Mnohobuněčnost a diferenciace buněk

Prezentace na téma: "Mnohobuněčnost a diferenciace buněk"— Transkript prezentace:

1 Mnohobuněčnost a diferenciace buněk
Jana Fleischmannová

2 Vývoj mnohobuněčného organismu

3 Vývoj mnohobuněčného organismu
1. Dělení (cleavage) 2. Pattern formation - zajišťuje, že budou orgány založeny na správných místech 3. Organogeneze 4. Růst

4 Dělení Velmi rychlé dělení buněk, bez tvorby nové cytoplazmy
Relativně velká zygota se dělí na mnoho mnohem menších buněk – blastomer Vzniká blastula

5 Gastrulace Reorganizace blastomer do dvou nebo tří zárodečných listů
Entoderm Mesoderm Ektoderm

6 Gastrulace

7 Vznik tkání a orgánů Ectoderm:
– Epidermis a její deriváty (vlasy, nehty), nervový systém Mesoderm: – svaly, kardiovaskulární soustava, kosti, krev, dermis, gonády, vylučovací soustava Endoderm: – trávící soustava, plíce, žlázy

8 Organogeneze Migrace a kombinace buněk z jednotlivých zárodečných listů Epitelio-mesenchymální interakce Kožní deriváty, trávící trakt, zuby, plíce

9 Embryologie Historie preformacionisté Buněčná teorie –
Schleiden, Schwann Weismann barrier Germline cells contain information that passes to each generation unaffected by experience and independent of the somatic (body) cells.

10 Deskriptivní embryologie
Cell fate mapping

11 Experimentální embryologie
Spemannův organizer Spemann, Mangold Transplantace, recombinační experimenty, farmakologické ovlivnění vývojových procesů Xenopus laevis, kuřecí embryo, myš – explantátové kultury

12 Vývojová genetika Studium vlivu mutací na vývoj organismu
Cílená mutageneze - homologická rekombinace Genetický skrýning Modelové organismy Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, Danio rerio, Mus musculus

13 Základní buněčné procesy během vývoje
Buněčná proliferace Buněčná specializace (diferenciace) Buněčné interakce Buněčný pohyb (migrace) Buněčná smrt (apoptóza)

14 Základní principy vzniku mnohobuněčnosti

15 Regulace těchto procesů probíhá na úrovni regulace transkripce
Všechny buňky těla nesou stejnou genetickou informaci (genom) Základem diferenciace odlišnosti v genech, které jsou exprimovány

16 Regulace genové exprese
Extracellulární faktory Růstové faktory, živiny, množství kyslíku, teplota Intracellulární faktory Změny struktury chromatinu Zpřístupnění nebo znepřístupnění genu pro transkripci

17 Regulace genové exprese
Provozní (house-keeping) geny Exprimovány konstantně Nutné pro základní buněčné pochody Inducibilní geny Exprimované v přítomnosti specifických transkripčních faktorů

18 Regulace genové exprese
Klíčová úloha transkripčních faktorů Vazba specifických úseků DNA a iniciace transkripce

19 Transkripční faktory DNA vazebná doména Oligomerizační doména
Regulační doména: Aktivační Reprimační další

20 Zinkové prsty bZIP homeodoména bHLH

21 Transkripční faktory kontrolují vývoj homeoboxové geny

22 Homeoboxové geny Homeobox 180 bp obsahující DNA vazebnou homeodoménu
Původně popsány u octomilky Pak objeveny savčí homology Mutace způsobují homeotickou trasformaci

23 Poruchy funkce homeoboxových genů
Ultrabithorax (Ubx) určuje identitu halter Ubx mutant

24 Poruchy funkce transkripčních faktorů
Spojeno s vývojovými defekty u člověka Synpolydactyly HOXD13 Hand-foot-genital syndrome HOXA11-13 Radioulnar synostosis HOXA11

25 Transkripce je regulována extracellulárními signály

26 Regulace transkripce genů změnou struktury chromatinu

27 Remodelace chromatinu
Postranslační modifikace histonů „Histonový kód“ Acetylace metylace Ubikvitinace Fosforilace ATP-zavislá remodelace Acetylace typická pro transkripčně aktivní geny Deacetylace – inaktivace- gene silencing - umlčování

28 Enzymy účastnící se remodelace chromatinu
Modifikátory histonů - nemění pozici nukleozomů Chromatin remodelační enzymy - hydrolýza ATP = aktivní remodelace - mění pozici nukleozomů, zpřístupňují nebo znepřístupňují regulační sekvence DNA - Multiproteinové komplexy

29 Remodelace chromatinu

30 Remodelace chromatinu

31 Vývojové defekty spojené remodelací chromatinu
Rett syndrom - mutace v MeCP2 Rubinstein-Taybi syndrom - mutace v genu CREBBP - koactivátor transkripce

32 DNA metylace DNA metylace – přidání metylové skupiny k cytosinu
DNA metyl transferázy Často v CpG opakováních CpG ostrůvky v promotorových oblastech genu Metylace brání vazbě transkripčních faktorů

33 Genomový imprinting U určitých genů je u potomka exprimována pouze alela pocházející buď od matky nebo od otce (IGF2) Poruchy imprintingu – dědičná onemocnění IGF2 – Wilmsův nádor pokud exprimován i z maternální alely Různé syndromy př. PraderWilli-Angelmann

34 Diferenciace buněk

35 Juxtacrinní laterální inhibice
Vývojová signalizace Shh Wnt Parakrinní signalizace Laterální inhibice Notch/Delta Laterální inhibice Juxtacrinní laterální inhibice

36 Reciproční a laterální induktivní interakce
Reciprocal inductive interactions involve cell populations that influence the development of each other Lateral inductive interactions involve signaling between developmentally equivalent cells

37 Embryonální indukce Signální centra produkují induktivní signály, na které reagují kompetentní okolní oblasti. Instruktivní: různé možnosti odpovědi - gradient morfogenu, apoziční indukce Permisivní: pouze jedna možná odpověď

38 Embryonální indukce Spemann, Mangold Spemannův organizer

39 Embryonální indukce

40 Reciproční epitelio-mesenchymální interakce

41 Laterální inhibice Notch-Delta signalizace

42 Molekulární signální dráhy

43 Molekulární signální dráhy
TGFbeta Shh wnt Delta/Notch

44 Signální dráhy mezibuněčná komunikace během vývoje
Opakované používání signálů „Add a pinch of BMP, sprinkle some Hedgehog, a touch of Wnt, and a handful of FGF and you can pattern an embryo, a limb, or an organ.“ (B.Z. Shilo, Cell, 2001)

45 Diferenciace buněk

46 Asymetrické dělení

47 Kmenové buňky

48 Vlastnosti kmenových buněk
Totipotence, pluripotence, multipotence Asymetrické dělení Embryonální kmenové buňky odběr z blastocysty Výskyt i v dospělém organismu, zdrojem pro obnovu tkání „stem cell niches“

49 Zdroje embryonálních kmenových buněk
z nepoužitých několikadenních lidských zárodků (skládá se z několika desítek buněk) z klinik pro umělé oplodnění terapeutické klonování (odběr buňky z pacienta → vložení do ženského vajíčka bez jádra → zárodek → blastocysta → z blastocysty se vyjmou kmenové buňky → kultivace kmenových buněk)

50 Zdroje embryonálních kmenových buněk

51 Etické aspekty Odběrem kmenových buněk dojde ke zničení embrya
Otázka od kdy je lidská bytost V některých zemích zakázáno Francie, Švédsko, Itálie ČR povoleno použití nadbytečných embryí z asistované reprodukce Terapeutické klonování zakázáno

52 Dospělé kmenové buňky Překonání etických problémů s tvorbou embryí
Kmenové buňky z pupečníkové krve, kostní dřeně i doalších orgánů mezenchymální kmenové buňky se získávají poměrně jednoduše odběrem žádané tkáně, např. punkcí kostní dřeně nebo odběrem tukové tkáně během operace. Po rozrušení mezibuněčných vazeb se mohou kmenové buňky vytřídit na přístrojích nebo se vloží do kultivačních nádob, kde se tyto buňky známé schopností adheze poměrně snadno přichytí a kultivují, zatímco ostatní zralé buňky se odmyjí

53 Zdroje dospělých kmenových buněk
nika kmenových buněk – mikroprostředí, kde se nacházejí kmenové buňky, které s kmenovými buňkami interaguje a podílí se tak na regulaci jejich osudu. nika hematopoietických kmenových buněk – u obratlovců kostní dřeň tvořena subendoostealními osteoblasty, sinusoidálními endoteliálními buňkami a stromálními buňkami. nika kmenových buněk vlasového folikulu intestinální nika kmenových buněk Další – kmenové buňky ze zubní pulpy, z exfoliovaných mléčných zubů atd.

54 Nika kmenových buněk

55 Reprogramování diferencovaných buněk

56 Biomedicínské využití
Zdroj náhradních diferencovaných buněk pro nefunkční tkáně, zdroj růstových faktorů pro regeneraci poškozené tkáně, genové terapie Léčba nádorů - hematopoetické kmenové buňky používané v klinické praxi pro léčbu některých leukémií, pro další nádory studie v různých stádiích Možná léčba imunodeficiencí V budoucnu naděje pro léčbu: roztroušená skleróza, diabetes, ochrnutí, infarkt myokardu, neorodegenerativní onemocnění

57 Orgánové náhrady Ex vivo vytvoření orgánů „na míru“ z vlastních kmenových buněk dárce Imunokompatibilita není riziko rejekce Komlexní souhra kmenových buněk biokompatibilních polymerových lešení a kokteilu vhodných diferenciačních faktorů

58 Udržování tkáňové homeostázy
Nutná obnova tkání během celého života V různé míře neurony x epitel střevních klků Uplatnění shodnýchbuněčných procesů jako během vývoje Nutná rovnováha mezi proliferací – diferenciací – buněčnou smrtí = tkáňová homeostáza

59 Poruchy buněčných procesů
Některé procesy spojené s embryonálním vývojem nejsou žádoucí během dospělého života Znakem nemoci př. migrace buněk při metastázách

60 Poruchy buněčných procesů
Procesy nezbytné pro vývoj mohou být škodlivé v dospělosti teratomy

61 Poruchy buněčných procesů

62 Příliš mnoho buněk umírá
AIDS Neurodenerativní onemocnění – Alzheimer – Parkinson Ischemické poškození Poškození jater způsobené toxiny – Alkohol

63 Proliferativní poruchy – rakovina

64 Protoonkogeny Růstové faktory a mitogeny Receptorové tyrosinové kinázy
Cytoplasmatické receptorové kinázy Receptorové serin/threonin kinázy Regulační GTPázy Transkripční faktory Antiapoptotické geny

65 Aktivace protoonkogenů
Gain-of-function dominantní mutace způsobující Zvýšení aktivity proteinu Ztrátu regulace negativní zpětnou vazbou zvýšení koncentrace proteinu zvýšenou expresí Zvýšení stability proteinu Genové amplifikace Chromosomální translokace Zvýšená exprese genu ve špatných buňkách nebo ve špatném čase Exprese konstitutivně aktivního hybridního proteinu Virové infekce Aktivace protoonkogenu silným virovým promotorem, aktivujícími regulačními sekvencemi V genomu začleněné virové onkogeny

66 Růstové faktory Proliferace za normálních okolností závislá na vnějších biochemických signálech – růstových faktorech Autokrinní stimulace proliferace Vede k nekontrolovatelnému buněčnému dělení nezávisle na signálech z okolí

67 Receptory růstových faktorů

68 Nádorové supresory Geny spojující buněčný cyklus poškození DNA
Geny spojující poškození DNA s apoptózou Geny které se uplatňují při mezibuněčné adhezi, blokují ztrátu kontaktní inhibice a blokují tvorbu metastází Loss-of-function mutace, recesivní LOH – loss of heterozygozity I dědičné mutace

69 P53 - the guardian of the genome
Mutován u více než 50 % nádorů Při poškození DNA hraje klíčovou úlohu v zastavení buněčného cyklu, opravě DNA a spuštění programované buněčné smrti v případě, že poškození nelze opravit, udržování genomové stability

70 p53

71 Vícestupňový proces Iniciace Promoce Progrese Vliv karcinogenů
Genotoxické – poškození DNA Negenotoxické – podporují růst jiných mechanismem než je změna DNA, př. hormony

72 Proces karcinogeneze Hyperplasie Benigní nádor Maligní nádor
Akumulace mutací Genomová nestability

73 Analogie s normálním vývojem
Migrace – tvorba metastáz u maligních nádorů

74 Nádorové kmenové buňky
Podobné vlastnosti jako normální kmenové buňky tumorigenicita – schopnost diferencovat do všech typů buněk daného nádoru Dávají vznik novým nádorům během procesu tvorby metastáz Mohou vést k relapsu onemocnění Terapie cílené na jejich odstranění

75 Děkuji za pozornost!