Kehitysbiologia ja histologia

Transkriptio

1 Kehitysbiologia ja histologia Opettajat: Harjoitustyöt: Verkossa Luennot: Esa Hohtola kehitysbiologia: 5 4 h salasana: kbkbkb Harjoitukset: histologia: 6 4 h Yliopisto-opettaja Henrika Kuulustelut: Honkanen, tuntiopettajat Luennot 2 kpl, plus Luennot: uusinnat kehitysbiologia: n. 9 kertaa Harjoitukset kpl (sis. 2 omatoimikertaa) histologia: n. 9 kertaa Kurssin arvosana: ( omatoimikerta) 3 tentin keskiarvo 2 Kehitysbiologia - luentorunko Kehitysbiologia - luentorunko Kuvaileva/anatominen/vertaileva osa Alkionkehityksen perustapahtumat. - historiaa, kehitysbiologian peruskäsitteitä ja menetelmiä 2. Gametogeneesi eli sukusolujen muodostuminen - spermatogeneesi, oogeneesi 3. Hedelmöitys 4. Vakoutuminen - vakoutumistyypit; morula, blastula, blastokysti 5. Gastrulaatio eli alkiokerrosten muotoutuminen: sammakko, lintu, nisäkäs 6. Organogeneesi - elinaiheiden muodostuminen, erilaistuminen ja kasvu. Kokeellinen embryologia 2. Induktion käsite, solujen välinen kommunikaatio (signalointi), solujenväliset tunnistusmekanismit 3. Geeniekspressio ja sen säätely Kurssi painottuu selkärankaisten kehitysbiologiaan, esimerkkieläiminä sammakko, lintu, nisäkäs Huom: yksilönkehityksen geneettinen 'työkalupakki hyvin samankaltainen kaikilla monisoluisilla eläimillä 3 4

2 Kirjallisuutta: Scott F. Gilbert Developmental Biology, 6 th Edition, Sianuer Associates, Inc., Publishers, Sunderland, Massachusetts, 2000 (nyt myös jo 8. painos) Vertaileva Sariola Hannu ym. Solusta yksilöksi. Kehitysbiologia. Duodecim, Helsinki 2003,. painos. Esittelee lähinnä nisäkkäiden kehitysbiologiaa. Huom: 6. painos myös www:ssä Youtube: paljon videoita alkionkehityksestä! 5 6 Sanottua Kehitysbiologia vs. muu biologia alkio on linkki genotyypistä fenotyyppiin Esim. globiini-geeni hemoglobiini alkio hengittää ennen kuin sillä on keuhkot sulattaa ravintoa ennen kuin sillä on suoli kierrättää verta ennen kuin sillä on sydän Geneetikko: miten geeni periytyy, miten sen alleelit jakautuvat populaatiossa (intronit/eksonit/promooottorit) Fysiologi: miten hemoglobiini sitoo happea, mitkä seikat vaikuttavat hemoglobiinin määrään (geeniekspressioon): esim. korkea ilmanala, lihasharjoitus liikkuu ennen kuin sillä on lihakset jne. alkio vs. kone kone ei toimi ennekuin se on valmis, alkio toimii jo rakentuessaan! Biokemisti: miten globiinin aminohappojärjestys määrää sen 3- ulotteisen rakenteen Kehitysbiologi: miksi ja miten tietty globiini-geeni (alfa/beta/gamma) ilmentyy vain punasoluissa ja juuri tiettyyn aikaan; esim. sikiöllä ααγγ, aikuisella ααββ 7 8

3 Peruskäsitteitä Kokeellinen embryologia/kehitysbiologia embryologia - alkionkehitys Organogeneesi - elinten kehitys ontogenia - muu yksilönkehitys ml. vanheneminen kehitysbiologia Menetelmät anatomiset tekniikat histologiset & mikroskooppiset tekniikat Anatominen traditio vertaileva embryologia esim. zygootin vakoutumistyypit, varhaisten embryoiden samankaltaisuus evolutionaarinen embryologia mm. homologian ja analogian käsite (esim. linnun ja lepakon siipi ovat homologisia eturaajoina, ei siipinä!) biokemialliset menetelmät tumasiirrot, kudossiirrot (grafts) molekyyli- ja solubiologia geenimanipulaatiot (poistogeeniset l. knock-out mallit, yliekspressoivat mallit jne.) kloonaus lääketieteellinen embryologia ja teratologia alkion kehityksen matemaattinen mallinnus 9 0 Missä tutkimukset julkaistaan? Tärkeitä malliorganismeja C. elegans - sukkulamato Drosophila sp. - banaanikärpänen Echiuroidea - merisiilit Danio rerio - seeprakala Xenopus laevis - kynsisammakko Triturus sp. - vesiliskot Gallus gallus - kana Mus musculus - hiiri Linkki sarjan sivuille Monissa sarjoissa oma osio kehitysbiologialle: esim PLoSOne, PNAS Wnt/ß-catenin signaling in both oocytes and early embryos acts through LRP6- mediated regulation of axin 2

4 Kehitysbiologian peruskysymykset Kasvu Erilaistuminen kaikilla soluilla ± samat geenit ihmisellä n. 300 eri solutyyppiä miten ekspressiota säädellään ajallisesti ja paikallisesti? Hiiren 32-soluvaiheen solut ovat vielä totipotentteja (jokainen solu voi muodostaa alkion) mikä säätelee solujen jakautumista ja kokoa (ja ohjattua kuolemista = apoptoosi) määrän kasvu = hyperplasia, koon kasvu = hypertrofia Kaavoittuminen ja morfogeneesi miten erilaistuneet solut järjestyvät elimiksi (morfogeneesi) 'oikeaan' paikkaan (kaavoittuminen) esimerkki apoptoosista apoptoosin häiriö homeoottisten geenien ilmentyminen Drosophilan alkiossa 3 4 Lisääntyminen miten sukusolut laitetaan syrjään odottamaan lisääntymistä (iturata) niin että mikään geeni ei ole lukossa Epigeneettinen ohjelmointi (DNA:n ja histonien metylointi ja asetylointi) Hieman historiaa Aristoteles havainnoi linnun (kanan) alkion kehitystä sukupuolen määräytyminen elinaiheet elimet Evoluutio mikä on yksilönkehityksessä tapahtuvien muutosten osuus evoluutiossa ( evo-devo ) Ympäristövaikutukset esim. alligaattorit: < 30 C naaraita, > 30 C koiraita, ympäristöestrogeenit lue lisää koiras antaa spermassa alkiolle muodon (so. hedelmöityksen idea) oviparia, viviparia, ovoviviparia (Huom. Linnut ainoa selkärankaisryhmä, jolla ei vivipariaa 600-luku Harvey: omne vivum ex ovo Graaf: Ihmisen munasolu = Graafin follikkeli Eliniän määräytyminen, vanheneminen & seneskenssi van Leeuvenhoek: siittiö ( likoeläin ) 670-luvulla Esim. miksi linnut elävät 3-6 kertaa pitempään kuin nisäkkäät? 5 6

5 von Baerin patsas, Tartto, Viro Preformaatio-oppi vs. epigeneesi Preformaatio-oppi: sukusoluissa valmiina pieni yksilö, joka vain kasvaa (ja sen sukusoluissa vielä pienempi jne. enkapsulaatio) homunculus animalculus voimissaan 700-luvulla Epigeneesi: elimet ja kudokset kehittyvät solujen vuorovaikutusten kautta yksikertaisimmista aiheista (siis preformaatio-opin vastakohta; jo Aristoteles kannatti tätä!) Wolff 767: kanan alkion verenkiertoelimet kehittyivät kudoksista, joilla ei vastinetta aikuisilla 827 von Baer: nisäkkään munasolu 850 von Baer & Pander: endo- ja ektodermi 7 8 Haeckel ja biogeneettinen laki 205 Yksilön alkionkehitys toistaa kehityshistoriaa (rekapitulaatio) Haeckel 'stilisoi' kuvia teoriansa tueksi Haeckel: zygootti 'kala' 'sammakkoeläin' 'matelija' 'lintu' 'ihminen' 9 20

6 Eri selkärankais-ryhmien alkiot muistuttavat toisiaan kehityksen alussa, mutta niiden kehitys erkanee nopeasti Mm. Darwin piti (aivan oikein) varhaisten embryoiden samankaltaisuutta todisteena yhteisestä evolutiivisesta alkuperästä Kokeellisen embryologian historiaa W. Roux 887: sammakon 2-soluvaiheen toisen solun tuhoaminen normaali alkio nykykäsitys H. Driesch 800-luvun loppu: merisiilen 2-soluvaiheen solujen irrotus 2 alkiota Hans Spemann, 920-luku (Nobel 935): mikrokirurgia vesiliskolla Hans Spemann (869-94) silmän linssin synty silmämaljan vaikutuksesta sian alkio kiduskaaret hermostoputken synty alkusuolen katon vaikutuksesta induktion käsite suomalaisten kehitysbiologien oppi-isä 2 22 Spemannin koe (90), jossa hän osoitti, että aivorakkulan pullistumat (joista myöhemmin erilaistuu mm. silmän verkkokalvo) indusoivat silmän linssin synnyn epidermistä linssin aihe verkkokalvon aihe linssi ei indusoidu poistettu aviorakkulan pullistuma 23 24

7 Induktion geneettinen spesifisyys Kehitysbiologinen tutkimus Suomessa Gunnar Ekman (Spemannin oppilas) Gunnar Ekman Sulo Toivonen Lauri Saxén (Anto Leikola) Helsinki: Irma Thesleff, Jukka Jernvall, Juha Kere, Hannu Sariola Oulu: Seppo Vainio 27 28