Základy moderní biologie Přednáška 8

Základy moderní biologie – Přednáška 8.

Tomáš Doležal

8. Vývojová biologie Vývojová biologie se zabývá studiem procesů, kterými se z oplozeného vajíčka vyvine dospělý jedinec (myslí se tím především mnohobuněčné organismy, i když i jednobuněčné organismy nám mohou o vývojové biologie ledacos prozradit a i oni nějakým vývojem během svého života prochází). Embryologie je pak oborem, který se v rámci vývojové biologie zaměřuje na zárodečný (embryonální) vývoj. Embryonální vývoj jakýmsi způsobem proměňuje genetickou informaci v trojrozměrné, funkční bytosti. V této přednášce se pokusíme blíže podívat na to, jakým způsobem se to děje. Do osmdesátých let minulého století byl embryonální vývoj v podstatě černou skříňkou, nikdo neměl ponětí, jakým způsobem je vývoj jedince zakódován do DNA, nikdo neznal žádný konkrétní vývojový gen. Do této doby embryologie především popisovala (často velmi detailně) morfologii embryí, procesy dělení buněk a tvorbu jednotlivých zárodečných listů a posléze orgánů. Embryologové prováděli experimenty s chirurgickým narušením vývoje, čímž byly odhaleny jednotlivé části embrya zodpovědné za vývoj určitých struktur. Dlouhou dobu jedinou Nobelovou cenou, která byla za vývojovou biologii udělena, byla z roku 1935 Hansi Spemannovi.

Jedním ze slavných pokusů Hanse Spemanna bylo rozdělení zárodku žáby ve stádiu dvou buněk aby viděl, zda jsou tyto dvě buňky identické. Po rozdělení vznikli dva normální pulci. Ovšem když zaškrtil tento zárodek napříč hranicí mezi těmito dvěma buňkami, vznikl normální pulec jen na jedné straně, zatímco na druhé straně se vyvinula jen změť buněk. Tento experiment nakonec vedl k odhalení tzv. Spemannova organizéru (Spemann’s organizer), který se nachází v žabím vajíčku v místě zvaném dorsal lip of the blastopore. Když Spemann transplantoval tento organizér z jednoho zárodku na druhou stranu jiného zárodku, vzniklo dvojité embryo.


Tomáš Doležal

Později bylo nalezeno mnoho takových organizérů, které ovlivňují vývoj různých částí embryí. Některé jsou velmi časnými organizéry (jako Spemannův), které mohou ovlivnit vývoj celého embrya, další fungují později na podstatně jemnější úrovni a jsou základem jen pro určitou strukturu vyvíjejícího se embrya. Všechny však sdílejí vlastnost ovlivnit formování tkání, tzv. morfogenezi. Buňky organizérů produkují speciální substanci, která ovlivňuje vývoj okolních buněk. Takovéto substanci říkáme morfogen. Morfogeny, které zodpovídají za aktivitu organizerů, se staly nejhledanějšími svatými grály embryologie. Ale na jejich identifikaci embryologové čekali desítky let.

Modularita („stavebnicovost“) architektury živočišných organismů Již před více než stoletím položil základ anatomickému náhledu na design živočišných těl anglický biolog William Bateson. Ten si při svém bádání všiml, že většina živočichů se skládá z částí, které se opakují a i jednotlivé části těla se často skládají z opakujících se jednotek-bloků. Když srovnáme vybrané druhy nějaké skupiny mezi sebou, zjistíme, že se liší v počtu a typu těchto opakujících se bloků. Například srovnáváme-li páteř obratlovců – počet jednotlivých obratlů se může velmi lišit, stejně jako jednotlivé typy obratlů, ale celkově je páteř vystavěna velmi podobně, to je příklad modularity architektury těla živočichů. Někdy je modulární design struktury nějaké části těla méně znatelný. Například složitý vzor (pattern) křídla motýlů se zdá


Tomáš Doležal

být často velmi chaotický. Při bližším prozkoumání však zjistíme, že i zde je možné detekovat modulární design, složený z linií, ok a různých cikcak vzorů. Celkový vzor je pak dán opakováním těchto jednotek se změnou ve velikosti a tvaru.

Zmiňovaný příklad páteře nebo také kosti končetin jsou příkladem tzv. homologů v sérii, což jsou struktury vystavěné z opakujících se jednotek, přičemž dochází ke změnám tvaru jednotlivých jednotek. Tím se vytváří například různorodost končetin mezi jednotlivými živočichy. Změny v počtu a tvaru jednotek jsou základním tématem v evoluci živočichů. Paleontolog Samuel Williston v roce 1914 prohlásil, že počet jednotek-bloků živočišných těl má tendenci se při evoluci zmenšovat a přitom se tyto jednotky specializují. Jinak řečeno, evoluční trend je nejdříve namnožit počet spíše uniformních bloků, aby posléze došlo ke zmenšení počtu a k jejich specializaci (viz. obrázek). Toto pravidlo má samozřejmě spoustu výjimek, ale nám poslouží dobře k pochopení, jakým způsobem se organismy vyvíjejí a mění. Kromě modularity existují ještě dvě charakteristiky ve výstavbě živočišných těl – symetrie (například pravolevá symetrie s centrální osou) a polarita (hlava-záď, předek-zadek, blíž-dál od těla). Modularita, symetrie, polarita a evoluční trendy popisované Willistonem a Batesonem naznačují, že architektura živočišného těla má svojí logiku. A také, že za obrovskou různorodostí živočišných forem se přeci jen skrývají nějaká univerzálnější pravidla o jejich výstavbě. Instrukce pro vytvoření pěti prstů, dvou očí nebo černobílého šrafování jsou nějakým způsobem zakódovány v DNA. Znamená to, že jsou v ní geny pro prsty, oči, pruhy?

Jakým způsobem je v DNA zakódován plán pro výstavbu živočišného těla? Je možné, že je v DNA zapsán jakýsi architektonický výkres, přesně popisující, kde co má být? Teoreticky to možné je. Dnes jsou složité architektonické výkresy běžně ukládány v počítači kódem jedniček a nul, dokonce i 3D projekce jsou uloženy tímto kódem. Proč by něco podobného nezvládla DNA dokonce se 4 písmeny? Problém s touto analogií nastává ve chvíli,


Tomáš Doležal

kdy se podle architektonického plánu začne stavět. Řemeslníci mají k dispozici jednotlivé stavební kameny (např. cihly), ze kterých staví rovnou finální podobu budovy přesným umístěním cihly na své místo dle plánu, který zobrazuje tuto finální podobu. Dospělý jedinec nějakého živočicha ovšem není poskládán z jednotlivých buněk, které by se opatrně vkládaly na své místo v dospělém organismu.

Každý živočich začíná jako jediná buňka (oplozené vajíčko), která se postupným dělením vyvine v dospělou formu. Z tohoto pohledu se jeví jako mnohem lepší analogie model origami. Plánek origami v sobě obsahuje jednoduché instrukce o přehýbání papíru na určitém místě a postupným skládáním se můžeme dopracovat často i k velmi složitým formám. To celkem dobře odpovídá tomu, co se děje ve vyvíjejícím se embryu – oplozené vajíčko se nejdříve rozdělí na dvě (první přehnutí papíru na půl), pak na čtyři buňky, později když už je buněk mnoho dochází například k vlomení buněk v určitém místě podobně jako v modelu origami. Tj. postupná realizace embryonálního vývoje celkem dobře odpovídá postupnému následování instrukcí plánu origami. A skutečně vývojový program zapsaný v DNA se v jistém ohledu tomuto podobá – je potřeba postupně „rozkreslovat“ mapu vyvíjejícího se embrya a ve správných místech uskutečňovat přehýbání papíru (rozdělení buněk, vlamování skupiny buněk).


Tomáš Doležal

Abychom věděli, kde máme v embryu "přehýbat papír", je nutné vytvořit mapu vyvíjejícího se embrya, tj. je třeba vědět, kde se co v embryu nachází. Určitá skupina buněk, které vypadají na počátku vývoje embrya stejně jako všechny ostatní buňky, už ví, že jsou zárodkem budoucího oka, protože jsou v místě, kde se postupně bude oko tvořit. Když se například podíváme na morfologii časného embrya octomilky, vidíme, že všechny buňky jsou stejné (vlevo na obrázku níže), ale už v tomto stádiu jednotlivé buňky vědí, kam patří a co jednou budou, tj. je nakreslena hrubá mapa vyvíjejícího se embrya. A skutečně, když se podíváme na aktivitu jednoho vývojového genu, který je zodpovědný za rozdělení embrya na jednotlivé segmenty, vidíme, že pouze buňky nacházející se na hranicích budoucích segmentů mají tento gen zapnutý (poznáme podle přítomnosti zeleně fluoreskujícího proteinu GFP, který se tvoří pouze pokud je studovaný gen aktivní, na obrázku vpravo):


Tomáš Doležal

Jak buňky vědí, kde se v embryu nachází a čím mají jednou být? Zkusme na tuto otázku odpovědět prací nejlepších vědců, kteří se hledáním odpovědi sami zabývali. Jako již několikrát předtím, i zde sehrála veledůležitou roli octomilka. Calvin Bridges, který ve „flyroomu“ Thomase Morgana našel prvního mutanta octomilky (mutace white), objevil v roce 1916 dalšího zásadního mutanta, octomilku se zdvojeným hrudním článkem (mutant Bithorax). Namísto toho, aby octomilka měla jen jeden pár křídel a druhý pár tvořily zakrnělé haltery, jako je tomu u normální octomilky, měl mutant Bithorax haltery proměněny v druhý hrudní článek s dalším párem křídel:

Jiným, snad ještě známějším mutantem, je mutant Antennapedia, u něhož jsou antény na hlavě nahrazeny nožičkami. Fascinující na těchto mutantech je, že jediná mutace dokáže proměnit celou jednu část těla v jinou!


Tomáš Doležal

Kde se nacházely tyto mutace, které geny ovlivňovaly a jak je možné, že změna chování jednoho genu ovlivní vývoj celé struktury, např. hrudi nebo končetiny? Důležité pro pokrok v této oblasti bylo, že zmíněné mutanty octomilky bylo možné udržovat, množit a křížit a pokusit se tak i najít geny, které byly mutacemi zasaženy. V osmdesátých letech minulého století se Erich Wieaschaus a Christiane Nüsslein-Volhardová rozhodli podniknout dosud nevídaný genetický skrínink, ve kterém izolovali mnoho mutantních linií octomilek, které měly definovaným způsobem narušený časný embryonální vývoj – například jim chyběla střední část těla, nebo každý druhý segment. Zdlouhavou prací se jim postupně podařilo nalézt i konkrétní geny, jejichž mutace měly tyto efekty na svědomí (Christiane Nüsslein-Volhard & Eric Wieschaus: Mutations affecting segment number and polarity in Drosophila. Nature 287, 795801 (30 October 1980). Za tuto práci jim byla v roce 1995 udělena Nobelova cena. Erich a Chrisitiane zjistili, že všechny tyto geny kódují transkripční faktory, tj. proteiny, které se vážou na DNA a ovlivňují aktivitu dalších genů. Tyto transkripční faktory jsou prvními důležitými vývojovými geny, které „malují“mapu vyvíjejícího se embrya. Naznačme si pro zjednodušení začátek. Vajíčko octomilky má ve své cytoplazmě uloženy od matky mRNA tzv. maternálních genů. Tyto mRNA nejsou v cytoplazmě rozloženy rovnoměrně, ale jsou ukládány přesně na své místo určení – například mRNA genu Nanos se nachází v zadní části, zatímco mRNA genu Bicoid v části přední. Když se z těchto mRNA procesem translace začnou tvořit proteiny, začnou difundovat cytoplazmou a vytvoří gradient – nejvíce proteinu bude tam, kde se tvoří a množství slábne směrem k opačnému konci. Když se podíváme na embryo s proteiny Nanos a Bicoid, vidíme, že jejich gradienty rozdělují embryo minimálně na tři části (zleva doprava) – s velkým množstvím proteinu Bicoid a minimálním Nanos, s oběma proteiny namixovanými přibližně stejně (uprostřed) a s velkým množstvím proteinu Nanos a minimálním Bicoid. Ve chvíli, kdy se utvoří buňky ve vyvíjejícím se embryu, tak v každé buňce bude určité množství těchto proteinů, podle toho, kde se v rámci původního vajíčka buňka vytvoří. Protože se jedná o transkripční faktory, tak budou v každé buňce trochu jinak ovlivňovat aktivitu genů, jejichž transkripci řídí. Gen, který se má zapínat v přední části embrya, se bude aktivovat velkým množstvím transkripčního faktoru Bicoid – takový gen se v zadní části nezapne, protože buď nebude mít dost faktoru Bicoid, nebo bude inhibován faktorem Nanos (nebo bude ovlivněn obojím způsobem).


Tomáš Doležal

Tímto způsobem se míchá mnoho podobných faktorů odpředu dozadu i odshora dolů ve vyvíjejícím se embryu a nakonec je poměrně detailně rozkreslena mapa vyvíjejícího se embrya – každá část (např. na obrázku jsou ukázány některé segmenty a množství faktorů v nich) má namixované přesné množství různých faktorů, které tak zapínají vývojové geny, potřebné pro danou část embrya. Takto namixované koktejly faktorů nakonec vedou k trvalému zapnutí tzv. homeotických genů, které určují jednotlivé části těla (např. hlavu, hruď, zadeček). Každý homeotický gen je aktivován přesně definovaným koktejlem faktorů, které jsou v dané části embrya namíchány – regulační sekvence homeotických genů jsou velmi rozsáhlé a komplikované, protože se k nim váže mnoho transkripčních faktorů (aktivátorů a represorů), které po navázání na regulační sekvenci homeotického genu rozhodnou, zda bude tento aktivován nebo umlčen. Pokud se taková sekvence naruší mutací, může dojít k nesprávné interpretaci (nenaváže se správná kombinace faktorů) a homeotický gen může být aktivován nebo naopak umlčen v jiné části těla a může dojít k vytvoření nožiček na hlavě, jako u mutanta Antennapedia, nebo ke zdvojení hrudi jako u Bithorax. Homeotický gen totiž určuje celou oblast těla, zapíná se poměrně časně ve vyvíjejím se embryu, kdy ještě všechny buňky embrya vypadají


Tomáš Doležal

stejně, ale celé skupiny buněk už znají svůj osud, protože díky koktejlu faktorů v sobě aktivovaly určitý homeotický gen a od té doby vědí, že budou jednou tvořit hrudní článek, a též si od té doby již pořád drží tento gen aktivní. Pokud dojde k mutaci, která způsobí, že se homeotický gen aktivuje jinde, dojde k chybnému vývoji celé struktury. Uvnitř dané skupiny buněk, které se budou vyvíjet v určitou část těla, se později zase tvoří různé gradienty dalších faktorů, podle pozic buněk v rámci celé skupiny – dochází k dalšímu a dalšímu a jemnějšímu rozčleňování embrya – tak jako se to děje při skládání origami. Skupiny buněk jedné části těla mohou využívat stejné faktory, jako skupina buněk jiné části těla, ale budou na ně reagovat jinak, protože jejich osud byl již nasměrován jiným způsobem – embryo využívá stejné nástroje pokaždé znovu a znovu, ale jiným způsobem (instrukce „přehni“ papír může být použita mnohokrát, ale pokaždé vede k trochu jinému výsledku, záleží na tom, kdy, kde a jak se papír přehne).

Obrázek ukazuje homeotické geny octomilky – v jaké části embrya se jednotlivé geny aktivují, co v dospělé mouše určují (jakou část těla) – zajímavé je, že jednotlivé geny jsou na chromozomu uspořádáany za sebou tak, jak jdou za sebou jednotlivé části těla, které určují. Myš má velmi podobnou sadu homeotických genů a též jsou podobně za sebou uspořádány (obrázek vpravo).

Základy moderní biologie Přednáška 8

Recommend Documents