Podstawy genetyki V

(1)

Podstawy genetyki V

Interakcje genetyczne. Genetyczne podstawy biologii systemów - interaktomika. Genetyczne podstawy

rozwoju.

(2)

Interakcja genetyczna

• Fenotyp podwójnego mutanta AB nie jest sumą fenotypów mutacji A i B

• Dla ujęcia ilościowego wymagana jest liczbowa miara fenotypu

• Np. czas podziału (czas generacji) – czas wymagany do podwojenia liczby komórek w hodowli

• Ujęcie jakościowe wymaga dobrze zdefinowanych, dyskretnych (0,1) fenotypów – np. letalność

(3)

Ujęcie ilościowe

Dixon et al. 2009, Annu Rev Genet 43:601-25

• U mikroorganizmów typową miarą dostosowania (fenotypu) jest tempo podziałów

• Przy braku interakcji oczekiwane tempo podziałów podwójnego mutanta to iloczyn wartości mutantów pojedynczych

(4)

Miary dostosowania

• Najczęściej stosowaną miarą jest tempo podziałów

• Inne miary:

• efektywność metaboliczna: przyrost biomasy przy stałym dopływie substancji pokarmowych

• przeżywalność w warunkach stresowych (np. w fazie stacjonarnej hodowli)

(5)

Ujęcie ilościowe - interakcje syntetyczne

(6)

Ujęcie ilościowe – interakcje łagodzące

(7)

Interakcje łagodzące

• Supresja

• Fenotyp mutacji (a) znoszony przez mutację w innym genie (b)

• Podwójny mutant ab ma fenotyp dziki lub bliski dzikiemu

• Epistaza

• Fenotyp mutacji (a) maskowany przez mutację w innym genie (b)

• Podwójny mutant ab ma fenotyp taki sam, jak mutacja b (epistatyczna) – obecność mutacji b narzuca fenotyp niezależnie od allelu genu a

(hipostatycznego)

• epistaza symetryczna – pojedyncze mutanty a i b mają taki sam fenotyp, jak podwójny ab

(8)

Supresja

• Fenotyp mutacji (a) znoszony przez mutację w innym genie (b)

• Różne grupy mechanizmów

• Informacyjne

• np. translacyjna supresja mutacji nonsens

• Ilościowe

• Interakcyjne (“zamka i klucza”)

• Zmieniające ten sam szlak

• Zmieniające inny szlak

• obejście

• zmiana środowiska komórki

• obniżenie/podwyższenie aktywności szlaku antagonistycznego

(9)

Supresja informacyjna

• Supresory związane z przekazywaniem informacji genetycznej (informational suppressors)

• Najbardziej znana supresja translacyjna nonsens

• Też zmiana transkrypcji, obróbki RNA, stabilizacja RNA

• Z reguły supresja jest specyficzna wobec konkretnego allelu

• Wiele supresorów informacyjnych może działać na mutacje w różnych genach (np. supresory nonsens)

• Przydatne w badaniu ekspresji genu, ale nie w badaniu funkcji konkretnych genów

(10)

Supresja nonsens

Zmodyfikowane supresorowe tRNA mogą być stosowane do syntezy białek z nietypowymi

aminokwasami

(11)

Supresja

Dixon et al. 2009, Systematic mapping of genetic interaction networks. Annu Rev Genet 43:601-25

(12)

Supresja ilościowa

(13)

Supresja ilościowa

• Mutacja regulatorowa zwiększa ekspresję genu, kompensując efekt mutacji hipomorficznej, albo

• Zwiększenie ilości produktu innego genu kompensuje brak (lub obniżoną aktywność) produktu genu

• Różne mechanizmy

• Aktywacja ekspresji (mutacje elementów regulatorowych)

• Duplikacja genu

• Supresja plazmidami wielokopiowymi

• Często niezależna od konkretnego allelu

(14)

Supresja przez interakcję

• Mechanizm “zamka i klucza” – mutacja

supresorowa zmienia miejsca interakcji tak, by “pasowały” do zmutowanego białka

• Silnie specyficzna wobec allelu

• Rzadko spotykana

• Uogólniona zmiana (np. wzmocnienie) interakcji

• Mutacja supresorowa ogólnie wzmacnia siłę interakcji tak, że toleruje osłabienie wywołane mutacjami w drugim białku

• Często wzajemne (mutacja a supresorem b, a b supresorem a)

(15)

Supresja w obrębie tego samego szlaku

• Jeżeli mutacja jest nullomorfem, to supresja możliwa tylko przez

mutację genu kodującego białko leżące poniżej w szlaku.

• Dla hipomorfów możliwa też

supresja w elemencie leżącym powyżej (silniejszy sygnał

powyżej kompensuje defekt).

Mutant o podwyższonej aktywności B

(16)

Supresja w innym szlaku

• Obejście (bypass)

• Zmiana środowiska komórkowego

• Przywrócenie równowagi

(17)

Supresja w innym szlaku

• Obejście (bypass)

• Np. u E. coli mutanty permeazy maltozowej suprymowane przez mutacje genu permeazy laktozowej – zmutowane białko nabiera zdolności transportu maltozy

• Mutacje odblokowujące (np. przez inaktywację represora) alternatywną drogę

(18)

Supresja w innym szlaku

• Zmiana środowiska komórkowego

• Np. defekty genów zaangażowanych w wycinanie intronów w

mitochondriach drożdży suprymowane przez mutacje w genach kodujących mitochondrialne trasportery jonów Mg2+

• Mg²⁺ to kofaktor w reakcji splicingu, wzrost stężenia kompensuje defekty czynników wspomagających reakcję

(19)

Supresja w innym szlaku

• Przywrócenie równowagi

• np.: mutacje osłabiające transkrypcję suprymują defekty szlaku degradacji RNA

(20)

Epistaza (sensu stricte)

• Mutacje w jednym genie (epistatyczne) maskują fenotyp alleli innego genu (hipostatycznego)

• Z reguły wskazuje na funkcję w tym samym szlaku lub kompleksie,

• może posłużyć do ustalenia kolejności etapów

• Zauważona jako czynnik zmieniający typowy rozkład 9:3:3:1 w krzyżówkach dwugenowych

(21)

Epistaza

• D. melanogaster – mutanty barwy oka

• Podwójny mutant white, vermillion ma oczy białe,

nieodróżnialne od pojedynczego mutanta white

• Mutacje white epistatyczne względem vermillion (i wielu innych mutacji barwy oka

wt white vermillion

(22)

Epistaza

• Drozopteryna – jasnoczerwona, ommochromy – brunatne

• Defekty szlaku drozopteryny – oczy ciemnobrązowe

• Defekty szlaku ommochromów – oczy jaskrawoczerwone (np.

vermillion)

• Produkt genu white – transport

prekursorów barwników (guaniny i tryptofanu) do komórek zawiązka oka w zarodku

wt white vermillion

(23)

Epistaza symetryczna

Podwójny mutant nieodróżnialny od pojedynczych

(24)

Grupa krwi Bombay

• Rzadki recesywny allel h genu innego niż I

• Homozygoty hh nie wytwarzają

antygenu H, który jest prekursorem antygenów A i B

• Homozygoty hh w testach dają grupę 0, niezależnie od genotypu I^A lub I^B

• Uniwersalny donor, biorca tylko od innej osoby hh

• Ok. 4 osoby na milion (w Bombaju 1:

10 000, wyspa Reunion 1:1000)

(25)

Epistaza

• Przy regulacji pozytywnej (i np.

szlakach biosyntezy) mutacja elementu leżącego wyżej w

szlaku będzie epistatyczna

Roth et al. Journal of Biology 2009, 8:35

(26)

Epistaza i szlaki regulatorowe

• Obecność mutantów o

przeciwstawnym efekcie

sugeruje regulację negatywną jednego z etapów szlaku

mutacja tra epistatyczna

Roth et al. Journal of Biology 2009, 8:35

(27)

Interakcje syntetyczne

• Syntetyczne wzmocnienie

• Fenotyp podwójnego mutanta silniejszy (lub nieoczekiwany) niż suma fenotypów pojedynczych mutacji

• Syntetyczna letalność

• Pojedyncze mutacje nie są letalne, podwójny mutant letalny

• Niekomplementacja niealleliczna (SSNC – second-site non- complementation)

• Dwie recesywne mutacje a i b w podwójnej heterozygocie dają fenotyp zmutowany

(28)

Syntetyczne wzmocnienie

• Nieoczekiwanie silny (synergistyczny) efekt połączenia dwóch mutacji

• np. mutacja a obniża tempo wzrostu o 10%, mutacja b o 20%, a w podwójnym mutancie obniżenie o 90%

• Skrajny przypadek: syntetyczna letalność

• Zwykle dotyczy alleli nullomorficznych lub hipomorficznych

• Łatwiejsza do badania w organizmach mających wegetatywną fazę haploidalną (np. drożdże)

• Inny wariant: SDL (synthetic dosage lethality)

• nadekspresja jednego genu ujawnia silny fenotyp dopiero w kontekście mutacji innego genu

(29)

Syntetyczne wzmocnienie

• W przypadku alleli null dotyczy szlaków działających równolegle

• Szlaki A i B wykazują redundację, ale defekt obydwu jest letalny

• Interakcje syntetyczne wskazują na istnienie redundancji w systemach biologicznych

Boone et al. Nature Reviews Genetics, 2007 vol. 8 (6) pp. 437

(30)

Syntetyczne wzmocnienie

Pomiędzy szlakami

(31)

Syntetyczne wzmocnienie

W przypadku alleli hipomorficznych może dotyczyć elementów tego samego szlaku

(32)

Syntetyczna letalność dawki

(33)

SDL

• Syntetyczna letalność dawki (nadekspresji) – synthetic dosage lethality

• Np. nadekspresja genu PHO4 jest letalna w kontekście delecji genu PHO85

• PHO85 koduje kinazę białkową, ktorej substratem jest, m. in., produkt PHO4. Fosforylacja hamuje aktywność białka. Letalny efekt nadmiaru aktywnego białka Pho4p.

(34)

Niekomplementacja niealleliczna

• Second-site non-complementation (SSNC)

• Mutacja a jest recesywna, mutacja b w innym genie też, ale podwójna heterozygota a/+ b/+ ma fenotyp mutanta

• Różne mechanizmy

• SSNC typ I – interakcja toksyczna

• SSNC typ II – sekwestracja

• SSNC typ III – efekt dawki (złożona haploinsuficjencja)

(35)

SSNC typ III – złożona haploinsuficjencja

(36)

SSNC typu III

• Złożona haploinsuficjencja

• Nie wymaga interakcji fizycznej produktów genów

• Obniżenie aktywności genów A i B w heterozygotach pojedynczo nie daje efektu

• W podwójnej heterozygocie efekty obniżenia aktywności obu genów się sumują i pojawia się defekt

• Nie jest specyficzna wobec alleli, występuje też dla alleli null

(37)

Złożona haploinsuficjencja (SSNC typu III)

• Geny nod i ncd u Drosophila – w podwójnej heterozygocie defekt mejozy

• Systematyczne analizy u drożdży:

• Dla szczepu heterozygotycznego pod względem delecji genu aktyny znaleziono 208 innych heterozygotycznych delecji, które w połączeniu dawały defekty morfologii aktyny

(38)

Poszukiwanie interakcji

• Interakcje dające się selekcjonować pozytywnie (np. supresje) można wykrywać stosując bezpośrednią selekcję (np. po

mutagenezie albo po transformacji plazmidem wysokokopiowym)

• W niektórych organizmach modelowych (drożdże) możliwa systematyczna analiza interakcji dla wszystkich par genów

• cel: stworzenie kompletnej mapy interakcji

• Poszukiwanie interakcji syntetycznych: metody SGA i dSLAM

(39)

Mapowanie interakcji

(40)

SGA

• Synthetic Gene Array

• Kolekcja delecji, krzyżowana z badanym genem

• Sporulacja,

• Selekcja haploidów MATa

• Selekcja pojedynczych i podwójnych mutantów

(41)

Rekonstrukcja sieci interakcji

(42)

Interakcje genetyczne – ujęcie systemowe

• Interakcje genetyczne wskazują na związki funkcji

• Mogą wiązać elementy tego samego szlaku/kompleksu, ale też różnych szlaków, powiązanych funkcją

• Zestaw interakcji (pozycja na mapie interaktomu genetycznego) może wskazywać na funkcję genu

(43)

Sieci biologiczne

Przykładowa sieć dla 204 genów drożdżowych – interakcje syntetycznie letalne

(44)

Sieci interakcji

• Sieć interakcji syntetycznych

letalnych jest rzadka – około 1%

• Interakcje syntetyczne są jednak częste pomiędzy genami o

powiązanej funkcji (18%-25%)

(45)

Interakcje genetyczne a fizyczne

• Interakcje fizyczne i genetyczne rzadko się nakładają, choć

częściej, niż przewidywano by dla pełnej losowości

• Nakładanie się interakcji

genetycznych i fizycznych częste dla interakcji pozytywnych

(epistaza)

• Interakcje negatywne z reguły

pomiędzy różnymi kompleksami fizycznymi

(46)

Sieci biologiczne

• Sieć a) – najmniej odporna na

zaburzenia, sieć c) – najbardziej

• W sieci a) najwięcej interakcji syntetycznych, w c) - najmniej

• Sieci biologiczne przypominają typ b) – struktura hierarchiczna (scale-free)

(47)

Sieci

• Dwie własności sieci

• robustness (krzepkość) – odporność na zaburzenie np. mutację jednego z elementów)

• evolvability – potencjał zmienności

• Zależą od topologii sieci

(48)

Sieci biologiczne

• Sieci interakcji biologicznych mają charakter hierarchiczny

• węzły centralne (hubs) z dużą liczbą połączeń

• węzły peryferyjne, z małą liczbą połączeń

• węzły centralne częściej odpowiadają genom niezbywalnym (których defekt jest letalny)

• “Mały świat” – długość scieżki pomiędzy dwoma węzłami jest niewielka (3,3 u drożdży)

• Gęste otoczenia lokalne (sąsiedzi danego węzła często oddziałują ze sobą)

• Podobne właściwości ma np. Internet, sieci interakcji społecznych, liczba Erdősa wśród matematyków

(49)

Interakcje genetyczne a biologia systemów

• Badanie sieci interakcji funkcjonalnych na skalę całego organizmu to podstawa biologii systemów

• Interakcje genetyczne są ważnym elementem takiej sieci

• Może nawet bardziej, niż interakcje fizyczne

• Interakcje fizyczne identyfikują kompleksy, interakcje genetyczne mogą pokazać, w jakim kontekście te kompleksy funkcjonują

• Wszystkie dotychczasowe wyniki są bardzo niekompletne, nawet u drożdży

• Nie ma biologii systemów bez genetyki

(50)

Costanzo i wsp., (2010) Science 327, 425

(51)

Przyszłość

• Systematyczne badania interakcji genetycznych są obecnie w fazie początkowej

• Zagadnienia na przyszłość:

• Oddziaływania wyższego rzędu niż podwójne (3 i więcej genów)

• Wpływ środowiska i tła genetycznego

• Allele inne, niż delecja (null) i nadekspresja – mniej ekstremalne formy zmienności genetycznej

• Systematyczne analizy w innych, bardziej złożonych organizmach

(52)

Przełączniki genetyczne

Genetyczne podstawy rozwoju i różnicowania

(53)

Ekspresja genów a rozwój

• Zmiany ekspresji genu

odpowiadają na czynniki

środowiskowe i wewnętrzne

• Utrzymanie homeostazy

• Adaptacja do środowiska

• Rozwój i różnicowanie –

tworzenie złożonych struktur przez lokalne interakcje

Gilbert, S. Developmental Biology. 6th Edition. Sunderland, Mass.: Sinauer Associates Inc., 2000.

(54)

Przełączniki genetyczne

• Zmiana informacji genetycznej w rozwoju

• Rearanżacje DNA: nieodwracalne lub odwracalne

• Epigenetyczne

• Piętno genomowe, chromatyna

• Regulacja ekspresji genu

• Kaskady i sieci regulacyjne oparte na kontroli ekspresji

• Transdukcja sygnału – integracja informacji ze środowiska

(55)

Odwracalna rearanżacja DNA

• System MAT u S. cerevisiae

• Dwa typy płciowe: a i α

• Po podziale (pączkowaniu) komórka może zmienić typ

płciowy (tylko komórka-matka)

Cosma MP, EMBO Rep. 2004; 5(10): 953–957

(56)

Przełączanie typu płciowego drożdży

• Na chr. III oprócz aktywnego locus MAT dwie wyciszone

kasety HMLα i HMLa

• Przełączenie typu: mechanizm konwersji genu przez

rekombinację

• Inicjowany przez nacięcie DNA endonukleazą HO

(57)

Konwersja kasety MAT

http://www.bio.brandeis.edu/haberlab/jehsite/resDSBR.html

rekombinacja i konwersja genu

(58)

Dlaczego przełączenie zachodzi tylko w komórce-matce?

• Endonukleaza HO aktywna tylko w komórce-matce

• W pączku wyciszona przez białko Ash1

• mRNA ASH1 transportowany do pączka podczas podziału

Cosma MP, EMBO Rep. 2004; 5(10): 953–957

(59)

Nieodwracalna reranżacja DNA

• Generowanie różnorodności przeciwciał i receptorów limfocytowych

• Obszary zmienne łańcuchów przeciwciał determinują swoistość wobec antygenu

• Różne limfocyty wyrażają różne przeciwciała/receptory

• Populacje swoiste wobec odpowiednich antygenów podlegają selekcji

(60)

Generowanie różnorodności

przeciwciał i receptorów limfocytowych

• Geny przeciwciał występują w postaci segmentów:

• Obszar zmienny: segmenty V, D (tylko w łańcuchu H) i J

• determinuje swoistość wobec antygenu

• Obszar stały: segmenty C

• determinuje klasę immunoglobuliny

• Podczas rozwoju prekursorów limfocytów dochodzi do rearanżacji segmentów w różnych kombinacjach

V D J C

Łańcuch H 120-130 27 9 11

Łańcuch L 70 - 7-11 7-11

(61)

Rearanżacja V-D-J i synteza IgM i IgD

(62)

Dalsze przełączanie klas

• Zmiana z IgM/IgD na inne klasy – delecja segmentów C i wykorzystanie kolejnych

• Indukowane przez aktywność transkrypcyjną

• np. dla IgG:

(63)

Inne mechanizmy zwiększania różnorodności przeciwciał

• Forma błonowa i wydzielana IgM – alternatywne miejsce poliadenylacji

• Hipermutacja somatyczna

• Po zaindukowaniu proliferacji limfocytów B

przez antygen dochodzi do bardzo znacznego (105-106 razy) zwiększenia częstości mutacji w obszarach hiperzmiennych (determinujących

rozpoznawanie antygenu)

• Deaminacja cytozyn (C->U) i naprawa z

wykorzystaniem glikozydazy i polimeraz DNA o niskiej wierności (error-prone)

• Proces indukowany przez transkrypcję

Nussenzweig & Alt, Nature Medicine 10, 1304 -1305 (2004)

(64)

Przełączniki oparte na regulacji ekspresji

• Nie dochodzi do zmiany sekwencji DNA

• Teoretycznie odwracalne, ale mogą być bardzo stabilne

• Mechanizmy transkrypcyjne lub inne (np. alternatywne składanie)

• Proste układy:

• Pętle sprzężenia zwrotnego

• Przełączniki dwustanowe

• Bardziej złożone układy

• Oscylatory i zegary

• Integracja sygnałów z otoczenia: gradienty morfogenów i efekty lokalne

• Sieci

(65)

Prosty przełącznik dwustanowy: fag λ

• Cykl lizogenny

• Integracja do genomu

• Wyciszenie ekspresji genów faga

• Cykl lityczny

• Wycięcie z genomu

• Ekspresja genów faga

• Replikacja

(66)

Kontrola przełącznika faga λ

• cI – represor: cykl lizogenny

• cro – cykl lityczny

• wspólne sekwencje cis

(67)

Działanie represora

• Hamuje ekspresję genów wczesnych, w tym cro

• Aktywuje własną ekspresję

• Zależnie od poziomu białka

• Przy niskim i średnim stężeniu białka represora wiązanie z OR1 i OR2

• Przy dużym stężeniu białka represora

wiązanie też z OR3 – hamowanie ekspresji cI

• Dodatnie sprzężenie zwrotne utrzymuje wysoki stały poziom represora cI

aktywacja genu cI

hamowanie genu cI

(68)

Efekt kooperatywny

• Powinowactwo do OR2 dużo niższe, niż do OR1

• Związanie cI z OR1 zwiększa

powinowactwo do OR2 – wiązanie kooperatywne

• Taki rodzaj wiązania daje szybką i jednoznaczną odpowiedź układu na stężenie cI

(69)

Działanie cro

• Blokuje ekspresję represora cI

• Brak cI – ekspresja genów

wczesnych, kaskada lityczna

• Dalsze etapy przez antyterminację zależną od produktu genu N

• Efekt: przełącznik dwustanowy (bistabilny)

• cI aktywny -> nieaktywny cro

• cro aktywny -> nieaktywny cI

Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, American Society for Cell Biology (ASCB)

(70)

Dodatnie sprzężenie zwrotne

Alberts et al. Molecular Biology of the Cell, American Society for Cell Biology (ASCB) Antoine de Saint-Exupéry, Le Petit Prince, http://wikilivres.info/wiki/Le_Petit_Prince

Może dawać efekt pamięci – stabilnego utrzymywania zmienionego stanu

(71)

Wyjście z blokady lizogennej

• Przełączenie z lizogenii w cykl lityczny: proteoliza białka

represora przez RecA (sygnał uszkodzeń genomu)

(72)

Oscylatory

• Kombinacja kilku prostych opartych na represji

przełączników może dać układ periodycznie oscylujący –

konieczne ujemne sprzężenie zwrotne

• Przykład (skonstruowany

sztucznie) – tzw. repressilator (Elowitz & Leibler, 2000)

Wikimedia commons Elowitz & Leibler, Nature. 2000 Jan 20;403(6767):335-8.

(73)

Represillator

Elowitz & Leibler, Nature. 2000 Jan 20;403(6767):335-8.

Oscylacje układu

(74)

Oscylatory cyklu dobowego

• Podobna zasada, ale bardziej złożone (i bardziej stabilne)

Wewnątrzkomórkowy oscylator dobowy myszy

(http://www.bmse.ucsb.edu/profiles/mirsky/)

(75)

Przełączniki posttranskrypcyjne

• Przełączniki genetyczne

Eukaryota mogą być oparte na mechanizmach post-

transkrypcyjnych

• Np. alternatywne składanie (splicing) i alternatywna

poliadenylacja/terminacja w limfocytach (przeciwciała)

• Determinacja płci Drosophila

• Decyduje aktywność SXL w zarodku

(76)

Kaskada przełączników alternatywnego składania

• Ekson 3 zawiera kodon STOP – degradacja NMD

• Białko SXL aktywuje “żeński” tryb

składania transkryptu SXL – dodatnie sprzężęnie zwrotne

• Początkowa aktywność systemu: białka regulatorowe kodowane na X i kodowane na autosomach, tworzą dimery

• przewaga autosomów – dimery nieaktywne (aktywatory kodowane na X

wymiareczkowane)

• równowaga (X:A=1) – aktywacja transkrypcji SXL przez białka kodowane na X

(77)

Kolejne etapy

SXL

SXL aktywuje wybór kryptycznego miejsca styku intron/ekson w transkrypcie genu tra

(78)

Kolejne etapy

Tra jest aktywatorem składania dla eksonu 4 genu dsx

(79)

Genetyczne podstawy rozwoju zarodkowego

• Lokalne interakcje między

komórkami – ustalanie pozycji

• Bezpośrednie

• Przez wydzielane morfogeny

• Sieci i kombinacje modułów regulacji ekspresji genów

Carroll et al., (2001) From DNA to Diversity: Molecular Genetics and the Evolution of Animal Design, Blackwell Publishing

(80)

Mechanizmy interakcji

• Gradienty mRNA

• Bezpośredni kontakt komórek

• Wydzielane morfogeny

Watson et al. Molecular Biology of the Gene, 5th ed., Pearson 2004

(81)

Gradienty i przełączniki

• Dzięki mechanizmom

kooperatywnego wiązania

przełącznik genetyczny może

dać jednoznaczną odpowiedź na gradient morfogenu/sygnału

(82)

Różnicowanie zarodka Drosophila

geny efektu matczynego

geny zygotyczne:

geny ubytku

geny reguły parzystej

geny polarności segmentów

geny homeotyczne

LIFE: The Science of Biology, Purves et

determinują osie ciała

determinuja

powstawanie dużych obszarów zarodka

determinują powstawanie parasegmentów

(83)

Geny efektu matczynego

• Gradient mRNA tworzony podczas oogenezy: synteza w trofocytach i transport przez mostki

cytoplazmatyczne do oocytu

• Inne geny (np. hunchback) – mRNA matczyny oraz syntetyzowany w

zygocie – ekspresja regulowana przez gradienty matczyne na

poziomie transkrypcyjnym i post- transkrypcyjnym

• hunchback – transkrypcja

aktywowana przez bicoid, translacja hamowana przez nanos

bicoid

oskar, nanos

http://www.princeton.edu/~wbialek/

(84)

Geny zygotyczne: geny ubytku

• Ekspresja regulowana przez geny matczyne

• Interakcja gradientów o działaniu aktywującym i hamującym tworzy wyraźne strefy

• Jednym z głównych regulatorów jest hunchback

• Np. Krüppel:

• aktywowany przez bicoid

• aktywowany przez niskie stężenie

hunchback, hamowany przez wysokie

• hamowany przez Knirps

(85)

Geny reguły parzystej

• Dalszy podział na strefy – pary segmentów

• Mutacje powodują zaburzenia co drugiego segmentu

• Złożona regulacja kombinatoryczna przez geny ubytku i hunchback

Watson et al. Molecular Biology of the Gene, 5th ed., Pearson 2004 Klug & Cummings “Concepts of Genetics”, Prentice Hall, 2005

Obszar regulatorowy even-skipped –

12 kb, enhancery determinujące każdą ze stref ekspresji

(86)

Geny polarności segmentów

• Wyznaczane przez oddziaływania genów reguły parzystej i innych

genów polarności

• Np. engrailed: 14 segmentów zależnie od 6 genów reguły parzystej

• Ustalenie osi przód-tył każdego segmentu

• Krótkodystansowe oddziaływania na styku segmentów

• Poprzez szlaki transdukcji sygnału

• Np. engrailed -> hedgehog

(87)

Geny homeotyczne

• Ekspresja w segmentach zależna od aktywności genów reguły

parzystej i polarności segmentu

• Czynniki transkrypcyjne

(homeodomena – wiązanie DNA)

• Wyznaczają tożsamość segmentu

• Domeny ekspresji kolinearne z położeniem na chromosomie

Klug & Cummings “Concepts of Genetics”, Prentice Hall, 2005

(88)

Geny homeotyczne

Np. Antennapedia – zestaw 5 genów, Bithorax – 3 geny

(89)

Geny homeotyczne są konserwowane w ewolucji

(90)

Rozwój u innych organizmów

• Ogólne zasady są wspólne

• gradienty morfogenów

• szlaki transdukcji (często

zachowana homologia, np.

hedgehog)

• lokalizacja RNA w oocycie (np.

Xenopus)

(91)

Przekazywanie sygnału a rozwój

• Inne niż stawonogi organizmy, np.

C. elegans i kręgowce nie mają fazy syncytialnej zarodka

• Geny i mRNA matczyne determinują polarność komórki jajowej

• Później przepływ informacji przez interakcje i ruch komórek

• Za pośrednictwem szlaków transdukcji sygnału

• Istotna rola apoptozy

(92)

Szlaki transdukcji sygnału w rozwoju

• Komunikacja między komórkami w

rozwoju – kilka klas szlaków transdukcji sygnału konserwowanych w ewolucji

• Hedgehog

• Wnt

• TGF-β

• receptorowe kinazy tyrozynowe

• Notch

• JAK/STAT

• hormony jądrowe (sterydowe, np. kwas retinowy)

• Kluczowa jest zawsze kombinatoryka http://ccr.cancer.gov/staff/images/1372_Fortini_178.gif

(93)

Systemy transdukcji mogą być złożone

Szlak Wnt

(94)

Metameria

• Podstawą różnicowania wielu grup jest struktura

powtarzających się segmentów

• Takich samych

• Zróżnicowanych (dzięki genom Hox)

(95)

Oscylator w rozwoju kręgowca –

“zegar i czoło fali”

• Cooke & Zeeman 1976

• Oscylacje + ruch (np. wzrost)

Baker et al., (2006) Dev Biol 293:116-126

(96)

Oscylator w rozwoju kręgowca –

“zegar i czoło fali”

• Strefy generowane przez

oscylatory (np. rozwój somitów D. rerio, myszy itp.)

• oscylacje Her/hes (regulator transkrypcji)

• sygnalizacja Notch

• pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego

Holley & Takeda (2002) Semin Cell Dev Biol 13(6):481-8 Kageyama et al. (2007) Dev Dyn 236(6):1430-9

(97)

Sieci regulacji są bardzo złożone

Rozwój endomezodermy jeżowca (http://sugp.caltech.edu/endomes/)

(98)

Głęboka homologia

• Niektóre szlaki regulatorowe kierują rozwojem podobnych struktur u bardzo odległych organizmów

• Np. Pax6 – rozwój oczu

Gehring WJ (2012) The animal body plan, the prototypic body segment, and eye evolution. Evolution & Development 14(1):

34-36.

Monteiro A (2012) Gene regulatory networks reused to build novel traits. Bioessays 34:181-186.