Transcript Sikiönkehityksen avainmolekyylit

8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
1. signaali- eli viestimolekyylit ja niiden reseptorit
•
proteiineja (so. geenituotteita) TAI pieniä molekyylejä
2. transkriptiotekijät (geenien ilmentymistä säätelevät proteiinit)
•
hyvin samanlaisia eri eläinryhmillä, konservoituneita
•
monet geenit löydetty ensin banaanikärpäseltä (Drosophila
melanogaster) tai C. elegans -sukkulamadolta
•
redundanssi: samaa toimintoa varten useita viestimolekyylejä
•
nimet usein löytöhistorian mukaan, eivät välttämättä kuvaa
toimintaa kaikilla lajeilla
•
esim. BMP bone morphogenetic protein: hiirellä lihas  luu
•
vaikuttaa jo kuitenkin myös alkionkehityksessä ennen luun
muodostumista
1
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Solujen väliset viestimolekyylit
1. morfogeenit: liukoisia signaalimolekyylejä
•
parakriininen vaikutus  lähisolut
•
autokriininen vaikutus  sama solu
2. solukalvojen viestimolekyylit
3. solujen väliaineen viestimolekyylit
parakriininen
vaikutus
autokriininen
vaikutus
reseptorit
2
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
signaalimolekyyli 3
signaalimolekyyli 1
signaalimolekyyli 2
reseptori1
reseptori 2
signaaliketju
transkriptiotekijät
geenituotteet
3
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Esimerkki: Wnt-signaali  beta-kateniini (”kanoninen” reitti, siis
myös muita signaalireittejä tunnetaan)
disheveled
4
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
• geeniperheet: viestimolekyylin/reseptorin geenin duplikaatio 
muuntunut tuote, mutta sama solunsisäinen signaalireitti
( paralogiset geenit samalla lajilla)
• ortologinen geeni: fylogeneettisesti ’sama’ geeni eri lajilla + sama
toiminto, esim. nisäkkäiden Wnt = banaanikärpäsen Wg (wingless),
ortologiset geenit ovat eronneet lajiutumisen yhteydessä
• kaikki signaalimolekyylit eivät ole proteiineja  eivät siis suoraan
geenituotteita
• esim. retinoidihappo
• syntyy ruskuaisen retinolista (A-vitamiini) entsyymitoiminnan
tuloksena  mm. hermostoputken kehitys
5
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Signaalikeskukset
• signaalimolekyylit erittyvät usein signaalikeskuksista eli
viestikeskuksista eli organisaattoreista  diffuusio lähisoluihin
Esimerkkejä:
• alkusuun ylähuuli (Spemann/Mangold) = nisäkkään ’node’ =
Hensenin silmu  ”primaari”-induktio  Nieuwkoop  harmaa
puolikuu (sammakko)
• selkäjänne (notochorda)  hermostolevy
• hampaan kiillekyhmy
• raajasilmun polarisoivan aktiivisuuden alue
6
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Esim. sonic hedgehog -geenin (Shh) ekspressio kanan alkiossa (so.
mRNA)
Shh hiirellä
proteiini
mRNA
7
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Morfogeenin vaikutukset 1: Ranskan lippu -malli (Wolpert)
morfogeenin
pitoisuus
raja-arvot
”tulos”
etäisyys
Gradientti syntyy joko diffuusion vaikutuksesta ja/tai synteesigradientista
8
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Morfogeenin vaikutukset 2: kulmakerroinmalli
morfogeenin
pitoisuus
kulmakerroin > raja-arvo
etäisyys
Pitoisuuden muutosgradientti aikaansaa vasteen
9
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Tärkeimmät signaalimolekyylit
1. Wnt
• nisäkkäillä noin 20 erilaista
• Drosophilan vastaava geeni on Wingless (Wg)  jaokkeet,
siivet ym.
• hiirillä ilmenee ± kaikissa elimissä
• myös syöpägeeni: Wnt-häiriöt (vars. yliaktiivisuus)  erit.
paksusuolensyövät
• Wnt  Frizzled-reseptori (joita 10 erilaista!)  disheveled
aktivoituu  estää gsk3-entsyymin -kateniini stabiloituu
(muutoin hajoaa)  geenien aktivaatio
• myös (ei-kanoninen) Ca2+-reitti
• signaalireittiin vaikuttavat monet tekijät, mm. frizbeeproteiinit, jotka sitovat Wnt-molekyylejä solun ulkopuolella
10
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
2. Hedgehog (Hh)
• löytyi Drosophilalta: mutaatio  siilimäiset piikit
• vaikuttaa silmän, siiven ja segmenttien kaavoittumiseen
• nisäkkäillä 3
• Sonic hedgehog (Shh), Desert, Indian hedgehog
• Shh  laajat vaikutukset, muut suppeahkoja (rusto, siittiöt)
•
Shh  vasen-oikea, hermostoputki, aivot,
keuhkoputket, iho, haima, hammas
• kulkeutuu suhteellisen kauas: chorda  hermostoputken
puoliväli
12
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Patched-reseptori (Ptc), estää normaalisti smoothed-reseptoria (Smo)
Gli/Ci
transkriptiotekijä
Jos aikuisella Ptc-esto lakkaa  Smo aktivoituu  ihossa esim.
tyvisolusyöpä
13
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
3. Fibroblastikasvutekijät (Fgf)
•
tunnetaan selkärankaisilla yli 20
•
reseptorit (Fghfr) solukalvon läpäiseviä, joissa solunsisäinen osa
toimii tyrosiinikinaasina (vrt. monet hormonireseptorit, esim.
insuliini)  fosforylaatioreaktiot (kinaasikaskadit)
•
reseptorin solunulkoinen osa immunoglobuliinien (Ig3) kaltainen
•
sitoutuminen  reseptorin dimerisaatio
•
selkärankaisilla 4 eri reseptorigeeniä  silmukointi  7 eri
reseptorityyppiä
•
Fgf-perheessä paljon redundanssia (monta geeniä ilmenee
samanaikaisesti), Drosophilalla vain 2 geeniä
•
solujen jakautuminen, vaeltaminen, gastrulaatio, raajojen kehitys
14
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Fgf-helmi somiittien viereen  ylimääräinen raaja linnulle
15
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
4. Transformoiva kasvutekijä  -perhe (Tgf)
•
suurperhe, yli 30 eri jäsentä
•
kaikilla 7 kysteiiniä samassa paikassa proteiinissa +
kysteiinisolmut
•
suurimmat alaluokat:
•
luun morfogeneettiset proteiinit (BMP)
•
Tgf 
•
aktiviinit
•
gliasoluperäinen kasvutekijä (Gdnf)
•
syntyvät suurina esiastemolekyyleinä  pilkkoutuminen +
dimerisaatio  aktiiviset muodot
•
sitoutuvat kahden reseptorimolekyylin kompleksiin (seriinitreoniinikinaaseja, [ei Gdnf])  Smad-transkriptiotekijät
16
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Tgf-signaalireitti
17
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
•
Eniten tutkittu: BMP, aktiviini  kaavoittuminen,
määräytyminen, morfogeneesi
•
BMP aktivoi mm. Homeobox-geenien ilmentymistä
•
BMP:n estäjiä: Chordin, Gremlin, Dan
•
vaikuttavat usein ’pääkytkingeeneihin’
5. Notch-signalointi
•
löydettiin Drosophilalta
•
selkärankaisilla ainakin 4 Notch-geeniä  koodaavat
reseptoreita
•
ligandit (=sitoutuvat molekyylit) naapurisolujen kalvolla 
solukontakti vaaditaan
•
Jagged, Delta
18
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
• ligandin sitoutuminen  reseptorin solunsisäinen osa irtoaa 
tumaan  transkription säätely
• aktivoi mm. Hes-perheen geenejä  muita transkriptiotekijöitä
• signalointiin vaikuttavat ns. Fringe-proteiinit (vaikuttavat
solunulkoisen osan rakenteeseen)
• nisäkkäillä 3: Lunatic, Radical, Manic Fringe
• ei tunneta vielä kovin hyvin
• Lunatic  ajallisesti sykkivä  lateraali-inhibitio 
somiittijono
19
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Notch-signaalireitti
20
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Transkriptiotekijät
• proteiineja, säätelevät geenien luentaa tarttumalla joko
promoottori- tai tehostaja-alueelle
• sitoutuvat spesifisesti tiettyihin DNA-jaksoihin JA toisiin
proteiineihin  suuret proteiinikompleksit
• lisäksi yleensä säätelyalue, joka käynnistää tai estää kohdegeenin
transkription
• monimutkainen vuorovaikutus muiden proteiinien kanssa
• DNA:han sitoutumisalueet hyvin konservatiivisia, samanlaisia eri
eliöryhmillä
• stimuloivat joko suoraan RNA-plymeraasi II:sta tai avaavat
kromatiinin  transkriptio
21
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Esimerkkejä
1. Homeobox-transkritpiotekijät
• 60 aminohapon alue = homeoalue, homeobox, homeodomain
• hyvin samanlainen eri ryhmillä
• helix-loop-helix  DNA:n suurempi uurre
• tarvitsevat yl. muita proteiineja
• löydettiin Drosophilalta: proteiinit, jotka määräävät jaokkeiden
ominaisuuksia  Hox-geenit eli homeoottiset geenit
• myös selkärankaisilla Hox-geenit  etu-taka-akselin
määräytyminen
• myös järjestys kromosomissa säilynyt
• Homeobox-alue myös monilla muilla kuin homeoottisilla
geeneillä!
22
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
23
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Hox-transkriptiotekijät
• Drosophila: 8 geeniä yhdessä kromosomissa
• Hiiri: 10+8+8+9 geeniä 4 kromosomissa
24
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Drosophilan
antennapedia-mutaatio
tuntosarvi  jalka
25
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Homeoottinen bithorax-mutaatio Drosophilalla
26
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Hox-geenit ja evolutiiviset muutokset
Changes in Hox genes correlate with evolutionary changes in animal morphology. (A)
Changes in the number of Hox genes correlate with changes at the level of phyla, and
increasing the number of Hox genes may allow increased complexity. (B) Broad
changes in Hox gene expression can produce different types of structures in body
segments that had been identical. (C) Hox gene expression changes within a region
may be important in enabling different groups of animals to have particular
differences, as in the prolegs of butterfly and moth (lepidopteran) caterpillars that are
not seen in fly (dipteran) larvae. (D) Changes in the function or regulation of
downstream genes may allow differences such as those distinguishing the haltere of
dipterans from the hindwing of lepidopterans.
27
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
2. Pax-proteiinit
•
DNA:han kiinnityvä ”paired”-alue
•
nisäkkäillä 6 Pax-geeniä
•
monissa Pax-proteiineissa myös homeobox
•
heterozygotia Pax6:ssa  sokeus
•
Drosphilan Eyeless-mutaatio  silmien puuttuminen
•
jos nisäkkään Pax6 ilmennetään kärpäsen kudoksissa 
ylimääräisiä silmiä  Eyeless ja Pax6 paralogisia  silmän
kehityksen pääkytkingeeni
28
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
3. Basic helix-loop-helix -proteiinit (bHlh)
•
homo- ja heterodimeerit
•
emäksinen osa sitoutuu DNA:han
•
kierre-silmukka-kierreosa muodostaa dimeerit
•
dimeerit toinen osa ilmenee kaikissa soluissa, toinen
solukohtaisesti  aktivoivat tai inhiboivat kompleksit
•
esim MyoD-proteiinit  lihassolujen erilaistuminen
4. Sinkkisormiproteiinit
•
DNA:han sitoutuvassa osassa sormimaisia ulokkeita + Zn
5. Fox-proteiinit
•
110 ah:n ’siipikierre’  DNA:han sitoutuminen
•
tunnetaan satoja
29
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
Zn CYS
HIS
CYS
HIS
Sinkkisormiproteiini
SinkkisormiproteiiniDNA-kompleksi
30
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
6. Leusiinivetoketjuproteiinit (leucine zipper)
•
DNA:han sitoutuvalla alueella joka 7. aminohappo leusiini
•
sitoutuminen dimeerinä
•
esim. proto-onkogeenit Fos ja Jun
7. Tuman hormonireseptorit
•
steroidihormonien (myös kilpirauhashormonien) säätelemiä
•
kehitysbiologisesti mielenkiinnon kohteena
retinoidihapporeseptorit
•
retinoidihappo  Hox-geeníen ilmeneminen
•
orvot reseptorit: proteiini tunnetaan, mutta ei ligandia
31
8
Sikiönkehityksen avainmolekyylit
GEISHA
Gallus gallus EST and In Situ Hybridization Analysis database
http://geisha.arizona.edu/geisha/
kanan alkion geeniekspressio: eri vaiheet, eri geenit
32