Hox geny a tělní plán
Objev genů určujících tělní plán
drozofily
Nobelova cena za fyziologii a medicínu 1995
Objev 15 genů určujících tělní
plán drozofily (gap genes,
pair-rule genes, segment
polarity genes)
Christiane
Nüsslein-Volhard
Eric Wieschaus
Objev homeotických genů,
princip kolinearity
Edward B. Lewis
Určení předozadní osy embrya drozofily
Maternální geny (maternal genes) – určené
předozadní osy
- ve formě mRNA dodány z nutritivních buněk
- některé předozadní gradient (Bicoid, nanos)
- některé uniformní distribuce (hunchback,
caudal)
- fce: aktivace transkripce genů a represe
translace mRNA
Mezerové geny (gap genes) – určují větší
celky, mutace ztráta celých segmentů
Př:
- orthodenticle, empty spiracles, buttonhead –
aktivovány v hlavě genem Bcd
-Krüppel – mutace = ztráta hrudi a začátku
zadečku
Určení předozadní osy embrya drozofily
Geny párového pravidla (pair-rule genes) –
určují liché/sudé segmenty
Př. hairy, even skipped, runt
Geny polarity segmentů (segment polarity
genes) – ustavují předozadní polaritu v
každém segmentu
Př: wingless – exprimovaný na anteriorní
hranici segmentu
-engrailed - exprimovaný na posteriorní
hranici segmentu
Homeotické geny (homeotic/hox genes) –
určují charakter segmentů
Hox geny u drozofily
Homeotické mutace
Homeosis – přeměna větší struktury v jinou
(např. tykadlo v nohu)
Antennapedia
Kolinearita – časová i prostorová exprese
odpovídá pořadí genů na chromosomu
Homeotické geny jsou konzervativní - stejná funkce u
drozofily i obratlovců
Ultrabithorax
Otx geny
• Nejvíce anteriorní oblast je řízena Otx
geny („head gap genes“)
• Homeoboxové TFs mimo Hox klastr
• Nejsou řízeny Hox ani pair-rule geny
• Navzájem se neregulují
• U drozofily 3 – orthodenticle, empty
spiracles a buttonhead
• U obratlovců Orthodenticle a empty
spiracles – podobná funkce
konzervativní
Geny určující pattern
embrya drozofily
Jak je to jinde
dlouhé a krátké zárodky u hmyzu
Tělní plán hmyzu podobný – hlava 6-7 segmentů, hrudník 3, zadeček 8-11
Ustavuje se během embryogeneze X různě dlouhé a krátké zárodky
Na počátku vždy syncitium
mRNA a proteiny volně difundují
Krátký zárodek – jen posteriorní část
vajíčka
- primitivní (panoistická a meroistická
ovaria)
- hlava a hruď definována během syncitia
- zadeček později z růstové zóny
Dlouhý zárodek - téměř celé vajíčko
- odvozený (meroistická ovaria)
Rosenberg et al. 2009
- články hlavy, hrudi i zadečku definovány v
syncitiu (dlouhý zárodek = dostatečný
gradient na definici všech částí těla)
Jak je to jinde
modelové druhy hmyzu
Tribolium castaneum
(Coleoptera)
Nasonia vitripennis
(Hymenoptera)
Oncopeltus fasciatus
(Heteroptera)
Gryllus bimaculatus
(Orthoptera)
Schistocerca americana
(Orthoptera)
Jak je to jinde
dlouhé a krátké zárodky u hmyzu
1) Některé zásadní drozofilí geny chybí (Bicoid – jen u vyšších dipter, jinde jeho
roli převzal Otd + hunchback
2) Některé geny drozofila nemá (nové gap geny u potemníka: Millepates, krusty
a bollig)
3) Funkce některých genů změněna (např. hairy – defekty hlavy, nemá vliv na
segmentaci, evenskipped gap gen u Gryllus a Oncopeltus)
V genomu potemníka je většina genů, které řídí patterning u drozofily +
konzervovaná sekvence X liší se expresní profil funkce
Rozdíly i mezi druhy s dlouhým zárodkem (vosička Nasonia vitripennis): nemá
Bcd, jiná exprese některých genů, změna některých gap genů na maternální, …)
Jak je to jinde
dlouhé a krátké zárodky u hmyzu
Při vzniku dlouhých zárodků muselo dojít k:
1) expanzi zárodku
2) tvorbě anteriorního centra
patterningu (u krátkých jen
posteriorní centrum, z něj
definována hlava a hruď,
zadeček z růstového centra)
3) dřívější expresi posteriorních
gap genů (musejí stihnout
syncitium)
Jak je to jinde – další členovci
Zkoumáni další členovci (posteriorní segmentace z růstové zóny)
- většinou jen expresní patterny, chybí funkční studie
- málo informací o gap genech
Glomeris marginata
(Myriapoda)
Artemia franciscana
(Crustacea)
Strigamia maritima
(Myriapoda)
Fylogenetické vztahy členovců
sh = short germ, Lo = long germ
Tetranychus urticae
(Chelicerata)
Cupiennius salei
(Chelicerata)
Jak je to jinde – další členovci
- Funkce pair-rule genů, segment polarity genů a hoxgenů je poměrně
zachovaná
- Největší rozdíly v gap genech (např. u stonožky Strigamia se Krüppel a
hunchback nepodílejí na segmentaci
- Nové segmenty z růstové zóny – potřeba periodicky zapínat příslušné geny –
dělá signální dráha Notch/Delta u Chelicerata a Myriapoda (Crustacea?), ne u
drozofily a potemníka
Segmentace u pračlenovce
1) krátký zárodek, přidávání segmentů v růstové zóně
2) pair-rule geny řídí geny polarity segmentů
3) účastní se signální dráha Notch/Delta
4) gap geny? málo informací (přebraly u hmyzu fci Notch/Delta?)
Obecně o Hox genech
• Transkripční faktory
• Jejich změny způsobují homeotické
mutace (= záměna jedné struktury za
jinou)
• Obsahují homeobox, jeho přepisem
vzniká homeodoména (60 aa, helixturn-helix)
• Organizovány v jednom nebo více
klastrech
• Homologické nejméně u všech bilaterií
• Konzervativní funkce
Jak Hox geny dělají tvar orgánů
1) Regulace apoptózy
(pozitivně i negativně, přímo i přes jiné geny)
Př.: Deformed aktivuje reaper v buňkách mezi mandibulárním a maxilárním lobem
apoptóza mezera.
2) Regulace buněčné proliferace
(pozitivně i negativně, přímo i přes jiné geny)
Př.: Exprese Ubx v imaginálním disku haltery, ale ne křídla snížení exprese
morfogenu Dpp v halteře snížení počtu buněčných dělení malý orgán.
Jak Hox geny dělají tvar orgánů
1) Regulace apoptózy
(pozitivně i negativně, přímo i přes jiné geny)
Př.: Deformed aktivuje reaper v buňkách mezi mandibulárním a maxilárním lobem
apoptóza mezera.
2) Regulace buněčné proliferace
(pozitivně i negativně, přímo i přes jiné geny)
Př.: Exprese Ubx v imaginálním disku haltery, ale ne křídla snížení exprese
morfogenu Dpp v halteře snížení počtu buněčných dělení malý orgán.
3) Patterning a specifikace buněk
Př.: Abd-B reguluje gen yellow pigmentující pokožku na zadečku samečka
zadeček.
tmavší
Uspořádání Hox klastrů
Opředeno spoustou omylů
1) Klastry Hox genů objeveny u
drozofily a myši předpokládalo
se, že jinde je to stejné (x izolovány
jen jednotlivé geny).
2) Zjednodušující grafické znázornění
vynechává důležité informace.
- skupiny paralogů nejsou vždy ve vazbě
- klastry genů zabírají různě velké lokusy
- mezi geny jsou/nejsou mobilní elementy
Duboule 2007
Klasifikace Hox klastrů
- Organizovaný Hox klastr je spíše výjimkou než
pravidlem (nalezen jen u Chordata)
- Většina skupin má klastry přinejlepším typu D
M1
Původ organizovaného Hox klastru
obratlovců
Dvě teorie o původu Hox klastru
u obratlovců:
1) „obratlovco-centrická“
2) konsolidační: původní klastr
byl A/D a u obratlovců se
zorganizoval.
„Obratlovco-centrická“ teorie
je jednodušší (organizovaný
neorganizovaný klastr).
Opravdu?
Ale jak udělat vysoce organizovaný
klastr obratlovčího typu?
Snímek 19
M1
obratlovco-centrický“
původní klastr Hox genů u předka bilaterií byl organizovaný, všude se rozpadl a zachoval se jen u nás.
Magda; 12.4.2012
Kompaktní klastr musí být nějak selekčně
výhodný
Koordinace funkce skupiny genů společnou regulační
sekvencí (enhancer, lncRNA) geny musí být v
dosahu selekce na kompaktní klastr
Obratlovci mají 4
organizované klastry (ryby
7-8) redundance by
měla vést k rozpadu
klastrů
x
větší organizovanost.
Jak to?
Více klastrů = větší evoluční potenciál
Jeden klastr genů může vykonávat
jen omezené množství úloh
(vyčerpání potenciálu)
x
Po duplikaci prostor pro diferenciaci
úloh potřeba nových regulací
Duplikace Hox klastrů flexibilita pro vývoj nových struktur - Hox geny jsou
klíčové pro vývoj evolučních novinek obratlovců (metanefrické ledviny, kostěné
přívěsky, žaberní aparát, vnější genitálie)
Časová kolinearita drží klastry
pohromadě
• Kolinearita (collinearity)
- prostorová = pořadí genů v klastru odpovídá jejich expresi na předozadní ose
jedince
- časová = pořadí genů odpovídá jejich expresi v čase (přední dříve, zadní později)
Ale prostorová nebo časová kolinearita není u všech skupin
Dorsální prevalence – exprese „zadních“ genů ovlivňuje „přední“ geny, naopak
ne je potřeba omezit expresi zadních genů na zadní části těla –pozdější
exprese časová kolinearita
Lépe se řídí, pokud jsou v klastru pokud časová kolinearita chybí, není selekční
tlak na udržení klastru atomizace
Více klastrů neznamená nutně více genů
U ryb duplikace genomu 8 klastrů (někde redukce na 7)
x spíš přeorganizování něž zmnožení
Případ zebřička (Danio rerio)
Srovnání Hox klastrů myši a zebřičky
Potřebují obratlovci všechny Hox klastry?
Delece celého HoxC klastru u myši – vývoj téměř normální X
narozené mrtvé
X delece jednotlivých genů HoxC
a obratlech
závažné malformace na žebrech
Proč?
Teorie: geny v Hox klastrech se regulují navzájem delece jednoho
rozhodí všechny X delece klastru funkci převezme jiný klastr
Suemori a Noguchi 2000
Přirozená ztráta Hox klastru u
některých paryb
Elasmobranchii – žraloci a rejnoci – ztráta HoxC
X ne u chimér
chiméra Callorhinchus milii
rejnok Leucoraja erinacea
žralok Scyliorhinus canicula
King et al. 2011
Hox geny u bazálních metazoí
- Houbovci (Porifera) – Hox geny nenalezeny
- Vločkovci (Placozoa) - gen Trox2 - možná potomek praProtoHox
genu
- Žebernatky (Ctenophora) – jeden Hox gen
- Žahavci (Cnidaria) – Hox-like geny
- Netvoří komplexy (pouze jako výsledky pozdější duplikace)
- Nejasná homologie jejich genů s geny bilaterií
- Chybí časová kolinearita
- Expresní zóny neodpovídají situaci u bilaterií
- Expresní zóny vykazují podstatně větší diverzitu než u bilaterií
- Na bázi bilaterií expanze Hox klastru (drozofila 8, obratlovci 14)
Evoluce Hox u bilaterií
Hox geny u členovců
10 Hox genů exprimovaných podél
těla většiny členovců:
- Exprese Hox genů většinou
respektuje hranice tagmat (výjimkou
Antp)
- Kombinace 2 genů – vznik jiné
struktury než u jednotlivých genů
(např. pb + Scr)
Redukce tagmat
U některých skupin redukce tělního
plánu (paraziti, mikrohabitat)
Rhizocephala (Crustacea) – chybí
většina segmentace, redukce trupu)
- exprese Abd-B v larválním
abdomenu redukce (apoptóza)
Sacculina carcini
- kastrační parazit
- spotřebuje energii kraba určenou na
reprodukci a regeneraci
- až 50% populace krabů napadeno
Původ hmyzích křídel
2 teorie:
1) Vznik z dorsolaterálních výrůstků kutikuly (paranota)
klouzavý let aktivní let
2) Vznik z exitů nohou (odpovídají epipodům korýšů) – nohy a
křídla vznikají z prekurzorových buněk, stejné dráhy k
ustavení polarity.
Původ hmyzích křídel
Exprese Nubbin (osud křídelního disku) a Ap (dorso-ventrální polarita
křídla) u korýšů a klepítkatců
Artemia franciscana (Brachiopoda)
Pacifastacus leniusculus (Malacostraca)
Limulus polyphemus (Xiphosura)
Exprese v epipodech a homologických strukturách
(žábry a plíce)
Redukce křídel u moderního hmyzu
Nejstarší Pterygota:
- Primitivní křídla na T2 a T3 +
paranotální křidélka na T1 a
abdomenu
- U dospělců i larev
- Bohatá žilnatina
Moderní Pterygota:
- křídla na T2 a T3
- jen u dospělců (výjimkou jepice)
- redukce žilnatiny
Vývoj křídel na T1 a abdomenu potlačen Hox geny (T1 – Scr, A – Ubx a abd-A)
Diferenciace předních a zadních křídel
• Většina hmyzu 2 páry křídel (mesothorax T2 a metathorax T3) –
morfologicky odlišné
• U některých skupin změna na specializované struktury (haltery,
krovky, polokrovky, krytky)
Diferenciace předních a zadních křídel
Diferenciace předních a zadních křídel
• Scr, Ubx a abd-A – umístění a morfologie
křídel
• Scr – potlačuje vznik křídel na T1
• Ubx a abd-A – potlačují vznik abdominálních
křídel
• U drozofily exprese Ubx v T3
křídel?
potlačuje vznik
• U Precis coenia exprese v zadních křídlech
aktivita genů potlačených v halterách
• U Tribolium potlačení exprese Ubx krovky
na T2 i T3, potlačení Scr krovkám podobné
struktury na T1
Precis coenia
Ubx nepotlačuje vývoj křídel – odlišuje přední a zadní křídla
Halteria
Diptera + Strepsiptera
- jeden čas považovány za sesterské řády (Halteria) X v současnosti ne
Diptera
- křídla na T2, haltery na T3
Strepsiptera (řásníci)
- Paraziti blanokřídlých
- Samci haltery na T2, křídla na T3
Vznik halter – pravděpodobně nezávisle
- u řásníků ztráta exprese Ubx v T3 haltery řízeny jiným genem
(Antp?)
Specializované struktury na nohou
Na nohách T1 často specializované struktury
Drozofila - sex combs
- vznik řízen genem Scr
Hřebínky na T1 nohou u
Oncopeltus fasciatus
- obě pohlaví, čištění rostra
- RNAi Scr ztráta
Hřebínky u dalších skupin (Coleoptera,
Hymenoptera) nezávislý vznik
Další struktury (tympanální orgány – Orthoptera, snovací žlázy –
Embioptera) – možná řízeny Scr – potřeba funkční studie
Oživení křídel na T1 u ostnohřbetek
Membracidae (Hemiptera)
- struktura nasedající na T1 –
helma
- pružné připojení
přívěsek
- zakládá se párově na
hřbetní straně – křídla?
http://www.nature.com/nature/journal/v473/n7345/full/natur
e09977.html#/supplementary-information
Prud’homme et al. 2010
Oživení křídel na T1 u ostnohřbetek
- Exprese křídelních genů v helmě
homologická křídlům
Původ?
- Podezřelým gen Scr (chybějící exprese v T1, ztráta schopnosti
potlačit vznik křídel? - negativní)
– Zřejmě nereaguje cílový gen (Nubbin?)
Vznik nové struktury oživením dráhy umlčené 250 Mya.
O čem to bylo
- Předozadní osa embrya drozofily určena maternálními geny,
mezerovými geny, geny párového pravidla a geny polarity
segmentů
- U jiných druhů hmyzu některé geny chybí/jsou navíc/mají jinou
funkci
- X obecně jsou geny párového pravidla a geny polarity segmentů
u členovců poměrně konzervativní X mezerové geny ne
- Způsob segmentace embrya se v rámci hmyzu liší (dlouhé vs.
krátké zárodky růstová zóna)
O čem to bylo
- Hox geny určují identitu segmentů
- Jsou staré (minimálně všechna Bilateria + Hox-like geny u
žahavců)
- Často v klastrech X charakter klastrů je různý u různých skupin
- Časová a prostorová kolinearita – jak kde
- Konzervovaná funkce hledání homologických struktur mezi
skupinami (původ hmyzích křídel, helma u membracidů)
Konec
Download

Maternální geny