Metamorfose & Regeneration. Udviklingsbiologi 2009

Transkript

1 Metamorfose & Regeneration Udviklingsbiologi 2009

2 Postembryonisk udvikling: Metamorfose & Regeneration Metamorfose Metamorfose (forvandling) - en ændring i morfologi, biokemi, fysiologi og adfærd - fra larvalt til adult stadie. Denne reaktivering af udviklingen er hormonelt styret.

3 Metamorfose Insekter Padder

4 Metamorfose: Springpadde (Anura) Afskaffelse af larvale organer: f.eks. hale og gæller Omdannelse larvale organer til adulte: f.eks sanseapparat øjne og ører Udvikling af nye adulte organer: f.eks lemmer og kirtler i huden

5 Metamorfose: Springpadder

6 Metamorfose: Padder Metamorfose fra larve til juvenile form af adulte stadie er styret af skjoldbruskkirtel (Thyroidea) hormon: 1. Skjoldbruskkirtel secernerer thyroxin (T 4 ) ud i blod. 2. T 4 konverteres i væv til T 3 (tri-iodothyronin) ved Type II deiodinase (D2). 3. T 3 binder til thyroid receptorer (TRα og TRβ) i kernen (T 4 binder til TR med lavere affinitet). 4. TRs er transskriptionsfaktorer, der regulerer genekspression ved at danne heterodimere med retinoid X receptorer (RXRs). T 3 nedbrydes i vævet ved Type III deiodinase (D3) til inaktiv T 2 (di-iodothyronin), som endeligt omdannes til tyrosin.

7 Metabolisme af thyroxine (T 4 ) og tri-iodothyronine (T 3 ) Sekretion af T 4 fra Skjoldbruskkirtlen (Thyroidea) T 3 dannes ude i vævene (D2). Binder til TR receptorer: TRα og TRβ. TRs regulerer genekspression.

8 Metabolisme af thyroxine (T 4 ) og tri-iodothyronine (T 3 ) T 3 nedbrydes i vævet ved Type III deiodinase til inaktiv T 2 (diiodothyronin), som endeligt omdannes til tyrosin. Ekspressionen af TR, D2 og D3 i et givent væv er afgørende for hvornår og hvordan et væv responderer på T 4 sekretion.

9 Premetamorfose: Modning af skjoldbruskkirtel: T 4 secerneres i lille mængde. Lemme rudimenter ( D2 og TRα) starter vækst. Prometamorfose: Skjoldbruskkirtlen modnes og øger sekretion of TH. Baglemmer dannes (Anura). Metamorfose: Padder Klimaks: Kraftig stigning i T 4 sekretion. I væv: T 3 TRβ. Hurtig transformation af organer. T3 thyroid stimulerende hormon Metamorfosen afsluttes med at hale undergår programmeret celledød. Fox Amphibian Morphogenesis

10 Metamorfose: Padder Brown &Cai Dev.Biol. 306(1):

11 Metamorfose: Padder Skin remodeling Remodeling of intestine Brown &Cai Dev.Biol. 306(1):

12 Migration af øjne under metamorfose hos Xenopus Øjne laterale Contralaterale neuroner Retina Synshøjene (optic tectum) Retina Synsnerve Synsnervekrydsning (optic chiasma) Øjne frontale Binokulært syn: Dannelse af nye ipsilaterale neuroner Williams et al., Current Opinion in Neurobiology 14: 51-60

13 Ændringer i Xenopus hoved under metamorfose Meckel s brusk Hyoidbue = tungebue (2 stk ceratohyale) haletudse Meckel s brusk Tungebue gællebuer Meckel s brusk Tungebue Mandibel = Underkæbe Dannet omkring Meckel s brusk Tungebue Nu del af tungeben

14 Udvikling af urinstof-cyklus under metamorfose Hos terrestriske former begynder leveren under metamorfosen at syntetisere enzymer som indgår i urinstof-cyklussen Ammoniak Urinstof

15 Organ specifik respons på thyroid hormon under springpadde-metamorfose øjeæble

16 Variationer i metamorfosen hos padder Kimceller (germcells)

17 Variationer i metamorfosen hos padder Heterokroni: Udvidet eller afkortet larval periode Ændring i den relative tid for fremkomst og hastighed af udvikling af karakterer tilstede i livscyklussen hos stamform 1. Neoteni Bibeholdelse af den larvale kropsform grundet forsinket eller helt manglende metamorfose. Gonader og kønsceller modner til normal tid i forhold til livscyklus. Resultatet er en kønsmoden kæmpelarve. 2. Progenese Bibeholdelse af den larvale kropsform grundet hurtigere modning af gonader og kønsceller end normalt i forhold til livscyklus. Resultatet er en kønsmoden larve i normal larvestørrelse. 3. Direkte udvikling Embryonet springer larvestadiet over og udvikles direkte til en juvenil som ikke er kønsmoden men hvis kropsform modsvarer den adulte.

18 Neoteni: Larve af Axolotlen Ambystoma mexicanum

19 Neoteni: Adult Axolotl Ambystoma mexicanum

20 Neoteni: adult Ambystoma Neoten form Metamorfoseret form Neotene form: hypofyse frigiver ikke thyroid stimulerende hormon

21 Forskellige halepadder Hos neotene former skelnes mellem Fakultativt neotene: Metamorfosen kan induceres Obligat neotene: Metamorfosen kan ikke induceres Necturus danner ikke TRβ mrna Young The Life of Vertebrates.

22 Variationer i metamorfosen hos padder Heterokroni: Udvidet eller afkortet larval periode Ændring i den relative tid for fremkomst og hastighed af udvikling af karakterer tilstede i livscyklussen hos stamform 1. Neoteni Bibeholdelse af den larvale kropsform grundet forsinket eller helt manglende metamorfose. Gonader og kønsceller modner til normal tid i forhold til livscyklus. Resultatet er en kønsmoden kæmpelarve. 2. Progenese Bibeholdelse af den larvale kropsform grundet hurtigere modning af gonader og kønsceller end normalt i forhold til livscyklus. Resultatet er en kønsmoden larve i normal larvestørrelse. 3. Direkte udvikling Embryonet springer larvestadiet over og udvikles direkte til en juvenil som ikke er kønsmoden men hvis kropsform modsvarer den adulte.

23 Eleutherodactylus coqui Æg 3,5 mm! Normal kløvning, gastrulation og neurulation herefter dannes lemmeknopper: larvestadiet springes over

24 Forskellige springpadder Yngelpleje hos f.eks. Pipa Young The Life of Vertebrates.

25 Yngelpleje hos Springpadder Dendrobates Rheobatrachus

26 Postembryonisk udvikling: Metamorfose & Regeneration Regeneration Nydannelse af tabte strukturer og ødelagte organer i postembryoniske liv.

27 Regeneration hos salamandre Exceptionel regenerationsevne findes hos visse salamandre Regeneration ved cellulær dedifferentiering Lemmer Hale inklusiv nerverør Kæber Øjne: linse og retina Optiske nerver Tarmen Dele af hjertekammer Notophthalmus viridescens (adult) Notophthalmus viridescens (eft) Brockes and Kumar Curr. Biol. 15(2): R42-44

28 Regeneration Stamcelle medieret regeneration: Stamceller gendanner tabte væv. Epimorfose: Dedifferentiering af adulte strukturer og dannelse af en udifferentieret cellemasse som prolifererer og respecificeres. Karakteristisk for lemmeregeneration hos padder. Morfallakse: Allokering af eksisterende væv som transformeres til andre væv. Ringe eller ingen vækst. Karakteristisk for regeneration hos polypdyr. Kompensatorisk regeneration: Celler bevarer deres differentierede form og deler sig. Karakteristisk for regeneration af pattedyrenes lever.

29 Regeneration af lemmer hos salamandre Under albue Gennem humerus Regeneration af en salamanders forlem efter amputation. Et komplet nyt forlem dannes med alle differentierede celler arrangeret rigtigt.

30 Regeneration hos salamandre Epimorfose: Dedifferentiering af adulte strukturer og dannelse af en udifferentieret cellemasse som prolifererer og redifferentierer.

31 Regeneration af lemmer hos padder Regeneration af paddelemmer involverer: 1. Dannelse af sår epidermis få timer efter amputation. Sår epidermis prolifererer og danner en ektodermal hætte. 2. Dannelse af et regenererende blastem fra en dedifferentieret cellemasse, som stammer fra den førhen velstrukturerede lemmeregion. 3. Proliferation og redifferentiering af blastemet.

32 Regeneration af forlem hos larve af salamanderen Ambystoma maculatum Ektodermal hætte 2 dage 5 dage 7 dage Celledelinger i blastemet humerus Dedifferentiering Dannelsen af en apikal ektodermal hætte og regenererende blastem

33 Regeneration af forlem hos larve af salamanderen Ambystoma maculatum 8 dage Redifferentiering 9 dage 10 dage Redifferentiering Mitotisk aktivitet Dedifferentiering Proliferation og begyndende redifferentiering af blastemceller

34 FGF10 genopretter regenerative evne i Xenopus baglem -FGF 10 + FGF 10 FGF10 secerneres fra celler i prolifererende blastem og er sammen med faktorer, som frigives fra neuroner en central faktor for regeneration.

35 Regeneration Morfallakse: Allokering af eksisterende væv som transformeres til andre væv. Ringe eller ingen vækst. Karakteristisk for regeneration hos polypdyr.

36 Morfallakse hos polypdyr (Hydra) Hypostom (fodskive)

37 Hydra apikal-basal akse: transplantationsforsøg Induktion af sekundær akse ved podning med henholdsvis hypostom og fodskive væv.

38 Hydra apikal-basal akse: transplantationsforsøg Ingen eller svag induktion ved samtidig podning med henholdsvis hypostom og fodskive væv.

39 Hydra apikal-basal akse: transplantationsforsøg Evidens for hoved inhiberende gradient.

40 Knopskydning hos Hydra Knopskydning som funktion af hoved og fod inhibitoriske gradienter: Knopskydningen er afhængig af polyppens størrelse

41 Regeneration Stamcelle medieret regeneration: Stamceller gendanner tabte væv. Epimorfose: Dedifferentiering af adulte strukturer og dannelse af en udifferentieret cellemasse som prolifererer og respecificeres. Karakteristisk for lemmeregeneration hos padder. Morfallakse: Allokering af eksisterende væv som transformeres til andre væv. Ringe eller ingen vækst. Karakteristisk for regeneration hos polypdyr. Kompensatorisk regeneration: Celler bevarer deres differentierede form og deler sig. Karakteristisk for regeneration af pattedyrenes lever.