Rörelseapparatens utveckling Flashcards
Vad ingår i rörselseapparaten?
- Skelett
- Axiala skelettet: ryggrad, revben och huvud - intramembranös benbildning
- Appendikulära skelettet: extremiteter, axlar, höft - endokondral benbildning
- Leder
- Muskler
Vad ingår i rörselseapparaten?
- Skelett
- Axiala skelettet: ryggrad, revben och huvud
- Appendikulära skelettet: extremiteter, axlar, höft
- Leder
- Muskler
Under vilken fostervecka sker somitbildning och utveckling av rörelseapparaten?
Somitbildning är viktigt för det axiala skelettet och alla tvärstrimmiga muskler. Bildningen av somiter börjar i mitten av den 3:e till 4:e veckan samtidigt som man definierar höger och vänster axel.
Vilket ursprung har skelett och muskelvävnad?
Paraxiala mesodermet som ligger jämte neuralröret och notokorden.
Hur kan det paraxiala mesodermet delas in?
Vilka 3 komponenter delas somiterna in i och vad utvecklas respektive till?
De mesodermala komponenterna ger upphov till olika strukturer och organ. Det paraxiala mesodermet har en anterior komponent som kallas huvudmesoderm som inte delas in i somiter (utan blir bindväv och ansiktsmuskler). Det som ligger posteriort om huvudet kommer bilda somiter. Somiterna delas upp i tre komponenter: sklerotom, myotom och dermatom.
● Dermatomet ger upphov till dermis och har en uppdelning beroende på vilken somit i den anteroposteriora axeln som har bildat den.
● Myotomet ger upphov till all tvärstrimmig muskulatur. Det innebär att vissa celler måste migrera väldigt långt, exempelvis från somit ut till handplattan.
● Sklerotomet bildar det axiala skelettet, brosk i kotpelaren men också kotpelaren själv.
Vad sker med det paraxiala mesodermet i samband med gastrulationen?
Från noden i neuralplattan så migrerar celler som bildar notokorden ut och celler som bildar prechordal plate. Det kan ses som en progenitorcellpopulation - cellerna delar sig rigoröst och kommer efterhand att lämna området och börja migrera fram på ömse sidor om notokorden för att så småningom bilda det paraxiala mesodermet som sedan genomgår segmentering så att man får somiter. Från början kommer primitiv streak och noden att ha en utdragen form och vara långt fram i embryot men drar sig tillbaks och efterlämnar dessa cellpopulationer.
Ett nytt somitpar bildas var 4-5:e timme i människa och var 120:e minut i musen.
Hur regleras denna rytmiska och koordinerade avgränsning av nya segment/somiter och vad kallas denna modellen?
Modellen kan förklara rytmiciteten i somitbildning. Denna modell har två komponenter:
- The clock som består av uttryck av hundratals gener som oscillerar under somitbildning. Ett nytt somitpar bildas varje expressionscykel (varje “klockslag”).
- The wavefront som består av två motriktade gradienter av FGF/Wnt (Fibroblast Growth Factor) och RA (retinolsyra) som gradvis rör sig mer posteriort i det presomitiska mesodermet. Vågen bestämmer var nästa somit skall bildas. The wavefront kan liknas vid “vågen” vid en idrottsarena. Cellerna rör sig inte, men vågen migrerar.
Gradienten av FGF/Wnt har sin högsta koncentration i noden och avtar där nya somiter knoppas av. En ny somit kommer knoppas av vid the determination front. De redan bildade somiterna kommer att uttrycka enzymer som leder till att retinolsyra (RA) produceras. FGF-närvaro gör att RA kommer brytas ned och vice versa.
Wavefronten kommer röra sig, från anteriort till posteriort. Koncentrationen av RA minskar alltså desto mer posteriort och koncentrationen av Wnt och FGF ökar.
Vad ger klockan respektive wavefronten för information till somiterna?
Klockan talar om för oss när en ny somit ska bildas, medan wavefront definierar var nästa somit ska bildas. Enligt modellen skulle därför en snabbare klocka leda till mindre och fler somiter. En snabbare wavefront skulle däremot ge större och färre somiter.
Determinationsfronten rör på sig. Det är kombinationen av determinationsfrontens rörelse och klockan som avgör hur många somiter som bildas och hur stora de är.
Vad sker med deteramationsfronten om man påverkar RA och dess nedbrytning?
Determinationsfronten ligger där patterningprocessen kan tänkas äga rum. Det finns evidens för att om man påverkar RA och dess nedbrytning kommer somitbildningen påverkas. Man kan producera fram embryon med fler thoracalkotor men emellertid eventuellt färre sakralkotor.
Hur fungerar en biologisk klocka och vilka 3 krav finns det för klockgenerna?
En biologisk klocka förutsätter att man har en genprodukt som utövar negativ feedback. En annan förutsättning är att man behöver en lagom lång lag-fas, denna fas bestäms bland annat av hur långt primärtranskriptet är. mRNA och protein måste ha en relativt kort halveringstid. mRNA:s halveringstid varierar en del men generellt är den mellan 12-24 timmar. Varje mRNA kan ge upphov till 200 kopior av ett protein och det finns alltså en amplifieringsmöjlighet.
Det finns alltså tre krav för klockgenerna:
● Reglering genom negativ feedback
● Lag-fas mellan mRNA-bildning och proteinsyntes
○ Lag-fasen är tiden mellan transkription av mRNA och translation av proteinet. Om inte det fanns en lag-fas skulle produkten omedelbart stänga av sin egen translation och man skulle aldrig ha tid att bygga upp några produkter.
● Kort halveringstid på mRNA och protein
Vad menas med att vissa klockgener fungerar som motorgener och driver på klockan?
Ge exempel på en sådan som påverkar somiternas segmentering.
En del av dessa gener utgör en motor i själva klockan. Dessa måste ha en negativ feedbackreglering. Klockproteiner kommer dock ha andra targetfunktioner som är andra klockgener eller andra gener som påverkar somitbildningen. Det räcker alltså inte med enbart en intrinsic klocka, för då kommer cellerna efter ett tag börja gå i otakt. Man måste ha proteiner som gör att vi får en synkroniserad oscillering av klockgenerna.
Man har länge försökt identifiera motorgener som driver klockan. En av de mest spännande är Hes7-proteinet. Hes7 är en transkriptionsfaktor som reglerar sig själv via negativ feedback, men den kan även reglera andra gener. Hes7 regleras av Notch-signalering. Notch-signalering är en viktig typ av signalering och det finns fyra medlemmar i Notch-familjen. Hes7 uppfyller många av kraven för att vara en motorgen. De gener som ingår i klockfunktionen tillhör till stor andel denna familj av proteiner.
Vad menas med att vissa klockgener fungerar som motorgener och driver på klockan?
Ge exempel på en sådan som påverkar somiternas segmentering.
En del av dessa gener utgör en motor i själva klockan. Dessa måste ha en negativ feedbackreglering. Klockproteiner kommer dock ha andra targetfunktioner som är andra klockgener eller andra gener som påverkar somitbildningen. Det räcker alltså inte med enbart en intrinsic klocka, för då kommer cellerna efter ett tag börja gå i otakt. Man måste ha proteiner som gör att vi får en synkroniserad oscillering av klockgenerna.
Man har länge försökt identifiera motorgener som driver klockan. En av de mest spännande är Hes7-proteinet. Hes7 är en transkriptionsfaktor som reglerar sig själv via negativ feedback, men den kan även reglera andra gener. Hes7 regleras av Notch-signalering. Notch-signalering är en viktig typ av signalering och det finns fyra medlemmar i Notch-familjen. Hes7 uppfyller många av kraven för att vara en motorgen. De gener som ingår i klockfunktionen tillhör till stor andel denna familj av proteiner.
Vilka effekter fås på somiternas segmentering vid punktmutationer i Hes7?
Vilka effekter fås vid deletion av intron 1 och 2 i Hes7?
Genom att introducera punktmutationer i Hes7 kan man påverka T1/2 (halveringstid) hos proteinet och man förväntar sig en långsammare klocka och därmed större och färre somiter vilket man även har sett.
Ett annat experiment gick ut på att minska lag-fasen och det gjorde man genom att deletera intron 1 och 2 i Hes7. Som konsekvens gick lag-fasen från 29 min (i WT-musen) till 24 min (i muterad mus). Det beror på att man kortar tiden mellan transkription och translation - det går snabbare att transkribera genen eftersom introner saknas. Konsekvensen är att man får möss som istället för 7 cervikalkotor får 9 st cervikalkotor. Det var alltså inte bara Hes7 som påverkades utan även andra klockgener.
Hur många somitpar bildas hos människoembryon?
33 somitpar
En somit ger upphov till sklerotom, mytom och dermatom. Då en somit har övergått till att bilda dessa strukturer kommer det finnas en tydlig uppdelning och har då tappat sitt epitel. Hur ser denna uppdelning ut i ett tvärsnitt av det utvecklande delarna av semiten?
En somit ger upphov till sklerotom, mytom och dermatom. Då en somit har övergått till att bilda dessa strukturer kommer det finnas en tydlig uppdelning och har då tappat sitt epitel. Somiten är en epitelial struktur som är väl sammanhållen likt en ishockeypuck. I och med att somiter delas upp i portioner kommer också deras egenskaper att ändras.
Det kommer vid denna perioden i utvecklingen finnas två dorsala aortor som senare i utvecklingen fuserar.
Sklerotomet består av mesenkymala celler. Sklerotomet kommer att sprida sig i utrymmet mellan notokord och neuralrör. Sklerotomala celler kommer ge upphov till kotkroppen. De kommer sedan att förbenas. Notokordens rester hittar man i diskarna mellan kotorna - intervertebraldiskar.
Hur kommer anläggningen av kotpelaren gå till?
En somit av sklerotom och dermamyotom kommer att då kotkroppen skall bildas att klyvas. Mer specifikt kommer sklerotomet klyvas så att den anteriora delen av ett sklerotom fuserar med den posteriora delen av ett framförliggande sklerotom så att en kotkropp bildas. På så sätt kommer de axiala musklerna på ett naturligt sätt fästa över en kotgräns. Hade inte denna klyvning och fusion skett så skulle musklerna inte ha fäst i flera kotkroppar. På så sätt får man alltså myotom som överlappar mellan två intilliggande kotkroppar.
Vilken mutation är kopplad till missbildningar som följd av defekt segmentation?
Under vilken fostervecka kommer anterior-posterior patterning av mesodermet ske?
Varje kota har en unik anatomisk konstruktion vilket är särskilt tydligt i halskotorna - hur uppkommer detta?
Varje kota har en unik anatomisk konstruktion vilket är särskilt tydligt i halskotorna. Detta kommer uppstå som följd av en patterningprocess som ger varje segment dess identitet. Exempelvis kommer lumbalkotor att skilja sig från sakralkotor.
Dessa segment kommer få ett positionellt värde som bestäms av Hox-gener. Detta beror på ett fenomen som kallas för “Co-linear expression of Hox genes”.
Vad innebär hoxgen collingearity och hur relaterar hoxgenerna till den anteriora-posteriora kroppsaxeln?
Dessa segment kommer få ett positionellt värde som bestäms av Hox-gener. Detta beror på ett fenomen som kallas för “Co-linear expression of Hox genes”. Co-linearitet är nyckelordet och innebär att det finns ett samband mellan hur generna är klassade i genomet och hur de uttrycks i kroppen. Hox-generna ligger efter varandra och man har namngivit generna i nummerordning. Generna transkriberas från ena ändan till den andra och därför säger man att gen 1 finns i 3’-änden.
De gener som ligger närmast Hox-genklustrets 3’-ända kommer uttryckas anteriort i kroppen och sedan blir det en gradient av Hox-genuttryck där 5’-ändans genprodukt kommer uttryckas mer posteriort. Man tilldelar på så sätt varje segment en unik kombination av Hox-genstranskript. Samtliga celler bär på hela genomet. Varje cell kommer att transkribera en summa av alla Hox-gener som ligger innan i klustret, beroende på anterior-posterior position i kroppen. Exempelvis kommer en anterior cell kunna uttrycka gen 1 och gen 2 medan en mer posterior cell uttrycker gen 1 till gen 5.
Hur skiljer sig hoxgenklustren i insekter från däggdjur?
Detta är en evolutionärt konserverad genstruktur som återfinns i så gott som alla högre stående djurarter: insekter, vertebrater o.s.v. Att Hox-generna ligger i en viss ordning är också konserverat även om det finns vissa undantag, exempelvis har Drosophilas kluster delat på sig. I däggdjur har Hox-genklustret duplicerats två gånger vilket medför att däggdjur har fyra kluster i genomet. Trots detta kommer det finnas en tydlig segmentering.
Det kompletta klustret ska innehålla 13 Hox-gener. Varje Hox-gen finns i minst två kopior men vissa finns i fyra.
Uttrycksmönstret är också konserverat. Lägre nummer på Hox-genen innebär att genen uttrycks mer anteriort.
Vad innebär postering prevalens (hoxgenerna) och vilken effekt har detta på uttrycket av hoxgener och mutationer?
Generna kommer att tappa i sin intensitet av transkription. Det kallas för posterior prevalens och kan delvis förklaras av att Hox-gener som ligger nära 5’-ändan, framförallt Hox-d13, aktivt hämmar transkription av främre liggande Hox-gener. Man vet att Hox-d13 kommer inhibera transkription av föregående Hox-gener vilket man antar gäller även för de andra Hox-generna.
Av detta följer att det är den senast aktiverade Hox-genen som bestämmer patterning och det ingår i begreppet posterior prevalens. Det är alltså inte oviktigt med vilka Hox-gener som har varit påslagna men det är främst den senaste aktiverade Hox-genen som är av betydelse.
Om man muterar en gen kommer segmentets identitet att få samma identitet som det föregående segmentet. Om man knockar de Hox-gener som ger ett avsett lumbart segment sin positionella information kommer det därför att bilda ett thorakalt segment.
Vad är anledningen till att endast Y-segmentet påverkas vid deletion av hoxgen 3 medan den posteriora delen är intakt?
Missbildningarna som följer kallas för homeotiska missbildningar. Ett exempel är hos flugor där en mutation i ultrabithorax kommer innebära att ett par stödjande ben istället blir till ett par vingar då det kommer vara det föregående instruerade segmentet.
På grund av posterior prevalens kommer de segment som kommer efter en knockad Hox-gen att inte påverkas nämnvärt.
Hur påverkas ryggraden i möss av en deletion av Hoxc8 ?
Hur kan axiala skelettet påverkas av mutationer i hoxgenerna?
Det finns en komplicerande faktor: det finns fyra kluster av Hox-gener så det är inte så att en viss påverkan på ett kluster resulterar i påverkan på segmenteringen.
Genom genmanipulation och försiktig avling av möss kan man se att lumbalkotor får thorakal anatomi med revben.
Om man istället ektopiskt uttrycker Hox-a10 i presomitiskt mesoderm kommer kotkropparna kaudaliseras - musen kommer sakna revben. Man har förflyttat Hox-a10-genen till en mer anterior del och kommer då se en lumbal struktur.
Under vilka fosterveckor sker extremitetesutvecklingen och från vilken struktur?
Extremiteterna utvecklas under vecka 4-8. De utvecklas från en struktur som kallas limb bud som finns i form av fore limb bud och hind limb bud. De saknar form och patterning och måste tilldelas positionella värden igen för att kunna bilda extremiteter med skelett, leder, muskler, nerver och kärl. Dessa limb buds kommer få ett paddelutseende då de har utvecklats lite mer.
Vilken ordning av den progressiva utvecklingen av extremiteter kan ses?
Man kan se att det är en progressiv utveckling där detaljerna mejslas ut efterhand och att det finns en proximal mognadsgradient - den proximala delen av extremiteten har mognat väl innan detaljer på mer distala delar har mejslats färdigt.
Vilken faktor är viktig vid induktion av extremiteter?
Vad innebär det att extremiteten har en regulatorisk kapacitet under utvecklingen?
FGF (Fibroblast growth factor) är viktig för att inducera extremiteter. Man kan till och med inducera en ektopisk arm/ben med en FGF-indränkt pellet under ektodermet.
Extremiteten har en regulatorisk kapacitet - den kan under tidig utveckling kompensera för förlorade celler eller celladdition. Det betyder dels att cellerna är plastiska och ej determinerade och man kan därför dra slutsatsen att patterningprocessen etableras relativt sent. FGF-uttrycket kommer att sammanfalla med Hox-6-uttryckets anteriora gräns vilket gäller i alla species oavsett vilken somit man undersöker.
Vad har apical ectodermal ringde (AER) för funktion under extremitetsutvecklingen?
Vilka signalämnen frisätter den och vad för effekter har dessa?
Apical ectodermal ridge (AER) är en ektodermal list som löper i anterior-posterior riktning mest distalt på arm/ben-buden. Det kommer ske en reciprok, en ömsesidig, signalering mellan AER och mesodermet vilket är nödvändigt för extremitetsutveckling. Progression zone (PZ) med odifferentierade mesodermala celler kommer proliferera som svar på signaler från AER. Dessa signaler utgörs av FGF.
AER skickar bland annat signaler med FGF-8 och AER får tillbaka signaler. Om man kirurgiskt avlägsnar AER från en tidig limb bud får man ingen extremitet och det kan därför ses som en motor i utvecklingen.
Mesodermet kommer definiera vilken typ av extremitet som skall bildas, alltså arm eller ben, medan ektodermet (AER) kommer definiera vilken typ av hår/fjädrar/fjäll som skall utvecklas. Genom att transplantera mesoderm från en nedre extremitet till en övre extremitet kan man därför se att man får en fot-extremitet fast med fjädrar.
Vilka tre segment delas extremiteterna in i proximalt => distalt och vilka morfogener ger upphov till dessa?
Extremiteten kommer bestå av tre segment: stylopod, zeugopod och autopod. Här finns tydliga paralleller till definitioner av det paraxiala mesodermet - man hittar tydliga gradienter av FGF och RA.
Man hittar även segmentellt uttryck av Hox-gener där de gener som är närmast 5’-ändan kommer vara inblandade i extremitetsutveckling.
Hur påverkar hoxgener patterning av den proximala-distala axeln av extremiteterna?
Hur kommer mutationer i hoxgenerna påverka den proximala-distala axeln?
Segmentellt uttryck av Hox-gener kan ses där de gener som är närmast 5’-ändan kommer vara inblandade i extremitetsutveckling.
I dessa områden kommer Hox-genmutationen oftast ge bortfall snarare än gain av andra strukturer. Om man till exempel knockar Hox-a11-gener kommer man att nästan helt tappa radialis och ulna.
Kliniskt kommer man se att en mutation i Hox-d13 ger syndactyly eller “split hand” hos människa. Beroende på om man är heterozygot eller homozygot för den mutationen får man ganska olika fenotyper. Man har till och med kategoriserat fenotyperna helt olika men har kunnat visa att det är samma mekanism som påverkar mer eller mindre gravt.
Vad kan mutationer i HOXD13 ge upphov till för missbildning i extremiteterna?
Hur går patterning av anterior-posterior i hand/ben till?
Vilken morfogen är viktig och var är koncentrationen högst/lägst?
Patterningprocessen sker inte bara proximalt-distalt utan även anterior-posteriort. Detta sker med hjälp av strukturen zone of polarizing activity (ZPA) som inducerar posteriora fingrar/tår d.v.s. lång- till lillfinger. Den är nödvändig för polaritet.
Morfogengradienten av Shh kommer ge positionella värden och formar den växande forelimb-budden. Shh uttrycks i zone of polarizing activity (ZPA). Beroende på koncentrationen av Shh och hur länge cellerna har exponerats för Shh får de olika positionella värden; tummen kommer inte ha exponerats för mycket Shh och inte under lång tid medan motsatsen gäller för lillfingret.
Det finns en väldigt koncentrerad nivå av Shh från ZPA. Shh ensamt kan inducera polydaktyly och spegelvändning. Har man alltså Shh även om ZPA saknas kan fingrar induceras.
Hur påverkas handens form av ändrad morfogengradienten?
Vad beror hemimelic extra toes på och vilka effekter fås?
Hemimelic extra toes (Hx) beror på en punktmutation i ett enhancer-element (superenhancer) mer än 1 Mbp uppströms om musens Shh-gen. Mutationer kommer göra att Shh även uttrycks i den anteriora regionen av limb-buds utöver det normala posteriora uttrycket. Man får alltså en ektopisk ZPA. Denna mutation leder till polydaktyly och spegelvändning.
Man har kunnat visa att en mycket modest förändring i denna enhancern leder till avsaknad av extremiter hos vissa ormar. Ormar har sannolikt muterat några få nukleotider i denna enhancer och därför tappat alla sina extremiteter.
Vad innebär ZPA Regulatory Sequence (ZRS)?
Hur går skulpteringen av outmejslingen av fingrar/tår till?
Fingrar och tår mejslas fram sent i processen och det sker genom apoptos. BMP (bone morphogenic protein) inducerar apoptos av simhuden mellan fingrar och BMP stimulerar även till differentiering av ben/skelett. BMP-uttrycket regleras bland annat av ZPA och Sonic hedgehog.
Vad innebär följande missbildningar?
Ameli, hemimeli, fokomeli, syndaktyli, polydaktyli, brachydaktyli.
