genetika razvića

Od pojedinačne ćelije do višećelijskog organizma

• Embriologija proučava stupnjeve razvića od oplodjenogjajeta do potpuno formiranog organizma

– u razviću višećelijskog organizma, jednoćelisjki zigot dajepuno različitih tipova ćelija

– svaki tip ćelija je odgovarajuće strukture i funkcije– slični tipovi ćelija su organizovani u tkiva, organe, organske

sisteme

• organizam nastaje iz oplodjenog jajeta kao rezultat trimedjusobno povezana procesa: ćelijske deobe, ćelijskediferencijacije i morfogeneze: ovi procesi se preklapajutokom razvića

• Kroz uzastopne mitotičke deobe, zigot bi dao brojneidentične ćelije, ali kroz deobe, ćelije postajuspecijalizovane po strukturi i funkciji prolazećidiferencijaciju

• Tako diferencirane organizuju se u tkiva i organe• Procesi koji dalje daju oblik organizmu čine morfogenezu

R1

Slide 2

R1 pravi izazov za embriologiju je d apronadje gene i proteine koji kontrolišu razvićeRadak, 02/10/2010

• Rani dogadjaji morfogeneze• postavljaju osnovni plan organizma, veoma rano u

embriogenezi• Ovo uključuje postavljanje glavenog dela embriona životinja ili

korena embriona biljaka

• Kasniji morfogenetski dogadjaji• postavljaju relativne lokacije unutar manjih regiona embriona,

kao što su segmenti beskičmenjaka ili udovi kičmenjaka

Genetička osnova procesa nanajranijem stupnju embriona jepredmet kursa Genetika razvića

• Generalno, šeme morfogeneze kod životinja ibiljaka su veoma različite

– Kod životinja, ali ne kod biljaka, pokreti ćelija i tkiva suneophodni da transformišu embrion u 3-D formu organizma

– Nastavak razvića kod odraslih jedinki životinja je ograničen naćelijsku generaciju, npr. krvne ćelije, koje se moraju stalnostvarati

– Kod biljaka, morfogeneza i rast nisu ograničeni samo nastadijum embriona i juvenilni period već se odigravaju tokomcelog života

– Apikalni meristemi, perpetualni regioni embriona na krajevimapupoljaka i korena, odgovorni su za kontinualni rast biljaka istvaranje novih organa, kao što su listovi i pupoljci.

Organizacija genoma eukariota

…sve vrste su povezane poreklom……svaka vrsta je jedinstvena…..

Homo sapiens, “mlada vrsta”

Ljudi na nivou nukleotida imaju oko98,8% sličnosti sa šimpanzama, ajedinke unutar vrste Homo sapiensmedjusobno se razlikuju u proseku u1/500-1000 nukleotida.

Složenost ne potiče samo od veličine genoma

Organizacija genoma eukariota (životinje)

Sa složenošću organizama povećava se zastupljenost sekvenci u genomukoje ne kodiraju za proteine

aktini, globini, miozin, proteini jajeta, Ig, ....

Histoni, geni za r-RNK (organizator nukleolusa), t-RNK,

Zastupljenost genskih produkata prema funkcijiu ćeliji sisara

Regulacija genske ekspresije

Regulacija genske ekspresije

– prema mestu i vremenuIsti genski produkt se može koristiti na različite funkcije na različitim mestima urazličito vreme

Geni su “upakovani” u hromatin• Aktivacija gena uključuje:

– RNK pol II– Transkripcioni faktori– Aktivatori (ćelijski specifični, tkivno specifični, region specifični, prenosioci

signala)– Koaktivatori, koji uspostavljaju kontakt izmedju aktivator ai transkripcione

mašinerije i utiču na status hromatina• Represija gena uključuje:

– Represore, koji supresiraju transkripciju– Korepresore, koji pomažu represorima da utiču na stanje hromatina

• cis- i trans regulatorni elementi– DNK regioni za koje se vezuju aktivatori i represori, bliski promotoru– mogu biti vrlo udaljeni od promotora – trans elementi

Transkripcioni faktori se vezuju za cis-regulatorne DNK sekvence.TF koriste koaktivatore da otkriju hromatin pomoću acetilize.Represori mogu delovati putem korepresora koji su povezani sa deacetilazom.RNK pol II je asocirana sa puno TF koji formiraju transkripcioni kompleks na promotoru,blisko uzvodno od mesta sa kog počinje transkripcija

Transkripcioni faktori koji se vezuju zaSpecifičnu DNK sekvencu

Različiti tipovi ćelija rezultat su razlika u ekspresijigena u ćelijama sa istom DNK konstitucijom

• Tokom diferencijacije i morfogeneze, ćelije embrionaponašaju se i funkcionišu medjusobno različito,iako su nastale od istog zigota.

• skoro sve somatske ćelije organizma, iakodiferencirane, imaju isti genom, DNK

• Razlike izmedju ćelija u višećelijskom organizmupotiču skoro sasvim od razlika u ekspresiji gena a nerazlika u ćelijskim genomima

• Ove razlike nastaju tokom razvića tako što regulatornimehanizmi pokreću specifične gene on/off

• različiti nivoi regulacijeekspresije gena

• kod eukariota

Kontrola na nivou transkripcije• karakteristična za "specijalizovane" gene koji se

eksprimiraju samo u nekim tipovima ćelija• služi da se obezbedi "prava informacija u pravo vreme“-

odabira se deo genoma koji će se transkribovati.Kontrola na nivou translacije

• obezbedjuje "stvaranje produkta u pravo vreme ufiziološki odgovarajućoj koncentraciji“

• čini da genetička informacija bude dostupna sa željenimintenzitetom

• karakteristična za "housekeeping" (osnovne) gene, onekoji čine osnovu života svake ćelije.

Regulacija ekspresije gena u razviću

Različiti tipovi ćelija stvaraju različite proteine,obično kao rezultat transkripcione regulacije

• Za vreme embrionalnog razvića ćelije postaju vidljivorazličite po strukturi i funkciji– Ishod – ćelijska diferencijacija, uzrokovana je

ekspresijom tkivno specifičnih proteina, koji daju ćelijistrukturu i funkciju

• Rani stupnjevi diferencijacije, koji postavljaju ćeliju upravcu specijalizacije, pokazuju se samo namolekularnom nivou• Diferencijacija počinje pojavom iRNK a završava

vidljivom promenom ćelijske strukture– na kraju tog procesa ćelije su nepovratno odredjene– ako se tako odredjena ćelija prenese na drugo mesto

u embrionu, diferenciraće se prema programu svojeprvobitne pozicije

Sinteza različitih tipova hemoglobinskih lanaca,na različitim stupnjevima razvića i života, u različitim tkivima

• Diferencirane ćelije stvaraju proteineza specijalizovane funkcije

• Ćelije očnog sočiva 80% svog kapacitetatroše na stvaranje samo proteina kristalinakoji formira providna vlakna kojaomogućavaju prolaz i fokusiranje svetlosti

• Mišićne ćelije se razvijaju u embrionu odprekursora sa potencijalom da daju brojnealternativne tipove ćelija (hrskavice, masnećelije, ili višejedarne mišićne)– Diferenciranjem, one postaju MIOBLASTE i

počinju sintezu mišićno-specifičnihproteina koiji se fuzionišu i daju izduženevišejedarne skeltno mišićne ćelije

• Odredjeni mišićno specifični regulatorni geni su aktivni umioblastama i dovode do determinacije mišićnih ćelija– Izolovana je iRNK iz mioblasti u kulturi i uz reverznu transkiptazu

stvorena biblioteka cDNA koja sadrži sve gene koji seeksprimiraju. Kada su ovi geni klonirani i preneti u embrionskećelije prekursore, identifikovano je nekoliko glavnih regulatornihgena koji vode transkripciju i translaciju proteina koji dovodećelije do skeletalnih mišića

• Npr. myoD, transkripcioni faktor– myoD kodira MyoD protein, koji se vezuje za

specifične kontrolne elemente koji stimulišutranskripciju različitih TF, a medju njima i one kojikodiraju druge mišićno specifičneTF

• MyoD takodje stimuliše i održava ekspresiju samog sebe

Primena genetičke analize i DNK tehnologija donela je napredak urazumevanju procesa razvića

sličnosti u mehanizmima koji oblikuju različite organizme– 1995god., identifikovan je gen koji funkcioniše kao glavni prekidač

koji pokreće razviće oka Drosophila• sličan gen pokreće razvoj oka kod riba, sisara..

Eyeless (Ey) gen Drosophila je homolog Pax6 genu miša, Aniridia čoveka...

Kada se eksprimira Pax6 ektopično u embrionima Drosophila, formira seoko kao kod sisaraPax6 protein sisara i Eyeless protein mušica verovatno aktiviraju analogneputeve.

Embrionalno razviće je serija induktivnih dogadjaja– Binarni izbor – izbor izmedju dve sudbine (prisustvo

jednog signala– razviće ide jednim putem , odsustvosignala– razviće ide drugim putem

– Gradijent signala –mogu nastati višestruke sudbine– zavisno od praga ili nivoa signalnog molekula -morfogena)

– Relej– kada signal indukuje kaskadu koja odredisudbinu ćelija u neposrednoj blizini..itd.

regulatorni put – svi elementi zavise jedni od drugihu prenosu informacije, npr signalni putevikolo – šire od puta. Ishod regulatornih puteva mogu biti različiticiljni geni koji se povezuju u kolo

baterija ciljnih gena – pojedini geni regulišu ekspresiju više drugih gena

regulatorna mreža – grupa regulatornih kolahijerarhija – organizovanje mreža prema vremenu aktivacije,

vertikalno, horizontalno

Da bi se razumeli opšti biološki principi i zakonistostiprocesa, koriste se model organizmi

• Za istraživanja veza izmedjugena i razvića, pogodni modelorganizmi imaju kratakgeneracijski period i malegenome pogodne zagenetičku analizu

• http://www.ncbi.nlm.nih.gov/• Drosophila melanogaster,

nematoda - Caenorhabditiselegans, miš - Mus musculus,riba zebrica - Danio rerio,biljka - Arabidopsis thaliana

• Drosophila melanogaster prvi putkoristio T.H. Morgan– Sitna i lako se gaji u laboratoriji– Kratak generacijski period i brojno

potomstvo– Ogroman broj informacija o genomu i

drugim aspketima biologije vrsta– Medjutim, prve mitoze se odigravaju

bez citokineze pa su delovi razvićadosta različiti od drugih

– Genom sekvenciran 2000. godine• 140 Mb, oko 15,700 gena.

Caenorhabditis elegans prirodno živiu zemlji ali se i gaji u petri šoljama

– Samo 1mm, jednostavnog,providnog tela sa nekoliko tipovaćelija, a od zigota do adultanaraste za 3,5 dana

–– hermaphrodit, lako se detektuju

recesivne mutacije• Samooplodnja heterozigota daje

delom u potomstvu recesivnehomozigote sa mutantnimfenotipom

– rani adult C. elegans ima tačno959 somatskih ćelija

• One nastaju od zigota skoro naisti način u svakoj jedinki

• Pod mikroskopom je mogućepratiti nastanak ćelijskih linija utelu, transparentan organizam

mali genom,100 Mb, oko 45 000 gena

• Mus musculus

– 2 600 Mb,oko 40,000 genaslično kao genom čoveka

Danio rerio riba zebrica, ima nekeposebne prednosti

• 1 500 Mb, oko 42 000 gena• Sitna (2–4 cm) lako se razmnožava u

laboratoriji– transparentni embrioni se razvijaju van

tela majke– mada je generacijsko vreme 2-4

meseca, rani stupnjevi razvića su brzi• Već 24 h nakon oplodjenja, većina

tkiva i rane verzije organa su formirani• Naon 2 dana jedinke se izležu

• Arabidopsis thaliana(familija slačica).– Jedna biljka stvara hiljade

potomaka nakon 6-10nedelja

– hermafrodit, svaki cvetstvara gamete oba pola

– U genetičkoj manupulacijikoristi se za transformaciju,ubacivanjem strane DNK ukulturi ćelija

– relativno mali genom, oko118 Mb, oko 30 000 gena

• Genom – ukupna DNK jednog organizma (ćelije)– jedarni, vanjedarni genom (nDNK, mtDNK, cpDNK)

• Genomika, transkirpotomika• sekvenciranje, variranje genoma unutar populacije, transkripcionu

kontrolu, odgovor organizma na promenu sredine• Proteom –ukupan sadržaj proteina u organizmu (ćeliji)• Proteomika• sekvenciranje proteina, interakcije molekula, signalnih puteva• Mnogi smatraju 21. vek postgenomskom erom

• Svaka ćelija ima isti genom, istu DNK sekvencu sa kojom se radja, alisvaka ćelija u telu ima drugačiji proteom, a on se menja i kroz vreme.– Pri infekciji, proteom se menja u ćelijama, kao imuni odgovor. Lekovi,

vežbanje, ishrana..proteomi se menjaju kao odgovor na fluktuacije iunutarćelijskoj i medjućelijskoj sredini.

• Interakcija molekula unutar ćelija: DNK, proteina, lipida, karbohidrata

• Prelaz sa klasičnog razmišljanja “jedan gen-jedan protein-jedanfenotip na razumevanje složenih fenotipova

“omics”