Sikiönkehityksen avainmolekyylit signaali- eli viestimolekyylit ja niiden reseptorit proteiineja (so. geenituotteita) TAI pieniä molekyylejä transkriptiotekijät (geenien ilmentymistä säätelevät proteiinit) hyvin samanlaisia eri eläinryhmillä, konservoituneita monet geenit löydetty ensin banaanikärpäseltä (Drosophila melanogaster) tai C. elegans -sukkulamadolta redundanssi: samaa toimintoa varten useita viestimolekyylejä nimet usein löytöhistorian mukaan, eivät välttämättä kuvaa toimintaa kaikilla lajeilla esim. BMP bone morphogenetic protein: hiirellä lihas  luu vaikuttaa jo kuitenkin myös alkionkehityksessä ennen luun muodostumista 1

Solujen väliset viestimolekyylit morfogeenit: liukoisia signaalimolekyylejä parakriininen vaikutus  lähisolut autokriininen vaikutus  sama solu solukalvojen viestimolekyylit solujen väliaineen viestimolekyylit parakriininen vaikutus autokriininen vaikutus reseptorit 2

signaaliketju transkriptiotekijät geenituotteet signaalimolekyyli 3 reseptori1 reseptori 2 signaalimolekyyli 2 signaaliketju transkriptiotekijät geenituotteet 3

Esimerkki: Wnt-signaali  beta-kateniini (”kanoninen” reitti, siis myös muita signaalireittejä tunnetaan) disheveled 4

geeniperheet: viestimolekyylin/reseptorin geenin duplikaatio  muuntunut tuote, mutta sama solunsisäinen signaalireitti ( paralogiset geenit samalla lajilla) ortologinen geeni: fylogeneettisesti ’sama’ geeni eri lajilla + sama toiminto, esim. nisäkkäiden Wnt = banaanikärpäsen Wg (wingless), ortologiset geenit ovat eronneet lajiutumisen yhteydessä kaikki signaalimolekyylit eivät ole proteiineja  eivät siis suoraan geenituotteita esim. retinoidihappo syntyy ruskuaisen retinolista (A-vitamiini) entsyymitoiminnan tuloksena  mm. hermostoputken kehitys 5

selkäjänne (notochorda)  hermostolevy hampaan kiillekyhmy Signaalikeskukset signaalimolekyylit erittyvät usein signaalikeskuksista eli viestikeskuksista eli organisaattoreista  diffuusio lähisoluihin Esimerkkejä: alkusuun ylähuuli (Spemann/Mangold) = nisäkkään ’node’ = Hensenin silmu  ”primaari”-induktio  Nieuwkoop  harmaa puolikuu (sammakko) selkäjänne (notochorda)  hermostolevy hampaan kiillekyhmy raajasilmun polarisoivan aktiivisuuden alue 6

Esim. sonic hedgehog -geenin (Shh) ekspressio kanan alkiossa (so. mRNA) Shh hiirellä proteiini mRNA 7

Morfogeenin vaikutukset 1: Ranskan lippu -malli (Wolpert) morfogeenin pitoisuus raja-arvot ”tulos” etäisyys Gradientti syntyy joko diffuusion vaikutuksesta ja/tai synteesi-gradientista 8

Pitoisuuden muutosgradientti aikaansaa vasteen Morfogeenin vaikutukset 2: kulmakerroinmalli morfogeenin pitoisuus kulmakerroin > raja-arvo etäisyys Pitoisuuden muutosgradientti aikaansaa vasteen 9

Tärkeimmät signaalimolekyylit Wnt nisäkkäillä noin 20 erilaista Drosophilan vastaava geeni on Wingless (Wg)  jaokkeet, siivet ym. hiirillä ilmenee ± kaikissa elimissä myös syöpägeeni: Wnt-häiriöt (vars. yliaktiivisuus)  erit. paksusuolensyövät Wnt  Frizzled-reseptori (joita 10 erilaista!)  disheveled aktivoituu  estää gsk3-entsyymin -kateniini stabiloituu (muutoin hajoaa)  geenien aktivaatio myös (ei-kanoninen) Ca2+-reitti signaalireittiin vaikuttavat monet tekijät, mm. frizbee-proteiinit, jotka sitovat Wnt-molekyylejä solun ulkopuolella 10

Wnt-erikoisuus: -kateniini on myös solun rakenteellinen proteiini, joka toimii linkkinä solun tukirangan aktiinin ja pinnan kadheriinin välillä  adheesiovaikutukset 11

löytyi Drosophilalta: mutaatio  siilimäiset piikit Hedgehog (Hh) löytyi Drosophilalta: mutaatio  siilimäiset piikit vaikuttaa silmän, siiven ja segmenttien kaavoittumiseen nisäkkäillä 3 Sonic hedgehog (Shh), Desert, Indian hedgehog Shh  laajat vaikutukset, muut suppeahkoja (rusto, siittiöt) Shh  vasen-oikea, hermostoputki, aivot, keuhkoputket, iho, haima, hammas kulkeutuu suhteellisen kauas: chorda  hermostoputken puoliväli 12

Patched-reseptori (Ptc), estää normaalisti smoothed-reseptoria (Smo) Gli/Ci transkriptiotekijä Jos aikuisella Ptc-esto lakkaa  Smo aktivoituu  ihossa esim. tyvisolusyöpä 13

Fibroblastikasvutekijät (Fgf) tunnetaan selkärankaisilla yli 20 reseptorit (Fghfr) solukalvon läpäiseviä, joissa solunsisäinen osa toimii tyrosiinikinaasina (vrt. monet hormonireseptorit, esim. insuliini)  fosforylaatioreaktiot (kinaasikaskadit) reseptorin solunulkoinen osa immunoglobuliinien (Ig3) kaltainen sitoutuminen  reseptorin dimerisaatio selkärankaisilla 4 eri reseptorigeeniä  silmukointi  7 eri reseptorityyppiä Fgf-perheessä paljon redundanssia (monta geeniä ilmenee samanaikaisesti), Drosophilalla vain 2 geeniä solujen jakautuminen, vaeltaminen, gastrulaatio, raajojen kehitys 14

Fgf-helmi somiittien viereen  ylimääräinen raaja linnulle 15

Transformoiva kasvutekijä  -perhe (Tgf) suurperhe, yli 30 eri jäsentä kaikilla 7 kysteiiniä samassa paikassa proteiinissa + kysteiinisolmut suurimmat alaluokat: luun morfogeneettiset proteiinit (BMP) Tgf  aktiviinit gliasoluperäinen kasvutekijä (Gdnf) syntyvät suurina esiastemolekyyleinä  pilkkoutuminen + dimerisaatio  aktiiviset muodot sitoutuvat kahden reseptorimolekyylin kompleksiin (seriini-treoniinikinaaseja, [ei Gdnf])  Smad-transkriptiotekijät 16

Tgf-signaalireitti 17

BMP aktivoi mm. Homeobox-geenien ilmentymistä Eniten tutkittu: BMP, aktiviini  kaavoittuminen, määräytyminen, morfogeneesi BMP aktivoi mm. Homeobox-geenien ilmentymistä BMP:n estäjiä: Chordin, Gremlin, Dan vaikuttavat usein ’pääkytkingeeneihin’ Notch-signalointi löydettiin Drosophilalta selkärankaisilla ainakin 4 Notch-geeniä  koodaavat reseptoreita ligandit (=sitoutuvat molekyylit) naapurisolujen kalvolla  solukontakti vaaditaan Jagged, Delta 18

aktivoi mm. Hes-perheen geenejä  muita transkriptiotekijöitä ligandin sitoutuminen  reseptorin solunsisäinen osa irtoaa  tumaan  transkription säätely aktivoi mm. Hes-perheen geenejä  muita transkriptiotekijöitä signalointiin vaikuttavat ns. Fringe-proteiinit (vaikuttavat solunulkoisen osan rakenteeseen) nisäkkäillä 3: Lunatic, Radical, Manic Fringe ei tunneta vielä kovin hyvin Lunatic  ajallisesti sykkivä  lateraali-inhibitio  somiittijono 19

Notch-signaalireitti 20

monimutkainen vuorovaikutus muiden proteiinien kanssa Transkriptiotekijät proteiineja, säätelevät geenien luentaa tarttumalla joko promoottori- tai tehostaja-alueelle sitoutuvat spesifisesti tiettyihin DNA-jaksoihin JA toisiin proteiineihin  suuret proteiinikompleksit lisäksi yleensä säätelyalue, joka käynnistää tai estää kohdegeenin transkription monimutkainen vuorovaikutus muiden proteiinien kanssa DNA:han sitoutumisalueet hyvin konservatiivisia, samanlaisia eri eliöryhmillä stimuloivat joko suoraan RNA-plymeraasi II:sta tai avaavat kromatiinin  transkriptio 21

Homeobox-transkritpiotekijät Esimerkkejä Homeobox-transkritpiotekijät 60 aminohapon alue = homeoalue, homeobox, homeodomain hyvin samanlainen eri ryhmillä helix-loop-helix  DNA:n suurempi uurre tarvitsevat yl. muita proteiineja löydettiin Drosophilalta: proteiinit, jotka määräävät jaokkeiden ominaisuuksia  Hox-geenit eli homeoottiset geenit myös selkärankaisilla Hox-geenit  etu-taka-akselin määräytyminen myös järjestys kromosomissa säilynyt Homeobox-alue myös monilla muilla kuin homeoottisilla geeneillä! 22

23

Hox-transkriptiotekijät Drosophila: 8 geeniä yhdessä kromosomissa Hiiri: 10+8+8+9 geeniä 4 kromosomissa 24

Drosophilan antennapedia-mutaatio tuntosarvi  jalka 25

Homeoottinen bithorax-mutaatio Drosophilalla 26

Hox-geenit ja evolutiiviset muutokset Changes in Hox genes correlate with evolutionary changes in animal morphology. (A) Changes in the number of Hox genes correlate with changes at the level of phyla, and increasing the number of Hox genes may allow increased complexity. (B) Broad changes in Hox gene expression can produce different types of structures in body segments that had been identical. (C) Hox gene expression changes within a region may be important in enabling different groups of animals to have particular differences, as in the prolegs of butterfly and moth (lepidopteran) caterpillars that are not seen in fly (dipteran) larvae. (D) Changes in the function or regulation of downstream genes may allow differences such as those distinguishing the haltere of dipterans from the hindwing of lepidopterans. 27

DNA:han kiinnityvä ”paired”-alue nisäkkäillä 6 Pax-geeniä Pax-proteiinit DNA:han kiinnityvä ”paired”-alue nisäkkäillä 6 Pax-geeniä monissa Pax-proteiineissa myös homeobox heterozygotia Pax6:ssa  sokeus Drosphilan Eyeless-mutaatio  silmien puuttuminen jos nisäkkään Pax6 ilmennetään kärpäsen kudoksissa  ylimääräisiä silmiä  Eyeless ja Pax6 paralogisia  silmän kehityksen pääkytkingeeni 28

Basic helix-loop-helix -proteiinit (bHlh) homo- ja heterodimeerit emäksinen osa sitoutuu DNA:han kierre-silmukka-kierreosa muodostaa dimeerit dimeerit toinen osa ilmenee kaikissa soluissa, toinen solukohtaisesti  aktivoivat tai inhiboivat kompleksit esim MyoD-proteiinit  lihassolujen erilaistuminen Sinkkisormiproteiinit DNA:han sitoutuvassa osassa sormimaisia ulokkeita + Zn 5. Fox-proteiinit 110 ah:n ’siipikierre’  DNA:han sitoutuminen tunnetaan satoja 29

Sinkkisormiproteiini Sinkkisormiproteiini- DNA-kompleksi Zn HIS CYS Sinkkisormiproteiini Sinkkisormiproteiini- DNA-kompleksi 30

Leusiinivetoketjuproteiinit (leucine zipper) DNA:han sitoutuvalla alueella joka 7. aminohappo leusiini sitoutuminen dimeerinä esim. proto-onkogeenit Fos ja Jun Tuman hormonireseptorit steroidihormonien (myös kilpirauhashormonien) säätelemiä kehitysbiologisesti mielenkiinnon kohteena retinoidihapporeseptorit retinoidihappo  Hox-geeníen ilmeneminen orvot reseptorit: proteiini tunnetaan, mutta ei ligandia 31

Gallus gallus EST and In Situ Hybridization Analysis database GEISHA Gallus gallus EST and In Situ Hybridization Analysis database http://geisha.arizona.edu/geisha/ kanan alkion geeniekspressio: eri vaiheet, eri geenit 32