Podstawy genetyki V

98  Download (0)

Full text

(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

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

(6)

Ujęcie ilościowe – interakcje łagodzące

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

(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

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

(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

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

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 IA lub IB

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

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

(31)

Syntetyczne wzmocnienie

W przypadku alleli hipomorficznych może dotyczyć elementów tego samego szlaku

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

(32)

Syntetyczna letalność dawki

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

(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

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

(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

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

(41)

Rekonstrukcja sieci interakcji

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

(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

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

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%)

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

(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

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

(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

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

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

(89)

Geny homeotyczne są konserwowane w ewolucji

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

(90)

Rozwój u innych organizmów

Ogólne zasady są wspólne

gradienty morfogenów

szlaki transdukcji (często

zachowana homologia, np.

hedgehog)

lokalizacja RNA w oocycie (np.

Xenopus)

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

(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

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

(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.

Figure

Updating...

References

Related subjects :