Developmental Biology III

Katsuo Furukubo-Tokunaga [email protected]

http://www.biol.tsukuba.ac.jp/~tokunaga/ welcome.html

Everything Starts from an Egg

Salvador Dali

Lady Gaga Is 'Incubating' Inside Egg at Grammys "She's in an embryonic stage and won't be born until her performance this evening," says Lori Ann Gibson, her creative director.

Genes Control Development via Multiple Stages

Genes Cells Tissues Organs Organisms

Developmental Biology in the Post-Genomic Era

March 2000 February 2001

DNA Microarray

FERTILIZATON 0 day EGG EMBRYONIC DEVELOPMENT 1 day HATCHING LARVA THREE LARVAL STAGES 5 day PUPATION PUPA METAMORPHOSIS 10 day ADULT 1 mm

Complete Description of Gene Activities through Development

Different Sets of Genes are Expressed in Different Developmental Stages Embryo, Lava, Pupa, Adult

More than 80% of the Genes are Used during the First 20 Hours of Fruitfly Development

Development is an Temporal and Spatial Reconstruction of the Genetic Information Gene Expression Patterns Drosophila Embryo

（

2 hrs, 6000 cells

）

14,000 Genes Genes: Red, Blue, Green

Advantages of

Drosophila melanogaster

in the Study of Animal Development 1. Simple body plan 2. Short life span 3. Complete genomic data 4. Powerful genetic tools 5. Numerous mutants 6. Conserved molecular mechanisms Among the Best Model Animals for the Studies of Biological Problems

Conserved Genes between Fly and Human Science 291,1304 - 1351, 2001.

Flies and Human How similar?

Flies have: Human Disease Genes 61

％

Human Cancer Genes Is a fly a human

？

68

％

Or are you a big fly without wings??

Master Control Genes : its all up to the Masters Making eyes as you like!

Induction of the

eyeless

Gene Results in Ectopic Eyes

GAL4 / UAS System

Ectopic Eyes are Complete Even at the Microscopic Level.

Scanning Electron Microscopy

Master Control Genes are Conserved between Flies and Mammals Ectopic Fly Eyes induced with a mouse

eyeless/Pax6

Gene

Protostomes and Deuterostomes Share Similarity at Molecular Level

Drosophila

Genetics Pioneers the Studies of Developmental Biology at the Molecular Mechanisms European Molecular Biology Organization Fly Meeting, Creta in Greece

Cleaving Embryo Dali Museum, Spain SUMMARY 1. Development is a realization of the genetic program written on DNA.

1. Small number of master control genes regulate development.

1. Underlying molecular mechanisms are evolutionary conserved.

Walter J. Gehring, Master Control Genes in Development and Evolution, Yale Univ. Press.

( 浅島 誠監修、古久保 徳永克男他訳「ホメオボックス・ストー リー：形づくりの遺伝子と発生・進化」 東京大学出版会 )

Developmental Biology Text Books Alberts et al., eds. (2008). Molecular Biology of the Cell, 5th ed. Chapter 22 “Development of Multicellular Organisms” , Garland Science, New York, ISBN 0 8153-3218-1. （細胞の分子生物学 第5版、2008年翻訳、丸善） Lodish et al., eds. (200７). 15 ”Integration of Signals and gene controls“, Chapter 22 “Cell birth, lineage, and death”, Molecular Cell Biology, ６th ed. Chapter Scientific American Books, New York, ISBN 0-7167-4366-3.（分子 細胞生物学 第6版、東京化学同人）． Wolpert, L, Beddington, R., Jessell, T. M., Lawrence, P., Meyerowitz, E. M., and Smithm J. (2007). Principles of Development 3 rd Ed. Oxford University Press ; ISBN: 0198792913.

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分子発生生物学 分子神経生物学

古久保

-

徳永 克男

Furukubo-Tokunaga, Katsuo 生命環境科学研究科・構造生物学専攻 生物農林学系棟 B308 [email protected]

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すべては卵からはじまる

サルバドール ダリ

発生は遺伝子によりコントロールさ れている

遺伝子 細胞 組織 器官 動物体

ポストゲノム時代の発生生物学

全遺伝子配列の解明 ２０００年３月

DNA Microarray

FERTILIZATON 0 day EGG EMBRYONIC DEVELOPMENT 1 day HATCHING LARVA THREE LARVAL STAGES 5 day PUPATION PUPA METAMORPHOSIS 10 day ADULT 1 mm

A Fly trapped in Amber ca. 40,000,000 Years Ago

発生段階ごとの遺伝子の働きを完全に把握する

異なるセットの遺伝 子が異なる発生段 階において特異的 に発現される 胚 幼虫 蛹 成虫

ショウジョウバエでは発生２０時間で８０％ 以上の遺伝子が使用される

発生過程は遺伝子プログラムの時空間的再構成 遺伝子発現パターン ショウジョウバエ胚 （発生２時間

, 6000

細胞）

14,000

遺伝子

Genes: Red, Blue, Green

分子レベルの発生研究のモデルとしてのショウ ジョウバエ

1.

単純な構造

2.

短い世代時間

3.

全ゲノム配列

4.

強力な遺伝学

5.

数千の変異体

6.

保存された分子機構 分子発生研究の革命児 さらに、脳、行動、老化

あらゆる生命現象の必須のモデル生物

様々な機能の遺伝子がショウジョウバエとヒトで保存 されている。

Science 291,1304 - 1351, 2001.

ショウジョウバエ と ヒト どれだけ似てる？

ヒトの病気遺伝子

61

％ ヒトのガン遺伝子

68

％ をショウジョウバエは持っている ショウジョウバエはじつはヒト！？ それとも、私はハエ？

GAL4 / UAS 遺伝子発現システム

好みの場所に 目を作る

eyeless

遺伝子の発現により異所的な複眼 が形成される

異所的に形成 された複眼は 微細構造も正 確に再現され ている。 走査電子顕微鏡像

マウスやヒトの遺伝子でも遺伝子機構は同じ マウス

Pax6

遺伝子により誘導された複眼

？ 前口動物と後口動物 は、分子レベルでは 実は良く似ていいる。 保存された遺伝子プ ログラムの存在

ショウジョウバエの遺伝子研究が新しい地平を開拓する

European Molecular Biology Organization Creta Fly Meeting

「卵割」 ダリ博物館 スペイン まとめ 1. 発生は遺伝子プログラムの 実現過程に集約される。

2.

少数のマスターコントロール 遺伝子が発生を制御している。

3.

発生の分子メカニズムは進 化的に保存されている。

教科書と参考書 発生生物学 Alberts et al., eds. (2008). Molecular Biology of the Cell, 5th ed. Chapter 22 “Development of Multicellular Organisms” , Garland Science, New York, ISBN 0-8153 3218-1. （細胞の分子生物学 第5版、2008年翻訳、丸善） Lodish et al., eds. (200７). Molecular Cell Biology, ６th ed. Chapter 15 ”Integration of Signals and gene controls“, Chapter 22 “Cell birth, lineage, and death”, Scientific American Books, New York, ISBN 0-7167-4366-3.（分子細胞生物学 第５版、200５年翻訳、 東京化学同人）． Lewis Wolpert, Rosa Beddington, Thomas M. Jessell, Peter Lawrence, Elliot M. Meyerowitz, Jim Smith (2007). Principles of Development 3 rd Ed. Oxford University Press ; ISBN: 0198792913.

エッセンシャル発生生物学 （2002）. Jonathan Slack (著), 大隅 典子 (翻訳) 羊土社 ; ISBN: 4897062896.

Walter J. Gehring 著、浅島 誠監修、古久保 - 徳永克男他訳「ホメオボックス・ストーリー： 形づくりの遺伝子と発生・進化」 2002年 東京大学出版会。

教科書と参考書： 神経科学 Carlson, N. R. (2007). Physiology of Behavior. 9 th ed . Person Education Inc., Boston, ISBN 0-205-46724-5. (カールソン神経科学テキスト、丸善）． Kandel et al. eds. (2000). Principles of Neural Science, 4th ed. Part VIII "The Development of the Nervous System", McGraw-Hill, Inc., ISBN 0-8385-7701-6.

エッセンシャル神経科学 Allan Siegel, Hreday N. Sapru (著), 前田 正信(翻訳)丸善 Jonathan Weiner 著、垂水雄二訳「時間・愛・記憶の遺伝子を求めて：生物学者シーモア・ベ ンザーの軌跡」 2001年 早川書房 Kandel, E. R. (2006) In Search of Memory “The Emergence of a New Science of Mind”, W.W. Norton & Company, New York.

利根川 進 「私の脳科学講義」 岩波新書.

シリーズ 脳科学 全６巻 東京大学出版会.