Vztah
evoluce a ontogeneze
Evolution & Development
(Evo-Devo)
Prof. Boris Vyskot
Vývoj (individuální vývin, ontogeneze,
development) je geneticky
programovaný a cyklický.
Evoluce (historický vývoj, fylogeneze)
není programovaná, nýbrž nahodilá.
Epigenetická realizace
ontogenetického programu
je klíčová pro dostupnost
přírodní selekce, reprodukci a
dědičnost,
tedy i pro směr evolučního toku.
Vývojové zákony
v Von Baerův zákon (1828):
"znaky vyskytující se u vyšší
systematické skupiny se obvykle objeví
ve vývinu dříve než znaky nižší skupiny"
v Haeckelův biogenetický zákon (1866):
"ontogeneze rekapituluje fylogenezu"
Evoluce a ontogeneze :Evoluce a ontogeneze :
EVOEVOlution andlution and DEVDEVelelOOpmentpment
fylotypová stádia obratlovců
Carl Ernst von Baer
(1792-1876)
BaerovyBaerovy zákonyzákony fylotypfylotypovovéhoého stádia obratlovcůstádia obratlovců
(1828)(1828)
[1] Obecné znaky velké skupiny živočichů se v embryu vyskytují dříve
než znaky specializované
[2] Méně obecné znaky se vyvíjejí ze znaků obecnějších,
přičemž znaky velmi speciální se tvoří až ke konci embryogeneze
[3] Embrya odlišných druhů se od sebe v průběhu individuálního
vývoje stále více a více odlišují
[4] Časné embryo evolučně vyššího živočišného druhu není podobné
dospělci nižšího živočicha nýbrž jeho časnému embryu
Ernst Haeckel
( 1834 ­ 1919)
,, ONTOGENEZE
REKAPITULUJE
FYLOGENEZU ,,
Omezení biogenetického zákona
v Dospělé znaky předků jsou jen
výjimečně časnými vývojovými stádii
evolučních následovníků.
v Adaptace ve vývoji jsou stadium-
specifické, odráží se ve výsledných
fenotypech
v Ne všechny nové znaky vznikají
prostřednictvím terminální adice
Richard B. Goldschmidt (~ 1935) :
"..."... EvoluEvolucece spočívá ve zděděníspočívá ve zdědění změnzměn
individuálního vývojeindividuálního vývoje ..."..."
funkční biologie = anatomie, genová exprese
vývoj = změny funkční biologie / reálný čas
evoluce = změny individuálního vývoje
/ historický čas
Étienne Geoffroy Jonathan Slack
Saint-Hilaire (*1949, Bath)
(1772-1844, Paris)
druh I druh II
paralogní geny
genová duplikace
divergence druhů
další
evoluce
ZZOOTYPOOTYP
Xenopus
Amphibia
pijavice
ploštěnci
Drosophila
myš
ZOOTYP
původ ,,helix-turn-helix" genů
původ homeoboxových genů
původ genových shluků Hox
zootyp (fylotypové stádium)
P
r
o
k
a
r
y
o
t
a
houby rostliny žahavci červi
vyšší
živočichové
Weismann (1889): somatické změny získané v průběhu
života vyšších živočichů neovlivňují reprodukční buňky
či potomstvo ("Weismannova bariéra").
evoluce
Ontogeneze, embryogeneze,
vývojová biologie
(Genotyp, transmisní genetika, zárodečná dráha )
(Soma, fenotyp)
V-trojúhelník
Po selekci se dědí (přenáší) genotyp,
selekce se však realizuje na bázi fenotypu !
R Pearl, WF Schoppe (1921), Zukerman (1951):
... základní biologická doktrína ... v průběhu života jedince
nenastává zvýšení počtu primárních oocytů nad rámec těch,
které byly vytvořeny při tvorbě vaječníku (končí narozením) ...
J Johnson et al. (2004):
... juvenilní i adultní vaječníky myši mají mitoticky aktivní
zárodečné buňky ...
... chemoterapie eliminující zásoby folikulů může být překonána
aktivací nových zárodečných buněk ...
... transplantace wt-ovarií do GFP-myši vede k infiltraci folikulů
GFP-pozitivními zárodečnými buňkami ...
J Johnson et al. (2005):
... možnost extragonadálního zdroje zárodečných buněk ­ trans-
plantace kostní dřeně nebo periferní krve (pluripotentní buňky)
vedou ke vzniku oocytů donorového typu ...
... schopnost fertilizace a dalšího vývoje oocytů odvozených z
kostní dřeně či krve však dosud nebyla prokázána ...
Povedou tyto výsledky ke zpochybnění Weismannovy bariéry a umožní
vysvětlení epigenetického (Lamarckova) dědění získaných znaků ?!?
Pozor! U samečků-živočichů základní biologická doktrína (princip
reprodukční biologie) neplatí vůbec: samčí zárodečné buňky (sperma-
togonie) se mitoticky množí a jejich meiotické deriváty (spermie)
obvykle vznikají až v dospělosti.
Transplantace pólové
cytoplasmy může indukovat
tvorbu zárodečné linie
...
primordiální zárodečné
buňky jsou prvními
odlišnými, na posteriorním
konci
...
u drosofily,
hlístice (granule P)
a žab
ink
ellow
ellow
reen
cytoplasma posterioru oplozeného vajíčka
přenesena do anterioru jiného
anteriorní buňky (s pólovou plasmou)
přeneseny do jiného posterioru
moucha G vytváří zárodečné buňky
s genotypem G a Y
migrace
do gonád
syncycium
celularizace
Redundance ve vývoji
v Mutace vývojových genů často vedou
k neprůkaznému fenotypu.
v Toto je zřejmě způsobeno funkční
redundancí genové exprese.
v Nejčastější typ redundance vzniká jako
důsledek genové duplikace.
Heterotopní evoluce
v Změny pozice (topologie), ve které jsou znaky
exprimovány v průběhu vývoje
v Heterotopie může vytvářet nové morfologie
odlišné od drah, které vyvářejí formy předků
v Heterotopie je zvýrazněna prostorem,
nikoli časem
v Halder et al. (1995) indukovali extra-oči na
křídlech, nohách a tykadlech Drosophila
ektopickou expresí "eyeless" cDNA
PAX6/Eyeless exprese
v muších a myších očních základech
William BatesonWilliam Bateson
(1861-1926)
MaterialsMaterials forfor thethe StudyStudy ofof
VariationVariation (1894)(1894)
... HOMEÓZA je zvláštním... HOMEÓZA je zvláštním
typem variability, kdy jedentypem variability, kdy jeden
člen opakující se série přebíráčlen opakující se série přebírá
rysy, které se normálně vyvíjejírysy, které se normálně vyvíjejí
u jiného člena série ...u jiného člena série ...
Homeotické geny dávají vznik
sériově homologním strukturám
EdwardEdward LewisLewis (19(196363)) :: pravidlopravidlo
spspaaciocio--temporálnítemporální kolinearitykolinearity
HOMEOTICKÉHOMEOTICKÉ GENYGENY
jeden z klíčů specifikace a diferenciacejeden z klíčů specifikace a diferenciace
embryo dospělec
moucha
myš
Antennapedia Bithorax komplex
komplex (anterior) (posterior)
BITHORAX specifikuje třetí článek hrudi a
zadeček: ztráta funkce ­ místo kyvadélek
se tvoří druhý pár křídel
(více anteriorní fenotyp)
ANTENNAPEDIAANTENNAPEDIA specifikujespecifikuje mesothoraxmesothorax::
jehojeho ektopickáektopická ,,dominantní" exprese vyvolává tvorbu,,dominantní" exprese vyvolává tvorbu
nohou na hlavě (vícenohou na hlavě (více posteriorní fenotypposteriorní fenotyp))
Antennapedia
wt mutant
zadeček hruď hlava
Bithorax
HomeotickéHomeotické genygeny
řídířídí anteriorněanteriorně --
posteriorníposteriorní
specifikaci tělaspecifikaci těla
WT
mutace :mutace :
ztráta funkce genu Cztráta funkce genu C,,
,,více,,více anteriorníanteriorní"" fenotypfenotyp
mutace :
ektopická exprese genu B,
,,více posteriorní" fenotyp
ObjevObjev hhomeoboxomeoboxu (1982)u (1982)
WalterWalter GehringGehring
(Basel)(Basel)
Matthew ScottMatthew Scott
((StanfordStanford)) vazba homeodomény Antennapedia na DNA
Polarizační oblast pupene specifikujePolarizační oblast pupene specifikuje
končetinu podélkončetinu podél anteroantero--posteriorníposteriorní osyosy
exprese genuexprese genu Sonic hedgehogSonic hedgehog nana posteriornímposteriorním koncikonci
pupene poskytuje poziční signál podél Apupene poskytuje poziční signál podél A--P osyP osy
0,1 mm
pupen kuřecí končetiny polydaktylie u člověka
ExpreseExprese homeotickýchhomeotických genůgenů
v pupenu křídla kuřetev pupenu křídla kuřete
Hox-a geny jsou exprimovány
podél proximo-distální osy :
Hox-a 13 je nejdistálnější
Hox-d geny jsou exprimovány
podél antero-posteriorní osy :
Hox-d 13 je nezadnější
Evoluce homeotických
(selektorových) genů
v vysoký stupeň podobnosti mezi geny
skupin Antennapedia a Bithorax,
duplikace
v všechny obsahují homeobox, 180 bp
v kódují 60-amino-kyselinovou
homeodoménu, která se váže k DNA
v příbuzné geny nalezeny i u všech jiných
živočichů, člověka i rostlin
Mouellic et al.: Homeosis in the mouse induced by a null
mutation in th Hox-3.1 gene. ­ Cell 69, 251, 1992
- nahrazení kódující sekvence genu Hox3.1 signálním genem lacZ
homologní rekombinací v kultivovaných embryonálních kmenových
buňkách
- gen rezistence k neomycinu zajišťuje selekci homologních rekombinantů
- lacZ gen je reportérový ­ detekuje místa exprese Hox3.1 v heterozygotních
myších Hox3.1 +/- (... hybridizace s mRNA či imunobarvení)
- homozygotní stav Hox3.1 -/- je semiletální, několik segmentů kostry je
transformováno jako více-anteriorní (podobně u drosofily loss-of-function,
mutace Bithorax)
- 8. pár žeber je spojen s hrudní kostí a tvorba 14. páru na bederním obratli
Homeoboxové genové shluky u metazoí
jsou staré asi 1 miliardu let, prostorová/časová kolinearita
částečně zachována, poprve se vyskytují na evolučním
přechodu Cnidaria/Bilateralia, souvislost se vznikem tří
zárodečných listů
MEGACLUSTER (ancestrální ProtoHox)
se postupně amplifikoval a divergoval ve tři skupiny genů
(a) Hox-shluk: Lewis 1978; 5+3 geny u drosofily, 39 genů
ve 4 shlucích u savců), působí především v ektodermu
(b) ParaHox-shluk: Brooke, Garcia, Holland 1998; je pouze u
obratlovců, blízký Hox-shluku, řídí vývin endodermu
(c) NK-shluk: Kim-Niremberg 1989; 4 geny u drosofily, též
u obratlovců, řídí hlavně vývin mesodermu
Časování vývojových procesů,
zapínání a vypínání genů v závislosti
na koncentraci a čase, prahové hodnoty
HETEROCHRONNÍ GENY
HETEROCHRONNÍ MUTACEHETEROCHRONNÍ MUTACE
model řízení časového vývoje larvy hlístice C-elegans
specifická stádia larválního vývoje jsou
určována hladinou proteinu lin-14
koncentrace
lin-14
vysoká
střední
nízká
časový gradient lin-14 je výsledkem trans-
kripční represe lin-14 proteinem lin-4,
začínající při časném vývoji larvy
standardní typ
represe lin-4
lin-14 mutace, ,,získání" funkce,
nebo ,,ztráta" lin-4 funkce
lin-14 mutace, ,,ztráta" funkce
Heterochonie
v Evoluční změny v rychlosti nebo
časování vývojových událostí dávají
vznik novým adultním fenotypům
v Odlišné rychlosti růstu různých částí
těla během vývoje organismu jsou
podstatou allometrických vztahů
v Heterochonie tvoří zjevnou asociaci
mezi ontogenezou a fylogenezou
Heterochronická evoluce
v Pedomorfie: je způsobena redukcí rychlosti
vývoje znaku, což vede k juvenilním
charakteristikám adultního potomstva jedince
(vývin nastává časně = progeneze, nebo
relativní redukce rychlosti nástupu jednoho
znaku relativně k jinému = neotenie)
v Peramorfie: je způsobena zvýšením rychlosti
vývoje znaku vedoucího ke zvýrazněnému
znaku adultního potomstva
(prodloužení růstové fáze = hypermorfóza)
HeterochronHeterochronníní eevoluvolucece
v Pedomorfie: neotenie u axolotla
(Ambystoma mexicanum), kde juvenilní žábra
jsou zachovány až do dospělosti
v Peramorfie: vzrůst velikosti paroží
u irského losa (Megaloceros giganteus)
PROGERIE (progeneze)
předčasné stárnutí u člověka
Obvykle single-genové mutace jsou odpovědné
za senescentní fenotypy, které imitují normativní stárnutí
- impakt na určitý (jediný) orgán či tkáň (unimodální
progeroidní syndromy), př. Alzheimer
- impakt na mnohé orgány a tkáně (segmentační
progeroidní syndromy), př. Hutchinson-Gilford, Werner
Dr. Alois Alzheimer
(1864-1915, Mnichov)
Hutchinson-Gilfordův progeria-syndrom
je onemocnění dětí způsobené mutací
proteinu významného pro architekturu jádra: aberantní morfologie.
Filamenty u periferie jádra odpovídají za udržování struktury a stability jádra,
ochrana před mechanickým stresem. Lamina též udržují genomové domény,
regulační funkce v expresi.
wt
HGPS
Spontánní bodová mutace
v kodonu 608 genu kódu-
jícího protein lamin A
Silentní aa-mutace aktivuje
kryptické místo sestřihu RNA
Mutantní protein progerin
postrádá 50aa na C-konci
Mění se jeho post-translační
modifikace
Progerie u člověka i myši,
scvrklá jádra,
defektní reparace DNA,
genomová nestabilita
Wernerův syndrom ­ autosomální recesívní choroba, ztráta
funkce DNA helikázy, onset v dospělém věku.
Helikáza hraje úlohu v DNA replikaci a rekombinaci, replikační
vidlička.
Pacienti trpí defektní replikací DNA, problémy s reparací,
restrukturalizace chromatinu.
Senescence ­ permanentní zástava buněčného dělení,
dysfunkce telomer.
Kuriozní antagonismus mezi stárnutím a rakovinou:
buněčná senescence ­ zástava dělení ­ je obranným mechanismem
k účinnému zastavení proliferace nádorových buněk.
Nesmrtelnost telomerázově-deficientních
buněk kultivovaných in vitro
kombinuje ...kombinuje ...
preformistickoupreformistickou GENETIKUGENETIKU
((studium dědičnéhostudium dědičného materimateriáálluu
nacházejícího se v zygotě)nacházejícího se v zygotě)
aa vývojovouvývojovou biologbiologiiii
(stud(studiumium změn, ke kterým docházízměn, ke kterým dochází
v postv post--zygotickémzygotickém obdobíobdobí -- EPIEPIgenegenezeze))
individuindividuálníální vývoj organizmůvývoj organizmů spočíváspočívá
vv postupném vzrůstu jejich komplexitypostupném vzrůstu jejich komplexity
AristotelesAristoteles
(384(384--322 př.322 př.KrKr.).)
Conrad WaddingtonConrad Waddington
(1905(1905--75)75)
EPIGENEPIGENEZEEZE
EPIGENETIKAEPIGENETIKA
retroelement
hair-cycle-specific Agouti coding exons
non coding exons
Agouti Viable Yellow - epigenetický mozaicismus :
metylace retroelementu vede k inaktivaci ektopické exprese
žlutá myš : tmavá myš :
hypometylace hypermetylace
alely Avy alely Avy
ektopická umlčení agouti
exprese = pseudoagouti
agouti
eumelanin phaeomelaninphaeomelanin
agouti
Případ metastabilní epialely Axin Fused :
paternální exprese, lokus kinked tail je však epigeneticky
labilní, expresivita variabilní
Případ metastabilníPřípad metastabilní epialelyepialely AxinAxin FusedFused
::
paternálnípaternální exprese,exprese, lokuslokus kinkedkinked tailtail je všakje však
epigeneticky labilní, expresivita variabilníepigeneticky labilní, expresivita variabilní
obě alely paternálně zděděná maternální obě alely
jsou aktivní alela je aktivní aktivní alela inaktivní
paternálně zděděná maternálně zděděná
aktivní alela aktivní alela
paternálně zděděná maternálně zděděná
inaktivní alela inaktivní alela
Carl Linnaeus Charles Darwin Enrico Coen
(1707­1778) (1809­1882) (1999)
Vznik a dědičnost rostlinných monster: (epi)mutace
metylace?
Linnaeus ... pelorie u lnice, historicky první
doložená mutace? (1744)
Darwin ... křížení normálních a pelorických forem
v F2 127:37 (Variation of Animals and Plants
under Domestication 1868)
Coen ... hypermetylace homologu genu cycloidea
(A) Epigenotyp lokusu je striktně determinován genotypem;
epigenotyp je obligatorním fenotypem alternujících genotypů.
Penetrance and expresivita jsou vysoké.
Příklad: sex-specifický parentální imprinting u savců,
maternální exprese MEDEA u rostlin
Tři třídy dědičné epigenetické variability
maternal paternal
wt
medea
Tři třídy dědičné epigenetické variability
(B) ,,Usnadněná" epigenetická variabilita, která funguje v
,,pravděpodobnostním" režimu, obvykle v kontextu s genotypem.
Penetrance a expresivita jsou variabilní.
Příklad: lokus Agouti viable
yellow u myši,
lokus Superman v DNA
metylačních mutantech
u Arabidopsis
Tři třídy dědičné epigenetické variability
(C) Stochastické případy dávají vznik alternativním epi-alelám
v omezené četnosti, bez ohledu na genotyp.
Penetrance and expresivita jsou nízké.
Příklad: divergence epigenotype v průběhu stárnutí
v somatických liniích buněk,
pelorické mutanty u rostlin
Meioticky NEpřenášené epigenetické
stavy ovlivněné prostředím
- chladové působení na semena/rostliny
může vést ke změnám struktury
chromatinu a metylací DNA, vernalizace
Recentní výsledky ukazují,
že epigenetické stavy (alel)
mohou být ovlivňovány
prostředím, například:
Meioticky nepřenášené epigenetické
stavy ovlivněné prostředím
- chladové působení na semena/rostliny
může vést ke změnám struktury
chromatinu a metylací DNA, vernalizace
Recentní výsledky ukazují,
že epigenetické stavy (alel)
mohou být ovlivňovány
prostředím, například:
- změny metylace DNA v důsledku
dietního režimu u hlodavců
žlutá mírně skvrnitá silně pseudo-
skvrnitá skvrnitá agouti
metylacemetylace promotorupromotoru retroelementuretroelementu
matky bez březí matky s ,,metylačně bohatou výživou"
speciální (kys. listová, B12, cholin, betain)
výživy
Meioticky nepřenášené epigenetické
stavy ovlivněné prostředím
- chladové působení na semena/rostliny
může vést ke změnám struktury
chromatinu a metylací DNA, vernalizace
Recentní výsledky ukazují,
že epigenetické stavy (alel)
mohou být ovlivňovány
prostředím, například:
- změny metylace DNA v důsledku
dietního režimu u hlodavců
- mateřská péče vede k postnatálnímu
remodelování epigenetických stavů
glukokortikoidního receptorového genu
Maternální programování epigenetických stavů
Maternální péče jako model ,,experience-dependent" chromatinové plasticity
mateřská péče o novorozence
(lízání a mazlení)
DOBRÁ MATEŘSKÁ PÉČE
vysoká exprese genu kódujícího
glukokortikoidní receptor -
STABILNÍ PSYCHIKA DOSPĚLÉHO
POTOMSTVA (Ac = acetylace histonů)
DNA-metyltransferáza
ŠPATNÁ MATEŘSKÁ PÉČE
nízká exprese genu GR,
STRESOVÁ PSYCHIKA
DOSPĚLÉHO POTOMSTVA
(CH3 = metylace DNA)
TRICHOSTATIN !!! METIONIN !!!
DNA
demetylázy
histon-acetyltransferázy
serotonin
mozkový transmitter
mozkový transkripční faktor
cyklický adenosin monofosfát
protein kináza A
Environmentálně indukované
dědičné epigenetické změny, příklady:
- aplikace disruptorů endokrinních funkcí
na gravidní krysy způsobuje poruchy samčí
fertility v řadě generací, F1-F4
Environmentálně indukované
dědičné epigenetické změny, příklady:
- klonování myší cestou transplantace jader somatických
buněk vede k dědičným změnám genové exprese,
růstovým defektům a metylace DNA
Environmentálně indukované
dědičné epigenetické změny, příklady:
- četné jsou případy dědičných změn
u krytosemenných rostlin vzhledem k nepřítomnosti
pravé zárodečné dráhy
(genotrofy indukované podnebím u lnu,
hypometylací-DNA indukovaná sex-reverze u knotovky)
Meiotický přenos epigenetického stavu (fenotypu)
aneb environmentální indukce dědičných změn
- genotrofy u lnu (vliv podnebí a hnojení na větvení)
bez hnojení bez hnojení
F1, F2, ...
hnojení bez hnojení
F1, F2, ...
wt
F0
F0
Was Lamarck a little bit
right ?
Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829)