Entwicklungsgenetik
Vom Ei zum vielzelligen Organismus
Forschungen zur Entwicklungsbiologie zeigen Einblicke in medizinisch relevante Prozesse
• Einblicke aus der Entwicklungsbiologie
◦ Geburtsdefekte = ein bis mehrere Prozesse des Embryos liefen nicht richtig ab, z. B. Lippenspalte
◦ Regeneration: z. B. Axolotl können ihre Beine regenerieren
◦ Wundheilung
◦ Krebs/Tumore = Zellen, welche sich unkontrolliert schnell teilen und dadurch die Funktion von Organen beeinträchtigen
• Für die Entwicklung wichtige Prozesse
◦ Zellteilung:
▪ Furchung = Zellen werden nach der Teilung kleiner, z. B. Froschembryo
▪ bei Menschen bleiben die Zellen gleich groß, da sie nach der Teilung wachsen und sich daraufhin wieder teilen
◦ Musterbildung: z. B. Muskelzellen
◦ Zelldifferenzierung
◦ Morphogenese
Perforation vs. Epigenese
• Perforation: Theorie darüber, dass Menschen schon vollständig ausgebildet im Spermium vorhanden sind und während der
Schwangerschaft nur noch wachsen
• Epigenese: viele kleine Schritte zum ausdifferenzierten komplexen Menschen
Determination vs. Regulative Entwicklung
• Determination = Embryo kann den Zellverlust nicht kompensieren
◦ Wird bei einem Froschembryo eine Zelle im 2-Zell-Stadium mit einer heißen Nadel verletzt, kann der Embryo dies nicht
kompensieren und entwickelt sich nur zur Hälfte
• Regulativ = Embryo kann den Zellverlust kompensieren
◦ Wird bei einem Menschenembryo eine Zelle im 2-Zell-Stadium von der anderen Zelle getrennt, so entwickeln sich beide zu
einem funktionsfähigen Embryo, welcher nur eine geringere Größe besitzt.
◦ Beweis dafür sind Eineiige Zwillinge
Die Entscheidung über das Schicksal der Zellen hängt von der Signalübertragung zwischen Zellen ab
• Organisatoren produzieren Signalmoleküle, die das Zellschicksal konzentrationsabhängig spezifizieren
◦ Morphogen Quelle (Morphogen = eine formbildende Substanz)
◦ Morphogengradienten liefern Positionsinformationen → mit der Abnahme der Morphogenkonzentration werden verschiedene
Gene aktiviert, dadurch differenzieren sich die Zellen unterschiedlich
• Ein extrazellulärer Gradient von BMP im sich entwickelnden Drosophila-Flügel
◦ Knochenmorphogenetische Proteine (BMP)
▪ Ursprünglich entdeckt durch ihre Fähigkeit Knochen und Knorpel zu induzieren
▪ Wichtig für Wachstum und Strukturierung
▪ Mutationen im Zusammenhang mit menschlichen Störungen
▪ Wird in Kliniken zur Behandlung von Knochenbrüchen verwendet
▪ Signal von BMP wird mit der Entfernung geringere
Signalmoleküle können sich mithilfe verschiedener Mechanismen im Gewebe ausbreiten
• Diffusion durch extrazelluläre Matrix
• Transcytose = Aufnahme eines Moleküls durch Endozytose und weitergabe durch Exozytose → Moleküle werden von Zelle zu
Zelle weitergegeben
• Zelluläre Vorsprünge
Signaltransduktion und intrazellulär Signalisierung
• ein sekretiertes extrazelluläres Signalprotein bindet an einen spezifischen Rezeptor auf der Zelloberfläche
• Dies aktiviert eine intrazelluläre Kaskade, die letztendlich eine Pathway-spezifischen Transkriptionsfaktor aktiviert
• Dies führt zur Transkription von Zielgenen
• Bsp.: Hedgehog
◦ Identifizierung in einem Screening auf Mutanten, die bei der Strukturierung der embryonalen Epidermis von Drosophila defekt
sind
◦ im gesamten Tierreich enthalten
◦ Wichtig für Wachstum und Strukturierung
◦ Mutationen im Zusammenhang mit Krebs beim Menschen
◦ Hedgehog bindet an ein Protein, wodurch der Transkriptionsfaktor aktiviert wird. Dies führt zur Transkription der Zielgene
Eine seitliche Hemmung kann ein Abstandsmuster ergeben
• Eine laterale Hemmung tritt auf, wenn sich entwickelnde Strukturen einen Inhibitor produzieren, der lokal die Bildung ähnlicher
Strukturen verhindert
• Bereiche in denen sich Zellen mit demselben Abstand zueinander differenzieren (z. B. Haare)
Morphogenese – die Veränderung der embryonalen Form
• Gastrulation transformiert den kugelförmigen Embryo in eine Struktur mit einem Rohr, dem Darm
• Die drei Keimschichten bilden sich während der Gastrulation:
◦ Endodermè Darm, Leber, Lunge
◦ Mesodermèskeleton, Muskel, Niere, Herz,Blut
◦ Ektoderm: Epidermis der Haut, Nervenystem
,Morphogenese: Strukturierte mechanische Kräfte führen zu lokalen Veränderungen der Zellform
• Mechanische Kräfte, die vom Zytoskelett der Zellen erzeugt werden, können zu lokalen Veränderungen der Zellform führen
• Koordinierte Änderungen der Zellform können zu Deformationen auf Gewebeebene führen
Zusammenfassung
• Die Tierentwicklung schreitet Schritt für Schritt von einfach zu Komplex (Epigenese)
• Zellteilung, Zelldifferenzierung, Strukturierung und Mophogenese sind vier wichtige Prozesse
• Die Entwicklung der Tiere kann deterministisch oder regulativ sein (oder beides)
• Die ungleichmäßige Trennung der zytoplasmatischen Determinanten während der Zellteilung kann zu Tochterzellen mit
unterschiedlichen Zellschicksalen führen
• Die Signalübertragung von Zelle zu Zelle kann Entscheidungen über das Schicksal der Zellen anweisen
• Gradienten von Morphogenesen können Zellen Positionsinformationen liefern (französisches Flaggenmodell)
• Morphogenese beinhaltet mechanische Kräfte, die von Zellen erzeugt werden. koordinierte Veränderungen der Zellform
verursachen Deformationen auf Gewebeebene
, Geschichte und Konzepte der Entwicklungsgenetik
Genotyp vs. Phänotyp (Umwelteinflüsse werden nicht berücksichtigt)
• Genotyp = Erbgut eines Organismus
• Phänotyp = Aussehen eines Organismus
Richtig oder Falsch
1. Die Komplette DNA-Sequenz des Menschlichen Genoms ist bekannt. - Ja
2. Das Genom enthält eine vollständige Beschreibung des Organismus, eine „Blaupause“. - Nein
3. Das Genom enthält eine Reihe von Anweisungen für die Herstellung des Organismus – Ja
- Die Genfunktion kann durch Analyse der phänotypischen Veränderungen abgeleitet werden, die aus einer Mutation in diesem Gen
resultieren
Forward vs Reverse genetische Ansätze
• Forward: Identifizieren Sie Gene, die an einem bestimmten Entwicklungsprozess beteiligt sind
• Reverse: Identifizieren Sie eine Entwicklungsfunktion für ein interessierendes Gen.
Forward: Identifizierung von Genen, die für einen Entwicklungsprozess erforderlich sind
• Ein Forward Screening zur Identifizierung von Genen, die für die Segmentierung des Drosophila-Embryos erforderlich sind
Identifizierung der für einen Prozess erforderlichen Gene
1. Zufällige Mutagenese von Tieren
2. Erzeugung homozygoter mutierter Tiere durch Kreuzung
3. Screening homozygoter mutierter Tiere (Embryonen) auf Entwicklungsstörungen
4. Identifizieren Sie das mutierte Gen, das für den Entwicklungsfehler verantwortlich ist (Beispiel: Drosophila)
◦ Kartenmutation auf ein Chromosom
◦ Kartenmutation relativ zu bekannten Genen auf dem Chromosom (Häufigkeit der Rekombination)
◦ Kartenmutation unter Verwendung von „Mangelchromosomen“ (genetische Komplementation)
◦ Genomischer Sequenzort, der durch das Mangelchromosom im mutierten Tier aufgedeckt wurde
Methoden zur Verringerung der Aktivität eines interessierenden Gens
• RNA-Interferenz (Knockdown)
1. Spaltung langer doppelsträngiger RNAs durch Dicer in 21 mere
2. Der Argonaut-Komplex mit kleiner RNA bindet an spezifische mRNA und spaltet diese
• Homologe Rekombination (Knock-out)
1. Erzeugung eines Ersatzvektors
2. Homologe Rekombination zwischen Homologiearmen und endogenem Genort
◦ Transfizieren Sie embryonale Stammzellen (ES-Zellen) mit einem linearisierten Ersatzvektor
◦ Wählen Sie ES-Zellen mit Knock-out-Allel aus
◦ Injizieren Sie ES-Zellen in Blastozysten
◦ Implantat injizierte ES-Zellen in eine pseudoschwangere Pflegemutter, um chimäre Nachkommen zu erzeugen
◦ Mäuse züchten
• CRISPR / Cas9
◦ Basierend auf bakterieller adaptiver Immunität
◦ Eine Leit-RNA (sgRNA) identifiziert spezifische DNA-Sequenzen im Genom durch Basenpaarung
◦ Cas9-Endonuklease erzeugt doppelsträngige DNA-Brüche (DSB)
◦ DSB kann durch nicht homologe Endverbindung (NHEJ) oder homologe DNA-Rekombination
(HDR) repariert werden.
◦ NHEJ kann ungenau sein und zu Mutationen führen
◦ HDR kann verwendet werden, um DNA-Sequenzen aus einem Zielvektor zu integrieren
Zusammenfassung
• Vom Genotyp zum Phänotyp
• Das Genom enthält die Anweisungen zur Herstellung eines Organismus
• Die Genfunktion kann aus der Analyse phänotypischer Veränderungen aufgrund genetischer
Mutationen abgeleitet werden
• Vorwärtsgenetik: Identifizierung von Genen, die für einen interessierenden Prozess erforderlich sind, durch Mutanten-Screenings
• Reverse Genetik: Identifizierung einer (möglichen) Funktion für ein Gen in einem Entwicklungsprozess
• Methoden zur Reduzierung / Eliminierung der Genaktivität: RNAi, homologe Rekombination, CRISPR / Cas9
Vom Ei zum vielzelligen Organismus
Forschungen zur Entwicklungsbiologie zeigen Einblicke in medizinisch relevante Prozesse
• Einblicke aus der Entwicklungsbiologie
◦ Geburtsdefekte = ein bis mehrere Prozesse des Embryos liefen nicht richtig ab, z. B. Lippenspalte
◦ Regeneration: z. B. Axolotl können ihre Beine regenerieren
◦ Wundheilung
◦ Krebs/Tumore = Zellen, welche sich unkontrolliert schnell teilen und dadurch die Funktion von Organen beeinträchtigen
• Für die Entwicklung wichtige Prozesse
◦ Zellteilung:
▪ Furchung = Zellen werden nach der Teilung kleiner, z. B. Froschembryo
▪ bei Menschen bleiben die Zellen gleich groß, da sie nach der Teilung wachsen und sich daraufhin wieder teilen
◦ Musterbildung: z. B. Muskelzellen
◦ Zelldifferenzierung
◦ Morphogenese
Perforation vs. Epigenese
• Perforation: Theorie darüber, dass Menschen schon vollständig ausgebildet im Spermium vorhanden sind und während der
Schwangerschaft nur noch wachsen
• Epigenese: viele kleine Schritte zum ausdifferenzierten komplexen Menschen
Determination vs. Regulative Entwicklung
• Determination = Embryo kann den Zellverlust nicht kompensieren
◦ Wird bei einem Froschembryo eine Zelle im 2-Zell-Stadium mit einer heißen Nadel verletzt, kann der Embryo dies nicht
kompensieren und entwickelt sich nur zur Hälfte
• Regulativ = Embryo kann den Zellverlust kompensieren
◦ Wird bei einem Menschenembryo eine Zelle im 2-Zell-Stadium von der anderen Zelle getrennt, so entwickeln sich beide zu
einem funktionsfähigen Embryo, welcher nur eine geringere Größe besitzt.
◦ Beweis dafür sind Eineiige Zwillinge
Die Entscheidung über das Schicksal der Zellen hängt von der Signalübertragung zwischen Zellen ab
• Organisatoren produzieren Signalmoleküle, die das Zellschicksal konzentrationsabhängig spezifizieren
◦ Morphogen Quelle (Morphogen = eine formbildende Substanz)
◦ Morphogengradienten liefern Positionsinformationen → mit der Abnahme der Morphogenkonzentration werden verschiedene
Gene aktiviert, dadurch differenzieren sich die Zellen unterschiedlich
• Ein extrazellulärer Gradient von BMP im sich entwickelnden Drosophila-Flügel
◦ Knochenmorphogenetische Proteine (BMP)
▪ Ursprünglich entdeckt durch ihre Fähigkeit Knochen und Knorpel zu induzieren
▪ Wichtig für Wachstum und Strukturierung
▪ Mutationen im Zusammenhang mit menschlichen Störungen
▪ Wird in Kliniken zur Behandlung von Knochenbrüchen verwendet
▪ Signal von BMP wird mit der Entfernung geringere
Signalmoleküle können sich mithilfe verschiedener Mechanismen im Gewebe ausbreiten
• Diffusion durch extrazelluläre Matrix
• Transcytose = Aufnahme eines Moleküls durch Endozytose und weitergabe durch Exozytose → Moleküle werden von Zelle zu
Zelle weitergegeben
• Zelluläre Vorsprünge
Signaltransduktion und intrazellulär Signalisierung
• ein sekretiertes extrazelluläres Signalprotein bindet an einen spezifischen Rezeptor auf der Zelloberfläche
• Dies aktiviert eine intrazelluläre Kaskade, die letztendlich eine Pathway-spezifischen Transkriptionsfaktor aktiviert
• Dies führt zur Transkription von Zielgenen
• Bsp.: Hedgehog
◦ Identifizierung in einem Screening auf Mutanten, die bei der Strukturierung der embryonalen Epidermis von Drosophila defekt
sind
◦ im gesamten Tierreich enthalten
◦ Wichtig für Wachstum und Strukturierung
◦ Mutationen im Zusammenhang mit Krebs beim Menschen
◦ Hedgehog bindet an ein Protein, wodurch der Transkriptionsfaktor aktiviert wird. Dies führt zur Transkription der Zielgene
Eine seitliche Hemmung kann ein Abstandsmuster ergeben
• Eine laterale Hemmung tritt auf, wenn sich entwickelnde Strukturen einen Inhibitor produzieren, der lokal die Bildung ähnlicher
Strukturen verhindert
• Bereiche in denen sich Zellen mit demselben Abstand zueinander differenzieren (z. B. Haare)
Morphogenese – die Veränderung der embryonalen Form
• Gastrulation transformiert den kugelförmigen Embryo in eine Struktur mit einem Rohr, dem Darm
• Die drei Keimschichten bilden sich während der Gastrulation:
◦ Endodermè Darm, Leber, Lunge
◦ Mesodermèskeleton, Muskel, Niere, Herz,Blut
◦ Ektoderm: Epidermis der Haut, Nervenystem
,Morphogenese: Strukturierte mechanische Kräfte führen zu lokalen Veränderungen der Zellform
• Mechanische Kräfte, die vom Zytoskelett der Zellen erzeugt werden, können zu lokalen Veränderungen der Zellform führen
• Koordinierte Änderungen der Zellform können zu Deformationen auf Gewebeebene führen
Zusammenfassung
• Die Tierentwicklung schreitet Schritt für Schritt von einfach zu Komplex (Epigenese)
• Zellteilung, Zelldifferenzierung, Strukturierung und Mophogenese sind vier wichtige Prozesse
• Die Entwicklung der Tiere kann deterministisch oder regulativ sein (oder beides)
• Die ungleichmäßige Trennung der zytoplasmatischen Determinanten während der Zellteilung kann zu Tochterzellen mit
unterschiedlichen Zellschicksalen führen
• Die Signalübertragung von Zelle zu Zelle kann Entscheidungen über das Schicksal der Zellen anweisen
• Gradienten von Morphogenesen können Zellen Positionsinformationen liefern (französisches Flaggenmodell)
• Morphogenese beinhaltet mechanische Kräfte, die von Zellen erzeugt werden. koordinierte Veränderungen der Zellform
verursachen Deformationen auf Gewebeebene
, Geschichte und Konzepte der Entwicklungsgenetik
Genotyp vs. Phänotyp (Umwelteinflüsse werden nicht berücksichtigt)
• Genotyp = Erbgut eines Organismus
• Phänotyp = Aussehen eines Organismus
Richtig oder Falsch
1. Die Komplette DNA-Sequenz des Menschlichen Genoms ist bekannt. - Ja
2. Das Genom enthält eine vollständige Beschreibung des Organismus, eine „Blaupause“. - Nein
3. Das Genom enthält eine Reihe von Anweisungen für die Herstellung des Organismus – Ja
- Die Genfunktion kann durch Analyse der phänotypischen Veränderungen abgeleitet werden, die aus einer Mutation in diesem Gen
resultieren
Forward vs Reverse genetische Ansätze
• Forward: Identifizieren Sie Gene, die an einem bestimmten Entwicklungsprozess beteiligt sind
• Reverse: Identifizieren Sie eine Entwicklungsfunktion für ein interessierendes Gen.
Forward: Identifizierung von Genen, die für einen Entwicklungsprozess erforderlich sind
• Ein Forward Screening zur Identifizierung von Genen, die für die Segmentierung des Drosophila-Embryos erforderlich sind
Identifizierung der für einen Prozess erforderlichen Gene
1. Zufällige Mutagenese von Tieren
2. Erzeugung homozygoter mutierter Tiere durch Kreuzung
3. Screening homozygoter mutierter Tiere (Embryonen) auf Entwicklungsstörungen
4. Identifizieren Sie das mutierte Gen, das für den Entwicklungsfehler verantwortlich ist (Beispiel: Drosophila)
◦ Kartenmutation auf ein Chromosom
◦ Kartenmutation relativ zu bekannten Genen auf dem Chromosom (Häufigkeit der Rekombination)
◦ Kartenmutation unter Verwendung von „Mangelchromosomen“ (genetische Komplementation)
◦ Genomischer Sequenzort, der durch das Mangelchromosom im mutierten Tier aufgedeckt wurde
Methoden zur Verringerung der Aktivität eines interessierenden Gens
• RNA-Interferenz (Knockdown)
1. Spaltung langer doppelsträngiger RNAs durch Dicer in 21 mere
2. Der Argonaut-Komplex mit kleiner RNA bindet an spezifische mRNA und spaltet diese
• Homologe Rekombination (Knock-out)
1. Erzeugung eines Ersatzvektors
2. Homologe Rekombination zwischen Homologiearmen und endogenem Genort
◦ Transfizieren Sie embryonale Stammzellen (ES-Zellen) mit einem linearisierten Ersatzvektor
◦ Wählen Sie ES-Zellen mit Knock-out-Allel aus
◦ Injizieren Sie ES-Zellen in Blastozysten
◦ Implantat injizierte ES-Zellen in eine pseudoschwangere Pflegemutter, um chimäre Nachkommen zu erzeugen
◦ Mäuse züchten
• CRISPR / Cas9
◦ Basierend auf bakterieller adaptiver Immunität
◦ Eine Leit-RNA (sgRNA) identifiziert spezifische DNA-Sequenzen im Genom durch Basenpaarung
◦ Cas9-Endonuklease erzeugt doppelsträngige DNA-Brüche (DSB)
◦ DSB kann durch nicht homologe Endverbindung (NHEJ) oder homologe DNA-Rekombination
(HDR) repariert werden.
◦ NHEJ kann ungenau sein und zu Mutationen führen
◦ HDR kann verwendet werden, um DNA-Sequenzen aus einem Zielvektor zu integrieren
Zusammenfassung
• Vom Genotyp zum Phänotyp
• Das Genom enthält die Anweisungen zur Herstellung eines Organismus
• Die Genfunktion kann aus der Analyse phänotypischer Veränderungen aufgrund genetischer
Mutationen abgeleitet werden
• Vorwärtsgenetik: Identifizierung von Genen, die für einen interessierenden Prozess erforderlich sind, durch Mutanten-Screenings
• Reverse Genetik: Identifizierung einer (möglichen) Funktion für ein Gen in einem Entwicklungsprozess
• Methoden zur Reduzierung / Eliminierung der Genaktivität: RNAi, homologe Rekombination, CRISPR / Cas9
