ביולוגיה התפתחותית - שיעור 1

 

התהליכים ההתפתחותיים הם שמורים באבולוציה- המשמעות היא שהתהליכים ההתפתחותיים שיוצרים תולעת, יוצרים גם אדם פיל ונמלה. אבל, בכל זאת ישנו הבדל, לכן למרות שהתהליכים ההתפתחותיים מאוד שמורים באבולוציה הם דומים אבל לא זהים. יש צורך לבצע מודיפיקציות שונות על מנת ליצור נמלה ולא פיל.                                                                                                

ישנן שיטות הוראה רבות בביולוגיה ההתפתחותית, דוגמא לשתיים מהן:

·        למידה על התהליך ההתפתחותי תוך השוואה בין היצורים השונים, מכניס רמת מורכבות גבוהה.

·        במקום לקחת את התהליך ההתפתחותי ולהשוות אותו בין יצורים שונים, בוחרים בעל חיים אחד ולומדים את התהליך ההתפתחותי מתחילתו ועד סופו בלי השוואה ליצורים שונים.  בקורס זה נתעסק בשיטה זו.

עכבר כמודל התפתחותי:למה דווקא נבחר העכבר?

·        רמת מורכבות של האורגניזם- כדי ליצור תולעת וכדי ליצור בן אדם זה שונה מבחינה גנטית, כדי ליצור בן אדם יש צורך בהרבה יותר גנים. ככל שעולים בסולם האבולוציוני יש צורך ביותר גנים כדי לבנות את היצור.

·        כאשר ריצפו את גנום העכבר ואת הגנום האנושי התגלה כי מספר הגנים הוא כמעט זהה. הסיבה לכך היא שבבן אדם יש הרבה יותר alternative splicing  וכך מעלים את המורכבות.

·        רלוונטיות- עכבר הינו מודל נפוץ בביולוגיה.

אם מסתכלים על שלד העכבר ורואים את עמוד השדרה, השדרה מורכבת מחוליות שמספרן קובע אצל כל העכברים (ישנה תוכנית שמגדירה כמה חוליות יהיו בעמוד השדרה) אבל שונה מיצורים אחרים, למשל נחש,היצירה של החוליות היא אותו דבר, אותה שיטה, אך מספר החוליות שונה. התהליך ההתפתחותי של יצירת עמוד שדרה בין היצורים הוא מאוד דומה אך המודיפיקציות שונות. איך יודע התהליך ההתפתחותי שחוליה מסויימת תיתן צלעות או לא?                                      

דוגמא נוספת היא הירבוע, ירבוע הוא מכרסם שמאוד דומה לעכבר, הירבוע מאופיין ברגליים אחוריות ארוכות, התהליך ההתפתחותי של יצירת גפה הוא מאוד דומה בין עכברים לירבועים, אך שינה מודיפיקציה ליצירת גפה ארוכה יותר אצל ירבועים.                                                            

דוגמא נוספת היא בין עכבר לעטלף- מספר אצבעות, אצל העטלף הן ארוכות יותר ובניהן ישנו חיבור לעומת העכבר ששם האצבעות קטנות יותר.

מאפיינים עקרוניים בהתפתחותי:                                                                                    

לתהליך ההתפתחותי יש שתי פונקציות:

·        אנו רוצים ליצור מגוון תאים, אנו מתחילים עם תא אחד, זיגוטה, ומקבלים מגוון מסויים עם סדר. ההתפתחות העוברית זה דור אחד- זו מילת המפתח פה.

·        המשכיות החיים מדור לדור על ידי רבייה. בעל משמעות חשובה מאוד התהליך ההתפתחותי.

הגדרות:       

·        התמיינות- התהליך בו אנו יוצרים cell diversity . לוקחים תא מסויים וממנו ליצור תאים שונים עם פונקציות שונות.

·        מורפוגניה- התהליך שבו לוקחים את התאם הממוינים ויוצרים מהם צורה. ישנו כל הזמן דיבור בין שני התהליכים, התמיינות ומורפו גניה.

·        הפרייה-אי אפשר להתחיל תהליך התפתחותי ללא הפרייה בין תא זרע  לביצית.

·        Embryogenesis- התהליך שמתקיים מיד אחרי ההפרייה, התהליך בין יצירת עובר עד ללידה. זהו תהליך שמכיל דיפרנציאציה ומורפו גניה.

התהליך ההתפתחותי מאופיין על ידי 4 שלבים:

1.     מיד אחרי ההפריה ישנו תהליך של cleavage , הזיגוטה מתחלקת ובסופו של דבר נקבל גוש תאים שנקרא blastola. מתחילים מתא אחד ומסיימים עם הרבה תאים.

2.     Gastrulation- תהליך שבו תאים מתחילים לנדוד, ישנה ראורגניזציה. מטרתה ליצור שלוש רקמות שונות (germ layer)- אקטודרם, מיזודרם ואנדודרם.

3.     Organogenesis-  שלב שבו יוצרים איברים, האינטראקציות בין הרקמות השונות הן אלה שיוצרות שבסופו של דבר איברים ומערכות גוף (כמו מע' כלי הדם) כל מע' הגוף נוצרות על ידי אינטראקציות של ה- germ layers. בכל בעלי החיים זהו אותו תהליך.

4.     Germ cell formation- (זהו לא בדיוק שלב רביעי, זה תוך כדי) זהו תהליך בו מפרידים בין תאי מין לתאים סומטיים. זהו תהליך חשוב כיוון שלולא שלב זה נקבל בעל חיים סטרילי ללא תאי מין.

Signaling pathways:

לכל תהליך התפתחותי יש שפה- העברת סיגנלים, הדרך שבה תאים מתקשרים. כל העברת סיגנלים מתחילים מרצפטורים שיושבים על ממברנת התא ומליגנדים שנקשרים לרצפטורים ומביא לתחילת העברת הסיגנל. רוב המסלולים נקראים על שם הליגנד או הרצפטור (לרוב על שם הליגנד). ה-pathway בעיקרון היעד שלו זה שעתוק (זה נכון לביולוגיה התפתחותית ברוב המקרים). זו יכולה להיות אקטיבציה או ריפרסייה של גנים. כמעט כל מסלול יכול  בו זמנית לגרום ל- up/down regulation.

בביולוגיה התפתחותית מתעניינים לא רק בתא שמקבל את הסיגנל אלא מתעניינים גם בתא שמייצר את הסיגנל, את התא שמייצר את הליגנד. יצור הליגנד אינו פחות חשוב מהסיגנל עצמו.

אוטו קריני- התא מייצר ליגנד, מפריש אותו החוצה והליגנד נקשר על הרצפטור של התא עצמו. בביולוגיה התפתחותית לרוב התא לא מדר עם עצמו                                                      פרקריני- התא שמייצר את הסיגנל משפיע על התא הסמוך.                                                 דבר חשוב הוא המרחק בין התא שמייצר את הסיגנל לתא שמקבל את הסיגנל. המרחק משפיע על מה תהיה התמונה הסופית.

Morphogen gradient:

האם לריכוז יש משמעות מבחינת הסיגנל? ה- signaling pathway  יכול לעבוד בתורת on/off, כלומר הריכוז הוא חסר משמעות אך יכולה להיות אופציה אחרת שהתאים מרגישים ריכוז, מורפוג'יין אומר שיש ליגנד שהוא יוצר גרדיאנט אבל הריכוז משפיע על תאים בצורה אחרת , התאים שרואים ריכוז גבוהה הם תאי X והתאים שרואים ריכוז בינוני הם תאי Y והתאים שרואים ריכוז נמוך הם תאי Z, אלו שלושה סוגים שונים שלתאים, הם שלושתם ראו את אותו signaling pathway . מורפוג'יין - ליגנד שיוצר גרדיאנט אבל משפיע גם על התאים שרואים את הליגנד הזה בצורה אחרת.

 

מה קובע את הגרדיאנט?

כמעט אין מצב שגרדיאנט נקבע רק ע"י כוחות דיפוזיים. לדוגמא אם ליגנד למשל לא מסיס במים יהיה לו קשה לנוע במדיום מסויים ובכך משנים את הגרדיאנט. המערכת הביולוגיים יוצרת כל מיני תהליכים , על מנת לשנות את הגרדיאנט ומשנים את ה- outcome של הדיפרנציאציה של התאים האלה, למה הם ילכו והתפתחו. על ידי שינוי גרדיאנט אפשר לקבוע דומיינים שונים, ניתן לקבוע עוד הרבה דברים שונים. הגרדיאנטים האלה נקבעים באופן אקטיבי. ניתן לשחק גם התא שמקבל את הסיגנל וגם בתא שמייצר את הסיגנל וגם בתאים בניהם.

דוגמא- ישנו תא שמייצר סיגנל, תא שמקבל סיגנל ויש גם תאים באמצע שגם הן יכולים לקבל את הסיגנל כי יש להם רצפטורים אבל אנו לא רוצים שהם יראו את הסיגנל.. איך עושים זאת? נדבר על זה בהמשך

ישנם pathways עיקריים בהתפתחות: Wnt, Shh, Bmp, Fgt, Notch , השמות האלו באו מגנים של דרוזופילה.

Wnt:

הליגנדים הם wnt, בעכברים יש בערך 17 , בדרוזופילה יש 1 לרצפטור קוראים Frizzled ישנם בערך 12 רצפטורים כאלה. מה זה אומר 17? ברמה הטכנית היום לא צריך לגלות גנים אלא צריך רק להסתכל על גנום העכבר, עושים הומולוגיה של חלבון מסויים לגנים אחרים כמו של דרוזופילה. כלומר תחילה ה- wnt האלה ממויינים על פי הומולוגיה ואחר כך שואלים מה הפונקציה שלהם. גנים שונים שלא זהים בכלל אבל יש להם הומולוגיה בעלת משמעות.  ה- pathway  הזה מתפצל לשני pathways שונים, מה שאומר שה-outcome  של קישור הליגנד לרצפטור יכול להכריע לאיזה מסלול אנו נלך.

·        Canonical- המתווך הינו בטא catenin, זהו חלבון שנמצא בציטופלזמה והוא יודע לקבל את הסיגנל, ישנו חלבון אחד כזה.

·        Non-canonical-

איך מפרשים את הקישור בין ה-wnt  לרצפטור? שאלה חשובה!

הfrissled  רצפטור אינו יכול לעבוד לבד הוא דורש קורצפטור בשם LRT, כאשר אין ליגנד אין סיגנל. ישנו קומפלקס שנקרא distraction complex שמורכב מכמה חלבונים, GFK3 שהינו קינאז, AXIN ו-(??.?) . כל בטא קאטין שנוצר בציטופלזמה עובר גיוס לקומפלקס זה, GFK3 עושה לבטא קטין פוספורילציה ומסמן אותו לפרוטאוזום לדגרדציה. ללא נוכחות של wnt  בחוץ הבטא קטין עובר דגרדציה. בגרעין ישנו פקטור שעתוק שיושב על פרומוטורים ועושה ריפרסייה אקטיבית לגנים.

כאשר יש wnt  בחוץ הוא נקשר לרצפטור ולקורצפטור ביחד, וכתוצאה מכךDSH  עובר גיוס לרצפטור וזה מביא  את הקומפלקס  לממברנה, בטא קאטין משתחרר, הוא נכנס לגרעין והופך את TPF (?) מרפרסור לאקטיבטור. ל-WNT  ליפיד שקשור אליו (נראה כמו מדרגות), כאשר wnt  נקשר לרצפטור ולקורצפטור יש לנו initiation , כלומר DSH עושה גיוס לקומפלקס וה- GFK עושה פוספורילציה לLRP, ואז נעשית אמפליפיקציה.

מחוץ לממברנה רואים שיש מעכבים שונים, כאלה שנקשרים לליגנד ומונעים ממנו להיקשר לרצפטור. התא שמייצר את wnt- פוקיופיין מוסיף לwnt שני ליפידים, עכשיו שה- wnt מגיע לגולג'י ששם ישנו חלבון אחר שנקרא WAF והוא יודע לתפוס את הליפיד שם ה- wnt ולהעביר אותו לממברנה ולשחרר אותו החוצה. ללא חלבון זה wnt לא יעזוב את הממברנה ועל ידי כך נמנע signaling.

בבחינה לא נשאל מי זה פוקיופיי למשל, את העיקרון והמסלול צריך להבין, אך את הפרטים לא. 

BMP pathway:

יש ליגנד שנראה BMP זהו דימר, יש לנו ני סוגי רצפטורים,  Type1 ו- Type 2 שניהם דימרים. לסוג 2 יש דומיין בתוך התא שהוא למעשה קינאז, הוא עושה פוספורילציה על חומצות סרין טריאונין, גם לסוג 1 יש קינאז אבל הקינאז שלו לא אקטיבי. BMP שהוא נקשר הוא עושה cross linking , משפעלים פעילות אנזימטית של סוג 1 והוא אז יכול לעשות פוספורילציה לחלבוני smad, חלבוני טרנסקריפציה שנמצאים בציטופלזמה. ללא BMP אי אפשר לעשות את הפוספ' הזו.

מחוץ לתא ה- bmp אינו אקטיבי ישנו צורך בפרוטאז שיעשה ביקוע מסויים על מנת להפוך אותו לאקטיבי. גם במקרה זה ישנם מעכבים שנוצרים בצורה לא אקטיבית .אין המסלול אפשר לעצור גם תמוך התא, למשל עם ismad. BMP הוא pathway  מתוך pathway  רחב של TGF בטא.