Den anatomiske tradition: Introduktion til Udviklingsbiologi

Transkript

1 Udviklingsbiologi Udviklingsbiologi er et af de hurtigst voksende områder indenfor biologi, og integrerer molekylærbiologi, fysiologi, cellebiologi, genetik, anatomi, cancerforskning, neurobiologi, immunologi, økologi og evolutionær biologi 1

2 Den anatomiske tradition: Introduktion til Udviklingsbiologi Central problemstilling: Multicellulære organismer fremkommer ikke færdigdannede, men undergår en relativt langsomt fremadskridende proces, en udviklingsproces. Definition af begrebet udviklingsbiologi: Før: Synonymt med embryogenese, dvs. fra befrugtning til fødsel. Nu: Embryogenese + andre udviklingsprocesser, såsom metamorfose eller vævsregeneration. 2

3 Udviklingsprocessen opfylder 2 hovedformål: 1) Generering af cellulær diversitet og orden indenfor en given generation. 2) Sikring af livets kontinuitet fra én generation til den næste. 2 overordnede spørgsmål/problemstillinger: 1) Hvordan giver det befrugtede æg ophav til den voksne organisme? 2) Hvordan producerer den voksne organisme afkom? Indfaldsvinkler til Udviklingsbiologi: - Den anatomiske Komparativ embryologi Evolutionær embryologi Medicinsk embryologi - Den eksperimentelle - Den genetiske 3

4 Baseret på komparativ embryologi foreslår Aristoteles (350 f. Kr.) 3 måder, hvorpå dyr kommer til verden: - fra æg (oviparitet: fugle, frøer, invertebrater) - som levendefødte (viviparitet: pattedyr) - fra æg, der klækkes før fødslen (ovoviviparitet: visse krybdyr og hajer) Pause 2000 år! I 1651 afliver W. Harvey spontan genese -teorien, og fastslår at alle dyr, inkl. pattedyr, oprinder fra æg. I 1820 beskriver C. Pander de 3 kimlag fælles for alle triploblastiske organismer. Figure 1.1 Some Representative Differentiated Cell Types of the Vertebrate Body 4

5 Similarities/differences among different vertebrate embryos through development Baseret på komparativ anatomi foreslår Aristoteles (350 f. Kr.) 3 måder, hvorpå dyr kommer til verden: - fra æg (oviparitet, fugle, frøer, invertebrater) - som levendefødte (viviparitet, pattedyr) - fra æg, der klækkes før fødslen (ovoviviparitet, visse krybdyr og hajer) Pause 2000 år! I 1651 afliver W. Harvey spontan genese -teorien, og fastslår at alle dyr, inkl. pattedyr, oprinder fra æg. I 1820 beskriver C. Pander de 3 kimlag fælles for alle triploblastiske organismer. Fra sidst i 1800-tallet baseres embryogenese på celleudvikling fate mapping. 5

6 Figure 1.6 Fate Maps of Different Vertebrate Classes at the Early Gastrula Stage Metoder til fate mapping: Levende embryoner Farvning af specifikke regioner Radioaktiv- eller fluorescensmærkning Genetisk mærkning 6

7 Figure 1.7(1) Fate Map of the Tunicate Embryo Metoder til fate mapping: Levende embryoner Farvning af specifikke regioner Radioaktiv- eller fluorescensmærkning Genetisk mærkning 7

8 Genetic Markers as Cell Lineage Tracers Dr. Nicole Le Douarins chick-quail chimeras 8

9 En vigtig milepæl i evolutionær embryologi er skelnen mellem analoge og homologe strukturer: Analogi: struktur med samme funktion, men af forskellig evolutionær oprindelse (f. eks. fuglevinge og sommerfuglevinge). Homologi: struktur med fælles evolutionær oprindelse (f. eks. fuglevinge og arm). 9

10 Figure 1.13 Homologies of Structure Vinger analoge ej homologe I medicinsk embryologi anskues udviklingsbiologi udfra registrering af abnormaliteter: 1) Misdannelser forårsaget af genetiske fejl (mutationer, kromosomal aneuploidi, translokationer), som ofte optræder som syndromer (f. eks. piebaldisme). 10

11 Figure 1.15 Developmental Anomalies Caused by Genetic Mutation Mutation i KIT Kit KO transgen I medicinsk embryologi anskues udviklingsbiologi udfra registrering af abnormaliteter: 1) Misdannelser forårsaget af genetiske fejl (mutationer, kromosomal aneuploidi, translokationer), som ofte optræder som syndromer (f. eks. piebaldisme). 2) Abnormaliteter forårsaget af exogene forhold ( disruptions ) p. g. a. f. eks. teratogene stoffer/-forhold, kemikalier, vira, bestråling, hypertermi el. lign. 11

12 Figure 1.16 Developmental Anomalies Caused by an Environmental Agent, Thalidomide Figure 1.16 Developmental Anomalies Caused by Thalidomide 12

13 Indfaldsvinkler til Udviklingsbiologi: - Den anatomiske - Den eksperimentelle - Den genetiske Eksperimentel embryologi Embryonet og dets omgivelser (environmental developmental biology) Interaktion embryonets celler imellem (developmental dynamics of cell specification) 13

14 Embryonet og dets omgivelser Kønsbestemmelse på fastlagt genetisk baggrund Adaptation til omgivelserne, d.v.s. fænotypisk plasticitet Beskyttelsesmekanismer Figure 3.1 Sexual Dimorphism in Bonellia viridis 14

15 Figure 3.2 In Vitro Analysis of Bonellia Sex Determination Embryonet og dets omgivelser Kønsbestemmelse på fastlagt genetisk baggrund Adaptation til omgivelserne, d.v.s. fænotypisk plasticitet Beskyttelsesmekanismer 15

16 Figure 3.3 Two Morphs of Araschnia levana, the European Map Butterfly sommer forår Figure 3.4 Two Morphs of Nemoria arizonaria forår sommer 16

17 Embryonet og dets omgivelser Kønsbestemmelse på fastlagt genetisk baggrund Adaptation til omgivelserne, d.v.s. fænotypisk plasticitet Beskyttelsesmekanismer The Effect of UV Radiation on Embryos of the Sea Urchin Mycosporin-lignende AA-pigment absorberer UV-B og induceres heraf. Ved depleterede omgivelser fås aberrant udvikling ved eksponering for UV. 17

18 Eksperimentel embryologi Embryonet og dets omgivelser (environmental developmental biologi) Interaktion embryonets celler imellem (developmental dynamics of cell specification) Interaktion embryonets celler imellem Forud for cellulær specialisering (=differentiering), går commitment: Autonom specifikation (mosaik) Betinget (conditional) specifikation (kompensation) 18

19 Figure 3.7 Autonomous Specification (Mosaic Development) in the mollusc Patella Figure 3.8 Autonomous Specification in the Early Tunicate Embryo 19

20 Figure 3.13 Conditional Specification 20

21 Betinget specifikation: Morfogener Ved betinget specifikation bestemmes celleskæbne altså af naboceller, men ofte også af opløselige molekyler/substanser, såkaldte morfogener, secerneret et stykke væk. Effekten kan være koncentrationsafhængig. Morfogengradient styrer regeneration. Flatworm Regeneration and its Limits 21

22 Flatworm Regeneration and its Limits slide7.mov Betinget specifikation: Morfogener Ved betinget specifikation bestemmes celleskæbne altså af naboceller, men ofte også af opløselige molekyler/substanser, såkaldte morfogener, secerneret et stykke væk. Effekten kan være koncentrationsafhængig. Morfogengradient styrer regeneration. Hvordan form og størrelse fastlægges er stadig et åbent spørgsmål. 22

23 Gener bestemmer form og proportion med stor præcision Joy Liebert (født 1914, fotograferet 1934) og barnebarn Bea Chater (født 1981, fotograferet 2001) P. A. Lawrence, Nature

24 Udvikling betinges ikke alene af cellespecialisering/ -differentiering, men også af deres organisering i væv og funktionelle enheder eller organer, d.v.s. morfogenese. Der er 5 grundlæggende organisationstrin i morfogenese: 1) Specialiserede celler danner væv 2) Væv danner organer 3) Organer lokaliseres til bestemte steder 4) Vækst af celler og organer er reguleret og koordineret 5) Organer er polariserede Morfogenese baseres ofte på cellens overfladeegenskaber: Selektiv adhæsion v. h. a. adhæsionsmolekyler. Reconstruction of Skin From a Suspension of Skin Cells From a 15-Day Embryonic Mouse 24h 72h 24h 24

25 Selektiv affinitet via cadheriner på celleoverfladen Indfaldsvinkler til Udviklingsbiologi: - Den anatomiske - Den eksperimentelle - Den genetiske 25

26 26

27 PA Production of Transgenic Mice 27

28 Production of Transgenic Mice Production of Transgenic Mice 28

29 Production of Transgenic Mice Technique for Gene Targeting 29

30 Technique for Gene Targeting Technique for Gene Targeting 30

31 Morphological Analysis of Bmp7 Knockout Mice Morphological Analysis of Bmp7 Knockout Mice 31

32 The dsrna-mediated gene silencing procedure Andrew Fire and Craig Mello Injection of dsrna for E-Cadherin into the Mouse Zygote Blocks E-Cadherin Expression 32