chapter 20 animal development: from genes to organism

CHAPTER 20Animal development:

From genes to organism

Modellorganismer för studier av embryonalutvecklingen

Bl.a.Bl.a.• Bananfluga (Bananfluga (DrosophilaDrosophila))• Caenorhabditis elegans Caenorhabditis elegans (en nematod)(en nematod)• SjöborreSjöborre• Vattenklogroda (Vattenklogroda (XenopusXenopus))• HönaHöna

Det finns många olikheter mellan olika Det finns många olikheter mellan olika djurgrupper.djurgrupper.

Befruktningen

• Embryonalutvecklingens startpunktEmbryonalutvecklingens startpunkt• Hos många arter skapar spermien Hos många arter skapar spermien

asymmetri i äggcellen asymmetri i äggcellen polarisering polarisering• Spermien mycket mindre än ägget Spermien mycket mindre än ägget

det mesta av zygotens cytoplasma det mesta av zygotens cytoplasma härstammar från modernhärstammar från modern Cytoplasmat innehåller näring, Cytoplasmat innehåller näring,

cellulära organellercellulära organeller Allt mitokondrie-DNA ärvs på Allt mitokondrie-DNA ärvs på

mödernetmödernet Spermien bidrar ofta med en centriolSpermien bidrar ofta med en centriol

Genomisk prägling

• Spermiens och äggets arvsmassa Spermiens och äggets arvsmassa bidrar till embryonalutvecklingen på bidrar till embryonalutvecklingen på olika sättolika sätt Zygoter, som skapats experimentellt Zygoter, som skapats experimentellt

från två honor eller hanar, utvecklas från två honor eller hanar, utvecklas inte normaltinte normalt

• Detta tros bero på att olika gener är Detta tros bero på att olika gener är aktiva i spermiens kromosomer än i aktiva i spermiens kromosomer än i äggetsäggets

Polarisering i grodägget

• Det obefruktade ägget redan Det obefruktade ägget redan polariseratpolariserat ””animal pole” med pigmentanimal pole” med pigment ””vegetal pole” utan pigmentvegetal pole” utan pigment

• Spermien tränger alltid in i ”animal Spermien tränger alltid in i ”animal pole”pole”

• Detta leder till en omfördelning av det Detta leder till en omfördelning av det yttre cytoplasmalagret yttre cytoplasmalagret gråzon ”gray gråzon ”gray crescent”crescent” Induceras antagligen av spermiens Induceras antagligen av spermiens

centriolcentriol

Polarisering av grodägget• bilateral symmetri skapas via de förändringar som bilateral symmetri skapas via de förändringar som

befruktningen induceratbefruktningen inducerat Dorsal- och ventralsidaDorsal- och ventralsida Fram- och bakändaFram- och bakända

• En del av de molekylära mekanismerna bakom En del av de molekylära mekanismerna bakom polariseringen utreddapolariseringen utredda Proteinkinas (GSK3) bryter ner Proteinkinas (GSK3) bryter ner

transkriptionsfaktor (transkriptionsfaktor (-katenin)-katenin) Båda dessa förekommer i den obefruktade Båda dessa förekommer i den obefruktade

äggcellens cytoplasmaäggcellens cytoplasma Då befruktning sker frigörs GSK3-inhibitor i Då befruktning sker frigörs GSK3-inhibitor i

”gray crescent” ”gray crescent” transkriptiosfaktorn kan transkriptiosfaktorn kan aktiveras på den sida som sedan blir ryggsidaaktiveras på den sida som sedan blir ryggsida

De första celldelningarna

• SnabbaSnabba• Dotterceller får olika mängd Dotterceller får olika mängd

cytoplasmakomponentercytoplasmakomponenter• Embryot växer inte i storlek Embryot växer inte i storlek mindre och mindre och

mindre cellermindre celler• Bildas en solid cellboll, Bildas en solid cellboll, morulamorula• Celler som kallas Celler som kallas trofoblastertrofoblaster utsöndrar utsöndrar

vätska och det bildas en vätskefylld blåsa, vätska och det bildas en vätskefylld blåsa, blastocoelblastocoel embryot kallas då embryot kallas då blastocystblastocyst (hos (hos

däggdjur)däggdjur) ellereller blastula blastula

Däggdjur: Implantation

• Blastocystens inre cellmassa blir Blastocystens inre cellmassa blir embryotembryot

• Det yttersta cellagret, Det yttersta cellagret, trofoblastentrofoblasten, blir , blir del av moderkakandel av moderkakan

• Trofoblasten fäster sig i Trofoblasten fäster sig i livmoderväggen och embryot bäddas livmoderväggen och embryot bäddas in slemhinnanin slemhinnan

Är blastomerer determinerade?

• T.ex.T.ex. C. elegans: C. elegans: Mosaikutveckling: varje cell behövs Mosaikutveckling: varje cell behövs

redan vid 8-cellstadietredan vid 8-cellstadiet• T.ex. däggdjur: T.ex. däggdjur:

Regulativ utveckling: andra celler Regulativ utveckling: andra celler kan kompensera för en förlorad cellkan kompensera för en förlorad cell

Gastrulation

• En del av blastulan börjar bukta inåt En del av blastulan börjar bukta inåt och bildar blastoporoch bildar blastopor

• Flera groddlager skapasFlera groddlager skapas Endoderm: inre cellagerEndoderm: inre cellager

epitelier (tarm, andningsorgan, epitelier (tarm, andningsorgan, cirkulationsorgan), inre organ cirkulationsorgan), inre organ associerade med matsmältningenassocierade med matsmältningen

Ektoderm: yttre cellagerEktoderm: yttre cellager nervsystem, hud, mjölkkörtlarnervsystem, hud, mjölkkörtlar

Mesoderm: mellanlagerMesoderm: mellanlager hjärta och blodkärl, muskel, benhjärta och blodkärl, muskel, ben

Gastrulation: grodan• Celler rör sig inåt från ”gray crescent”Celler rör sig inåt från ”gray crescent”• Dorsalläppen skapasDorsalläppen skapas

Dorsalläppens celler styr Dorsalläppens celler styr embryonalutvecklingenembryonalutvecklingen

Styrs av proteiner som kommit från Styrs av proteiner som kommit från äggcellen (bl.a. Transkriptionsfaktorn äggcellen (bl.a. Transkriptionsfaktorn ββ--katenin)katenin)

• Endoderm Endoderm primitiv tarm (archenteron) primitiv tarm (archenteron)• När archenteron blir större krymper När archenteron blir större krymper

blastocoelen för att slutligen försvinnablastocoelen för att slutligen försvinna• Cellerna blir determinerade under Cellerna blir determinerade under

gastrulationengastrulationen

Gastrulation: däggdjur• Den inre cellmassan (blastodisken) Den inre cellmassan (blastodisken)

bildar två lager: epiblast och hypoblastbildar två lager: epiblast och hypoblast Epiblasten blir embryotEpiblasten blir embryot En del av epiblasten samt En del av epiblasten samt

hypoblasten bildar fosterhinnornahypoblasten bildar fosterhinnorna Ett lager av epiblasten Ett lager av epiblasten amnion, amnion,

vätska mellan det blivande fostret och vätska mellan det blivande fostret och amnionhinnan amnionhinnan fostervatten fostervatten

Hypoblasten Hypoblasten gulesäcken gulesäcken

• ””primitivfåra” (motsv blastopor) bildas primitivfåra” (motsv blastopor) bildas i epiblasten; endoderm och mesoderm i epiblasten; endoderm och mesoderm migrerar in i blastodisken därmigrerar in i blastodisken där

Neurulation: grodan

• Dorsalt mesoderm Dorsalt mesoderm bildar ryggsträng (notochord)bildar ryggsträng (notochord) Inducerar dorsala ektodermets Inducerar dorsala ektodermets

utveckling till nervsystemutveckling till nervsystem• Neuralplattan bildas ovanför Neuralplattan bildas ovanför

ryggsträngenryggsträngen• Neuralplattan viker sig inåt och bildar Neuralplattan viker sig inåt och bildar

neuraltuben + hudneuraltuben + hud• Neuraltuben utvecklas så småningom Neuraltuben utvecklas så småningom

till hjärna och ryggmärgtill hjärna och ryggmärg

Kroppssegmentering

• Mesodermet på var sida om Mesodermet på var sida om nervsträngen bildar cellgrupper, nervsträngen bildar cellgrupper, somitersomiter

• Somiterna utvecklas till ryggkotor, Somiterna utvecklas till ryggkotor, revben och musklerrevben och muskler

• Somiterna vägleder nervernaSomiterna vägleder nerverna• Olika kombinationer av proteiner Olika kombinationer av proteiner

kodade av Homeobox-gener styr kodade av Homeobox-gener styr somiternas differentiering till olika somiternas differentiering till olika strukturerstrukturer

Fosterhinnorna: fåglar• Bildas under gastrulationenBildas under gastrulationen• Hypoblastens endoderm växer runt gulan Hypoblastens endoderm växer runt gulan

och bildar och bildar gulesäckengulesäcken• Hypoblastens endoderm och mesoderm Hypoblastens endoderm och mesoderm

bildarbildar allantois allantois, som lagrar slaggprodukter, som lagrar slaggprodukter• Ektoderm och mesoderm från hypoblasten Ektoderm och mesoderm från hypoblasten

och epiblasten bildar och epiblasten bildar chorion chorion ochoch amnion amnion• Amnion är närmast fostret och utsöndrar Amnion är närmast fostret och utsöndrar

fostervattenfostervatten• Chorion bildar hinna strax under äggskaletChorion bildar hinna strax under äggskalet

Fungerar i gasutbyte och hindrar Fungerar i gasutbyte och hindrar avdunstningavdunstning

Fosterhinnorna: däggdjur

• Ingen gula; gulesäcken bildar chorion Ingen gula; gulesäcken bildar chorion tillsammans med ektoderm och tillsammans med ektoderm och mesodermmesoderm

• Chorion och tropoblasten bildar Chorion och tropoblasten bildar tillsammans med moderns vävnader tillsammans med moderns vävnader moderkakan; chorion formar dessutom moderkakan; chorion formar dessutom den yttre fosterhinnanden yttre fosterhinnan

• Allantois’ betydelse varierar mellan Allantois’ betydelse varierar mellan djurarterdjurarter bidrar till navelsträngenbidrar till navelsträngen

Fostervattenprov

• Tas i graviditetsvecka 15-18Tas i graviditetsvecka 15-18• Prov från korionvilli (”istukkanäyte”!) Prov från korionvilli (”istukkanäyte”!)

kan tas tidigare (v. 10 kan tas tidigare (v. 10 ))• Man kan undersöka kromosomtal, Man kan undersöka kromosomtal,

kromosomförändringar eller i kromosomförändringar eller i undantagsfall specifika sjukdomsanlagundantagsfall specifika sjukdomsanlag

• Man kan också undersöka mängden av Man kan också undersöka mängden av ett protein som fostret producerar, ett protein som fostret producerar, överproduktion indikerar vissa överproduktion indikerar vissa utvecklingsstörningarutvecklingsstörningar

Graviditet: första trimesternFörsta trimestern:Första trimestern:

• Embryot känsligt för kemikalier, Embryot känsligt för kemikalier, strålning och patogenerstrålning och patogener

• Dag 6: implantation (=3. veckan)Dag 6: implantation (=3. veckan)• 5. veckan: Gastrulation, moderkakan 5. veckan: Gastrulation, moderkakan

börjar utvecklasbörjar utvecklas• 6. veckan: Neurulation, 6. veckan: Neurulation,

organogenesen har börjat, hjärtat organogenesen har börjat, hjärtat börjar slå (man kan höra hjärtslag från börjar slå (man kan höra hjärtslag från v. 9)v. 9)

• Då organ och lemmar utvecklats kallas Då organ och lemmar utvecklats kallas embryot foster (v.11)embryot foster (v.11)

Graviditet: andra trimestern• Snabb tillväxtSnabb tillväxt

• 14. veckan: Fostret bildar blodkroppar, 14. veckan: Fostret bildar blodkroppar, insulininsulin

• Modern kan känna fosterrörelserModern kan känna fosterrörelser• 15. veckan: fostret börjar andas och 15. veckan: fostret börjar andas och

dricka fostervattendricka fostervatten• 19. veckan: fostrets immunförsvar 19. veckan: fostrets immunförsvar

”startar””startar”• 20. veckan: flickors äggceller utvecklas20. veckan: flickors äggceller utvecklas• 24. veckan: fostret reagerar på ljud, 24. veckan: fostret reagerar på ljud,

surfaktant bildas i lungornasurfaktant bildas i lungorna

Graviditet: tredje trimestern

• Hjärnan aktiverasHjärnan aktiveras• Fostret reagerar på ljusFostret reagerar på ljus• Inre organen börjar fungera Inre organen börjar fungera

fullständigtfullständigt• 28. veckan: Ögonen öppnas28. veckan: Ögonen öppnas• 29. veckan: Lungorna kan andas luft, 29. veckan: Lungorna kan andas luft,

fostret kan reglera sin fostret kan reglera sin kroppstemperatur självkroppstemperatur själv

• 34. veckan: REM-sömn34. veckan: REM-sömn