1. signaali- eli viestimolekyylit ja niiden reseptorit proteiineja (so. geenituotteita) TAI pieniä molekyylejä 2. transkriptiotekijät (geenien ilmentymistä säätelevät proteiinit) hyvin samanlaisia eri eläinryhmillä, konservoituneita Solujen väliset viestimolekyylit 1. morfogeenit: liukoisia signaalimolekyylejä parakriininen vaikutus lähisolut autokriininen vaikutus sama solu 2. solukalvojen viestimolekyylit 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 3. solujen väliaineen viestimolekyylit parakriininen vaikutus reseptorit autokriininen vaikutus esim. BMP bone morphogenetic protein: hiirellä lihas luu vaikuttaa jo kuitenkin myös alkionkehityksessä ennen luun muodostumista 1 2 signaalimolekyyli 1 signaalimolekyyli 3 signaalimolekyyli 2 Esimerkki: Wnt-signaali beta-kateniini ( kanoninen reitti, siis myös muita signaalireittejä tunnetaan) reseptori1 reseptori 2 signaaliketju transkriptiotekijät disheveled geenituotteet 3 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 Signaalikeskukset signaalimolekyylit erittyvät usein signaalikeskuksista eli viestikeskuksista eli organisaattoreista diffuusio lähisoluihin Esimerkkejä: alkusuun ylähuuli (Spemann/Mangold) = nisäkkään node = Hensenin silmu primaari -induktio induktio Nieuwkoop harmaa puolikuu (sammakko) selkäjänne (notochorda) hermostolevy hampaan kiillekyhmy raajasilmun polarisoivan aktiivisuuden alue 5 6 Esim. sonic hedgehog -geenin (Shh)) ekspressio kanan alkiossa (so. mrna) Morfogeenin vaikutukset 1: Ranskan lippu -malli (Wolpert) morfogeenin pitoisuus raja-arvotarvot tulos Shh hiirellä proteiini etäisyys mrna Gradientti syntyy joko diffuusion vaikutuksesta ja/tai synteesi- gradientista 7
Morfogeenin vaikutukset 2: kulmakerroinmalli Tärkeimmät signaalimolekyylit 1. Wnt morfogeenin pitoisuus kulmakerroin > raja-arvo arvo nisäkkäillä noin 20 erilaista Drosophilan vastaava geeni on Wingless (Wg) jaokkeet, siivet ym. hiirillä ilmenee ± kaikissa elimissä etäisyys Pitoisuuden muutosgradientti aikaansaa vasteen myös syöpägeeni: Wnt-häiriöt (vars vars. yliaktiivisuus) erit. paksusuolensyövät Wnt Frizzled-reseptorireseptori (joita 10 erilaista!) disheveled aktivoituu estää gsk3-entsyymin β-kateniini stabiloituu (muutoin hajoaa) geenien aktivaatio myös (ei-kanoninen) Ca 2+ -reitti signaalireittiin vaikuttavat monet tekijät, mm. frizbee- proteiinit, jotka sitovat Wnt-molekyylejä solun ulkopuolella 9 10 Wnt-erikoisuus: β-kateniini on myös solun rakenteellinen proteiini, joka toimii linkkinä solun tukirangan aktiinin ja pinnan kadheriinin välillä adheesiovaikutukset 2. 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 11 12
Patched-reseptori (Ptc), estää normaalisti smoothed-reseptoria (Smo) 3. 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 Gli/Ci transkriptiotekijä sitoutuminen reseptorin dimerisaatio selkärankaisilla 4 eri reseptorigeeniä silmukointi 7 eri reseptorityyppiä Jos aikuisella Ptc-esto lakkaa Smo aktivoituu ihossa esim. tyvisolusyöpä Fgf-perheessä paljon redundanssia (monta geeniä ilmenee samanaikaisesti), Drosophilalla vain 2 geeniä solujen jakautuminen, vaeltaminen, gastrulaatio, raajojen kehitys 13 14 Fgf-helmi somiittien viereen ylimääräinen raaja linnulle 4. Transformoiva kasvutekijä β -perhe (Tgf Tgf) suurperhe, yli 30 eri jäsentä kaikilla 7 kysteiiniä samassa paikassa proteiinissa + kysteiinisolmut suurimmat alaluokat: luun morfogeneettiset proteiinit (BMP) Tgf β aktiviinit gliasoluperäinen kasvutekijä (Gdnf) syntyvät suurina esiastemolekyyleinä pilkkoutuminen + dimerisaatio aktiiviset muodot 15 sitoutuvat kahden reseptorimolekyylin kompleksiin (seriini- treoniinikinaaseja, [ei Gdnf]) Smad-transkriptiotekijät 16
Tgfβ-signaalireitti Eniten tutkittu: BMP, aktiviini kaavoittuminen, määräytyminen, morfogeneesi BMP aktivoi mm. Homeobox-geenien ilmentymistä BMP:n estäjiä: Chordin, Gremlin, Dan vaikuttavat usein pääkytkingeeneihin 5. Notch-signalointi löydettiin Drosophilalta selkärankaisilla ainakin 4 Notch-geeniä koodaavat reseptoreita ligandit (=sitoutuvat molekyylit) naapurisolujen kalvolla solukontakti vaaditaan Jagged, Delta 17 1 ligandin sitoutuminen reseptorin solunsisäinen osa irtoaa tumaan transkription säätely Notch-signaalireitti 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 inhibitio somiittijono 19 20
Transkriptiotekijät Esimerkkejä proteiineja, säätelevät geenien luentaa tarttumalla joko promoottori- tai tehostaja-alueellealueelle sitoutuvat spesifisesti tiettyihin DNA-jaksoihin JA toisiin proteiineihin suuret proteiinikompleksit lisäksi yleensä säätelyalue, joka käynnistää tai estää kohdegeenin transkription 1. Homeobox-transkritpiotekijät 60 aminohapon alue = homeoalue, homeobox, homeodomain hyvin samanlainen eri ryhmillä helix-loop-helix DNA:n suurempi uurre tarvitsevat yl. muita proteiineja monimutkainen vuorovaikutus muiden proteiinien kanssa DNA:han sitoutumisalueet hyvin konservatiivisia, samanlaisia eri eliöryhmillä stimuloivat joko suoraan RNA-plymeraasi II:sta tai avaavat kromatiinin transkriptio löydettiin Drosophilalta: : proteiinit, jotka määräävät jaokkeiden ominaisuuksia Hox-geenit eli homeoottiset geenit myös selkärankaisilla Hox-geenit etu-taka-akselin akselin määräytyminen myös järjestys kromosomissa säilynyt 21 Homeobox-alue myös monilla muilla kuin homeoottisilla geeneillä! 22 Hox-transkriptiotekijät Drosophila: geeniä yhdessä kromosomissa Hiiri: 10+++9 geeniä 4 kromosomissa 23 24
Drosophilan antennapedia-mutaatio tuntosarvi jalka Homeoottinen bithorax-mutaatio Drosophilalla 25 26 Hox-geenit ja evolutiiviset muutokset 2. Pax-proteiinit DNA:han kiinnityvä paired -aluealue nisäkkäillä 6 Pax-geeniä monissa Pax-proteiineissa myös homeobox heterozygotia Pax6:ssa sokeus Drosphilan Eyeless-mutaatio silmien puuttuminen 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. jos nisäkkään Pax6 ilmennetään kärpäsen kudoksissa ylimääräisiä silmiä Eyeless ja Pax6 paralogisia silmän kehityksen pääkytkingeeni 27 2
3. Basic helix-loop-helix -proteiinit (bhlh) homo- ja heterodimeerit Zn CYS emäksinen osa sitoutuu DNA:han kierre-silmukka-kierreosa kierreosa muodostaa dimeerit dimeerit toinen osa ilmenee kaikissa soluissa, toinen solukohtaisesti aktivoivat tai inhiboivat kompleksit HIS CYS HIS esim MyoD-proteiinit lihassolujen erilaistuminen 4. Sinkkisormiproteiinit DNA:han sitoutuvassa osassa sormimaisia ulokkeita + Zn 5. Fox-proteiinit Sinkkisormiproteiini Sinkkisormiproteiini- DNA-kompleksi 110 ah:n siipikierre DNA:han sitoutuminen tunnetaan satoja 29 30 6. Leusiinivetoketjuproteiinit (leucine zipper) GEISHA DNA:han sitoutuvalla alueella joka 7. aminohappo leusiini Gallus gallus EST and In Situ Hybridization Analysis database sitoutuminen dimeerinä http://geisha.arizona.edu/geisha/ esim. proto-onkogeenitonkogeenit Fos ja Jun kanan alkion geeniekspressio: eri vaiheet, eri geenit 7. Tuman hormonireseptorit steroidihormonien (myös kilpirauhashormonien) säätelemiä kehitysbiologisesti mielenkiinnon kohteena retinoidihapporeseptorit retinoidihappo Hox-geeníen ilmeneminen orvot reseptorit: proteiini tunnetaan, mutta ei ligandia 31 32