Genetická kontrola prenatálního vývoje

Genetická kontrola prenatálního vývoje

Vývoj jedince Individuální vývoj začíná okamžikem oplození Předchází gametogeneze u obou pohlaví → meióza, včetně procesu crosing over a rekombinace a náhodné segregace chromosomů Vývoj jedince pak končí definitivně jeho smrtí

Gametogeneze  Tvorba pohlavních buněk z primordiálních zárodečných buněk  Jsou haploidní oproti somatickým

Spermatogeneze  V semenných kanálcích testes od počátku pohlavní dospělosti  Spermatogonie 2n  primární spermatocyt 2n  sekundární spermatocyt 1n  spermatida 1n  spermie 1n  V jednom ejakulátu přibližně 200 milionů spermií

Spermatogeneze

Oogeneze  Na rozdíl od spermatogeneze probíhá již v prenatální době  Oogonie 2n  primární oocyt 2n  sekundární oocyt 1n + 1 polární tělísko  vajíčko + 1 polární tělísko  Při narození jsou primární oocyty ve stadiu profáze I (dictyoten) a tak setrvávají až do pohlavní dospělosti; primární oocyt pokračuje v meióze I a rozdělí se na sekundární oocyt (1n) s většinou cytoplazmy a organelami a na polární tělísko  Meioza II je dokončena pouze v případě oplodnění

Oogeneze

Prenatální vývoj  Gameta - haploidní sada jaderných chromosomů; pro některé geny je důležitý původ (genomický imprinting)  Vajíčko – jaderné chromosomy, mitochondrie (2% obsahu DNA), cytoplasma se zásobními látkami  Spermie – sada jaderných chromosomů otce  Nezbytnost kombinace mateřské a otcovské sady chromosomů Genotyp potomka je kombinace vloh rodičů  Triploidie – neslučitelná s vývojem embrya 2 spermie – nadměrný růst trofoblastu (zevní vrstva buněk rýhujícího se vajíčka v období blastocysty)

2x sada chromosomů vajíčka – porucha vývoje zárodku, malá placenta)

Neplodnost, sterilita  15 % manželství bezdětných 1. genetické příčiny  Sterilita: 2. negenetické příčiny – anatomie dělohy, patologické imunitní reakce, poruchy krevního oběhu v placentě  Spontánní potraty (např. poruchy regulace vývoje plodu; chromosomální aberace) Farmakologická léčba (např. úprava hladin hormonů) Asistovaná reprodukce, in vitro fertilizace

Stádia prenatálního vývoje 

Preembryonální stádium do 6. dne po oplození zygota až blastocysta polární organizace cytoplasmatických struktur zygoty



Embryonální stádium od 1. týdne do konce 8. týdne ektoderm, entoderm a mesoderm - jsou vytvořeny základy pro tvorbu tkání a orgánů nastává shlukování buněk, vytvářejí se tělní osy kranio-kaudální a dorso-ventrální, formují se tkáně a orgány embryonální vývoj je od počátku regulován zejména skupinami HOX a PAX genů



Fetální stádium od 8. týdne těhotenství do porodu charakterizováno rychlým růstem a zráním plodu

Vývoj jedince Genetika vývoje → morfologické a funkční rozdíly mezi buňkami se stejným genomem Shodný genom → ne-genetické (epigenetické; genomický imprinting) odlišení → → “diferenciální exprese” genů (represe a dereprese genů) Genová exprese musí být správně načasována a musí být specifická pro dané stádium → složité regulační kaskády, množství specifických transkripčních faktorů (bílkovin), které vazbou na DNA přímo ovlivňují expresi cílových genů Embryonální indukce – interakce mezi různými buňkami a tkáněmi → např. chondromezodermové tkáně obratlovců – vliv na vývoj CNS z ektodermu, který leží nad ním

Genetická kontrola vývoje Všechny klíčové procesy (proliferace, migrace, diferenciace a apoptóza) geneticky řízeny – spuštěny, zastaveny a modulovány

Řídící signál: Přímo z buňky – autospecifikace (autokrinní signalizace) Častěji z okolních buněk – indukce (proliferace, diferenciace,…) → kontakt s jinou buňkou, s extracelulární matrix, s rozpuštěnými signálními molekulami (většinou z blízkého okolí - parakrinní signály) Nezbytná interakce signální molekuly s cílovou buňkou → specifický receptor Na formování tkání se podílejí i fyzikální síly → mají funkci signální a stavební (hydrostatický tlak tekutiny vytváří lumen dutých útvarů...)

Genetická kontrola embryonálního vývoje Specifická úloha vybraných genů: HOX geny - homeotické ev. homeoboxové geny; → transkripční faktory SRY (sex determining region of Y chromosome) – oblast určující pohlaví na chromosomu Y SOX geny - evolučně starší autosomální homology (SRY- box obsahující geny). Např. SOX9 je nezbytný člen kaskády diferenciace varlete, spouštěný přímo SRY; nezbytný pro vytvoření chrupavčitých základů kostí z nediferencovaného mezenchymu (pod vlivem signalizace BMP). Mutace SOX9 způsobují poruchu vývoje skeletu s poruchou determinace pohlaví u mužů BMP – kostní morfogenetické proteiny (bone morphogenetic proteins) PAX geny - důležité pro organogenezi; → transkripční faktory MyoD (myogenic differentiation) - nezbytný pro diferenciaci buněk svalů TBX geny – např. TBX4 → vývoj zadní končetiny; TBX5 → končetiny přední a podílí se na vývoji srdce

HOX geny (Homeobox geny) Komplexy regulačních genů (těsně vázané) přesná hierarchie jejich působení – přímý lineární vztah mezi pozicí genů a jeho dočasnou prostorovou expresí Podmiňují embryonální vývoj ve směru předozadní tělové osy, vysoce konzervativní geny (identické sekvence u různých druhů organismů), exprese během časné gastrulace Určují specifikaci jednotlivých segmentů těla Produkty Hox genů: transkripční faktory podmiňují organogenezi neurální trubice, ledvin, plic, střeva, zárodečných buněk apod., působí parakrinně, mohou spouštět několik vývojových programů jiných morfogenů v sousedních buňkách Kontrolují migraci, diferenciaci, apoptózu buněk

Migrace buněk během diferenciace  Zejména před formací zárodečných vrstev  Na počátku organogeneze dochází ke snížení migrace  V dospělosti buňky navzájem přiléhají  buněčné klony

Příklady mutací HOX genů Mutace HOXA/ 7+ mutace v dalších genech: Wolf- Hirschhornův syndrom  retardace růstu, mikrocefalie, rozštěp rtu/patra, defekty srdce, mentální retardace Mutace HOX D/13: Synpolydaktylie - heterozygoti: srostlé články dvou prstů a navýšení prstů rukou i nohou - homozygoti: těžce postiženi

PAX geny (Paired-box geny) Regulační geny – zásadní význam pro morfogenezi Kódují tkáňově specifické transkripční faktory - např.: PAX 3 se účastní tvorby neurální lišty a dermatomyotomálních segmentů (vznik kosterních svalů a dermis z buněk odvozených od mesodermu) Mutace PAX 3: Waardenburgův syndrom – hluchota, bílý pramen vlasů, heterochromie iris (AD) PAX 6 - reguluje tvorbu neurální tkáně, která se podílí na formaci oka Mutace PAX 6: absence duhovky (aniridia)

Housekeeping geny  Aktivní ve všech buňkách  Zajišťují základní funkce buněčného metabolismu: syntéza nukleových kyselin a proteosyntéza, transport živin a jejich zpracování, biosyntéza cytoskeletu a organel

Specializované geny  Určují jedinečné rysy různých typů buněk Epigenetická regulace diferenciace - imprinting → změny struktury chromatinu → modifikace v sekvenci DNA (methylace)  V dceřinných buňkách je udržována stabilní exprese shodných genů Epigenetická regulace → reverzibilní změny funkce genů bez změny sekvence DNA (bez změny genotypu) Epigenetické faktory ovlivňují fenotyp Epigenetická informace je přenášena z jedné generace do další generace na buněčné úrovni (buněčná paměť)

EPIGENETICKÁ REGULACE Regulace na úrovni transkripce má vliv na množství a časování výskytu funkčního produktu genu (RNA nebo proteinu)  DNA methylace - Přibližně 60 – 70% CpG je methylováno. CpG jsou seskupeny do shluků (CpG ostrůvky), které jsou přítomny v oblasti promotoru  Utlumení transkripční aktivity na úrovni modifikace histonů (neaktivní heterochromatin); NH2-skupina lysinu má basický charakter → lysiny histonů se mohou vázat s negativně nabitými fosfáty DNA → zamezí transkripci Acetylace určitých histonů v nukleosomu eliminuje jejich positivní náboj → těsná interakce DNA-histon se poruší Transkripční faktory mají k DNA přístup, umožní funkci RNA-polymerasy a transkripce genu může nastat

CpG methylace  CpG methylace → modifikace cytosinu na methylcytosin v místě sekvence 5´CG3´; probíhá obvykle na obou řetězcích  Vysoce methylovaný promotor genu je obvykle neúčinný  CpG methylace → fenomén imprintingu  Imprinting → transkripční aktivita daného genu závisí na tom, jestli je uložen na chromosomu mateřského nebo otcovského původu  Imprinting obvykle vzniká methylací daného genu během gametogeneze u jednoho pohlaví. U potomka je alela daného genu pocházející od tohoto rodiče neaktivní

Specifikace buněk během časného vývoje  Kmenové buňky – nediferencované buňky s vysokou proliferační aktivitou Kmenové buňky nejsou jednoho typu, liší se tím, v jaké spektrum buněk se mohou diferencovat Z časných embryí lze izolovat tzv. pluripotentní embryonální kmenové buňky (embryonal stem cells, ES cells) → jsou schopné diferenciace ve všechny typy buněk s výjimkou trofoblastu (zevní vrstva buněk rýhujícího se vajíčka v období blastocysty)

Nejsou schopné vytvořit embryo!!

 Diferencované buňky – krátká životnost (erytrocyty, krevní destičky) – dlouhá životnost (neurony, endokrinní buňky)

Specifikace buněk během časného vývoje Pluripotentní kmenové buňky Totipotentní

Fertilizované vajíčko

8 buněčné embryo

Nediferencované kmenové buňky

Pluripotentní buňky

Blastocysta

Krvinky

Neurální buňky Srdeční sval

Teratogeny  Fyzikální vlivy – záření, vysoká teplota, saunování, nadměrné slunění  Chemické látky; pozor – testování léků na teratogenní účinky (warfarin, antiepileptika, cytostatika, thalidomid …); alkohol, drogy …  Infekce (zarděnky, herpetické viry, HIV, toxoplasmóza)  Nemoci matky – cukrovka, fenylketonurie … Působení teratogenu závisí na době a intenzitě působení, na genotypu plodu i matky Nevyvolá dědičnou vadu

Teratogenní účinek thalidomidu Malformace končetin Neprůchodnost jícnu Ageneze ledvin ….atd.

Teratogenní účinek thalidomidu a) Postižení různých systémů člověka je dáno stadiem embryonálního vývoje, v němž látka působí. Souvisí s kritickým obdobím citlivosti cílových tkání na daný teratogen. b) Rozdíly v postižení dětí lze vysvětlit interakcí Thalidomidu s genetickými faktory. Postižení jedinci mohou být geneticky predisponováni např. přítomností „zcitlivujících“ alel genů malého účinku. c) Teratogeny mohou vykazovat druhovou specifitu účinku, na Thalidomid jsou citliví především primáti. d) Interakce genetických faktorů s Thalidomidem. Vzhledem k mezidruhovým rozdílům, (např. v metabolismu teratogenu) je nutné provést testování teratogenicity na několika zvířecích modelech. Model s mutantní alelou jako součást testovacího systému může odhalit teratogenní účinek v důsledku zvýšené citlivosti.

26

Poruchy vývoje organismu Malformace - poruchy vývoje orgánů → změny genetické informace (monogenní, multifaktoriální); vrozené vady postihující jednotlivé orgány → např. srdeční vady, rozštěpy páteře, rozštěpy rtu nebo patra, polydaktylie Disrupce - poruchy vývoje orgánů vyvolané vnějšími vlivy; malformace končetin vyvolané ovinutím amniovými pruhy (zaškrcení) Deformace - defekty vyvolané působením neobvyklých sil na normálně založený orgán; např. pes equinovarus → chybné postavení nohy plodu při nedostatku plodové vody Dysplázie - abnormální organizace buněk ve tkáních → porucha indukce, diferenciace nebo apoptózy; např. dysplázie ledvin Sekvence - mnohočetné vady, které vznikají jako kaskáda následných dějů; např. při agenezi ledvin nedostatek plodové vody vede k mechanické deformaci obličeje tlakem stěn dělohy a k hypoplázii plic Syndromy - zpravidla mnohačetné vady se známou příčinou (např. Downův syndrom); různá genetická etiologie (monogenně dědičné, chromosomální, vyvolané teratogeny) Asociace - kombinace více vad, které nejsou sekvencí ani syndromem; např. VATER asociace (vertebral- annal-tracheal-esophageal and renal abnormalities). VATER asociace je vyvolána působením teratogenů na vývoj více orgánů současně

Pohlavní dimorfismus  4 různé pohledy na biologické pohlaví    

chromosomy (XX, XY) pohlavní orgány (ovaria, testes) fenotyp psychika

 Do 5.- 6. týdne embryonálního vývoje – Wolfovy a Müllerovy vývody

Y chromosom  SRY gen – pohlaví určující gen blízko pseudoautosomální oblasti, jeho produktem je transkripční faktor, který následně ovlivní tvorbu testes a zánik Müllerových vývodů

Pseudoautosomální oblast Y SRY Pseudoautosomální oblast X

 TDF gen - testes determining factor – semenné tubuly a Leydigovy buňky – stimulace z placenty choriogonadotropním hormonem

Pseudoautosomální oblasti X a Y

X chromosom  U žen inaktivace jednoho chromosomu – v mikroskopu patrný jako tzv. Baarovo tělísko lokalizace u jaderné membrány ve stadiu cca 100 buněk inaktivace = lyonizace Inaktivované geny mají methylovaný cytosin v oblasti promotoru, inaktivace též provázena modifikací histonů 10-15% genů uniká inaktivaci – XIST (X-inactive specific transcript) X-inaktivační centrum – tvoří se nekódující RNA, zapojuje se do komplexu, který tvoří sex-chromatin  Ovaria se tvoří 12. týden za nepřítomnosti genů Y chromosomu

Mozaicismus 46, XX

Porucha ontogeneze pohlaví Testikulární feminizace – TF - dědičnost GR, při karyotypu 46, XY se vyvíjí ženský fenotyp, - jedinec nemá ovaria, dělohu ani vejcovody, nesestouplá testes produkují testosteron - tkáně postižených nejsou citlivé na testosteron - u jejich matek přibližně 50% buněk nemá příslušné androgenní receptory Jaký je genotyp matek? Jaké riziko postižení dětí TF? XTFX – přenašečky mutované alely 1/2 dětí s karyotypem 46,XY postižených TF

Jedinec 46,XY; chybí receptory pro androgenní hormon

Anhidrotická ektodermální dysplázie (GR) Anhidrotická ektodermální dysplázie je způsobena mutací genu EDA –

protein ektodysplasin je signální molekula v morfogenezi epithelu Projevy u mužů:  poruchy dentice (hypodoncie)  absence potních žláz -> hypertermie  závažný průběh (jinak banálních) infekcí

Projevy u heterozygotních žen: absence potních žláz v ohraničených úsecích kůže - neshodují se ani u monozygotních dvojčat +

X+ +

Y +

+

X XX XY Xeda XedaX+ XedaY

Adrenogenitální syndrom (AR) AR porucha tvorby enzymu 21-hydroxylasy (deficience)  Mutace genu aktivního v nadledvinkách - porucha biosyntézy kortisolu (adrenální steroidní hormon) v nadledvinkách  Hyperplázie kůry nadledvinek  Zvýšení hladiny adrenokortikotropního hormonu (ACTH)  Klinické dopady: virilizace děvčat – externí genitálie mužské (po akumulaci ACTH) u chlapců – silné ochlupení brady a hrudi, nádory varlat