Embriologie ZSO-4-Basisprincipes-van-de-regulatie-van-de-vroege-ontwikkeling PDF

Preview

Summary

Download Embriologie ZSO-4-Basisprincipes-van-de-regulatie-van-de-vroege-ontwikkeling PDF

Description

1 PRINCIPES VAN DE ONTWIKKELINGSBIOLOGIE DEEL 1: Inleiding Ontwikkelingsbiologie = Bestudeert het proces waarmee organismen groeien en ontwikkelen -> Bestuderen van de genetica van celgroei, cel differentiatie en morfogenese × Uitgaande van 1 enkele cel (De zygote) wordt een complex functionerende organisme opgebouwd -> Geld voor alle meercellige organismen -> Aantal cellen zal toe nemen door klievingsdeling -> Differentiatie leidt tot taakverdeling van de cellen -> Patroonvorming brengt ordening in groepen van cellen -> Morfogenese vormt de patronen om tot structurele functionaliteiten Al deze processen w beheerst door moleculaire interacties: Regulatie van de genexpressie -> Verschillen in de genexpressie in cellen leidt tot verschillen in cel status -> Verschillen in de cel status veroorzaken verschillen in cel gedrag -> Verschillen in cel gedrag leiden tot differentiatie -> Regulatie van de genexpressie kan zowel kwalitatief (welke genen activeren) als kwantitatief (mate van expressie)

1.

Signalisatie: Receptoren op de celmembranen -> Ligand, signaal molecule bindt op de receptor -> Pathway w geopend -> Aan het einde van de pathway w een eiwitmolecule (SPRE) geactiveerd -> Eiwitmolecule kan in de kern de transcriptie ve bepaald gen veranderen OPMERKING:

Pathways leiden niet tot 1 enkel gen maar naar een hele reeks van genen -> Hangt grotendeels af van de concentratie v.h. SPRE

Wordt nog verder verfijnd door co-activatie -> Tussen promotor en enhancer w eiwitcomplexen ingebouwd -> Belangrijke invloed op de transcriptiesnelheid -> Hoe complexer het co-activatie systeem, hoe verfijnder de regulatie Transcriptiefactoren =

Zijn eiwitten die functioneren in de regulatie ve reeks andere genen door activatie of suppressie v.h. co-activatiesysteem -> Krachtigste regulatoren OPM.

De genen die zelf voor transcriptiefactoren coderen w op hun beurt zelf gereguleerd door andere transcriptiefactoren -> Ontstaat een meertraps regelmechanisme

Veel pathways in de cel kunnen alternatieve wegen volgen -> Boven een drempelwaarde van een intermediair w de alternatieve weg gevolgd -> Leidt in veel gevallen tot een intermediair van een andere pathway -> Deze interacties beheersen de ontwikkeling

2 Slechts 7 signaling pathways spelen een significante rol in de differentiatie tijdens embryogenese -> Groot aantal mogelijke downsteam targets -> Cellen met oorspronkelijk gelijke cel status krijgen een concentratie-afhankelijk verschil in respons op het zelfde signaal -> Concentratie gebonden proces is vaak gekoppeld met aanbrengen van positionele info in de cellen Negatieve feedback voorkomt over expressie -> Complexe feedback lussen tussen verschillende pathways (apoptose) OPM. Pathway interactie leidt tot patroonvorming 2.

Methylering (selectief) -> Heeft een sterk remmende effect op de transcriptie -> Altijd ter hoogte van CpG eilandjes

3.

Acetylering -> Stimuleert de transcriptie -> Ontvouwen van het DNA OPMERKING:

4.

Methylering en acetylering zijn episystemen (op het DNA)

mRNA’s en µRNA’s -> Kunnen binden op het DNA als een soort transcriptiefactor -> mRNA van intronen kan dienen als transcriptiefactor -> mRNA v.h. nonsens genoom kan dienen als regulatie vd activiteit van genen CODEREN BEIDE NIET VOOR PEPTIDEN

× Cellen met verschillende cel status beïnvloeden elkaar door signaaluitwisseling × Patroonvorming tijdens de klievingsfase leidt tot vorming v.d. blastocyste -> Moleculaire principe is gelijk lopend in verschillende diergroepen Het vastleggen van lichaamsassen is een onderdeel van patroonvorming -> Spelen ook intrinsieke en externe factoren een rol

Gastrulatie =

Omvorming van tweebladig naar driebladig stadium -> Worden de definitieve kiembladen v.h. embryo gevormd

3 DEEL 2: Grondbegrippen van pathway regulatie Hoofdstuk 1: Selectieve genregulatie 1.1 CEL STATUS Cel status =

Het totale patroon van de gen activiteit in een cel op een welbepaald ogenblik

Elke verandering in gen activiteit leidt tot een verandering v.d. cel status -> Som van al deze veranderingen is de embryologische ontwikkeling -> Opgelegde veranderingen in de cel status zijn essentieel voor het doen ontstaan van georganiseerde eenheden v.h. bouwplan De verschillen in genexpressie controleert 4 essentiële processen 1. Cel proliferatie 2. Cel specialisatie/ differentiatie 3. Cel interacties 4. Cel beweging

Differentiatie =

De verzamelnaam voor de processen die er toe leiden dat cellen structureel en functioneel van elkaar gaan verschillen -> Begint als in de ene dochtercel een gen (of meerdere) wordt aan- of uitgeschakeld door een eiwitcomponent (determinant) terwijl dat in de andere dochtercel niet gebeurt -> Opeenvolging van selectieve aan- en uitschakeling van genen -> Gradueel proces -> Gebeurt in een welbepaalde volgorde en op het juist ogenblik Vaste sequentie is een cascade

1.2 FATE MAPPING Reconstructie vd differentiatie is zover gevorderd dat op elk moment vd ontwikkeling de toekomstige differentiatiegebieden nauwkeurig kunnen w afgebakend op het embryo in een fate map Fate map =

De projectie van toekomstige differentiatiegebieden op een plat vlak 

Bij een bolvormig stadia (Blastocyste) -> Projectvlak door het middelpunt vd bol -> Toekomstige kopeinde links Toekomstige achtereinde rechts -> Dorsaal licht boven Ventraal licht beneden



Bij een bilateraal symmetrisch stadia (Gastrula) -> Projectvlak evenwijdig met de raaklijn aan het middelpunt v.d. rug -> Toekomstig kopeinde boven Toekomstig achtereinde onderaan

4 1.3 STATUS VAN DIFFERENTIATIE Voorbestemming =

In welk cel- of weefseltype een cel of een groep van cellen zich onder normale omstandigheden zal ontwikkelen -> Elke cel volgt een vaste differentiatielijn afhankelijk van zijn positie -> Kan bepaald worden door het reconstrueren van opeenvolgende fate maps OPMERKING:

Determinatie =

Wanneer men zo’n cel in ongedetermineerde staat transplanteert naar een andere regio dan verloopt zijn ontwikkeling niet volgens zijn oorspronkelijke voorbestemming

Gedetermineerde cellen zijn zover gedifferentieerd dat omgevingssignalen geen verandering in hun differentiatie patroon meer veroorzaken -> De voorbestemming is definitief OPMERKING:

Zelfs na transplantatie en in neutraal kweekmedium zullen deze cellen tot het voorbestemde celtype ontwikkelen

Regionale determinatie = Brengen bepaalde genen tot expressie die markers zijn voor een bep. positie zone in het lichaam VOORBEELD: Kippen poot en vleugel -> In het kippenembryo ontstaat de poot en de vleugel ongeveer op hetzelfde tijdstip -> Ontstaan beide uit tongvormige knoppen die uit de flank steken -> Bestaan beide uit spier, bot en huid -> Hebben bijna dezelfde constructie -> Op het moment van ontwikkeling zijn de cellen al gedetermineerd -> Een klein stukje uit de poot, dat normaal dij w getransplanteerd w naar de top vd vleugelknop -> Ontstaat geen dij-bot en geen vleugel stukje Maar Tenen -> De cel was gedeeltelijk gedetermineerd vr “poten” maar niet vr welk deel daarvan

5 Specificatie =

Cel is gedifferentieerd maar niet gedetermineerd De cel is nog steeds gevoelig voor signalen uit de omgeving -> De toegankelijkheid van bep. genen wordt beperkt, maar kan voor een deel opgeheven w -> Potentiële herprogrammatie UNIEK VOOR DE EMBRYONALE FASE Niet meer mogelijk in foetale fase -> De cel is pluripotent OPMERKING:

Na transplantatie zal de cel zich in een andere richting ontwikkelen dan zijn normale voorbestemming In een neutraal kweek medium zal de cel ontwikkelen tot het voorbestemde celtype

Signaling pathway =

De weg vanaf het intracellulaire domein vd receptor t.e.m. vorming SPRE -> Moleculaire kettingreactie

De cel status bepaalt welke van de targets toegankelijk zijn -> Toegankelijke genen w in een vaste volgorde geactiveerd -> Volgorde w bepaald door de concentratie SPRE Drempelwaarden voor SPRE -> Genen met een lagere drempelwaarde (upstream) w eerder geactiveerd dan genen met een hogere drempelwaarde (downstream)

1.

Apoptose -> Geprogrammeerde celdood -> Mechanisme om cellen met beschadigd genoom te verwijderen -> Komt vooral voor bij de opdeling van continue massa weefsel in afzonderlijke eenheden VOORBEELD: Vorming vingers en tenen

-> Apoptose w door verschillende mediatoren geïnitieerd -> Mechanismen voor inductie van apoptose: a. Inhibitie van genen die de celdeling in goede banen leiden b. Inductie van proteïnen die DNA fragmenteren c. Interferentie met de genen die het DNA checkpoint beheersen d.

2.3 COMPETENTIE

Verschillende signalen kunnen 1 zelfde gen activeren maar op een verschillend tijdstip in de ontwikkeling -> Verschillende cel status

6 -> Competentie is geheel afhankelijk vd celstatus Eenzelfde signaalmolecule kan gebruikt w voor verschillende celtypes -> Door verschil in cel status reageren de targetcellen op verschillende manieren VOORBEELD: GDNF -> Fungeert als signaalmolecule in de gonaden, hersenweefsel, bindweefsel en epithelia -> Met telkens een verschillende respons Opmerking:

De cel status veranderd door het signaal De competentie ve cel voor een welbepaald signaal is van beperkte duur

3.1 PRINCIPE VAN POSITIONELE IDENTITEIT Algemeen

Regulatie van de eiwitsynthese is de controle van de ontwikkeling -> Genen bepalen welke eiwitten waar en wanneer worden aangemaakt Er ontstaan interacties tussen verschillende eiwitten en tussen genen en eiwitten -> Het zijn de interacties die bepalen hoe de ontwikkeling verloopt =endogene trigger Bij verschillende processen is ook beïnvloeding van buiten uit vereist

Differentiatie in het embryo moet al vroeg in de ontwikkeling gebeuren -> Er moet een patroon worden aangebracht (patroonvorming) -> Belangrijkste basismechanisme van patroonvorming is positionele identiteit Positionele identiteit 1.

Een veld van cellen met gelijke cel status w onderworpen aan 1 of meerder gradiënten -> De cellen krijgen zo een identiteit, positionele waarde afhankelijk aan hun positie in het veld

2.

De cellen interpreteren hun positionele waarde -> Verandering van cel status -> Door het upstream-downstream principe een verschillende differentiatie ondergaan

OPMERKING:

Positionele waarde en interpretatie zijn onafhankelijk van elkaar -> Geen vooropgezette relatie Hoe de interpretatie gebeurt hangt af van de status van de cellen op dat ogenblik -> Welke pathways staan open op dat moment en welke genen zijn toegankelijk

Er kunnen verschillende patronen gevormd worden:  Eendimensionaal patroon Langs 1 coördinaat Lineair -> Gradiënt werkt rechtstreeks op de targetcellen 

Planimetrisch patroon 2 onafhankelijke gradiënten werken simultaan

7 plat vlak 

3 dimensioneel patroon Combinatie van planimetrische patronen



Nog ingewikkelder ruimtelijk patroon Een of meer gradiënten activeren een keten van genen Het samengesteld expressiepatroon genereert de positionele waarde ,hierdoor ontstaan ingewikkelde ruimtelijk patronen met interne sequentiële verschillen

3.2 FRECH FLAG MODEL Model om het principe van positionele waardes te verduidelijken De Franse vlag bestaat uit drie gelijke banen -> De grootte van de vlag staat niet voorgeschreven -> De vlag kan in alle afmetingen voorkomen maar de 3 gelijke banen blijven behouden Gegeven een vel van cellen met dezelfde graad van differentiatie, waarbij elke cel afzonderlijk de capaciteit bezit om een rode, witte of blauw kleur aan te nemen. De afmeting van het veld is niet bepaald

Gebaseerd op een rechtstreekse gradiënt -> De concentratie vd oplosbare signaalmolecule (morfogeen) neemt van het ene eind naar het andere af -> De positie van elke cel in dat veld komt overeen met 1 welbepaalde concentratie vh morfogeen OPM.

De concentratie gradiënt moet constant blijven over voldoende tijd -> Aan 1 zijde vh veld gebeurt synthese vh morfogeen Aan de andere zijde degradatie of inhibitie

De kleur wordt bepaald door drempelwaarden vd concentratie vh morfogeen -> Als een bepaalde drempelwaarde vd concentratie vh morfogeen overschreden w veranderd de respons van de cel 

Drempelwaarde vertegenwoordigt de hoeveelheid morfogeen die op de receptoren moet gebonden w om een intracellulair signaalsysteem op gang te brengen (pathway activatie principe)



Drempelwaarde stemt overeen met de concentratie aan transcriptiefactoren, die nodig is om een volgend target in de pathway te activeren (upstream-downstream principe)

2.3 LATERALE INHIBITIE Veel voorkomende vorm: Delta-Notch complex 1.

Alle cellen zijn in de aanvangsfase gelijk -> Produceren zowel Delta-proteïne als de Notch-receptor Koppeling tussen Delta en Notch zorgt dat: 1. De productie van Delta dalen 2. De productie van Notch toeneemt Een zeker tijd houden de cellen elkaar in evenwicht -> Dit is echt labiel

8 2.

Door toeval zal 1 vd cellen op een bepaald ogenblik meer Delta en minder Notch produceren dan naburige cellen cellen zullen andere richting inslaan

3.

Cellen die meer Notch produceren reguleren zichzelf naar meer Notch en minder delta -> Zelf versterkend effect

4.

Uiteindelijk zal 1 cel enkel Delta produceren en de andere cellen enkel Notch receptoren en zo delta ontvangen -> Verschillende celtypes zijn ontstaan

VOORBEELD: Verdeling van veren over de huid bij vogels : 1. In begin zijn alle cellen equivalent; Delta en Notch houden elkaar in evenwicht. 2. Door toeval zal 1 cel meer delta produceren dan de naburige cellenvorming delta in naburige cellen wordt afgeremdexpressie Notch neemt toe 3. Cellen die minder delta en meer notch maken hebben minder kans om een sterker signaal te produceren dan hun burenonststaan signaalzenders en ontvangers

ZELFTOETS A. KENNISVRAGEN 3. Wat is een fate map? Hoe worden fate maps vd ontwikkelingsstadia de Anamnia georiënteerd? 4. Wat zijn de conventies bij de oriëntatie ve fate map ve amniote gastrula Reconstructie vd differentiatie is zover gevorderd dat op elk moment vd ontwikkeling de toekomstige differentiatiegebieden nauwkeurig kunnen w afgebakend op het embryo in een fate map Fate map =

De projectie van toekomstige differentiatiegebieden op een plat vlak 

Bij een bolvormig stadia (Blastocyste) -> Projectvlak door het middelpunt vd bol -> Toekomstige kopeinde links Toekomstige achtereinde rechts -> Dorsaal licht boven Ventraal licht beneden



Bij een bilateraal symmetrisch stadia (Gastrula) -> Projectvlak evenwijdig met de raaklijn aan het middelpunt vd rug -> Toekomstig kopeinde boven Toekomstig achtereinde onderaan

5. Wat zijn de gradaties van differentiatie? Wat zijn de verschillen? Voorbestemming =

In welk cel- of weefseltype een cel of een groep van cellen zich onder normale omstandigheden zal ontwikkelen -> Elke cel volgt een vaste differentiatielijn afhankelijk van zijn positie -> Kan bepaald worden door het reconstrueren van opeenvolgende fate maps OPMERKING:

Wanneer men zo’n cel in ongedetermineerde staat transplanteert

9 naar een andere regio dan verloopt zijn ontwikkeling niet volgens zijn oorspronkelijke voorbestemming

Determinatie =

Gedetermineerde cellen zijn zover gedifferentieerd dat omgevingssignalen geen verandering in hun differentiatie patroon meer veroorzaken -> De voorbestemming is definitief OPMERKING:

Zelfs na transplantatie en in neutraal kweekmedium zullen deze cellen tot het voorbestemde celtype ontwikkelen

Regionale determinatie = Brengen bepaalde genen tot expressie die markers zijn voor een bep. positie zone in het lichaam VOORBEELD: Kippen poot en vleugel -> In het kippenembryo ontstaat de poot en de vleugel ongeveer op hetzelfde tijdstip -> Ontstaan beide uit tongvormige knoppen die uit de flank steken -> Bestaan beide uit spier, bot en huid -> Hebben bijna dezelfde constructie

-> Op het moment van ontwikkeling zijn de cellen al gedetermineerd -> Een klein stukje uit de poot, dat normaal dij w getransplanteerd w naar de top vd vleugelknop -> Ontstaat geen dij-bot en geen vleugel stukje Maar Tenen -> De cel was gedeeltelijk gedetermineerd vr “poten” maar niet vr welk deel daarvan

Specificatie =

Cel is gedifferentieerd maar niet gedetermineerd De cel is nog steeds gevoelig voor signalen uit de omgeving -> De toegankelijkheid van bep. genen wordt beperkt, maar kan voor een deel opgeheven w -> Potentiële herprogrammatie UNIEK VOOR DE EMBRYONALE FASE Niet meer mogelijk in foetale fase -> De cel is pluripotent OPMERKING:

Na transplantatie zal de cel zich in een andere richting ontwikkelen dan zijn normale voorbestemming In een neutraal kweek medium zal de cel ontwikkelen tot het voorbestemde celtype

INZICHTSVRAGEN

10 Fate map =

De projectie van toekomstige differentiatiegebieden op een plat vlak 

Bij een bilateraal symmetrisch stadia (Gastrula) -> Projectvlak evenwijdig met de raaklijn aan het middelpunt vd rug -> Toekomstig kopeinde boven Toekomstig achtereinde onderaan

47. Kan een zelfde signaalmolecule tegelijkertijd als competentiesignaal in de ene cel en als activatiesignaal in een andere cel werken? Ja, er zijn maar 7 verschillende pathways om een embryo te maken Competentie signaal: De cel maakt zich klaar om op het activatie signaal gepast te kunnen reageren -> Receptor vormen

48. Welke condities veroorzaken onderexpressie van een gen? Methylering Te weinig transcriptie factoren Pathway incompetentie Gen deletie Mutatie promotor regio … 49. Welke condities veroorzaken overexpressie van een gen? Acetylering Meer enhancers Gen duplicatie Meer transcriptie factoren

11 …

12

13 VRAAGSTUKKEN GEGEVEN: Een embryo van Xenopus in pre-bastula stadium w onder een hoek, die loodrecht staat op de lijn van nieuwkoopcentrum naar prenetratiepunt, middendoor gesneden. GEVRAAGD: Wat zal de ontwikkeling van twee helften inhouden? Beredeneer de ontwikkeling van elke helft afzonderlijk OPLOSSING:

Volgens de anterior-posterior as (As loodrecht op de dorso-ventrale as) A wordt de ventrale helft (links) en B de dorsale helft (rechts) B heeft nieuwkoopcentrum: Dit w allemaal zenuw -> Veel B-cathenine, dus inductie van Nodal -> Stijle gradiënt dus weinig mesoderm A heeft geen nieuwkoopcentrum: Geen hersenen, wordt meer endoderm -> Ook veel mesoderm GRADIËNTEN VAN VegT, Vg1 en B-cathenine...