Tomáš Bárta tbarta@med.muni.cz Vliv fyzikálních jevů na vývoj 1 Obsah přednášky * Úvod * Mechanosenzing: Cadheriny, Integriny, Hippo * Smykové síly a vývoj srdce * Mechanické síly a morfogeneze * Bonus: Optogenetika * Bonus: Organoidy * Závěr 2 Mechanosensing v embryogenezi •Mechanická síla je neviditelnou, ale všudypřítomnou součástí biologických systémů. •Síly, jako je gravitace a osmotický tlak, stanovují fyzikální limity pro tělní plán. A zároveň, buňky embrya využívají tyto síly aby vytvořily složité tvary, které nacházíme v živočišné říši. •Mechanické síly generované živými buňkami na molekulární úrovni mají velký dopad na embryogenezi. •Přímým výsledkem působení síly je pohyb, k němuž dochází při separaci chromozomů, migraci buněk nebo skládání tkání. •Méně přímým, ale stejně důležitým účinkem síly je aktivace mechanosenzitivní signalizace, která umožňuje buňkám zkoumat jejich mechanické okolí a komunikovat mezi sebou na krátké i dlouhé vzdálenosti => mechanické síly jsou způsobem komunikace 3 Mechanosensing v embryogenezi * Schopnost buněk „vnímat“ mechanické signály a přetvářet je v biochemické signály. * A jak/čím „vnímá“? * * Iontové kanály * Primární cilium * Integriny * Cadheriny * Cytoskelet Aktin/Myosin * Notch * Receptory růstových faktorů * * * * * 4 Mechano recepce v embryogenezi https://doi.org/10.1016/j.ceb.2020.08.007 5 •Na buňku působí mnoho mechanických sil: •Vnitřní: osmotický tlak, kontraktility aktinu a myosinu •Vnější: smykové napětí, gravitace, natahování •Síly jsou vnímány a interpretovány mechanosenzory (adhezivní molekuly, iontové kanály), které poté vedou ke změně genové exprese. •To vede k reakci buňky -> změna morfologie buňky/tkáně 6 Mechanosensing v embryogenezi – Cadherin/β-catenin - gastrulace a indukce mezodermu https://doi.org/10.1016/j.ceb.2020.08.007 •V průběhu gastrulace dochází k pohybu buněk => působení mechanických sil. •Tyto síly aktivují β-catenin dráhu, která přispívá ke specifikaci mezodermu tím, že aktivuje expresi genů, které specifikují mezoderm. 7 Link na předchozí přednášku Mechanosensing v embryogenezi – Cadherin/β-catenin - gastrulace a indukce mezodermu •β-Catenin jako primární molekula v mechanorecepci •může být v jádře jako transkripční faktor (změna genové exprese) •také strukturální role v adherens junctions (link mezi E-cadherinem a cytoskeletem) •Cadherin-catenin-actin „osa“ je pod neustálým mechanickým tlakem nejen v důsledku vnitřní kontraktility aktinu. Externí mechanický stimul působí na mezibuněčné kontakty a zvyšuje tento tlak, což vede ke snímaní mechanického tlaku (1 nm). 8 Mechanosensing v embryogenezi – Cadherin/β-catenin - gastrulace a indukce mezodermu 9 Mechanosensing v embryogenezi – Cadherin/β-catenin - gastrulace a indukce mezodermu •Zablokování gastrulačních pohybů (genet., farmakol.) vede k inhibici mezodermálních genů – opětovným působením mechanických sil dochází k záchraně fenotypu a expresi mezoderm. genů •Feedback pro signální dráhy. Blebbistatin = specific non-muscle myo-II inhibitor 10 Mechanosensing v embryogenezi – Cadherin/β-catenin - gastrulace a indukce mezodermu 11 Mechanosensing v embryogenezi – Cadherin/β-catenin - gastrulace a indukce mezodermu 12 Mezibuněčný mechanosenzing a růst tkání - Hippo Hippo nejen v regulaci velikosti 13 Intercelulární tenze a růst tkání - Hippo •Tuhost ECM, hustota buněk, tlak cytoskeletu ovlivňují lokalizaci YAP/Yki •Mol. Mechanismus je nejasný https://doi.org/10.1016/j.ceb.2020.08.007 14 Obsah obrázku barevné, zelená, různé, barvy Popis byl vytvořen automaticky NOTCH 15 NOTCH 16 •Po oplození, savčí zygota během cca 4dní produkuje cca 100 buněk. •Embryoblast (ICM): Oct4, Nanog, Sox2 •Trophectoderm (TE): CDX2 •Tyto faktory determinují jednotlivé buněčné linie, jak ale jednotlivé linie vznikly? • •Pozice blastomer v embryu. Rozdílná polarita a adheze buněk. NOTCH 17 Integriny 18 Integriny 19 20 Smykové síly 21 Smykové síly a vývoj srdce •Srdce začíná svůj vývoj jako trubice a postupně se vyvíjí do podoby vícekomorového aparátu. •V průběhu vývoje ale neustále čerpá krev. •Tlak krve vyvíjí smykové síly na endoteliální buňky. •Smykové síly jsou vnímány endoteliálními buňkami => má vliv na jejich uspořádání a fyziologii. 22 Smykové síly a vývoj srdce 23 Smykové síly a vývoj srdce 24 Smykové síly a vývoj srdce Vývoj srdečních chlopní tedy závisí na vnímání smykových sil mechanosenzitivními kanály v endoteliálních buňkách, tím se určí správné místo pro vývoj chlopně a aktivaci příslušných genů. Porušení smykových sil (geneticky, chirurgicky, změna viskozity) vede k poruchám vývoje chlopní 25 Smykové síly a vývoj srdce 26 Smykové síly a vývoj srdce 27 Food for thought 28 29 30 Mechanické síly a morfogeneze •Během vývoje mechanické síly způsobují změny ve tvaru, velikosti, počtu i pozici buněk, což je doprovázeno změnou genové exprese => dopad na morfogenezi. •všechny tyto buněčné procesy, které vedou ke změně tvaru tkáně, jsou určitou formou síly mezi jednotlivými buňkami, běžně zprostředkovanou adhezí mezi buňkami. * Tato síla je generována prostřednictvím: * Aktinu * Polymerizaci mirkotubulů * Osmotickým tlakem * Molekulárními motory - Myosin * 31 Mechanické síly a morfogeneze •Změny cytoskeletu jsou přenášeny na sousedící buňky a ECM prostřednictvím propojení cytoskeletu na adhezivní molekuly, které zajišťují interakci buňka-buňka, buňka-ECM (cadheriny, integriny). •Aktin-myosin kontrakce a interakce zprostředkovaná cadheriny, jsou základní a evolučně konzervované mechanismy, které generují a přenášejí síly pro utváření morfogeneze (viz differential adhesion hypothesis/equlibrium state v předášce ECM a buněčná adheze – všechny síly v rovnováze, stav nejnižší energie). 32 Mechanosensing v embryogenezi – gastrulace a indukce mezodermu 33 Mechanické síly a morfogeneze 34 Mechanické síly a morfogeneze 35 Mechanické síly – diferenciace a proliferace buněk * Schopnost buněk vnímat vnější mechanické síly ovlivňuje velikost a architekturu tkáně nejen změnou jejich adhezivní a cytoskeletální organizace, ale také ovlivněním jejich diferenciace. * 36 BONUS: Vibrational cues alter developmental timing Agalychnis callidryas •Klade vajíčka na listy, které se nacházejí nad vodou •Normální vývoj trvá 7 dní. •V případě útoku predátora dochází (v rámci sekund!) k líhnutí larev, pokud vajíčka mají za sebou cca 5 dní vývoje. •Signalizace napadení vajíček predátorem je prostřednictvím vibrací •To vede k produkci enzymů, které narušují obal 37 38 BONUS: optogenetika 39 BONUS: optogenetika 40 41 BONUS: optogenetika 42 BONUS: optogenetika – vývojová biologie 43 •Brzká aktivace -> zkrácení těla a kyklop •Pozdní aktivace -> symetrie srdce BONUS: optogenetika 44 BONUS: organoidy pro studium vlivu fyzikálních jevů na vývoj a fyziologii 45 •Organoidy jsou trojrozměrné zmenšeniny orgánů, které mají podobnou strukturu a funkci jako daný orgán BONUS: organoidy pro studium fyzikálních jevů na vývoj a fyziologii 46 BONUS: 47 48 Obsah obrázku text, papoušek, různé, pták Popis byl vytvořen automaticky BONUS: 49 BONUS: 50 Závěr a otázky 51 •Jak/čím buňka vnímá mechanické síly? •Úloha Cadherinů a Integrinů v mechano recepci? A jak funguje? •Signální dráha Hippo a vnímání mechanické síly. •Jak smykové síly působí na vývoj srdce? •Jak je důležitá mechanorecepce v průběhu gastrulace Děkuji za pozornost 52 Tomáš Bárta tbarta@med.muni.cz