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Hühnerembryo - Entwicklung
Auch in komplexeren Organismen gibt es Gradienten während der Entwicklung; diese steuern z.B. Aktivierung von Genen
Organisator-Region
Stadien in der Entwicklung eines
Hühnerembryos. (a-h) Von einer
Region am Rand der Keimscheibe, der
Koller-Sichel (ks), wandern Zellen in
die area pellucida ein, was zu einem
zapfenartigen Gebilde führt. An dessen
Spitze entsteht später der Kopf. Vom
Kopf ausgehend, folgen in einem
wellenartigen Prozeß nacheinander die
übrigen Strukturen. Durch eine
spezifische Färbung wurde Aktivität
des Gens goosecoid sichtbar gemacht,
das
charakteristisch
für
die
Organisator-Region ist. Dieses Gen
markiert anfangs die Koller-Sichel,
später die Kopf- und schließlich die
Gehirnregion. (i) ein verwandtes Gen,
GSX wird anfangs ähnlich, später in
mehr posterioren Regionen aktiviert.
Das gezeigte Stadium entspricht etwas
dem von (e),
taken from: Meinhardt, H., Wie Schnecken sich in Schale werfen. 1997, Berlin: Springer Verlag.
Hühnerembryo - Entwicklung
Hühnchen: Flügel und Beine sind schon früh im Embryo als "Knospen" (buds) angelegt
Chick limb development. (A) A chick embryo after 3 days of incubation, illustrating the positions of the early limb buds.
(B) Scanning electron micrograph showing a dorsal view of the wing bud and adjacent somites 1 day later; the bud has
grown to become a tongue-shaped projection about 1 mm long, 1 mm broad, and 0.5 mm thick.
taken from: Alberts, V.B., et al., Molecular biology of the cell. 3rd ed. 1994, New York: Garland Publishing Inc.
Hühnerembryo - Entwicklung
Achse Schulter - Krallenspitze (proximal - distal)
Achse Pfotenrücken - Pfoteninnenfläche (dorsal - ventral)
Achse vorne - hinten (anterior - posterior)
Flügelentwicklung
aus der Knospe
Experimentell: Entwicklung (=
Ausbildung differenzierter Zerllen)
untersuchen durch
Transplantations-Experimente
Zur Entwicklung der Flügel von
Hühnerembryos. a) Zur Position
der Bein- und Flügelknospen. b)
Dünnschnitt einer Knospe des
Flügels (nach 3 Tagen Inkubation).
Die dunklen Bereiche sind
angefärbte
Mesenchymzellen.
Man erkennt deutlich die dünne
äußere Zellschicht, das Ektoderm.
Am äußeren Ende befindet sich
ein
Kamm.
c)
Einige
Entwicklungsstadien von sich
normal
entwickelnden
Flügelknochen. Die Zeiten geben
die Spanne zwischen Inkubation
und Beobachtung wieder. Gezeigt
ist auch die Orientierung des
räumlichen Koordinatensystems.
entnommen aus: Sackmann, E., Vorlesungsskript Biophysik (3. Auflage). 1992, Technische Universität: München.
Hühnerembryo - Experimente
Beispiel: Gewebe aus der Beinknospe nehmen und in
wachsenden Bereich der Flügelknospe einsetzen
-> Flügel entwickelt sich als bein (mit Krallen) weiter
-> es muss eine Steuersubstanz in den ausdifferenzierten Zellen
der Beinknospe vorhanden sein, die Zellen zu "Fußzellen"
programmiert.
gesunder Flügel: Oberarm, Unterarm, Finger
Prospective thigh tissue grafted into
the tip of a chick wing bud forms toes
taken from: Alberts, V.B., et al., Molecular biology of
the cell. 3rd ed. 1994, New York: Garland Publishing
Inc.
Hühnerembryo - Experimente
Annahme: Es gibt OrganisatorRegionen von denen ein
Morphogen-Gradien ausgeht;
die Position innerhalb des
Gradients bestimmt, wie die
Zellen differenziert werden
Nachweis einer Organisator-Region für die Gliedmaßenentwicklung bei Vertebraten. (a) Lage der Zone mit polarisierender
Aktivität (ZPA) am hinteren Ende der Flügelknospe des Hühnchens. (b) ZPA-Zellen werden in einen zweiten Embryo vor
die Flügelknospe implantiert. (c) Normale Anordnung der Knochen. (d) Nach der Transplantation werden die Knochen
spiegelbildlich verdoppelt; schon die Transplantation sehr weniger Zellen (ca. 100) ist dafür ausreichend. (e,f) Erklärung
basierend auf dem Konzept der Positionsinformation: Die ZPA ist die Quelle eines Morphogens. Es bildet sich eine
gradierte Verteilung. Die lokale Konzentration gibt an, welcher Flügelknochen (2, 3 oder 4) gebildet werden soll. (f) Nach
der Transplantation entsteht eine symmetrische Verteilung und damit eine symmetrische Anordnung der Finger.
taken from: Meinhardt, H., Wie Schnecken sich in Schale werfen. 1997, Berlin: Springer Verlag.
Morphogenese als Abfolge von Genaktivierungen
Morphogen-Gradient kann
Genaktivierung steuern;
-> an verschiedenen Orten werden
unterschiedliche Gene aktiviert
expremierte Proteine haben
Rückklpplungseffekt, so dass Muster
in Gen-Aktivierung stabil ist.
Ortsabhängige Gen-Aktivierung unter dem Einfluß von morphogenetischen Gradienten. (a) Damit stabile Zellzustände
entstehen können, müssen Gene eine nicht-lineare Rückwirkung auf ihre eigene Aktivierung haben und miteinander in
einer Kompetition (R) stehen. Damit erhält sich eine einmal erfolgte Gen-Aktivierung selbst, und es kann in einer Zelle nur
eines der alternativen Gene aktiviert werden. (b) Ausgehend von einer homogenen Aktivierung von Gen a, werden durch
den Morphogengradienten m schrittweise die Gene b und c aktiviert. Jeder Schritt erfordert eine höhere Konzentration des
Signal-Moleküls m. Es bilden sich scharf abgegrenzte Regionen, wo entweder Gen a oder Gen b oder Gen c aktiv ist.
taken from: Meinhardt, H., Wie Schnecken sich in Schale werfen. 1997, Berlin: Springer Verlag.
Hühnerembryo - Experimente
Beispiel: Transplantation von mit
Vitamin A imprägnierten Gewebe
in die Flügelknospe.
->
mittlere Vitamin A Konzentration:
Ausbildung von "Spiegelfingern",
d.h. zu viele Finger
Spiegelfinger
Finger fehlen
hohe Vitamin A Konzentration:
Finger fehlen
Examples of results. (A) Normal limb. (B) Limb with one supernumerary digit and slightly reduced radius. (C) Limb
with full mirror-image hand and one extra zeugopodal element. (D) Severely reduced limb. Arrow indicates implant, bar
= 1 mm.
taken from: Summerbell, D., The effect of local application of retinoic acid to the anterior margin of the developing chick limb.
Journal of embryology and experimental morphology, 1983. 78: p. 269-289.
Hühnerembryo - Theoretical Models
normaler Flügel
Inhibitor
anfängliche Quelle
für Vitamin A
mißgebildeter Flügel:
"Spiegelfinger"
Vitamin A bindet Inhibitor und neutralisiert
deshalb lokal dessen Wirkung
Aktivator
-> es kann sich weiteres AktivatorMaximum ausbilden (da Aktivator-Bildung
lokal nicht inhibiert wird)
Finger:
432
System stabilisiert sich selbst (zweites
Aktivator-Maximum bleibt auch nach
Entfernung von Vitamin A bestehen)
Beschreibung der Fingerfolge im Flügel:
für jeden Finger gibt es eine Schwelle des
Aktivatorlevels:
schon bei kleinen Aktivatorkonzentrationen
wird Bildung von Finger 2 ausgelöst, bei
etwas höhehre Finger 3, bei noch höheren
Finger 4;
Bildung von Finger 3 blockt Bildung von
Finger 2, Bildung von Finger 4 blockt
Bildung von Finger 3
-> an jeder Schwelle wird genau ein
bestimmter Finger ausgebildet
Flügel mit zuviel Fingern
(gespiegelt)
4
3
2
Finger:
432
234
Series of diagrams showing disruption of
reaction-diffusion model by local application of
retinoic acid (= vitamin A). Heavy line (A) =
activator; light line (I) = inhibitor; circles
represent retinoic acid molecules. The additional
assumption is that Vitamin A binds to the
inhibitor. It therefore lowers the level of free
inhibitor below the threshold at which the
activator can escape from inhibition (A).
Activators forms a new anterior peak (B) and
reaches a concentration at which it can catalyse
production of sufficient inhibitor to eventually
neutralize the vitamin A. A new steady state is set
up with two stable peaks giving supernumerary
elements in mirror-image symmetry (C).
taken from: Summerbell, D., The effect of local application of retinoic acid to the anterior margin of the developing chick limb.
Journal of embryology and experimental morphology, 1983. 78: p. 269-289.
Hühnerembryo - Theoretical Models
normaler Flügel
mißgebildeter Flügel:
fehlende Finger
Vitamin A bindet Inhibitor und neutralisiert
deshalb lokal dessen Wirkung
Finger:
-> es kann sich aber kein weiteres
Aktivator-Maximum ausbilden (da
Inhibitor-Bildung durch Vitamin A so stark
neutralisiert ist, dass Aktivator level
zunächst überall über Inhibitor liegt ->
Rückkopplung ist für einige Zeit
ausgeschaltet)
432
Series of diagrams showing
disruption of reaction-diffusion
model by local application of
retinoic acid. Heavy line (A) =
activator; light line (I) = inhibitor;
circles represent retinoic acid
molecules. Excess Vitamin A lowers
the inhibitor concentration over
more of the limb field (D). The
whole system escapes from the
negative feedback control and
activator concentration rises (E).
The net effect is to reset the entire
reaction diffusion but at a higher
base concentration. Digits specified
by low concentration ranges are
therefore progressively lost giving
anterior reductions (F).
Flügel mit zuwenig Fingern
System stabilisiert sich selbst wenn keine
neues Vitamin A mehr vorliegt.Dann selbe
Kurve wie bei normalem Flügel, aber
insgesamt höheres absolutes Aktivatorlevel
-> liegt bereits über der Schwell zur
Bildung von Finger 2 -> Finger 2 fehlt
Finger:
43
taken from: Summerbell, D., The effect of local application of retinoic acid to the anterior margin of the developing chick limb.
Journal of embryology and experimental morphology, 1983. 78: p. 269-289.
Hühnerembryo - Theoretical Models
normaler Flügel
zuviele Finger
zuwenige Finger
Vitamin A
viel
wenig
432
432
23
-> Flügelmissbildung
durch Vitamin A kann im
Rahmen des Gierer
Meinhardt Modell
verstanden werden, wenn
angenommen wird, dass
Vitamin A den Inhibitor
bindet und damit
neutralisiert
43
taken from: Summerbell, D., The effect of local application of retinoic acid to the anterior margin of the developing chick limb.
Journal of embryology and experimental morphology, 1983. 78: p. 269-289.
Hühnerembryo - Theoretical Models
P
A
warum gibt es links-rechts Symmetrie, d.h.
für jede Gliedmaße auf der linken Seite
auch eine auf der Rechten?
wir stellen uns einen Hohlzylinder vor, in
dem sich nach Gierer-Meinhard Gradienten
gebildet haben:
Doppelter Konzentrationsgradient entlang
Achse oben / unten:
Bildung einer Gliedmaßen-Anlage. (a) Modell: Wenn zwei verschieden determinierte Regionen (A und
P) zusammenarbeiten müssen,um eine neue Substanz m zu produzieren, so kann deren Produktion nur
an der gemeinsamen Grenze stattfinden (Pfeil). Die lokale Konzentration ist ein Maß für die Entfernung
von der Grenze. (b) Wenn die Kooperation von zwei Paaren von differenzierten Zelltypen (A/P und
D/V) erforderlich ist, so entstehen die Organisator-Regionen an den Schnittpunkten der beiden Grenzen
(Rechtecke). In einem zylindrischen Embryo entstehen diese immer in Paaren, eines auf der linken, das
andere auf der rechten Seite. Um den unterschiedlichen Drehsinn dieser Schnittpunkte (ovale Pfeile) zu
zeigen, wurde die linke Körperhälfte nach oben geklappt dargestellt. (c) Eine Beinknospe während des
Auswachsens. Die Finger entstehen entlang der D/V-Grenze (dicke Punkte), der Fingertyp ist von der
Entfernung zur A/P-Grenze abhängig. (d) Flügelknospe des Hühnchens. Das Protein Wnt-7a
(dunkelblau) ist auf den dorsalen Bereich begrenzt. (e) Blick vom Schwanz her auf die zwei
Flügelknospen. Die Linien entstehen durch Färbung eines Proteins, das an der D/V-Grenze
produziert wird (FGF8). Die beiden runden Flecken markieren eine hohe Konzentration von
Sonic hedgehog, das an den Schnittpunkten der A/P und der D/V-Grenzen (dicke Pfeile in b,c)
entsteht. Sonic hedgehog legt direkt oder indirekt die Reihenfolge der Finger fest (hohe
Konzentration: kleiner Finger; niedrige Konzentration: Daumen). Der vermutlich entstehende
Gradient ist nicht sichtbar, da die Konzentration zwischen den Zellen unter der Nachweisgrenze liegt.
P nimmt von von oben nach unten ab, A
nimmt von oben nach unten zu; nehmen wir
an, dass die Ausbildung der Gliedmasse nur
erfolgen kann wenn P und A genügend
konzentriert sind -> dies ist in Ring in Mitte
des Zylinders möglich
zweiter doppelter Konzentrationsgradient
entlang Achse vorne / hinten:
D nimmt von vorne nach hinten zu, V
nimmt von vorne nach hingen ab; für
Ausbildung der Gliedmasse ist ausreichend
D und V nötig -> nur auf Schnitt entlang
durch Mitte zwischen vorne / hinten
zusammen: A/P + D/V Schnitt des Ringes
mit der Ebene gibt 2 Punkte -> 2
Gliedmaßen (links + rechts)
taken from: Meinhardt, H., Wie Schnecken sich in Schale werfen. 1997, Berlin: Springer Verlag.
Hühnerembryo - Theoretical Models
Schnitt aus Grenzflächen zwischen
zwei Doppelgradienten
oben
unten
Gliedmaße "links"
P
A
vorne
V D
Gliedmaße "rechts"
hinten
Some other strategies
Unterschiedliche Auswirkung des Morphogengradienten
Two strategies for using signal concentration gradients to specify a fine-grained pattern
of cells in different states. In (A) there is only one signal gradient, and cells select their
states by responding accurately to small changes of signal concentration. In (B) the
initial signal gradient controls establishment of a small number of more local signals,
which control establishment of other still more narrowly local signals, and so on.
Because there are multiple local signals, the cells do not have to respond very precisely
to any single signal in order to create the correct spatial array of cell states. Case B
corresponds more closely to the strategy of the real embryo.
taken from: Alberts, V.B., et al., Molecular biology of the cell. 3rd ed. 1994, New York: Garland Publishing Inc.
Genetik der Musterbildung: Drosophila