CHAPTER 19Differential Gene

Expression in Development

Processer i utvecklingen av en organism

• Tillväxt: celldelning och/eller ökning av Tillväxt: celldelning och/eller ökning av enskilda cellers storlekenskilda cellers storlek

• Differentiering: olika celltyper med Differentiering: olika celltyper med specifika uppgifter skapasspecifika uppgifter skapas

• Morfogenes: organisation av celler och Morfogenes: organisation av celler och vävnader till specifika strukturervävnader till specifika strukturer

Cellulär determination• Cellens öde bestäms av genomet Cellens öde bestäms av genomet

kombinerat med yttre faktorer kombinerat med yttre faktorer cellen är cellen är determineraddeterminerad Genomet detsamma för varje cell i en organismGenomet detsamma för varje cell i en organism Miljön varierar för celler i olika delar av embryotMiljön varierar för celler i olika delar av embryot Cytoplasman, inte kärnan, är avgörande för Cytoplasman, inte kärnan, är avgörande för

cellens öde cellens öde

• En determinerad cell är oförändrad till det En determinerad cell är oförändrad till det yttreyttre

• Efter determinationen följer differentiering Efter determinationen följer differentiering cellspecifik genexpression cellspecifik genexpression olika olika celltyper celltyper

Totipotenta celler• Det befruktade ägget (zygoten)Det befruktade ägget (zygoten)• Många växtcellerMånga växtceller

Man kan klona en hel växt från en Man kan klona en hel växt från en differentierad celldifferentierad cell

• Djurceller Djurceller Celler från tidiga embryon Celler från tidiga embryon Kärnorna från adulta celler, om Kärnorna från adulta celler, om

cytoplasmat byts utcytoplasmat byts ut Stamceller differentierar till olika celltyper Stamceller differentierar till olika celltyper

om de flyttas från sin normala miljöom de flyttas från sin normala miljö Embryonala stamceller är närmare Embryonala stamceller är närmare

totipotens än adulta stamcellertotipotens än adulta stamceller

Embryonala stamceller för transplantat?

• Stamceller från embryon induceras att Stamceller från embryon induceras att differentieradifferentiera Etiska frågorEtiska frågor RejektionRejektion

• Terapeutisk kloningTerapeutisk kloning Donerad äggcell utan kärna + patientens Donerad äggcell utan kärna + patientens

egen cell/cellkärna fuserasegen cell/cellkärna fuseras Då ägget delar sig bildas embryonala Då ägget delar sig bildas embryonala

stamcellerstamceller Stamcellernas differentiering inducerasStamcellernas differentiering induceras

• Teknologin inte färdigutveckladTeknologin inte färdigutvecklad

Hur induceras cellspecifik genexpression?

• Cytoplasmisk segregationCytoplasmisk segregation• InduktionInduktion

Cytoplasmisk segregation

Ett ämne är ojämnt fördelad i den Ett ämne är ojämnt fördelad i den befruktade äggcellenbefruktade äggcellen

Leder till cellpolaritetLeder till cellpolaritet Då cellen delar sig får dottercellerna Då cellen delar sig får dottercellerna

olika mängder av ämnetolika mängder av ämnet Ett sådant ämne kallas ”Ett sådant ämne kallas ”cytoplasmic cytoplasmic

determinant”determinant”

Induktion Ämnen producerade av närliggande celler Ämnen producerade av närliggande celler

styr cellens differentieringstyr cellens differentiering En enda cell kan inducera differentiering En enda cell kan inducera differentiering

av andra cellerav andra celler Ex. Ex. C. elegansC. elegans: ankarcell styr utveckling av : ankarcell styr utveckling av

vulvavulva Ankarcellen utsöndrar primärinduktorAnkarcellen utsöndrar primärinduktor Primärinduktorn utlöser signalkaskad i Primärinduktorn utlöser signalkaskad i

målcellermålceller Celler som påverkas av primärinduktor blir Celler som påverkas av primärinduktor blir

primära vulvaprekursorceller och producerar primära vulvaprekursorceller och producerar sekundärinduktorsekundärinduktor

Celler som påverkas av sekundärinduktor blir Celler som påverkas av sekundärinduktor blir sekundära vulvaprekursorcellersekundära vulvaprekursorceller

Celler som inte påverkas av någondera Celler som inte påverkas av någondera induktorn blir skinnprekursorcellerinduktorn blir skinnprekursorceller

Mönsterbildning och morfogenes

Organiserad celldelning, tillväxt och Organiserad celldelning, tillväxt och differentieringdifferentiering

CellmigrationCellmigration Programmerad celldöd (apoptos)Programmerad celldöd (apoptos)

Mönsterbildning hos växter• Kombinatorisk genreglering: olika Kombinatorisk genreglering: olika

gener (A-C) klonar för underenheter av gener (A-C) klonar för underenheter av tillväxtfaktorer som fungerar som tillväxtfaktorer som fungerar som homo- eller heterodimererhomo- eller heterodimerer

• Beroende på vilka kombinationer Beroende på vilka kombinationer underenheter som uttrycks aktiveras underenheter som uttrycks aktiveras olika genuppsättningarolika genuppsättningar

• Det bildas pistiller, ståndare, kronblad Det bildas pistiller, ståndare, kronblad eller foderbladeller foderblad

Morfogener• Ämnen som bildar gradienter och ger olika Ämnen som bildar gradienter och ger olika

delar av organismen ”positionsinformation” delar av organismen ”positionsinformation” så att olika organ och strukturer kan bildas så att olika organ och strukturer kan bildas på korrekta ställenpå korrekta ställen

• Olika koncentrationer av en morfogen Olika koncentrationer av en morfogen påverkar målcellerna olikapåverkar målcellerna olika

Uppkomsten av segmentering• Modellorganism: bananflugan Modellorganism: bananflugan

Drosophila melanogasterDrosophila melanogaster• Bananflugans kroppssegment är olikaBananflugans kroppssegment är olika• Larvens segment ser lika ut men är Larvens segment ser lika ut men är

”programmerade””programmerade”• programmeringen sker genom programmeringen sker genom

olikheter i genexpressionolikheter i genexpression• Händelsekaskader: en händelse Händelsekaskader: en händelse

utlöser följandeutlöser följande• Styrs av Homeobox-gener som kodar Styrs av Homeobox-gener som kodar

för transkriptionsfaktorerför transkriptionsfaktorer

Steg 1: bestämning av ”vad som är fram Steg 1: bestämning av ”vad som är fram och vad som är bak”och vad som är bak”

• Hos bananflugan finns cytoplasmiska Hos bananflugan finns cytoplasmiska determinanter (maternal effect genes) i determinanter (maternal effect genes) i äggcellen som bestämmer huvud- och bakända äggcellen som bestämmer huvud- och bakända samt rygg- och magsidasamt rygg- och magsida

Steg 2: bestämning av segmentenSteg 2: bestämning av segmenten• ””maternal effect genes” styr maternal effect genes” styr

segmentationsgeners uttryck, och dessa segmentationsgeners uttryck, och dessa proteiner styr i sin tur segmenteringen:proteiner styr i sin tur segmenteringen:A. ”Gap genes” grovindelningA. ”Gap genes” grovindelningB. ”Pair rule genes” bestämmer segmentens B. ”Pair rule genes” bestämmer segmentens platsplatsC. ”Segment polarity genes” bestämmer fram C. ”Segment polarity genes” bestämmer fram och bak på varje segmentoch bak på varje segment

Steg 3: Utveckling av segmentspecifika Steg 3: Utveckling av segmentspecifika dragdrag

• Homeotiska gener i specifika kombinationerHomeotiska gener i specifika kombinationer