Entwicklungsgenetik II

superfiziell

synzytiales Blastoderm

(Ergebnis von Kernteilungen ohne Zellteilungen)

Nach der 8. und 9. Kernteilung wandern 2-3 Kerne in das posteriore Ende des Embryos und werden einzeln in Polzellen eingeschossen, die die spätere Keimbahn bilden.

Beweis für Polzellen-induzierende Determinanten des posterioren Kernplasmas:

Posteriores Cytosplasma aus der Polregion eines Spenderembryos, der sich in der Kernvermehrungsphase befand, wurde in den anterioren Teil eines gleichalten Empfängerembryos mit einer feinen Glaspipette transferiert.

Im weiteren Verlauf der Entwicklung wanderten Kerne sowohl in die Peripherie nach anterior und posterior und bildeten dort Polzellen aus.

Um nachzuweisen, dass diese anterioren Polzellen auch zu Keimzellen werden, hat man in einem anschließenden Experiment diese zwischen die Polzellen eines weiteren Empängerembryos injiziert. Kreuzungsexperimente belegten, dass die Wirtsfliegen Gameeten vom Genotyp der anterioren Polzellen der Spenderfliege in produzieren konnten.

Wanderungen der Polzellen zusammen mit dem hinteren Teil des Embryos auf der Dorsalseite nach anterior

Die Epidermiszellen der Larve sezernieren ein Cuticula nach außen hin. Auf der ventralen Seite, auf den Vorderrand der Thorakal- und Abdominalsegmente, bildet diese Cuticula Hartstrukturen aus. Diese Bereiche sind die Dörnchenfelder oder Zähnchenbänder.

Viele die Frühentwicklung betreffende Mutanten von Drosophila erhielten ihren Namen von Phänotypen, die sich auf das Dörnchenfeld auswirken z.B hedgehog

• Kopfskelett
• Filzkörper
• 3 Thorakalsegmente
• 8 Abdominalsegmente
• Dörnchenfeld

Telson

Imaginalscheiben = Vorläuferstrukturen fast aller äußeren Anhänge des Kopfs und des Thorax:

Rüssel, Augen , Antennen, Beine, Flügel, Halteren

Angelegt im Blastodermstadium

Ziel = Gene finden, die homozygot letal in der frühen Embryonalentwicklung sind

Beschreibung zu lange für Studydrive

• Kopf Gap Gene
• Zentrale Gap Gene z.B Krüppel (kr)
• Posteriore Gap Gene z.B Knirps
• Terminale Gap gene

buttonhead --> Zinkfinger

giant --> basische ZIP-Domäne

hunchback --> Zinkfinger

knirps --> Steroidrezeptor

Maternale Faktoren > Gap Gene > Paarregel Gene > Segmentpolaritätsgene

• bicoid --> anteriores Sytem
• nanos --> posteriores System
• torso, torso-like --> Terminales System
• caudal
• dorsal

even-skipped --> Homöodomäne

fushi-tarazu --> Homöodomäne

hairy --> helix-loop-helix

odd-skipped --> Zinkfinger

engrailed --> Homöodomäne

wingless --> kein TF, sondern sezerniert Signalmoleküle

cubitus interruptus --> Zinkfinger

konservierte 30 AS --> Cys2/His2 + Cys4 mit Zink Ionen (Zi 2+)

konservierte 50 As --> 2 alpha-helices mit vielen basischen AS

konservierte 60 AS --> helix-loop-helix-turn-helix + Q50

amphiphatische alpha-helix --> hydrophobe und hydrophile Seite

Dimer --> Superhelix mit vielen basischen AS

Morphogen

= Signalmolekül, das konzentrationsabhängig Morhpohenese steuert

• richtige Menge an Genprodukt
• Expression zu richtiger Zeit
• an richtigem Ort

fz-Kontrollregion::LacZ

--> Klonierung in P-Element und Transformation in WT Drosophila

--> Einkreuzen für homozygot

fz+ Phänotyp zeigt bei In-situ Hybridisierung normale fz- Expression an (Paarregel Gen --> 7 Streifen)

Wie kann man damit etwas nachweisen?

Mann kann nur verschieden Bereiche der Kontrollregion klonieren

z.B Beim Experiment mit fushi-tarazu von Ehrig sah man richtige Expression nur, wenn man 6000bp der Kontrollregion vor Reporterkonstrukt klonierte

*Zeichnung hier in App einfügen*

ubiquitär im Embryo in der Membran

Rezeptor-Tyrosin Kinase

Ligand = Trunk-Protein

Rezeptor =

torso

RAS

RAF

MAP Kinase

tailless/hucklebein

Analyse von Doppelmutanten des Terminalen System???

--> nochmal nachgucken!!!

maternale Effektoren --> Terminales System

anteriores System -->

bicoid

posteriores System -->

nanos

trunk

corkscrew

Differenzierung, Apoptose

• Makrocephalus
• später Fontanellenschluss
• Polydactylie der Hände und Füße
• partielle Syndactylie der Finger und Zehen I bis V

Ligand =

hedgehog

= Autoprotease

Rezeptor=

Patched (Ptch)

= G-Protein coupled Rezeptor +

Smoothened (Smo)

(Signalweg:

Fused (Fu) + Suppressor of Fused (SuFu)

-->

Gli

Transkriptionsfaktoren:

Drosophila =

cubitus interuptus (ci)

Vertebraten =

Glioblastoma (gli) 1-3

Zielegene: Cycline und

Myc

• Segmentpolaritätsgen
• sezerniertes Protein
• nicht in C.elegans

Shh

Dhh

Ihh

hedgehog (hh)

inhibiert

Patched (Ptch)

inhibiert

Smoothened (Smo)

autoproteolytische Spaltung:

C-terminale Domäne führt Autolyse durch, bei der ein Cholesterol abgespalten wird; an die N-terminale Signaldomäne wird in einem weiteren Schritt durch eine Acyltransferase Palmitinsäure angehängt; das nun auf beiden Seiten modifizierte Protein kann nun durch die Plasmamembran hindurchdiffundieren

Cyclopamin inhibits the synthesis of Cholesterol: no active Hedgehog protein ! 

--> viele Paper sagen, aber dass es an Smo bindet...

--> Cyclopia

hedegehog

Patches (Ptch)

Smoothened (Smo)

Cycline

myc

Segmentpolaritätsgen

hedegehog

inhibiert

Ptch

, der

smo

inhiiert, also aktiviert

hedgehog smo

• Polydactylie
• Verschmelzung der Vorderhirns
• patched-Mutanten --> Basalcarzinom BCC
• Cholesterin-modifications inhibitor: cyclopic sheep

Daumen Seite = anterior

kleiner Finger Seit = posterior

hoch --> posterior

niedrig --> anterior

ZPA = Zellcluster in der sich entwickelnden Extremitätenknospe der Vertebraten

Eine Verpflanzung eines Teils der ZPA auf die gegenüberliegende Seite der Extremitätenknsope führte im weiteren Lauf der Entwicklung zu einer spiegelbildlichen Verdoppelung der Finger

Sonic hedgehog Shh

Morphogen

= Signalmolekül, das diffundiert, einen Gradienten ausbildet und in bestimmten Konzentrationen bestimmtes Schicksal hervorrufen kann

Entfernung zur Quelle --> Konzentration des Morphogens --> Positionsinformation

bicoid

= maternales Gen bei Drosophila-Entwicklung

definiert posterior im Embryo --> bicoid Mutante = 2 Hinterenden

nanos

=umgekehrt bicoid

"french flag Modell"

Das Morphogen breitet sich durch Diffusion aus und verdünnen sich über die Distanz. Zielgene um den Sezernierungsort haben eine niedrige Bindungsaffinität zum Morphogen und werden nur durch sehr hohe Konzentrationen des Morphogens aktiviert, während Zielegene weiter weg eine höhere Affinität dazu besitzen und auch durch die kleineren, ausgedünnten Konzentrationen aktiviert werden.

Polydactylie/Syndactylie durch Fehler in der Ausbreitung von Retinsäure und in weiterer Folge

Sonic hedgehog Shh

Nematoda = Fadenwürmer

• definierter Zellstammbaum mit stereotyp ablaufender Entwicklung und fester Zellzahl
• Heramphroditenkreuzung --> Homozygotie in F2
• schnelle Embryogenese 15h bei 20C und 12h bei 25C
• frühe Embryonalstadien können eingefroren werden
• klein und einfach zu halten

Apoptose (2002)

RNAi (2006)

Mechanismen z.B Apoptose integral für Entwicklung und stark konserviert

• Schrumpfen der Zellen
• "blebbing" der Plasmamembran (combination of dynamic protrusion and retraction events)
• nukleäre Kondensation
• DNA Fragmentierung

• Durchlöcherung der Plasmamembran
• Anschwellen der Zelle und Zellorganellen
• Lyse der Zelle

--> Beschädigung umliegender Zellen; Entzündung

• Fingerentwicklung
• Keimzellendegeneration
• Einschmelzen des Schwanzes der Kaulquappe
• geschlechtspezifische Gene bei C.elegans
• Entfernen von Virus-geschädigten Zellen
• Entfernen von Tumorzellen

CASPasen

--> proteolytische Enzyme

--> Cys im aktiven Zentrum

--> Ced9, Ced3. Ced4

60-80%

+ ca. 42% derhuman disease genes z.B Alzheimer, Huntington, Spinale Muskelatrophie

Wnt bindet an Transmembranrezeptor Frizzled (Frz) mit dem Co-Protein Dishevelled; aktives Dishevelled inhibiert den Destruktionskomplex, der bei inaktiven Wnt das im Cytoplasmakonzentrierte beta-Cathenin qubiquitieren und so dem Proteasom zum Abbau freigeben würde; ...

"planar cell polarity"

Konvergente Extension bei Gastrulation und Neurulation

Keimbandverlängerung bei Drosophila

Ausrichtung der Haare der Säugetiere

Ausrichtung der Haare auf Drosophila Flügel

Ausrichtung der Rezeptoren in dem Ommatidien der Komplexaugen der Insekten

Spina bifida

PCP Mutanten der Sinneshaarzellen-tragenden Zellen im Innenohr --> Schwerhörigkeit bzw. Hörlosigkeit

Zellflächen interkalieren und strecken sich, es kommt zur Verlängerung des Gewebes ohne Zellteilung

x

x

x

Crystall-initation Modell:

3 Dishevelled und 10 Frizzled Orthologe

PCP Signalweg oft nur in inneren Geweben wie Innenohr aktiv und Zugang dazu schwer

• links 2, rechts 3 Lungenflügel
• Herz links
• Magen und Milz links
• Leber rechts

inversus --> totale rechts-links-Umkehr der inneren Organe

• vermehrte Mittelohrentzündungen
• vermehrte Eileiterschwangerschaften
• häufige Infekte der oberen Atmewege

linker Isomerismus --> beide Körperhälften gelichen der eigentlich Linken: 2-lappige, symmetrische Lungenflügel, symmetrisches Herz und Magen, mehrere, kleine Milzlappen (Polysplenie)

rechter Isomerismus --> rechtsseitig dupliziert: 3-lappige Lungenflügel, Herz und Leber symmetrisch und mittig, Milz fehlt (Asplenie)

Heterotaxien einzelner Organe

optimale Packung innerer Organe für einen aktiveren Lebensstil

2-Cilien-Hypothese

Monocilien (9+0) rotieren nach links--> Sensorische Cilien daneben werden aktiviert und geben vermehrt Ca2+ ab --> CA2+ Konzentration steigt --> daurch bekommt Notch höhere Affinität zu Delta --> Delta/Notch Signalweg aktiv --> Antoß Nodal + positive feedback loop von Notch --> Nodal aktiviert Tf pitx-2 + positive feedback loop von Nodal --> linkes Schicksal

(beim Huhn steigt die Ca2+ KOnzentration durch eine Änderung des Membranpotentials)

Maus --> Primitivknoten

Xenopus --> Spemann Organisator

Fisch --> Kupfferscher Vesikel

Hühnchen --> Hensen Knoten

Zugabe floureszenzmarkierter Mikrobeats