A biológiai folyamatok genetikája FOK

Az előadások a következő témára: "A biológiai folyamatok genetikája FOK"— Előadás másolata:

1 A biológiai folyamatok genetikája FOK - 2016
Miretti Plos 2008

2 Lehetséges sejt válaszok
Apoptózis Diffenerenciálódás (eredet ) Önmegújítás Mutáció Transzfor-máció Ki vagyok ? Hol vagyok? Polarizáció, sejtmigráció Sejtproliferáció

3 REGENERATÍV GYÓGYÁSZAT
…= avagy sejt sorsok Differenciáltság REGENERATÍV GYÓGYÁSZAT POTENCIA

4 Az embrionális fejlődés korai szakaszai 16 nap alatt multipotensé válik
Megtermékenyítés Beágyazódás Multipotens sejtek

5 Kanonikus versus sztohasztikus modell a differenciálódás során
Regeneratív medicina esélye !?!

6 Potenciál csökkenés a differenciálódás következtében
Totipotens Pluripotens Multipotens The totipotent zygote formed by the fusion of egg and sperm divides to form the inner cell mass (ICM) and the extra-embryonic (EE) tissue of the blastocyst. When isolated from the blastocyst in vitro, the cells of the ICM can be maintained in culture as pluripotent embryonic stem cell (ESC) lines. During the development of the embryo, the pluripotent stem cells in the ICM become increasingly restricted in their lineage potential and generate tissue-specific, multipotent stem cells. These include epidermal stem cells (bulge cells) that form skin and hair, haematopoietic stem cells in the bone marrow that give rise to all haematopoietic cells, neural stem cells in the subventricular zone of the brain, gastrointestinal stem cells that are located in the crypt of the small intestine, oval cells that give rise to liver (not shown), and mesenchymal stem cells that reside in the bone marrow and can form bone, stromal cells and adipocytes (not shown)88, 115. Unipotens

7 Őssejtek - Regeneratív medicina
John B Gurdon és Shinya Yamanaka

8 Fejlődési potenciálok – Epigenetikai állapotok
Differenciáltság foka Totipotens Zygóta Pluripotens ICM, embryó, iPS Multipotens Felnőtt szervezet őssejtjei Unipotens Differenciált sejtek Epigenetikai állapot Teljes DNS demetiláció Aktív X krsz; Differenciálódás gének repr. Promoter hypometiláció X inaktiváció; Csíravonal-specifikus gének repr. X inkativáció;

9 Transzkripciós faktor mediált „reprogramming”

10 Pluripotens szintre történő „reprogramming” lépései

11

12 Ki vagyok? Eredet/származás = Elhelyezkedés/hely=
lineage pozícionális identitás Hol vagyok? Belső tényezők Aszimmetrikus osztódás Receptorok, transzkripciós faktorok egyenlőtlen eloszlása Külső tényezők Morfogének = Szignál molekulák Sejt-sejt kölcsönhatások Sejt-mátrix kölcsönhatások

13 Kitüntetett irányok az embrionális fejlődéskor
Anterior- posterior (fej – farok, hosszanti tengely) (Wnt, HOX) Dorso-ventral ( SHH) Proximal- distal (SHH) Jobb-bal szimetria

14 Irányító molekulák I. Morfogének:
Koncentració gradiens révén befolyásolják a felődés irányát Petesejt vagy embrió eredetű Transzkripciós faktorok Molekulák: Hedgehog fehérje család TGFβ család (BMP) WNT család (Drosophila Wingless mutáció) FGF

15 Szignálútvonalak Egyéb résztvevők: FGF – Ras – MAPK útvonalon
RA (retinsav)

16 Hedgehog fehérje család
Sonic hedgehog Notochord majd a velőcső ventrális részén expresszálódik Hat a KIR, vázizomzat és végtagok fejlődésére Edward B. Lewis TGFβ család BMP SHH BMP: Bone morphogenetic protein

17 A morfogén koncentrációja információt hordoz
Példa: Mesoderma differenciálódása Morfogén: Activin (TGF család)

18 Szignálutak aktivációja

19 Irányító molekulák II. Homeobox / homeotikus gének:
Hox gének (homeobox szekvencia) 60 AS hossszú, helix-turn-helix szerkezetű fehérje pozícionális információt szolgáltat – hosszanti tengely max 13 box térbeli kolinearitás

20

21 Humán HOX gének

22 Hox expresszió a fejlődés során
Shape of things to come. Changes to two Hox genes may have spurred evolution of the mammalian female reproductive tract. When the female ancestors of today's mammals evolved a uterus, placenta, and vagina, their egg-laying days were over. Now researchers have identified two genes that they suspect played a key role in creating the biological equipment needed for live birth. The two genes--HoxA-11 and HoxA-13--make transcription factors, proteins that bind to other genes and tell them when to turn on or off. Like other members of the expansive Hox family of transcription factors, HoxA-11 and HoxA-13 control development of the basic body plan; they're also expressed in the uterus and related tissues. The sequence of Hox genes is so consistent across species that biologists once thought that the genes had changed very little through the course of evolution. The new study, like others in recent years, suggests that some divergence among Hox genes has in fact contributed to the diversity of animal body plans. To investigate the history of HoxA-11 and HoxA-13, evolutionary biologist Vincent Lynch of Yale University and his colleagues examined the genes' sequences in a variety of animals, including frog, chicken, platypus, opossum, mouse, and human. They then reconstructed the sequences that likely existed in these animals' ancestors and used a standard technique to determine whether differences in the sequence likely arose by chance or by natural selection. Natural selection was responsible for changes in both genes in the common ancestor of today's marsupial and placental mammals, and for additional changes to HoxA-11 in the lineage that gave rise to placentals, the researchers report online this week in Proceedings of the Royal Society B. This timing of the changes to the Hox genes parallels stages in the evolution of the mammalian female reproductive tract, as a primitive uterus and placenta first appeared in the common ancestor of marsupial and placental mammals and then became more elaborate in placental mammals, Lynch says. Lynch hypothesizes that the changes to HoxA-11 and HoxA-13 could have altered development, perhaps by allowing them to bind to genes involved in creating different kinds of cells. The paper is the first to link the natural selection of developmental genes to a specific change in the way animals develop, the authors say. "It's a really interesting and suggestive correlation," says developmental biologist Matthew Ronshaugen of the University of California, Berkeley. These genes could have "played a major role in the evolution of the mammalian female reproductive tract," Ronshaugen says. Related sites Betegségek: Végtagfejlődési rendellenességek(pl.k synpolydactylia, brachydactylia, Hand‑foot‑genital syndrome ) HOXA13 és HOXD13 MLL (terápiás célpont)

23 SHH és Hox expresszió egymásra hatása Epithel-mezenchyma kapcsolatok
Sadler, 9th ed. Fig Diagrams fo the mid- and hindgut regions. The morphogen shh is cecreted by gut endoerm and induces a nested expression of HOX genes in surrounding mesoderm. HOX expression then initieates a cascade of genes that “instruct” gut endoderm to differentiate into its regional identities. Signaling between the 2 tissues is an e.g. of an epithelial-mesenchymal interaction. Sadler, 9th ed.

24 Arc fejlődése 3D Ultrahanggal
4. hét 10. hét Teratogén ártalmak

25 Arc nyúlványok fejlődése és az arra ható faktorok
FGF10 JAG NOTCH TBX22 PAX9 PITX1 OSR2 GABA Benzodiazepin FGF10 FGFR” SHH MSX1 LHX8 SHOX2 OSR2 Koleszterin TGBb3 LEF1 SMAD TWIST SNAIL Pi3Kináz RHO IRF6 Virusok MSX1 LHX8 TGFBR2 SHH HAND2 Cigaretta Dioxin 1 felső állcsonti nyúlvány növekedése 2 nyelv visszahúzódása 3 -4 két felső álcsonti nyúlvány összenövése

26 Arc fejlődése csirke és egér embrióban
Altering the dorsoventral polarity of the brain perturbed facial development. (A) Control chick embryo 48 hours after bead implantation illustrating the medial (m) and lateral (l) regions of the FNP and their relationship with the lateral nasal processes (LNP). mn, mandibular process; mx, maxillary process. (B) In treated chick embryos, the nasal pits were not elongated, and the FNP was not well defined. (C) Growth of the upper jaw anlagen has not begun in mouse embryos at E9.5. (D) Control chick embryo 72 hours after bead implantation appeared normal. (E) Treated chick embryos had micro-opthalmia. In the FNP, growth occurred in lateral FNP (l; red arrows), whereas there was a lack of growth in the midline (m; arrowhead). (F) Growth of the middle and upper jaw in E11.0 mouse embryos occurred in lateral regions and began to form median nasal processes (arrows). Arrowhead indicates the median furrow present in the upper jaw of mouse embryos. (G) A control chick embryo 96 (∼HH28) hours post-implantation illustrates the normal morphology of the face. Arrow indicates growth in the medial portion of the FNP. (H,I) In treated chick embryos (H), growth of the FNP occurred in lateral domains (l; arrows) reminiscent of (I) median nasal processes (arrows) in mammals. Arrowheads indicate the median furrow in mouse embryos. (J) At HH28, Shh expression in the FEZ was restricted to a small domain located at the tip of the expanding FNP in chicks (red arrow, n=4). (K) In treated chicks, the Shh domain was divided into two halves that were larger than in normal chicks (red arrows; n=9/11). Black arrow indicates the lack of Shh expression in the midline. (L) In mice at E12 (n=6), Shh expression was evident in two large, distinct domains (red arrows), whereas in the midline, no Shh transcripts were observed (black arrow). The circled expression domain is in the basal forebrain. Scale bars: 1 mm in A,B,D,E,G,H,J,K; 500 μm in C,F,I,L.

27 Arc fejlődési rendellenességek I. Frontonazális displázia
igure 3. Morphological Comparison of ALX-Related FNDsFacial and palate development are illustrated in the upper part of the figure. Regions of the human face that originate from various prominences and palate development in two different stages are shown on the upper left and right, respectively. Palate development occurs between the sixth and seventh week of embryonic development and originates from the median and paired lateral palatine processes (upper right).31 During facial and palate development, the frontonasal prominence contributes to the formation of the bridge of the nose; the lateral processes form the sides of the nose (alae). The merged nasomedial process is crucial to both nasal and palatal development; it forms the intermaxillary segment, which is a precursor of the philtrum of the lip, the pre-maxillary component of the upper jaw, and the primary palate. ALX1 expression is essential not only for building the oral and nasal cavities but also for proper eye development during early embryogenesis. It is not possible to compensate for complete loss of ALX1 function, and frontonasal and palatal development is likely to be disrupted in early stages of development. ALX4 and ALX3 expression are related more to regulating the formation of the final shape of the nose. The ALX4-related FND phenotype is more pronounced than that of ALX3-related FND in terms of the severity of hypertelorism and eye involvement. Alopecia is also associated only with ALX4-related FND. A prominent philtral ridge is characteristic of ALX3-related FNDs (frontorhiny) 12q21.31 11p11.2 1p13.3 Microphtalmia Hypertelorism

28 Arc fejlődési rendellenességek II. Ajak és szájpad hasadékok
Gyakorisága: 1:750 70%-ban szájpad hasadék Lehet izolált előfordulás vagy szindróma része Izolált formák hátterében gyakori mutációk: FGF8, FGFR1 TGFβ3, (TGFβR2 egérben) BMP7 MSX1

29 Fogak fejlődése Csíra Fogléc Sapka Korai harang
Késői harang The developmental anatomy of early tooth morphogenesis and the formation of different tooth types: low-crowned molar, continuously growing molar with a complex cusp pattern, and continuously growing incisor lacking a complex cusp pattern. The primary dental lamina forms as a thickening of the oral epithelium at the site of the future tooth row. Tooth morphogenesis starts from the dental placodes where neural crest derived mesenchymal cells condense under the epithelial placode. The epithelium first buds into the mesenchyme and then grows to encompass the mesenchymal dental papilla during the cap stage.The epithelial cervical loop is formed during the cap stage on the lateral sides of the bud. Different developmental choices are made at this point leading to the formation of different tooth types. The epithelial stem cell niche in the cervical loop is maintained in continuously growing teeth, but disappears in teeth which develop roots such as all human teeth. Signaling centers are present at various stages of tooth development (placode, primary and secondary enamel knots). The enamel knots regulate tooth crown morphogenesis characterized by folding of the enamel epithelium. The locations of secondary enamel knots correspond to the future sites of tooth cusps. ERM, epithelial cell rests of Malassez; HERS, Hertwig's epithelial root sheath. Koronai Gyökér fejlődése odontoblastok Hertwig-féle hámhüvely

30 Szignál molekulák expressziójának szekvenciája
Epithél sejtek Sapka Korai harang The sequential and reciprocal regulatory signaling between epithelium (red) and mesenchyme (blue) regulates the expression of specific transcription factors (boxes in side boxes). This picture is far from complete, but it illustrates the step-wise process and the reiterative use of same major signaling pathways. Missing in this schematic are modulators of signaling, in particular many signal inhibitors which add to the level of complexity. Mesenchyma sejtjei Odontoblastok és ameloblastok terminális differenciálódása Fog mineralizáció Pax9 és Msx hiánya familiáris fog agenezis (hypodontia)

31 Fog fejlődési rendellenességek I.
Izolált formák Szindroma része Fog agenezis Hypodontia Hiány < 6 örlő ( 3.) % MSX PAX9 Oligodontia Hiány > 6 Rieger (PITX2) Witkops (MSX) Microdontia (csökevényes) Gardner sz. (APC) Familial adenomatous poliposis fenotípusos variánsa Hyperdotia

32 Fejlődési rendellenességek II.
Betegség Gén Lokus Öröklődés Egyéb Zománc fejlődési defektusok Amelogenezis imperfecta AMELX amelogenin Xp22.3-p22.1 XD 5% 14 mutáció fajta ENAM enamelin 4q13 AD MMP20 enamelysin 11.q22.3 AR Pigmentált forma KLK4 kallikrein 4 19q13.41 Taurodontizmus DLX3 Homeobox, BMP szignál szabályozó 17q21.3 Hipofoszfatázia ALPL alkalikus foszfatáz 1p36.1-p34 Egyéb ismert érintett gének: WRD27 (15q21.3 ) és FAM83H (8q24.3)

33 Rákos sejtek jellemzői
Angiogenezist indukál Apoptózis rezisztens Immortalizált Invázió és metasztázis Antiproliferatív jelekre érzéketlen Autonóm mitogén szignál Rákos sejtek jellemzői (Hanahan és Weinberg 2000)

34 Sitting too much boosts cancer risk
Read more:

35 Daganatos megbetegedések előfordulása
Az életkor a daganatkeletkezés kockázatának legfontosabb meghatározója Kockázati csoportok: Gyermekkori Fiatal felnőtt (< 30 év) Felnőttkori Szájüregi daganatok: 3-6%

36 A tumorképződés – genetikai evolúció (multiple hit elmélet)
Adenomatosis polyposis coli (APC) öröklött mutációja adenocarcinoma rizikóját drámaian megnöveli 5q 12q 17p 18q A malignitás folyamata egymásra épülő progressziós lépcsöfokok 36

37 Tumor szuppresszor gének
Onkogének domináns hatású mutációk, szomatikusak Tumor szuppresszor gének mutációik sejt szinten recesszívek, de ezek gyakran dominánsan öröklődő hajlamot eredményeznek Mutátor gének a DNS reparációban játszanak szerepet, csíravonal és szomatikus mutációk is lehetnek Dominánsan öröklődő hajlamot vagy AR tumorképződési szindrómát okozhatnak

38 Onkogének aktiválódásának okai:
pont mutáció gén amplifikáció kromoszóma transzlokáció genom epimutáció (hipometiláció, loss of imprinting – LOI)

39 Proto – onkogénekre jellemző mutációk
Pontmutáció Amplifikáció Kromoszóma ab. + Epigenetikus hatások: hipometiláció DNS átrendeződés Inszerciós mutagenesis.

40 Pontmutáció - RAS H-RAS, K-RAS, és N-RAS pontmutáció pl. pajzsmirigy tumorokban

41 N-MYC gén amplifikációja neuroblastomában
A normál n-myc locus (2p2) és a HSR (homogénen festődő kromoszóma szakasz)

42 Kromoszóma aberráció - Reciprok transzlokáció Philadelphia kromoszóma (Ph1)
ABL (Abelson cluster region) gén – tirozinkináz enzimet kódol BCR (breakpoint cluster region) Új fúziós fehérje- a bcr/abl által kódolva Elvész az abl promotere Nagy aktivitással termeli A sejtek ellenőrizetlen szaporodása – TUMOROK ( Leukémiák: ALL, CML) Terápia: Gleevec (imitanib mesylate)

43 Burkitt’s Lymphoma specifikus transzlokációk
Transzlokáció a 8-as kromoszóma és az alábbiak egyike között: 8 & 2 , 8 & , & 22 8 as kromoszóma C-MYC onkogén Kr. 2, 14, 22 IG-H Immunglobulin enhancer régió Onkogén aktiválódik!

44 Tumor szupresszorok Loss- of- function mutációk Jellemzően deléciók
kisebb egy génre korlátozódó (p16 CDK inhibítor) Egész kromoszóma kart 3p (FHIT, RASSF1, LIMD1) – non papilláris vese carcinoma 1p – egyes emlőtumorork Gyakran AD Molekulák: p53, Rb BRCA1 and 2 APC and DCC PTEN and PPA2 LKB1 p16 WT1 and WTX

45 Knudson féle „two hit” hipotézis

46 Haploinszufficiencia
Az egyik tumorszuppresszor allél mutációja esetén a megmaradó normális allél már csak csökkent funkcióra képes.

47 Öröklött tumor szindrómák

48 Colorectális carcinóma
Tumorgenezis Colorectális carcinóma Prosztata rák A loss-of- function mutációk dominálnak © John Wiley & Sons, Inc. 48

49 Egyéb tumorképződést befolyásoló tényezők I.
Vírusok Kémiai anyagok (karcinogének) Azbeszt, vinyl-klorid és benzén Cigaretta füst aril szénhidrogénjei Aflatoxin Sugárzás: UV Röntgen Radon, kozmikus sugárzás,és gamma sugázás Immunhiányos állapotok Táplálkozás

50 Cirkuláris virális DNS recombinációja a gazda DNS-sel

51 Táplálékok (zöldségek) befolyásolhatják a csökkenthetik a tumorképződés kockázatát

52 Epigenetikus tényezők, hipermetilált tumorszupresszor vagy mutátor gének

53 Odontogén tumorok pathogenezisében szerepet játszó gének
Összefoglalás Odontogén tumorok pathogenezisében szerepet játszó gének TUMOR INICIÁTOROK Onkogének- RAS, Cmyc, Fos Abnormális sejtciklus szab. Tumor szuppresszor gének p53 cell cycle arrest APC Wnt szignálút szab. RTB sejtproliferáció Fogfejlődést szabályozó mol. SHH signalling cell to cell interaction, cell proliferation, Epithelial Mesenchymal interaction Wnt signalling Β-katenin nukleáris lokalizációja V-Onkogének EBV, HPV Hard tissue related proteins csont szialoprotein, amelogenin Tumor fejlődés növekedés; patológiás mineralizáció BMP-2, -4, -7 Növekedési faktorok TGF-α,-β, FGF -1,-2 Tumor növekedés invázió HGF Sejt differenciálódás Telomeráz Sejt élettartam Sejtciklus szabályozó mol. cyclin D1, p61, p21, p27 Sejtciklus szab. hiánya Apoptotikus molekulák Bcl-2, IAP, Fas, TNF-α, p53 Fokozott túlélés TUMOR SZUPPORTER Sejtadhéziós molekulák E-szelektin, ICAM-1, VCAM-1, E-kadherin, Integrin, CD44 Inváziót és túlélést biztosítják Mátrix bontó enzimek MMP-1,-1,-1/ TIMP-1,-2, Heparánáz Angiogén faktorok VEGF Oszteolitikus citokinek IL-1, -6, TNF-α, PTHrP, RANKL/OPG