Utvecklingsbiologiska mekanismer och modellorganismer Flashcards
Olika steg i utvecklingen?
Befruktning –> klyvning –> gastrulation –> organbildning –> tillväxt.
- morfogenes
- celldifferentiering
- patterning
Vad sker vid befruktning? Hur ser ägget ut? Beskriv hela processen
Ägg och sperma fuserar. Två haploida celler går ihop och bildar en diploid cell: zygoten.
I människa så är ägget som släpps från äggstocken omringad av ett lager av glykoproteiner, som kallas zona pellucida. Utanför det så finns celler ifrån follikeln som har följt med ägget när det släpps: kallas corona radiata.
Spermien tar sig först igenom corona radiata, sen sker en akrosomreaktion: enzymer släpps ut från spermien för att ta sig igenom zona pellucida. När dessa två cellmembranen möts så smälter de ihop och spermiens kärna släpps in i äggcellen.
När det här sker har vi samtidigt en kortikalreaktion: kortikala granula i äggcellen frisläpps och det gör att ytterligare spermier inte kan ta sig igenom och befrukta ägget.
Befruktning är startskottet på utvecklingen. Zygoten ska nu fortsätta att utveckla sig och bli ett djur.
Hur stor är äggcellen?
Äggcellen är relativt stor cell, mycket större än spermierna. Ca 1 mm i diameter i människa.
Vad sker under klyvning?
Under klyvning så delas cellen utan att det är någon tillväxt. Cellen genomgår S-fas och M-fas utan att G1 eller G2-fas.
Cellerna sker synkront, så att man först får två celler, sen 4, sen 8 sen 16 osv.
Resultatet blir flera celler som blir mindre och mindre för varje celldelning. Ett människoägg kan gå igenom 3 sådanahära klyvningar till 16 celler, men andra djur kan ha mkt större ägg och då går ägget igenom många fler klyvningsrundor så att man i slutändan får normal storlek.
Vad kallas cellmassan när klyvningen är klar!
blastula, eller blastocyst i däggdjur.
Hur ser blastulan ut?
Oftast är blastulan organiserad runt ett vätskefyllt utrymme: kallas blastocoel.
Vad sker efter klyvning hos ägg/dägg-djur?
Djur som lägger ägg: då sker gastrulation direkt efter klyvning.
Men i däggdjur: då ska den lilla blastocysten inplanteras i livmoderväggen innan gastrulation börjar.
Vad är gastrulation och vad blir resultatet efter gastrulation? Vad sker under gastrulation?
SE POWERPOINT
Gastrulationen involverar massor m cellrörelser, som resulterar i att man får fler groddlager:
- ektoderm ytterst
- mesoderm i mitten
- endoderm innerst
Efter gastrulationen så syns också kroppsaxlarna. Man kan se huvudändan, svansändan, rygg och mage.
Gastrulation är en komplex process.
Cellerna som ska bli mesodermala släpper taget fr sina grannar och vandrar in i själva embryot i blastocoelen. Denna process kallas ingression.
Därefter får vi en invagination; de endodermala cellerna rör sig in i blastocoalen. Denna invaginationen fortsätter mot den andra ändan av embryot, där den tillslut bildar en öppning som blir den framtida munnen.
Alla tre groddlagrena har nu hamnat på sin rätta plats. Vi har endodermet innerst som bygger magtarm-kanalen. Mesodermet utanför. Och det som är kvar på utsidan är ektodermet.
Gastrulation är en process som ser väldigt olika ut i olika organismer, även om slutresultatet blir detsamma.
Grodans gastrulation
Blå: ektoderm
Röd: mesoderm
Gul: endoderm
Gastrulationen börjar vid den lilla inbuktningen som heter blastopor. Här vandrar celler in, alla de gula cellerna och de röda cellerna, samtidigt som de blå cellerna sprider ut sig på ytan. Slutresultatet blir att de endodermala cellerna blir innerst, ektoderm ytterst och mesodermala celler emellan.
Beskriv organbildning. Vad ger de olika grodlagren för organ?
Ektoderm: hår, naglar, körtlar, hud, munhåla m.m. nervsystemet.
Endoderm: primitiv mage: lungepitel, strupe, lever, bukspottkörtel, urogenitalt epitel, m.m.
Mesoderm: notokord (temporär struktur i ryggradsdjur), somiter, bukhålsytor, cirkulationssystem, urogenitala organ.
Organogenesen fortsätter sedan fram till födsel. Tidigt i embryogenesen så får organerna sina grundstrukturer. Cellerna differentierar gradvis. Färdigdifferenting av cellerna sker ganska sent i embryogenesen, för att organerna ska bli funktionella.
Efter att organerna fått sin grundläggande struktur så följer en period med ganska kraftig tillväxt. Det betyder att embryots form skapas i liten skala. Den fortsatta tillväxten bygger på celldelning, tillväxt i cellstorlek, uppbyggnad av ECM, fortsatt celldifferentiering.
Storleken på ett människoembryo under utveckling.
Vecka 8: embryot är ganska så lite, men blåser man upp storleken så ser man redan vid 8 veckor att storleken har fortsatt få sin form.
Djurmodell
Den organism som är mest lik människan.
Nackdelen: det är ett däggdjur. Så för att titta på embryogenesen = embryot kan inte leva så länge utanför mamman.
Kyckling och groda: fördel: ryggradsdjur. + lägger ägg. Kan studera embryogenesen utanför mamman. Man har också använt dessa organismer mkt i utvecklingsbiologiska studier.
Zebrafisken: nyare modellen. Ryggradsdjur, äggdjur. Zebrafisk är mest lämplig för genetisk manipulation.
Bananflugan: insekt. Snabb generationstid. Lägger massor med ägg som är tillgänglig studie, och de organismer som är mest lämplig för genetisk manipulation.
Musens livscykel:
Det befruktade ägget –> klyvning –> blir en blastocyst –> implantation i livmoderväggen –> gastrulering –> organogenes –> tillväxt och födsel.
Grodans livscykel:
Befruktat ägg –> klyvning –> gastrulation –> organogenes –> kläckning.
Begränsat hur mkt tillväxt det kan vara inuti ett ägg med given storlek. Så det här lilla grodynglet har till uppgift att äta, växa och bli stor. När den nått en viss storlek så sker metamorfosen till en vuxen groda.
Kycklingens livscykel:
Befruktade ägget –> klyvning –> gastrulation –> organogenes. Lite mera tillväxt, eftersom kycklingägget är en av de största äggen. Ut kmr en liten kyckling, och kan fortsätta växa.
Zebrafiskens livscykel
Befruktat ägg –> klyvning –> gastrulation –> organogenes –> kläckning.
Flugans livscykel:
Det befruktade ägget –> klyvning –> gastrulation –> organogenes (massa organ i den lilla larven) –> tillväxt efter kläckning i larvstadiet –> metamorfos (larv förvandlas till en fluga).
Hur forska på utveckling
- Deskriptiv embryologi
2. Experimentell embryologi
Deskriptiv embryologi: Vad är det? hur gör man det?
Följa cellernas beteende under utvecklingen, det normala beteendet av cellerna, så som när de delas, hur de flyttar på sig, hur de ändrar sig i form av funktion.
Ska man göra ett sådant experiment så är det en fördel att välja en organism som lägger sina ägg. Det blir mkt lättare då att följa vad som sker.
Grodan: ta bort de yttersta delarna av ägget. Då blir ägget genomskinligt. Lägg under mikroskopet och se vad som sker.
man kan märka in vissa celler i embryot och kolla vad som sker med dessa. Man tar nål m lite färg på och duttar den på cellen då att den tas upp av cellen.
I det här experimentet gjordes detta under klyvningsstadiet när embryot bestod av 32 celler. Följde cellerna i 10 h framöver tills embryot bestod av 50k celler för att se vad som sker.
Det intressanta var att man såg ett mönster som var lika från embryo till embryo: en cell i en viss position i det tidiga embryot ger upphov till celler som återfinns vid en viss position senare i embryot.
Gör man detta experiemntet tillräckligt många gånger och färgar in alla cellerna i embryot ngn gång så kan man göra en ödeskarta, fate map.
Fate map
Högst t vänster: 32-cellig. tidigt gastrula. Se hur avkomman fr cellerna vid 32-cellsstadiet delar sig i tidig gastrula.
följer man cellerna ytterligare så kan man se var de hamnar i det lilla grodynglet. De blå cellerna i 32-cellsstadiet kommer ge upphov till ektodermet, det turkosa till epidermis och det blå till neuralröret.
De rödorangacellerna: mesoderm och mera specifikt t somiter och notokord.
De gula cellerna: endoderm (MTK och delar av andra inre organ).
Vad är experimentell embryologi?
När får cellerna information om vad de ska bli? är cellerna programmerade till ett visst öde redan vid 32-cellsstadiet eller vid vilken tidpunkt blir de tilldelade en uppgift i organismen. Vi kommer då in på experimentell embryologi.
Då undersöker man underliggande mekanismer, celler eller vävnader kan tas bort ifrån embryot eller det kan flyttas till ett annat ställe i embryot, organiseras eller transplanteras.
Och man kan även ta celler ut ur embryot och odla in vitro för att se vad de utvecklas till.
Cellöde och celldetermination är då två begrepp som ingår
Vad är cellöde och celldetermination
Cellöde: betyder att cellen pga dess position i det tidiga embryot, kommer utvecklas till en viss struktur senare. Men cellen har inte fått information om detta än, och om den flyttas i embryot till en annan position så kan den bli ngt annat.
Celldetermination: cellen har fått information om vad den ska bli. om man flyttar den till en annan position i embryot så kommer den att bibehålla sitt ursprungliga öde.
Är cellerna determinerade eller icke-determinerade?
Experimentell embryologi i groda mha fate map
Man lokaliserade den presumptiva ögonregionen i tidig embryo, innan gastrulation.
Om man tar dessa celler ifrån ett tidigt embryo innan gastrulation och flyttar de till den laterala sidan i ett embryo som precis är klar med sin gastrulation, så ser man att cellerna inte bildar några ögonstrukturer utan de inko0rporeras i mesodermet och blir somatisk vävnad.
Cellerna utvecklas enligt den nya positionen och de hade alltså inte fått någon information om att bli en del av ögat vid tidpunkten för transplantation.
Om man ist flyttar cellerna vid ett senare stadium som direkt efter gastrulationen, då utvecklar dessa celler ögonliknande struktrer på sidan av embryot.
vi säger därför att cellerna är determinerade att bli en del av ögat först efter gastrulation, så någon gång under gastrulationen kommer den informationen till cellerna.
Så vad är cellöde? Determinerade celler?
Cellerna har ett öde (fate) om att bli en viss del av kroppen beroende på dess position i embryot. Men ett öde betyder att de inte har fått information om detta än.
Determinerade celler har fått information. De behåller sitt ursprungliga öde även om de flyttas till ett annat ställe i embryot. Man har också kunnat förstå att tidiga embryonala celler inte är snävt determinerade, såsom senare celler är.
Hur studera vilka mekanismer styr detta? Alltså hur cellerna får information om vad de ska bli?
För att kunna svara på den frågan har forskare använt sig av genetiska studier.
Det finns forward genetic och reverse genetic.
Vad är forward genetik?
Forward genetik: Då börjar man med en intressant fenotyp, sen tar reda på vilken gen som är muterad som förorsakar fenotypen.
Vad är reverse genetik?
Reverse genetik: man gör motsatsen. man hittar en gen som man tkr är intressant och så knockar man den och ser vad man får för gentik.
Vilka organismer utför man forward genetik på? Hur?
Forward genetik utförs gärna på små modellorganismer, som drosophila, man inducerar då slumpmässiga mutationer. Sen screenar man dessa och ser om det är någon som har någon fenotyp som är av intresse. Kolla vilka mut som ger utvecklingsbiologiska störningar. sen kan man ta reda på vilken gen som är muterad. då vet man även vilket protein det kodar för. och på det sättet börjar man att nysta i mekanismerna som styr utvecklingen. metoden har varit framgångsrik, då man förutsättningslöst har kunnat söka efter gener som styr utvecklingen.
Anteriora-posteriora axel
Går från huvud till svans.
Gastrulation klart och organogenesen påbörjad.
De olika färgregionerna här indikerar olika segment längs anteriora-posteriora kroppsaxeln.
Ex på HOX-genuttryck i mus
HOX-generna ligger i kluster på kromosomerna, intillvarann.
HOX1-HOX9.
Dessa uttrcyks mer eller mindre i samma ordning längs det anteriora posteriora axeln.
Denna figuren visar hur HOX-genuttrycken slås på i den anteriora-posteriora axeln. Varje gen uttrycks i olika regioner. Det resulterar i att varje segment får en unik kombination av HOX-genuttryck.
Den här principen för HOX-genuttryck längst den anteriora posteriora axeln är konserverad från banan-fluga, mus till människa.
Beskriv morfogengradienter och ge ex på funktion
Sådana här morfogengradienter är viktiga i utdelning av positionell information, alltså patterning.
Bilden visar en simplistisk modell för hur två morfogengradienter skulle kunna sätta upp de stora kroppsaxlarna anterior och posteriort, och dorsalt och ventralt.
I det här exemplet så är det BMP som är morfogenen som bestämmer dorsal till ventral axel och WNT en annan morfogen som bestämmer anterior posterior axel. Man skulle kunna tänka sig att det räcker med två morfogengradienter för att sätta upp axlarna men naturen är mer komplex än som så. Då kan man se att det är flera morfogengradienter som opererar samtidigt. Ibland har de en koncentrationsgradient åt motsatt håll.
Ex: musembryo och dess arm/ben
musembryo till vänster med en armknopp och en benknopp.
Det är HOX-koden längs kroppsaxeln som bestämmer var arm och ben ska bildas, och om det ska bli en arm eller ett ben.
Armknoppen har en mer anterior hox-kod och den här hox-koden som består då av olika hox-proteiner som är transkriptionsfaktorer, leder till uttrycket av en annan transkriptionsfaktor som heter tbx5 just i armknoppen.
Den mer posteriora hoxkoden som finns i benknoppen –> leder till uttryck av tbx4 i bakkroppen.
Så både tbx4 och tbx5 är transkriptionsfaktorer, så kan de instruera att ben resp arm ska bildas.
Var bildas oocyten och hur ser oocyten ut?
Oocyten bildas i ovariet.
Omsluten av zona pellucida (massa med follikelceller). När den är mogen, så bryter den sig ut ur ovariet och fångas upp av fimbrierna i äggledaren.
Den lilla bubblan till vänster är den första polarkroppen. Den bildas under myogen och har ingen känd funktion, och kommer att försvinna sedan.
I människan stannar meiosen i meios 2 och oocyten kan vila i flera år i meios 2. Meiosens andra celldelning, där systerkromatiderna separeras, har alltså inte skett än. Miotiska spindeln (lila) håller fast i systerkromatiderna.
I bilden till höger: oocytens rosa cellmembran.
Utanför finns perivitelline space: mellan membran och zona pellucida
Zona pellucida består i stort sätt av glykoproteiner i stort sätt. Utanför zona pellucida så har vi rester av follikelceller som kallas corona radiata.
De prickarna som ligger precis på insidan av cellmembranet är såkallade kortical granules och de kommer att frisläppas när ägget befruktas.
Befruktning
Spermierna ska ta sig igenom corona radiata, och zona pellucida. För att ta sig igenom corona radiata, så behövs ett enzym, hyeloronidas, som produceras av spermcellerna.
Det behövs många spermier för att en extracellulära matrixen mellan cellerna i corona radiata blir så upplöst att de kan ta sig igenom.
Väl igenom corona radiata så träffar spermien på zona pellucida och det är här akrosomreaktionen sker. Spermierna utsöndrar enzymer som hjälper dem att ta sig igenom det här glykoproteinlagret.
I figur tre har spermien tagit sig igenom zona pellucida och binder nu till äggets cellmembran. Det sker en fusion mellan äggets och spermiens cellmembran som gör att spermiet skjuta in sin kärna. Väl inne i ägget i figur 4 kallas kärnan male pronucleus.
När detta sker så frisätts cortikal granules, det är vesiklar som ligger i kortexen på ägget. När de frisätts så sker en zonareaktion i zona-pellucida, som gör att den blir ogenomtränglig för andra spermier, och på så sätt så förhindrar den polyspermi.
När ägget befruktas så fullföljs också meios 2 och vi får vår andra polarkropp. Nu har vi två haploida kärnor i celler: female och male pronucleus. När dessa två smälter ihop –> då blidas zygoten.
Den nybildade kärnan bryts snabbt ner då zygoten går direkt in i mitos, för den första klyvningen.
Vad sker efter att den embryonala disken har anlagts?
Hela embryonala disken böjs längst den anteriora posteriora axeln så att endodermet hamnar innerst.
Den här veckningen kallas lateral veckning av embryot och neurulation.
Här finns tvärsnitt av hela embryot: med amnionhålan upp och gulesäcken ned. Markerad i figuren är:
- ektodermet i ljusblått
- mesodermet under ektodermet
- notokorden i grönt.
- under mesodermet och notokorden har vi endodermet som är kontinuerligt med epitelet i gulesäcken.
Bilden till höger: det har skett en liten inbuktning i ektodermet. Det är neuralplattan som växt inåt och bildar ett rör längst den anteriora-posteriora axeln.
Samtidigt så börjar den laterala veckningen, där de laterala sidorna i embryonala disken böjs nedåt.
den laterala veckningen och bildandet av neuralröret, också kallat neurulation, sker alltså samtidigt.
Veckningen kommer tillslut göra att hela amnionhålan omsluter embryot.
Veckningen fortsätter och leder till att man får ett “rör i ett rör”. Endodermet bildar ett inre rör (embryonala MTK) som går igenom hela embryot.
Till slut hamnar allt på plats med ektodermet ytterst, endodermet innerst, och mesodermet emellan.
Vi har också ett neuralrör längst dorsalt.
Utanför embryot finns amnionhålan, beklädd av amnionhinnan.
KOLLA BILDERNA.
Vad händer i huvudregionen och svansregionen?
Embryot är inget rör med öppna händer.
Veckning huvud till svans.
Embryot i sagitalplan.
Kranialt, anteriort eller huvudregionen till vänster.
Kaudalt till höger (i bilden).
Den delen av den embryonala disken som ligger anteriort om neuralplattan växer nu mot den ventrala sidan och sen bakåt i posterior riktning. Det betyder att hjärtat bildas helt anteriort i den embryonala disken.
Cardiogenic area: det område som kmr bilda hjärtat.
I figuren till vänster ser man hjärtat indikerad i rött –> det kommer dra sig ventralt och sedan posteriort så det hamnar rätt.
Bilden visar de olika stegen i veckningen.
Vänster: hjärtat har veckt sig ned ventralt.
Höger: hjärtat har hamnat där det ska ligga
En liknande veckning sker också posteriort.
Såhär ser embryot ut efter veckning i ett sagitalplan.
Man ser magtarmkanalen: foregut och hindgut.
Det är fortfarande kontakt i mitten med gulesäcken.
Neuralröret går ända ifrån huvudet till svansregionen, i ljus, ljust-blått.
Munöppningen kan hamna rätt, och även anusöppningen.
