значений) концентраций веществ, распределённых в одном объеме и обладающих разными скоростями диффузии.



Компьютерное моделирование паттерна пигментации чешуи рыбки Danio rerio (с учётом реакционно-диффузионной модели) и его соответствие паттернам пигментации рыб дикого типа и аллельных вариантов гена leopard



  • Одни клетки (развивающегося) многоклеточного организма могут влиять на судьбу других (соседних) клеток, секретируя во внеклеточное пространство растворимые (паракринные) молекулы, убывающие от своего источника по градиенту концентрации – морфогены.

  • Морфогены – биологически активные молекулы, определяющие поведение (реакцию, судьбу) клеток, их воспринимающих, в зависимости от дозы (концентрации) морфогена в данном месте (области) зародыша многоклеточного.

  • Концепция морфогенных градиентов используется для моделирования развития



Варианты дифференцировки in vitro клеток анимальной шапочки бластулы шпорцевой лягушки Xenopus laevis под влиянием различных концентраций паракринного фактора вегетативного полюса - активина



Градиент активина при разных концентрациях индуцирует in vitro экспрессию различных генов в клетках анимальной шапочки Xenopus sp.



Интерпретация градиента концентрации активина в клетках анимальной шапочки Xenopus laevis (в модельных экспериментах)



Морфогенетическое поле зачатка конечности саламандры Ambistoma maculatum



Морфогенетическое поле (МП) может быть определено как группа клеток , чьё расположение и назначение задано в пределах одних и тех же границ ((Weiss, 1939, Wolpert, 1977). Судьба клеток в МП жестко определена. Каждое конкретное МП клеток отвечает за образование конкретного органа, даже если эту группу клеток трансплантировать в различные части зародыша. Судьбы отдельных клеток внутри поля зафиксированы не столь жестко, так что они могут в известных пределах менять назначение, восполняя функции утраченных из МП клеток (примеры: МП конечности, сердца, глаза позвоночных, имагинальных дисков насекомых).



Роль позиционной информации в морфогенезе на примере модели “французского (трёхцветного) флага” (L. Wolpert). Интерпретация аналоговой (позиционной) информации в дискретную. Градиент концентрации морфогена. Морфогенетическое поле.


Если презумптивные клетки из МП ноги Drosophila перенести в МП антенны (апикальной части предполагаемой антенны) , они способны воспринимать позиционную информацию по месту своей новой локализации, хотя и сохраняют свое исходное предопределение (формируют только коготок)


Развитие многоклеточных организмов происходит в соответствии с двумя парадигмами:

  • Дифференциальная активность генов

  • Избирательные межклеточные взаимодействия



Дифференциальная экспрессия генов Экспрессия гена - реализация генетической информации, закодированной в гене. Экспрессия происходит последовательно на иерархически связанных уровнях: на уровне транскрипции, пост-транскрипционного созревания, транспорта иРНК из ядра в цитоплазму, на пре-трансляционном, трансляционном уровнях, а также в ходе пост-синтетической модификации новосинтезированных белков и т.п.



ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ В основе дифференциальной активности генов на уровне транскрипции лежат обратимые (эпигеномные) изменения отдельных участков хроматина с сохранением непрерывной структуры (соответствуют эпигенетической изменчивости генома): конденсация, деконденсация хроматина, метилирование ДНК), а также необратимые изменения участков хроматина, которые могут быть связаны с частичной перестройкой структуры генома.









Политенные хромосомы слюнных желёз личинки Drosophila melanogaster (дрозофилы)



Участие транскрипционного фактора Pax6 в индукции оптических и назальных структур у зародыша крысы (Слева -норма, справа - гомозигота по мутантному Pax6


Множественные 5’регуляторные участки (энхансеры) гена Pax6 мыши (позволяют гену экспрессироваться в разных тканях и органах)


Сайленсер NRSE ограничивает районы экспрессии гена L1 в зародыше мыши, позволяя ему экспрессироваться только в клетках нервной системы



LCR и кластерные энхансеры. Организация генов семейств альфа и бета глобинов в соответствующие кластеры: смена эмбриональных форм -глобинов на более зрелые путём последовательных переключений активностей соответствующих генов под контролем LCR кластера - глобиновых генов в ходе пренатального развития человека



Изменение типов полипетидных цепей глобинов в молекуле гемоглобина в зависимости от локализации эритропоэза в пре- и постнатальном развитии человека



Образование семейства альфа-тропомиозинов у крысы за счёт альтернативного сплайсинга транскрипта одного гена (слева в столбце указаны ткани, в которых происходит альтернативный сплайсинг)



Детерминация пола у дрозофилы. Альтернативный сплайсинг пре-иРНК гена sex-lethal приводит к альтернативному сплайсингу пре-иРНК последовательно генов tra и dsx и, в конечном счёте, к однозначному определению пола



Регуляция экспрессии гена “материнского эффекта” на уровне трансляции в ооците мыши. Инактивация иРНК путём редукции 3'-poly(A) (деаденилированием)



Запасение различных иРНК в ооците и их трансляция после оплодотворения (гены “материнского эффекта”)


Поддержание концентрации внутриклеточного Fe координированной регуляцией трансляции иРНК ферритина и рецептора трансферрина с использованием специфического сайта IRE, локализованного соответственно в 5'- и 3'-концах этих иРНК


Регуляция трансляции РНК lin 14 нематоды C. elegans c помощью микроРНК lin 4



Образование и функционирование микроРНК у нематоды



Регуляция прохождения линек C. elegans микроРНК



Регуляция экспрессии генов метилированием участков промотора



Инсуляторы, предполагаемый механизм действия



Геномный импринтинг у млекопитающих - различия в степени метилирования отцовских и материнских аллелей гена (5-метил-цитозин) может обусловить функционирование только одного из аллелей (неметилированного или недометилированного ). Метил-CpG -островки, цитозин-5-метилтрансфераза, метилаза и MeCP2 Дефект функционирующей аллели приводит к наследственным заболеваниям Синдромы Ангельмана и Прадер-Вилли связаны с различными вариантами метилирования отцовских и материнских аллелей двух генов, расположенных близко друг к другу на длинном плече хромосомы 15 человека, возникают в случае делеции участка одной из хромосом 15-й пары



Больные с синдромами: Angelman (А-слева ) и Prader-Willi (P-W - справа). A- серьёзная умственная отсталость, припадки, нарушения речи, неуместный смех. P-W- умственная отсталость, ожирение, неразвитые половые железы, низкий рост



Дозовая компенсация генов половых хромосом млекопитающих Инактивация одной из Х-хромосом млекопитающих. Конденсирование хроматина в период раннего развития и превращение его в конститутивный гетерохроматин. Тельце Барра в ядре эпителиальной клетки человека

Гипотеза М. Лайон об инактивации Х-хромосомы (M. Lyon, 1961)

  • 1. В очень раннем развитии самок млекопитающих обе Х-хромосомы активны.

  • 2. По ходу развития в каждой клетке одна из Х-хромосом

  • инактивируется.

  • 3. Эта инактивация — случайный процесс. В одних клетках инактивируется Х-хромосома отца, в других — Х-хромосома матери.

  • 4. Процесс инактивации необратим. Поэтому все клетки — потомки клетки-предшественника, содержат инактивированной Х-хромосому того же типа, что и клетка-предшественник.

  • Так как инактивация Х-хромосомы происходит достаточно рано, образуются целые районы клеток — потомков одной клетки — предшественника и другие районы — потомки другой клетки-предшественника, так, что в итоге самки млекопитающих являются мозаиками клеток двух типов.



Вероятностный характер инактивации X-хромосом в различных клетках млекопитающих. Пример- животные с рыже-белой (калико) и черепаховой окраской.



Пояснения к предыдущему рисунку

  • Хотя термины «калико» и «черепаховый» рассматривают иногда как синонимичные, на шкуре кошек «калико» кроме рыжих и черных обычно имеются и белые пятна (отсутствие красящего пигмента в волосках).

  • Если аллель гена рыжего пигмента находится у кошек на одной Х-хромосоме, а аллель, ответственный за черный пигмент — на другой Х-хромосоме, то случайная инактивация Х-хромосомы приведет к пятнистой окраске шерсти из двух цветов: рыжего и черного


Механизм инактивация Х-хромосомы у млекопитающих: роль РНК - продукта гена Xist в инициации инактивации. Выбор в инактивации одной из Х-хромосом: РНК-продукты Tsix (мыши) и Xist, их комплементарность, разнонаправленность и перекрывание кодирующих их районов.


Процессы, обусловливающие инактивацию X-хромосомы (млекопитающие)





Число генов в геномах многоклеточных организмов хотя и увеличивается в эволюционом ряду от низших к высшим, но всё же не настолько, чтобы объяснить все эволюционные усложнения организации. Вероятнее, что многие гены высших животных гомологичны генам низших и могут контролировать сходные функции, приобретая одновременно и новые. Такие гены называются ортологичными. Гомологичные гены в геноме животных одного и того же вида называются паралогичными. Главный путь усложнения геномов - усложнение регуляторных механизмов экспрессии генов



Экспериментально индуцированная экспрессия гена Pax6 в области имагинального диска антенны дрозофилы



Генные сети участвуют в реализации генетических программ дифференцировки клеток



Генные сети участвуют в реализации генетических программ дифференцировки клеток