Entwicklungsgenetik der Tiere 1. First week in the life of a mouse
Werbung
Entwicklungsgenetik der Tiere 19.10.2007 26.10.2007 09.11.2007 16.11.2007 23.11.2007 30.11.2007 07.12.2007 14.12.2007 11.01.2008 18.01.2008 25.01.2008 01.02.2008 1. First week in the life of a mouse: From fertilisation to implantation 2. Principles in development I: organizing centres: How to get organized: From Hans Spemann to “Chordin, Noggin and Follistatin” 3. Post-implantation development: From gastrula to mid-embryogenesis 4. Principles in development II: Up and down, back and belly, left and right: The question of positional information 5. Organogenesis I: the mesoderm and its derivates – Get in shape: Making bones and muscles form somites 6. Principles in development III: lateral inhibition – watch your neighbours! 7. Organogenesis II: the endoderm and its derivates 8. Organogenesis III: the ectoderm/neuroectoderm and its derivates 9. Principles in development IV: epithelial-mesenchymal transformation – the same story everywhere 10. Development of major sensory systems: visual system, auditory system 11. How to pattern extremities 12. The other side of life – aging 1. First week in the life of a mouse: From fertilisation to implantation Stammzellen – Prinzipien 1. Stammzelle A Æ 2. Stammzelle A Æ B ausdifferenzierte Zelle A‘ Stammzellpool bleibt bestehen B, C können weiter differenzieren Transport des frühen Embryos über den Eileiter bis zum Uterus - Fertilisierung im Tubus - Implantation: Endometrium muss hormonell vorbereitet sein Zona Pellucida aus Glykoproteinen (bis wenige Tage nach Befruchtung) - mechanischer Schutz (bei Wanderung im Uterus) - Selektion (lässt nur bestimmte Spermien durch) - Maskierung gegen Immunsystem der Mutter, da wenig Oberflächenmoleküle ZP2+3 Fäden ZP1 Cross-linking der Fäden Acrosom: Enzyme der Spermien Nach Eindringen Schwanzabspaltung + Verfestigung gegen weitere Spermien Spezifische Information auf väterlichen und mütterlichen Pronuclei: - mütterlicher Vorkern: wichtig für Embryoentwicklung - väterlicher Vorkern: wichtig für Plazenta-Entwicklung Entwicklung des frühen Embryos - 2Zell-Stadium: Zellen relativ autark, nur Berührungsfläche - 4Zell-Stadium: - 8Zell-Stadium: Zellen relativ undeutlich, schlecht unterscheidbar Bildung von 1. tight junctions = Zonula occludens Æ eigene Flüssigkeit für Embryo in Höhle und Abtrennung vom äußeren Milieu 2. gap junctions = Macula communicans Æ Kommunikation zwischen den Zellen Erzeugung genetisch identischer Tiere A) Embryo-Splitting: Teilung führt zu 2 identischen Individuen B) Klonen: Aus Zelle Kern entfernt, Kern des zu klonenden Tieres eingebracht, in Uterus eingepflanzt ABER: Mitochondrien-DNA unterschiedlich Aber epigenetische Programmierung oft fehlerhaft Adulter Kern mit anderer epigenetischer Programmierung als embryonaler Kern Æ Krankheiten bei geklonten Tieren Epigenetik: Regulation der Aktivität von Genen über den Organisationszustand der DNA (Chromatinstruktur) ¾ Chemische Modifikation der DNA (Methylierung) ¾ Chemische Modifikation der Histonproteine (Acetylierung, Methylierung, Phosphorylierung) ¾ Bindung weiterer Proteine an die DNA Æ Regulation der Zugänglichkeit für die Transkription Epigenetische Reprogrammierung ¾ DNA-Methylierung ¾ Genomic Imprinting: Unterscheidung von väterlicher und mütterlicher Information ¾ X-Chromosom Inaktivierung ¾ Chromatin Remodelling ¾ Histon-Modifikationen ¾ Telomerlänge Bedeutung der DNA-Methylierung ¾ Bei Säugern: CpG Dinukleotide ¾ Involviert in viele Schlüsselfunktionen des Genoms Imprinting, X-Chromosom-Inaktivierung, Erhaltung der Genomstabilität… Totipotenz embryonaler Stammzellen: Oct-4 Æ Erhaltung Gewinnung von embryonalen Stammzellen aus innerer Zellmasse der frühen Blastocyste 2 Möglichkeiten für transgene Tiere: 1. In männlichen Vorkern nackte DNA einbringen, die (zufällig) ins Genom integriert (heterologe Rekombination) Æ transgenes Tier 2. Veränderte Stammzellen zurück in Blastocyste injizieren, integrieren sich in innere Zellmasse (homologe Rekombination) Æ Chimären, wenn Veränderung in Keimbahn Æ Nachkommen transgen Transgene Tiere mit ausgeknocktem Gen Æ anderes Expressionsmuster Eineiige Zwillinge a) Zweizeller teilt sich Æ 2 Blastocysten, implantieren sich getrennt, haben relativ wenig miteinander zu tun (2 Plazentas) b) Blastocyste bildet zwei innere Zellmassen, aber eine Plazenta c) Siamesische Zwillinge: keine vollständige Trennung der inneren Zellmasse Implantation der Blastocyste in den Uterus Problem: Embryo Fremdorganismus, da anderes Genom Trophoblastzellen fressen sich in den Uterus ein, schmelzen Zellen des Endometriums auf (muss darauf vorbereitet sein!), dringen invasiv ein Epithel des Endometriums schließt sich nach Eindringen wieder Yolk Sac: Endoderm Æ Dottersack mit Endodermzellen Æ Ernährungsfunktion Allantois: Schutzhülle Æ 2. Flüssigkeitsmilieu Nur ein Teil der Inner Cell Mass wird der Embryo!!! Der andere Teil wird Plazenta, Dottersack, Allantois… Ectopische Schwangerschaft: Ort der Implantation nicht im Uterus, z.B. im Eileiter 2. Axis formation in amphibians 1. Geschichte Aristoteles – 2 Möglichkeiten für den Ursprung von Strukturen - Epigenese: neue Strukturen entstehen progressiv aus unähnlichen Strukturen - Preformation: alle Strukturen von Anfang an vorhanden, wachsen in der Entwicklung (homunculus = kleine Mensch) Schleiden, Schwann: Zellentheorie Æ Zellen als Grundlage des Organismus Æ Entwicklung epigenetisch Frage: wie werden Zellen unterschiedlich? Entwicklungsmöglichkeiten - Mosaikartige Entwicklung: Ungleichverteilung von nukleären Determinanten an die Tochterzellen - Regulierte Entwicklung: Zellen interagieren Æ Dorsale Blastoporenlippe kontrolliert Organisation eines kompletten Embryos (Spemann) durch differenzielle Genexpression bestimmter Proteine 2. Achsenbildung in Amphibien (Xenopus laevis) Versuche mit Zygoten - Trennung rechts-links: beide Seiten entwickeln normalen Embryo - Trennung dorsal-ventral: ¾ dorsale Seite = Seite des Gray Crescent entwickelt normalen Embryo ¾ ventrale Seite = Seite der Spermieneintrittsstelle entwickelt Bauchstück ohne dorsale Strukturen (NS, Notochord, Somiten) Entstehung des Gray Crescent = Grauer Halbmond durch Rotation des cytoplasmatischen Kortex nach der Befruchtung Konditionelle vs autonome Entwicklung - frühe Gastrula: noch nicht determiniert, Entwicklung entsprechend dem Transplantationsort Æ konditionelle Entwicklung - späte Gastrula: determiniert, Entwicklung entsprechend der urspr. Lokalisation Æ autonome Entwicklung Ausnahme: dorsale Blastoporenlippe (abgeleitet vom Gray Crescent Cytoplasma) entwickelt sich immer autonom! Initiiert Gastrulation und bringt anliegende Zellen dazu ihr Schicksal zu ändern Spemann Organizer = dorsale Blastoporenlippe - initiiert Zellschicksalsänderung: ventrales Gewebe Æ dorsales Gewebe (Neuralrohr, Somiten) - Entwicklung eines zweiten Embryo mit allen Achsen - Primäre embryonale Induktion: induzierte Gewebe wirken selbst als Induktoren für anliegende Gewebe (z.B. Neuralrohr) Nieuwkoop-Center dorsal gelegene vegetative Zellen induzieren Mesoderm (Somiten, Notochord) inklusive des Spemann Organizers, Entstehung durch Rotation des cortikalen Zytoplasmas Versuch: vegetative Zellen induzieren animalische Zellen zur Bildung des Mesoderms 3. Faktoren des Nieuwkoop-Center Gebildet in vegetativen Zellen: Activin = Morphogen, Konzentrationsgradient durch Diffusion akiviert in animalischen Zellen: - Xbra = Transkriptionsfaktor, aktiviert Gene für Mesoderm spezifische Proteine in geringen Konzentrationen - Xgsc = Homeobox TF in hohen Konzentrationen Beta-catenin: ein dorsaler Faktor - Akkumuliert in Nuclei auf der dorsalen Seite - Wichtiger Faktor des Nieuwkoop-Center - Dorsal stabilisiert durch kortikale Rotation von Dsh aus dem Wnt-Weg, das Abbau durch GSK-3 blockiert Synergie von beta-Catenin und TGF-beta Signalen im Nieuwkoop Center Æ induziert Organizer 4. Faktoren des Spemann Organizers Funktion des Organizers: - Dorsales Mesoderm werden - Initiation der Gastrulation - Dorsalisieren des Mesoderm zu lateralem Mesoderm - Induktion Ectoderm Æ Neurales Ektoderm Æ Neuralrohr Goosecoid ausschließlich im Organizer gebildet Noggin induziert neurales Ectoderm Æ Neurales Gewebe, keine Epidermis Dorsalisiert Mesoderm Bindet BMP um deren Rezeptorbindung zu verhindern ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3. Early development of the vertebrate embryo: from gastrulation to mid-embryogenesis 1. Allgemeine Prinzipien der frühen Entwicklung Stadien: - Cleavage - Gastrulation Achsenbildung Æ Phylotypic stage - Neurulation - Organogenese Cleavage = Serie mitotischer Teilungen, die zur Blastula führen Konstantes Eivolumen, keine Zellbewegungen Gastrulation = koordinierte Zell- und Gewebe-Bewegungen im Embryo Positionierung der Keimblätter Formen: ¾ Involution ¾ Delamination ¾ Epiboly Neurulation = Bildung des Neuralrohrs Morphogenetische Bewegung Achsenbildung = Polarisierung der Keimblätter AP/DV/ML Phylotypic stage = Entwicklungsperiode mit der geringsten phänotypischen Divergenz zwischen den Spezies Morphogenetische Prozesse - Zellteilung - Zelltod (Apoptose) - Zell/Gewebebewegung - Zell/Gewebewachstum Zellschicksalsentscheidungen - Zellteilung - Zellspezifikation - Zelldetermination - Zelldifferenzierung Æ Zellautonomie vs. Induzierte Prozesse (durch die Nachbarzellen) Prinzipien: • Konzentrierte (Mesoderm) oder Einzelzellbewegungen (NC, Keimblätter) • Aktiv oder passiv • Rolle des Cytoskeletts, Adhäsionsmolekülen, anziehende oder abstoßende Signale und Rezeptoren Verschiedene Typen der Zellbewegung - Gastrulation: Involution, Delamination, CV-Extension, Epiboly - Neurulation: Invagination • • • • • Bsp.: Chicken Gastrulation: Involution + Delamination Invagination, Einstülpung des prospektiven ("voraussichtlichen") Entoderms in den inneren Hohlraum (das Blastocoel) der Blastula: Durch Verformung von Zellen eines Poles der Blastula wird ein Teil der Außenwand eingestülpt; das Ergebnis sieht aus wie ein luftleerer, auf einer Seite eingedellter Fußball. Der innenliegende Anteil wird ab diesem Zeitpunkt als Entoderm, der außenliegende als Ektoderm bezeichnet. Der innere Hohlraum der Blastula, die primäre Leibeshöhle, wird bei diesem Vorgang eingeengt; die aus dem Entoderm bestehende "Delle" wird als Urdarm bezeichnet. Involution, Einrollen des prospektiven Entoderms Ingression (Immigration), Einwandern von Zellen des prospektiven Entoderms Delamination, Zellen der Blastula schnüren die Zellen des prospektiven Entoderms ins Blastocoel ab Epibolie, im Prinzip eine Invagination. Bei dotterreichen Eiern findet diese statt, indem das prospektive Ektoderm das prospektive Entoderm überwächst. In der Regel überschneiden sich Gastrulation und Beginn folgender Prozesse wie die Neurulation. Zellspezifikation und –determination - Zellspezifikation: reversibler Eintritt in einen Entwicklungspathway - Zelldetermination: irreversible Verpflichtung in Bezug auf ein bestimmtes Zellschicksal Æ Fate map: zeigt an, was die Zelle eigentlich werden soll, wenn man sie unberührt lässt Bsp.: bestimmte spezifizierte Zelle isolieren aus einmal frühem und einmal spätem Embryo und an andere Stelle transplantieren Æ aus frühem Embryo ändert sie ihr Schicksal entsprechend der Transplantationsstelle Wie werden Zellen verschieden? - induzierte Prozesse: permissiv oder instruktiv (appositional, morphogen gradient) Zellen werden entsprechend bestimmtem Morphogen Konzentrationslevel determiniert. (French Flag). Bsp.: Mesoderm-Induktion durch Signale des vegetativen Pols Zwei Arten: - induction by apposition: Bsp.: Keimblätter siehe oben - inhibition by apposition: Bsp.: laterale Inhibition (reguläre Abstände zwischen Zellen) Zelluläre Prozesse: sekretiertes, diffundierbares Molekül im Extrazellularraum, direkte Interaktion durch Oberflächenmoleküle, direkte Zell-Zell-Passage via Gap Junction - cytoplasmatische Determinanten: Ungleichverteilung, keine Umweltsignale nötig, Identität hängt von Zelllinie ab, oft verbunden mit asymmetrischer Zellteilung Bsp.: Oocyte Vg1 und VegT mRNA im vegetativen Pol (kontrollieren TGFβ-Signalweg) 2. Modellsysteme: siehe Skript 3. Gastrulation movements in D.rerio - involution - convergence: medio-lateral intercalation - extension - epiboly: radial intercalation Convergence/Extension unter Kontrolle von non-canonical Wnt Knypek = Heparan-Sulfat-Proteoglycan, ermöglicht Wnt11-Signalübertragung 4. Neurulation Primäre Neurulation - Epithel - Columnarization - Rolling/folding - Closure - Neural tube complete Sekundäre Neurulation - Verteiltes Mesenchym - Kondensation des Mesenchyms - Medulläres Cord - epitheliale Transition/Kavitation - Neural tube complete Kontrollgene der primären Neurulation: pax6, shh 5. Achsenbildung Kopfbildung braucht Schutz vor dem Spemann Organiser Körperplan entlang AP-Achse gipfelt in Hox-Expression Æ spatial und temporale Kolinearität: anterior wird früher exprimiert als posterior, Gene exprimiert entsprechend ihrer Lage auf dem Chromosom Æ sequentielle Aktivierung von Hox-Genen während der Gastrulation Wie? Dekondensierung des Chromatins und Loop-Bildung Resultat der Achsenbildung: Phylotypic stage (transient) Da neuraler Phylotyp (gleicher Aufbau des Gehirns) nötig!!!Æ sekundäre Organizer (Isthmic organizer, Fgf8) - Notwendigkeit der korrekten Differenzierung der neuronalen Phänotypen - hängt streng von den Positionsinformationen von den Neuroblasten ab Æ starke funktionale Einengungen 4. Up and down, back and belly, left and right: The question of positional information 1. Symmetrie - asymmetrisch - symmetrisch • Sperische Symmetrie: unendliche Anzahl von Ebenen durch das Zentrum (Protozoa) • Radiäre Symmetrie: zwei (biradial) oder mehr (radial) Symmetrieebenen durch die Hauptkörperachse • Bilaterale Symmetrie: eine Symmetrieebene (Midsagittal plane) durch die Körperachse – identische rechte und linke Hälfte Drosophila Körperaufbau Anterior-posterior Achse 14 Segmente von anterior - posterior Acron Kopf (3 Segmente) Thorax (3 Segmente) Abdomen (8 Segmente) Telson - Dorso-ventrale Achse 4 Regionen von ventral-dorsal Mesoderm Ventrales Ectoderm Dorsales Ectoderm Amnioserosa (extraembryonale Membran) Frühes Patterning im syncytialen Blastoderm Durch freie Diffusion molekularer Faktoren (TF-Gradienten) AP-Achse - Maternale Gene (nur Effekt auf die Nachkommen, trotz wt-Spermium) 3 Klassen ¾ Anterior (bicoid) ¾ Posterior (nanos) ¾ Beide Enden (torso) Æ setzen das Grundgerüst für die Expression zygotischer Gene - Zygotische Gene ¾ Gap-Gene: definieren regionale Unterschiede (hunchback (hb)) ¾ Paarregel-Gene: definieren Parasegmente (even-skipped (eve), fushi tarazu (ftz)) ¾ Segmentpolaritäts-Gene: schaffen das Segment Muster (engrailed (en)) ¾ Homeotische Selektorgene: Segmentidentität (abdominal-A (abd-A)) Maternale Gene AP-Achse - Bicoid Æ anteriore Strukturen o Morphogen Æ aktiviert spezifisch zygotische Gene bei bestimmten Konzentrationen o Transport benötigt Mikrotubuli - Nanos Æ posteriore Strukturen o Posterior lokalisiert durch oskar o Nanos-Protein inhibiert zusammen mit Pumilio-Protein maternales Hunchback o Bicoid aktiviert anterior Expression zygotischen Hunchbacks - Caudal Æ posteriore Strukturen o Posterior-anteriorer Gradient o Bicoid supprimiert Translation von maternaler caudal mRNA - Torso Æ anterior und posteriore Strukturen Lokalisierte Aktivierung von Torso = Receptor-Tyrosin-Kinase durch Trunk CTerminus (Proteolyse durch Prozessierungs-Komplex mit Torso-like (Tsl)) an den Polen DV-Achse Maternale Gene: Spätzle Ligand Prozessiert von Pipe, das nur in ventralen Follikelzellen exprimiert wird Toll Dorsal Rezeptor Target induziert intrazellulären gelangt ventral in den Pathway, löst Dorsal von Nucleus (Gradient) Cactus (wird phosphoryliert) Æ TF Zusammenfassung maternale Gene: - Unterschiede durch lokalisierte mRNA/Protein oder lokalisierte Aktivierung von Rezeptoren - Nach der Fertiliation: Transkription von maternaler mRNA - Ergebnis: Positionsinformation durch Proteingradienten oder nukleare Lokalisation Zygotische Gene DV-Achse - Dorsal: ventral-dorsaler Gradient Æ reprimiert Expression best. Gene (tollid, decapentaplegic) Æ aktiviert Expression “ventraler” Gene (rhomboid, twist) - Decapentaplegic (dpp): dorsal-ventraler Gradient Sekretiertes Signalmolekül, agiert im zellulären Blastoderm Benötigt antagonistischen Effekt von Short gastrulation (sog) AP-Achse 1. Gap-Gene - Transkriptionsfaktoren im syncytialen Blastoderm: hunchback, giant, Krüppel, knirps, tailless - Mutanten: fehlende Körpersektionen - Hunchback: ¾ Aktiviert durch bicoid = Homeodomänen TF ¾ Morphogen: Krüppel bei niedrigen Konz. von bicoid + hunchback aktiviert, gehemmt durch hohe hunchback Konz. - Cross-inhibition definiert Streifen Æ Gap-Gene Expression führt zu Regionen mit einzigartigen Genexpressionsmustern entlang der AP-Achse 2. Æ Paarregel-Gene Primäre Paarregel-Gene: Aktivierung durch Gap-Gene Sekundäre Paarregel-Gene: Aktivierung durch primäre Paarregel-Gene Paarregel-Expression definiert 14 Parasegmente, jedes Paarregel-Gen wird alternierend in einem Parasegment exprimiert 3. - Segment-Polaritätsgene Fixieren die Grenzen der Parasegmente Funktion im zellulären Blastoderm Aktivierung durch Paarregel-Gene Exprimiert in 14 Streifen Gene: engrailed (aktiviert durch hohe eve und ftz Konz), wingless (reprimiert durch hohe Konz) Feedloopschleife über hedgehog und wg Segment = posteriorer Teil des 1. Parasegments + anteriorer Teil des 2. Segments (engrailed expression) 4. - Homeotische Selektorgene Segmentidentität durch Kombination homeotischer Selektorgene 2 Gencluster: Antennapedia Komplex + Bithorax Komplex Räumliche und zeitliche Kollinearität 5. Das Mesoderm und seine Derivate Mesoderm: - Notochord - intermediäres Mesoderm Nieren - laterales Plattenmesoderm Blutgefäße - paraxiales Mesoderm Muskeln, Knochen Æpräsomitisches paraxiales Mesoderm Æ Somiten Def.: Somiten = chordin Pax2 paraxis Abfolge paariger, gleicher Segmente, Epithelbälle, segmental angeordnet, Uhr sehr früh gestartet Somitogenese autonom Präsomitisches Mesoderm wird um 180° gedreht BMP4 induziert Foxf (lateral hohe Konz.) und Foxc (paraxial hohe Konz.) Somitenbildung an der Grenze von Notch-Zellen Æ Delta-Notch Pathway Expressionswellen von Delta-Notch-Zielgenen, eine Welle Æ ein Somitenpaar Somitentrennung durch Zell-Zell-Abstoßung durch Ephrin (posterior) und Ephrin Rezeptor (Rezeptor-Tyr-Kinase) (anterior) Mesenchymal-epitheliale Transition (MET) bei Somitenbildung - Veränderung in Expression der ECM Proteine (fibronectin) - Reorganisation des intrazellulären Cytoskeletts - beteiligte Gene: Mesp2, paraxis, Cdc42, Rac1 Gewebe abgeleitet von Somiten: - Wirbelkörper und Rippen - Muskeln - Sehnen - Dermis der dorsalen Haut - Blutgefäße (Aorta) Epithelial-mesenchymale Transition (EMT) Somiten Æ Sklerotom Æ Sklerotom + Dermamyotom Æ Sklerotom + Dermatom + Myotom Somitocoelzellen: für Gelenke und Gewebe zwischen Wirbeln Signalgebende Zentren instruieren Somiten-Zellen - Epidermis - Neuralrohr Æ Myotom - Laterales Plattenmesoderm - Notochord Æ Neuralrohr, Somiten Æ Sklerotom Myogenese 1. Determination von Myotom Zellen: MyoD 2. Multiplikation von Myoblasten: FGFs 3. Start der Zelldifferenzierung, ECM Verbindung: Fibronectin, Integrin, Cadherin/CAM 4. Zellfusion Æ Syncytienbildung: Meltrin 5. Reifung: Interleukin-4 Osteogenese 3 Linien - Somiten Æ Wirbelsäule - laterales Plattenmesoderm Æ Gliedmaßen-Skelett - Craniale Neuralrinne Æ Knochen des Kopfes und Knorpel 2 Arten der Osteogenese - desmale Ossifikation: Mesenchym Æ Knochen - endochondrale Ossifikation: Mesenchym Æ Knorpel Æ Knochen Endochondrale Ossifikation 1. Zellschicksal mesenchymale Zellen Æ Knorpel durch shh, exprimieren TF Pax1 2. Kondensation und Kompaktierung des Knorpels: N-Cadherin, N-CAM 3. Proliferierendes Knorpelmodell 4. Große Chondrocyten Æ Collagen X und Fibronectin-Sekretion 5. Hypertrophe Chondrocyten Æ Mineralisierung der ECM durch Ca und P Expression von Vegf für Vaskularisierung 6. Zellen rund um den Knorpel differenzieren zu Osteoblasten 7. Chondroclasten fressen den Knorpel 8. Osteoblasten bilden eine Knochenmatrix rund um das sterbend Knorpelmodell 9. Osteoclasten bilden die Knochenmarkhöhle Resegmentierung während der Wirbelkörper-Bildung: Nervenzellen teilen Sclerotom der Somiten Æ Verschiebung der Segmente Intermediäres Mesoderm Æ Urogenitalsystem: Nieren, Gonaden, Gänge Spezifizierung des intermediären Mesoderms durch BMP-Gradienten und Signale des paraxialen Mesoderms Durch Homeodomänen-TF Pax2 und Lim1: intermediäres Mesoderm Æ Pronephron Abfolge der Nierentypen - Pronephron: induziert benachbartes Mesenchym zur Bildung von Röhren, posteriorer Teil = Wolffscher Gang - Mesonephros: Nierengang induziert Röhren in caudalen Regionen, Teil des Wolffschen Gangs - Metanephros: permanente Niere, Entstehung aus Ureterknospe (aus Nephronengang mit Metanephronischen Mesenchym) Reziproke Induktion: Metanephrogenes Mesenchym und Ureterknospe 1. Bildung des Metanephrogenen Mesenchym 2. Metanephrogenes Mesenchym sekretiert GDNF um den Harngang zu induzieren 3. Ureterknospe sekretiert FGF2 und MBP7 4. Wnt6 und Wnt9 Skretion von der Ureterknospe ist kritisch für MET 5. Mesenchymale Zellen sekretieren Wnt4 als autokrinen Faktor für MET 6. Signale des Mesenchyms induzieren das Branching der Ureterknospe 7. Differenzierung und Wachstum der Ureterknospe 6. Laterale Inhibition – Zellschicksal Entscheidungen Zellschicksalsentscheidungen nötig für Differenzierung und Komplexität Bsp.: Stammzellen Laterale Inhibition Zunächst Interaktion zwischen gleichen Zellen (Sender und Empfänger gleichermaßen) Stochastisches Ereignis: ungleiche Verteilung von Senden und Empfangen - die Zelle, die mehr sendet, reguliert Signal hoch - die Zelle, die mehr empfängt, reguliert Rezeptor hoch Æ Differenzierung Bsp.: Neuroectoderm von Drosophila Neuroblast: Sender (Delta) Hypodermis: Empfänger (Notch Æ kein Neuron) Konservierung relevanter Gene von Protostomiern bis zu den Deuterostomiern Ligand: Delta Rezeptor: Notch Homologe Moleküle mit anderen Namen Zunehmende Komplexität durch Genverdoppelung Molekulares Netzwerk des Delta-Notch-Signalwegs - extrazelluläre Bindung von Delta an Notch - Abspaltung der Notch intrazellulären Domäne durch Secretase - Notch intazelluläre Domäne = TF reguliert Hes = TF hoch - Hes reguliert Mash runter Æ keine Ausbildung eines Neurons, da zuständige Gene blockiert sind Funktionen von DII1 = Delta1 in der Embryogenese - links-rechts Achsenbildung - Somitogenese - Neurogenese - Hematopoiese - Innenohr-Entwicklung - Pankreas-Entwicklung Knock-out offenbart Genfunktion DII1 durch Reporter hinter lacZ-Promotor ersetzen - heterozygote Mutanten Æ Sprenkelung im Forderhirn - homozygote Mutanten Æ fehlgeformter Embryo Funktion von Delta-Notch bei Nervensystem Siehe Drosophila Bsp. Oben Wenn Delta-Notch-Pathway gestört (DII 1LacZ)Æ zu viele Zellen Richtung Neurogenese, Stammzellpopulation nimmt ab Delta Knock-Out Æ geringere Abspaltung von Notch Æ geringere Hes-Expression Æ MashÜberexpression Æ Neurogenese Somitogenese Delta-Notch: Ausbildung der Somitengrenzen, Resegmentierung des Sklerotoms Mutation: Verschmelzung von Segmenten Vestibularorgan Innenohr: - outer hair cells Æ Verstärkung - inner hair cells Æ Weitergabe an Nervenzellen ENU-Mutante: ungeordnete OHC, falsche IHC Headturner Htu Mutante Punktmutation im Jag-Molekül Æ Haarausfall im Innenohr ÆSchwerhörigkeit, Gleichgewichtsstörung Pankreas-Entwicklung Pankreas: - endokrine Zellen: Insulinproduktion - exokrine Zellen: Verdauungsenzyme Æ aus gemeinsamem Stammzellpool Delta-Verlust: Bildung vieler endokriner Zellen auf Kosten der exokrinen Node Development Knoten mit Cilien in flüssigkeitsgefülltem Raum Æ nodal flow Æ Gradient, der Stoffe erzeugt, die für Differenzierung wichtig sind In Delta-Mutanten: Verlust der Cilien bzw. Cilien durcheinander ausgerichtet, kein nodal flow und keine rechts-links-Entwicklung Sekundärer Effekt: Herz falsch gedreht nach Delta-Knockout 7. Endoderm Derivate des Endoderms - Auskleidung des Gastrointestinaltrakts - Auskleidung des Respirationstrakts - Auskleidung der Blase und Urethra - Auskleidung des Mittelohrs und der Eustachschen Röhre - Mandeln, Thymus, Schilddrüse - Leber - Pankreas Spezifizierung des Endoderms - Fehlen von VegT/Vg1 (activin) Æ kein Endoderm - autonome Spezifikation - Frosch: Entwicklung des Endoderms durch massive Involution während der Gastrulation - Maus, Huhn: Zellen wandern über Primitivstreifen aus Epiblast-Zellen ein - VegT löst Signalkaskade aus über Delta-Notch-Signalweg Æ Aktivierung weiterer TF Æ Aktivierung von Sox17 Sox17 = Mastergen der Spezifikation des Endoderms Tube-Formation Der primitive Darm entsteht aus einer flachen Zellschicht über massive Proliferation und morphogenetische Bewegungsprozesse während der Faltung des Embryos. Differentielle Genexpression entlang der anterior-posterioren Achse des frühen Darmes (hinterer Bereich des Darms: Expression von IFABP) Æ sehr frühe molekulare Definition von vorne und hinten Spätere Spezifikation braucht Interaktion zu anderen Keimblättern: beteiligte Signale:FGFs, shh, Hox-Gene Wachstum der gut-tube und Rotation verschiedener Bereiche sorgt für korrekten Situs des Gastrointestinaltraktes (Bsp.: Mid-gut-rotation) Darm wächst sehr schnell, zunächst aus Embryo aus: „physiologischer Bruch“, später wieder ein, anschließend Bauchdeckenbildung Bud-Formation Darmanhänge entstehen durch Knospenbildung (= differentielle Genexpression), die zur Organbildung führt. Entwicklung des Pharynx Daraus Eustachsche Röhre, Schilddrüse, Mandeln Interaktion mit Mesenchym entscheidend Schilddrüsenentwicklung wird kontrolliert durch differentielle Genexpression Entwicklung der Lunge Lunge entsteht aus epithelialer Knospe des Vorderdarms, fängt an sich zu verästeln, die Luftröhre (Trachea) trennt sich vom Darm Für Verästelungen ist Interaktion mit mesenchymalem Gewebe wichtig. An Lungenknospen befindet sich v.a. FGF10 = Chemoattractant. Mesoderm produziert FGF10, Endoderm wächst Richtung FGF10. Für die Verzweigung ist ein Inhibitor nötig, der FGF10 runter- und an den Randbereichen hochreguliert Æ Interaktion von Genen bewirkt Verzweigungsmuster Weitere beteiligte Gene: Shh, FGF10, HNF3 Entwicklung der Leber Leber entwickelt sich im ventralen Vorderdarm in der Nähe des entwickelnden Herzens (aus Mesoderm) Unter dem Einfluss von FGFs des cardialen Mesoderms und BPMs des Mesenchyms spezifiziert kompetentes Endoderm-Gewebe zu Lebergewebe. FGFs verhindern, dass sich außerhalb des ventralen Endoderms die Leber entwickelt. Ventrales Endoderm exprimiert Foxa und Albumin Abhängig von der Konzentration von FGF-2 wird auch die Lunge induziert (bei hoher Konz.). Entwicklung der Pankreas Bauchspeicheldrüse entwickelt sich aus dem ventralen und dorsalen Duodenum: Vereinigung der Teile durch Rotation des Darms und schließlich Fusion zum einheitlichen Organ Pankreas wird spezifiziert durch Interaktion mit dem darüberliegenden Mesoderm (Notochord) Zwei Zellarten der Pankreas: - exocrine: Verdauungsenzyme - endokrine: Insulin und andere Hormone Notch-Signal und Kombination von TF führt zu Exokrinen-Zellen Entwicklung endodermaler Derivate 1. Spezifikation des Endoderms 2. Entwicklung der Kompetenz für Organentwicklung 3. Spezifikation von Vorläuferzellen 4. Zelluläre Differenzierung 8. Ectoderm und seine Derivate Derivate des Ectoderms - Haut und Derivate (Haare, Nägel) - peripheres NS - Pigmentzellen - Knochen + Knorpel des Gesichts - zentrales NS Bildung des Nervensystems 1. Neurulation 2. Proliferation 3. Differenzierung 4. Migration 5. Formation des Netzwerks 6. Maturation 1. Neurulation Primäre Neurulation a) Bildung und Formung der Neuralplatte Ectoderm entwickelt neurales Gewebe als Antwort auf Signale von Organisationszentren Organizer: Hensen’s node, Blastoporenlippe, Anteriores vicerales Endoderm Signale: Follistatin, Noggin, Chordin Æ Antagonisten des BMP = Bone morphogenetic protein, das im gesamten Ectoderm exprimiert wird und für Differenzierung zu Epidermis- und Hautzellen wichtig ist Erstes Zeichen: Ectoderm-Zellen elongieren zu Säulenzellen Darunterliegendes Mesoderm/Endoderm (Hypoblast) formt das Notochord = wichtigstes SignalInfozentrum für ZNS-Entwicklung b) Biegung der Neuralplatte Signale des Notochords Æ Neuralplatte senkt sich ein Æ Leisten und Neuralrinne entstehen c) Schließung der Neuralplatte Enden der Rinne bewegen sich aufeinander zu, fusionieren Æ Neuralrohr (zwischen Notochord und Epidermis) Æ Neuralleisten-Zellen Wichtig für Ausbildung des Neuralrohrs: richtige Expression von N-cadherin Neurulation anterior weiter fortgeschritten als posterior Primäre Neurulation = Formung des Neuralrohrs durch Signale des Notochord Sekundäre Neurulation = Formung des Neuralrohrs durch Kondensation des Ectoderms = „Mesenchymale Knubbel“ in Fischen und im Abdominalen sowie Schwanzbereiche von Fröschen, Hühnern und Säugern Kann als Fortsetzung der Gastrulation angesehen werden. Neuralrohrdefekte Neuralrohr schließt nicht, ist damit nicht von Epidermis umgeben Æ ZNS liegt offen in Amnionhöhle Æ Anencephalische Embryonen (ohne Vorderhirn/Großhirn) 2. Proliferation 4000 Zellen der Neuralplatte Æ 1011 Neuronen + 1012 Gliazellen 3. Differenzierung a) entlang der A/P-Achse b) entlang der D/V-Achse c) zellulär (Nervenzellen, Gliazellen, inhibierende/anregende NZ) a) A/P-Achse Neuralrohr wird während der weiteren Entwicklung weiter unterteilt - Vorder-, Mittel-, Hinterhirn - Tel-, Di-, Mes-, Met-, Myelencephalon Differenzierung durch posteriorisierende Faktoren: FGFs, Wnts, Retinolsäure Anterior: Inhibierung der posteriorisierenden Faktoren Hox-Gene: Morphogene Æ positionale Information entlang der A/P-Achse Mittel-/Hinterhirn-Organisator = Isthmic Organizer: FGFs, Wnts Æ Aktivierung Hox, Signale durch Organisatoren Mutanter Embryo: Gehirnteil fehlt durch fehlendes Gen im Netzwerk Transplantation: Def. Organisationzentrum: Organisator schafft bei Transplantation in anderen Abschnitt, dass die Zellen dort umprogrammiert werden zu Zellen des Bereiches, in dem der Organiser normalerweise liegt b) D/V-Achse 2 Signalzentren - Roof-plate (epidermal plate): BMPs - Floor-plate (Notochord): Shh Æ Neuralrohr kennt seine Orientierung c) Zelluläre Differenzierung Bsp. Nervenzelle Proneuralgen z.B. Ngn = Neurogenin: - verhindert Anschaltung des Proneuralgens in Nachbarzellen (Delta-Notch) - inhibiert in eigener Zelle Entwicklung zu Gliazelle - Austritt aus Zellzyklus - Differenzierung zu Nervenzelle wird eingeleitet Vielzahl von Nervenzelltypen Æ Typ festgelegt durch Genexpressionsmuster (Shh-Gradient) 4. Migration 3 Typen - radiale Migration im Neocortex Neocortex geschichtet (6 Schichten) Wanderung der Neuronen von der Ventriculärzone nach außen in die kortikalen Schichten entlang der Radialgliazellen (Schicht 6 am Ältesten, Schicht 2 am jüngsten) Wichtig: Cytoskelett, Adhäsionsmoleküle Krankheiten (Sprach und Lern Schwäche) verbunden mit Defekt bei der neuronalen Migration (Neocortex ohne Schichtung) - Kettenmigration zum Riechkolben - tangentiale Migration 5. Ausbildung des Netzwerks 3 Komponenten der Nervenzelle - Dendriten: Infoaufnahme - Zellkörper: Metabolismus - Axon: Weiterleitung Wachsendes Axon mit growth cone Æ sucht Partner aufgrund bestimmter Strukturen Hilfe axonaler Leitunsfaktoren, je nach Nervenzelltyp kann Molekül Attraktant oder Repellent sein Retinotectal System: verschiedene Axonpopulationen reagieren unterschiedlich auf das gleiche Molekül Nach Findung des Zielaxons: Mylinisierung 6. Reifung a) Synpasenbildung und –eliminierung Synapse = präsynaptische Seite (Vesikel mit Transmitter) + postsynaptische Seite (Rezeptoren) Wachsende Axone emittieren Signale (Agrin) die Veränderungen in der postsynaptischen Seite hervorrufen Æ Kontakt + Stabilisierung der Synpase Synpaseneliminierung je nach Aktivität (aktive bleiben erhalten) b) Programmierter Zelltod Aufgrund fehlender neurotrophischer Faktoren eingeleitet Tritt im Nervensystem in allen Entwicklungsstadien auf Apoptose-einleitende Proteine: Bax, caspases Funktion: - Entfernung funktionsloser Zellen - Entfernung schädlicher Zellen - Passung ins System - Musterbildung und Morphogenese - Fehlerkorrektur - Übergangszellen c) Frühe Erfahrung und kritische Periode 9. Epitheliale-mesenchymale Interaction 1. Epithelien Morphology/Histologie - Mesenchyale Zellen: embryonales Bindegewebe, Zellen liegen relative frei, wenig differenziert Epitheliale Zellen: liegen im Epithel, relativ fixiert Æ Basalmembran = Barriere, die gegen darunter liegendes Gewebe abgrenzt Typen von Epithelien - Stratifiziertes Epithelium Mund ¾ Zylindrische (unten) + besser differenzierte (oben) Schicht - Transitionales Epithelium Blase ¾ Größere Zellen an Oberfläche für bessere Abschirmung - Ciliated pseudostratified epithelium Bronchien ¾ Keine verschiedenen Zellschichten, aber unterschiedliche Funktion ¾ Cilien mit Mucusschicht: Cilienstrom zum Raustransport Polarität der Epithelzelle des Pankreas (starke Differenzierung) Aufnahme von Stoffen aus dem Blut, die in der Epithelzelle prozessiert (ER, basal gelegen) werden und anschließend über Vesikel (Golgi, über dem Nucleus) hinaustransportiert werden Typen von Pankreas Zellen - Endokrine: Insulinproduktion - Exokrine: Verdauungsenzyme (Amylasen, Proteasen) CAMs = cell adhesion molecules - Zonula occludens – Tight junction Æ Abschirmung nach außen - Zonula adherens: Cadherine Æ Verbindung Zelle - Zelle und Zelle - extrazellulärer Matrix ¾ Cadherin = Linker zur nächsten Zelle ¾ Catenin = Linker Cadherin – Cytoskelett 2. Gastrulation 3. Keimblatt entsteht durch epithelial-mesenchymale Transformation während der Gastrulation 8-zell Stadium: 16-zell Stadium: Kompaktierung durch Zonula occludens Bastocoel bildet sich Æ neues Milieu Äußere Zellen: tight junctions Innere Zellen (inner cell mass=mesenchymal): gap junctions Æ Eingewanderte Epithelzellen, bei denen die Zelladhesionsmoleküle eingeschmolzen wurden 3. Somitogenese Somiten sind transiente embryonale Strukturen Stadien: Posterior Anterior o Mesenchymales präsomitisches Mesoderm o Epitheliale Somiten o Differenzierte, deepithelialisierte Somiten: ¾ Dermomyotom (Pax3) Dermatom (unten) Myotom (mitte) ¾ Sklerotom (Pax1) (oben, senkrecht geteilt) Dermis Muskeln (MyoD) Wirbelkörper 4. Zahnentwicklung Wichtige Zellen Odontoblasten: Ameloblasten: Stärkung der Zähne Beteiligte Gene Stadium Gene im Epithel Gene im darunter liegenden Gewebe Initation FGF8 Bmp2,4,7 Lef1 Pax9 Msx1 bilden die Zähne aus Kollagen-Fasern (rel. weich) sekretieren Zahnschmelz = Hydroxyapatit für Bud stage Lef1 Pax9 Msx1 Lef1 Bmp4 Cap Stage FGF4 Bmp2,4,7 shh Pax9 Msx1 Lef1 Æandere Rolle als in früheren Stadien FGF8 im Zähne-induzierenden Epithel induziert Expression von Pax9 im Mesenchym des Unterkiefers. BMP4 im Zähne-induzierenden Epithel inhibiert Expression von Pax 9, ebenso BMP 2 im Mesenchym. 5. Tumorgenese Carcinom = von Epithelgewebe abgeleiteter Tumor Basallamina wird von unvollständig terminierten Zellen des Stratum germinativum durchbrochen Æ Verbreitung von Tumorzellen über das Blutsystem, Bildung von Metastasen Faktoren der Tumorentstehung - Akkumulation von Mutationen verschiedener Moleküle Verlust von Tumorsupressorgenen p53 Aktivierung von Onkogenen K-ras über die Zeit Tumorbildung durch Viren SV40 Virus: T-Antigen, das sowohl Rb (inhibiert ZellteilungsTF) als auch p53 (Aktiviert Sicherheitsbremse) bindet und somit Bindung des TF und Zellproliferation ermöglicht Signalweg für Zellteilung Bsp.: humaner EGF Bei Brustkrebs viele EGF-Rezeptoren Æ vermehrte Zellteilung Therapie: Herceptin Æ blockiert Rezeptoren und verhindert damit Zellteilung 11. Entwicklung der Vertebraten-Extremitäten Entwicklung an spezifischen Bereichen entlang der Körperachse durch Induktion, Spezifikation, Proliferation und Zelltod - aus Knospen - Vorderextremitäten vor Hinterextremitäten - sehr früh in der Entwicklung (5-8. Woche) 1. Induktion der Extremitätenknospen Hox-Gen Code definiert Lokalisation des Extremitätenfeldes Retionolsäure-Gradient aktiviert Hox-Gene - Vorderextremität an Expression von Hoxc-6 - Hinterextremität an Expression von Hoxd10 FGF10 exprimiert im lateralen Plattenmesoderm an Stellen, an denen Extremitätenknospen entstehen (aus Ansammlung mesenchymaler Zellen des lateralen Platenmesoderms und Somiten) Bicoid Homeodomain TF wichtig: - Vorderextremität: Tbx5 - Hinterextremität: Tbx4 Retinolsäure induziert HOX-Gene, TBX4 und TBX5 TF aktivieren spezifische Hox-Gene In Kombination mit FGF10 entstehen Extremitätenknospen 2. Proximal-distale Achse (Schulter-Hand) AER = apical ectodermal ridge : apikale ectodermale Leiste Æ FGF8 AER ist Organisator braucht Interaktion mit Mesenchym: - Mesenchym induziert (FGF10) und erhält AER, determiniert, dass die Extremität wachsen soll - AER Æ Wachstum des Extremität (Mesenchym proliferiert: progress zone) Proximal-distales Wachstum: Expansions model: space based Æ spezifische HOX-Gene determinieren Bereich 3. AP-Achse (Daumen-kleiner Finger) ZPA = zone of polarising activity Æ SHH (sonic hedgehog) ZPA ist Organisator, Lage im posterioren Teil der Extremitätenknospe - Gli3 inhibiert Shh, dHand aktiviert Shh Shh in Zwischenfingerbereich schafft BMP-Gradient Æ schafft Identität jedes Fingers 4. DV-Achse (Handrücken-Handfläche) Wnt7a (wingless), Lmx1b Æ Dorsalisierung Engrailed-1 Æ Ventralisierung 5. Koordinierung der Achsen ZPA und AER: positive Rückkopplungsschleife zwischen Shh und FGFs Wnt7a induziert shh 6. Zelltod und Bildung der Finger Signal für Apoptose: BMPs Antagonisten der BMPs: gremlins Æ keine Apoptose Æ Schwimmhäute der Enten
