Gelişimsel genetik (sinyal yolakları, transkripsiyon faktörleri)

Gelişimsel genetik
(sinyal yolakları, transkripsiyon faktörleri)
Prof. Dr. Hülya KAYSERİLİ
Tıbbi Genetik Anabilim Dalı
İTF Endokrin/Metabolizma 2. Dönem
27.01.2015
AMAÇ: Embroyogenezde etkin olan transkripsiyon faktörleri ile sinyal
yolaklarının rolünü kavramak
Öğrenim hedefleri:
 Embryogenezde transkripsiyon faktörlerinin rolünü
açıklayabilmeli
 Sinyal yolaklarının gelişimdeki rolünü kavramalı
 Gelişimde etkin olan önemli transkripsiyon faktörleri ve
sinyal yolaklarını sayabilmeli
 Sinyal yolaklarında yer alan ve/veya transkripsiyon
faktörü olan genlerin mutasyonları ile oluşan klinik
tabloların ilişkisini irdeleyebilmeli
 Gelişimsel genetik kavramını malformasyon oluşum
mekanizmaları ile açıklayabilmeli
Akış Şeması
Gelişimsel genetik nedir ?
Model organizmalar ve gelişimsel genetikteki rolleri
Gelişimin ana basamakları
Moleküler mediyatörler
Sinyal molekülleri ve reseptörleri
DNA transkripsiyon Faktörleri
Ekstrasellüler matriks proteinleri
Enzimler
Transport sistemleri
Proteinler
ve fenotipe yansımaları
• Kraniyofasiyal gelişimde nöral krest hücrelerinin rolü
•
•
•
•






3
Gelişimsel genetik &
Moleküler dismorfoloji
• Dismorfik bulgularla seyreden hastalıklarda, anomalilerin genlerle
kodlanan kontrolünü ve gelişimdeki koordinasyonunu anlamamızı
sağlar. Sendromların etyopatogenezinin anlaşılması, klinik bilgilerimizi
tekrar değerlendirmemize neden olur ve öncelikle hasta yararı,
ardından olası özgün tedavi modalitelerinin belirlenmesini
sağlayabilir.
• Yenidoğanların %2 ila 3’ünde doğumsal malformasyonlar vardır ve
gelişimi kontrol eden yolaklarla ilişkili genlerdeki mutasyonlar ile
oluşur. Bu yolaklar hayvanlar aleminde evrimde korunmuş olup,
hayvan modelleri insan gelişimi ve doğumsal defektleri anlamamız için
çok kıymetli çalışma kaynakları oluştururlar.
4
Pax genlerinin evrimde korunduğu ve türler arasında farklı
fenotiplere neden olduğu gösterilmiştir.
PAX6 mutasyonları
aniridi
Pax6 mutasyonları
mikroftalmi
anten yokluğu
ektopik göz
5
İnsanda embriyogenezi anlamamızı sağlayan hayvan modelleri
Organizma
Üreme
zamanı
Avantajlar
Dezavantajlar
9 gün
Caenorhabditis elegans
9 gün
Meyve sineği
3 ay
Zebra balığı
6
İnsanda embriyogenezi anlamamızı sağlayan hayvan modelleri
Organizma
Üreme
zamanı
Avantajlar
Dezavantajlar
12 ay
Afrika pençeli kurbağası
5 ay
Tavuk
2 ay
Ev faresi
60 ay
Arap babunu
7
Transgenik fare
yabancı genler genoma integre edilirse
Knockout fare
endojen gen disrupsiyona uğratılırsa
8
Conditional KO, gen ekspresyonunun belli zamanda belli grup hücrede
disrupsiyona uğratılmasıdır.
ör: Fgf8 sadece ön ayaklarda AER’de eksprese olmaktadır [E10-10.5].
Fgf8+
Wild-type fare
Fgf8-
Conditional KO fare
9
Embriyonik gelişim
Aks
Özgünleşmesi
Kalıp
oluşumu
Organogenez
10
GELİŞİMİ SAĞLAYAN GENETİK MEDİYATÖRLER VE
MOLEKÜLER YAPILAR
•
•
•
•
•
•
Sinyal molekülleri ve reseptörleri
DNA transkripsiyon Faktörleri
Ekstrasellüler matriks proteinleri
Enzimler
Transport sistemleri
Proteinler
11
PARAKRİN SİNYAL MOLEKÜLLERİ
FGF ailesi, 22 farklı FGF ve reseptörlerini kapsar.
Hücre göcü, büyümesi, farklılaşması
Hedgehog ailesi …
WNT ailesi 19 farklı Wnt geni içerir.
Özellikle ekstremitelerde dorsal/ventral aks özgünleşmesi
Beyin, kas, gonad ve böbreklerin oluşumu
TGF-Beta ailesi oldukça geniş bir ailedir.
TGF-beta ailesi,
Kemik Morfojenik protein (BMP) ailesi,
Aktivin ailesi,
Vg1 ailesini kapsar.
12
FGFR3 - iskelet displazileri
FGF3 - LADD
FGFR’ler gelişmekte olan kemikte eksprese olurlar .
Birçok sık gözlenen otozomal dominant iskelet displazisi FGFR genleri ile oluşur.
13
Kraniyosinostozlar FGFR ile ilişkili diğer bir grup hastalıktır.
FGFR1, 2 ve 3 mutasyonları en az 6 farklı kraniyosinostoz ile ilişkilendirilmiştir.
FGFR1 Pfeifer sendromu
FGFR 2 Apert, Crouzon, Pfeifer, Baere-Stevenson, Jackson-Weiss sendromları
FGFR3 Crouzon ve Muenke sendromları
Apert sendromu en iyi bilineni
Aynı gen aynı mutasyon farklı fenotip
Modifiye edici faktörlerin rolü ?
14
Hedgehog ailesi
Hedgehog ailesinin ilk üyesi Drosophila
mutantında izole edilmiştir. SHH en iyi
bilinenidir. Aks belirlenmesinde, nöral
plak içinde motor nöronların
indüksiyonunda, ekstremite kalıbının
oluşmasında görev alır.
İlişkili hastalıklar çok çeşitlidir.
HPE sekansı
SLO sendromu
Gorlin bazal hücreli nevüs sendromu
Rubinstein-Taybi sendromu
Greig sefalopolisindaktili sendromu
.
..
15
SHH Sinyal Yolağı
Shhnin primer reseptörü
transmembran bir proteini
kodlayan patched ‘dır.
Patched Smo geni ile kodlanan
smoothened transmembran
proteininin fonksiyonunu
inhibe eder.
Shh patched reseptörüne
bağlanınca, smoothened
inhibisyonu kalkar ve
intrasellüler GLI ailesi
transkripsiyon faktörleri sinyal
kaskadı aktive olur.
16
Wingless (WNT) ailesi
Anormal Wnt sinyallerinin tümör gelişimi ile ilişkisi gösterilmiştir.
• WNT3
tetra-ameliye yol açar.
• WNT7A
ekstremite-pelvis hipo/aplazi sendromuna
• WNT1
resesif OI fenotipine (homozigot) / osteoporoza (heterozigot)
• WNT4
genitoüriner anomalilere
17
TGF-β ailesi (BMP alt grubu)
CDMP1 (kıkırdak kökenli morfogenik protein1)
GDF5-001
TGFb_propeptide –pfamooo688
TGFB – smartoo204
Brachydactyly, type A1, MIM 112500
Brachydactyly, type A2, MIM 112600
Brachydactyly, type C, MIM 113100
Acromesomelic dysplasia, Hunter-Thompson type, MIM 201250
Chondrodysplasia, Grebe type, MIM 200700
Du Pan Syndrome, MIM 228900
Osteoarthritis susceptibility, MIM 612400
Multiple synostoses syndrome 2, MIM 610017
Symphalangism, MIM 185800
18
Geniş bir brakidaktili tip C ailesi
I
II
2
*
III
CDMP1 geninde het.
c.803_827del10/ins10
2
*
IV
Uyguner ve
ark.,2013
(yayınlandı)
2
Etkilenmiş bireyler
Zorunlu taşıyıcılar ( aile ağacı ve kalıtım modeline göre)
L
R
L
R
19
DNA TRANSKRİPSİYON FAKTÖRLERİ
Bir genin ekspresyonunu düzenlemenin birçok yolu vardır.
 Gen transkribe olmayabilir.
 Transkripsiyon hızı değiştirilebilir.
 Transkribe olan mRNA proteine çevrilmeyebilir.
DNA bağlayan bölgeleriyle genleri
aktive eden veya susturan proteinleri
kodlayan genlere transkripsiyon
faktörleri (TF) denir. Genelde tek
hedefleri olmaz. Birçok genin
transkripsiyonunu regüle ederken,
diğer genleri de kaskad şeklinde
düzenlerler. Bu nedenle pleiotropik
etkileri vardır.
20
DNA TRANSKRİPSİYON FAKTÖRLERİ
Homeobox içeren genlerden (HOX, PAX, EMX, MSX vs.), High
Mobility Group (HMG) kutusu içerenler, SOX ve T-box
aileleridir. SOX proteinlerinin HMG bölgesi DNA’yı bükerek
transkripsiyonu aktive eder. Prototipik SOX geni SRY’dir.
– SOX9 hem genital bölgede eksprese olur, gonad farklılaşmasını ve
COL2A1 ekspresyonu üzerinden eş zamanlı kondrogenezisi etkiler. SOX9
mutasyonları sex reversal ile giden
kampomelik displaziden
sorumludur.
– SOX10 Hirschprung hastalığı ve sağırlık ile ilişkilidir.
21
EKSTRASELLÜLER MATRİKS PROTEİNLERİ
Makromolekül yapıda salgılanır ve doku ile
organlarda destekleyici görev üstlenirler.
–
–
–
–
Kolajenler
Fibrillinler
Proteoglikanlar
Büyük glikoproteinler (fibronektin, laminin ve
tenaskin)
Yakın grupları birbirinden ayırarak veya matriks oluşturup hücrelerin göçünü
sağlayarak gelişimde aktif medyatör rol oynarlar. Fibrillin1 ve elastin
mikrofibriller oluşturur.
İlişkili sendrom: Marfan sendromu
Laminin gurubundan LAMC2 mutasyonları Junktional Epidermolizis Bullozaya
neden olur.
22
KALIP OLUŞUMU
•
Farklılaşmış hücrelerin doku ve organları oluşturmak için 3 boyutlu düzenlenmesi sürecidir.
•
Bölgesel özgünleşme, belli bölgeye gidecek hücrelerin tanımlanması, sinyal merkezlerinin
oluşumu ve pozisyonel bilgi sağlanmasının ardından meydana gelir.
 Özgün yapıların özgün yerlerde oluşması nasıl sağlanmaktadır?
 Hücreler pozisyonları hakkında nasıl bilgi almaktadırlar?
Örneğin, gelişen omurgalıda üst ekstremite progenitörleri miyosit, kondrosit ve osteositleri
oluşturur. Bu hücreler fonksiyonel kas ve kemik oluşabilmesi için temporospasyal kalıpta
sıralanmalıdır. Ayrıca bir kemiğin ulna mı, humerus mu olacağı belirlenmelidir.
•
Kalıp oluşumu için hücrelerin sürekli haberleşmeleri gereklidir ve bu sinyal yolakları ile oluşur.
Aynı sinyal yolakları gelişimde birçok kez görev alabilir. Örneğin, Shh proteini nöral tüp, somitler,
ekstremiteler ve sağ/sol ayırımı ile ilişkilidir. Ayrıca nokta mutasyonları, orta hat anomalilerine
neden olur (HPE ve HPE mikroformları) .
23
Kalıp oluşumu
Gastrulasyon
Nörülasyon ve ektoderm
• 14-28 günler arasında oluşur. • Trilaminar embriyo oluştuktan
sonra, dorsal mezoderm ve
• Üç tabaka gelişir.
üzerinde yer alan ektoderm içi
• Primitif oluk major yapıdır.
boş nöral tüpü oluşturur.
• En önemli süreç; hücre göçü
• Kordin / Noggin sinyalleri
• Eksprese olan genlerin çoğu
ektodermden üç farklı hücre
hücre hareketini
populasyonu oluşmasını
kolaylaştıran proteinleri
başlatır.
kodlarlar.
 Nöral tüp ( beyin ve spinal kord)
 Epidermis
 Nöral krest hücreleri
24

Endodermdeki tomurcuklanma ve dallanma FGFler, BMPler ve reseptörleri ile
oluşur.
25
AKS OLUŞUMU





Bazı canlılar tamamen simetriktir (deniz laleleri).
Bazıları dorsoventral aksa sahiptir (yıldız balığı).
Bazılarının antero/posteriyor aksı vardır (solucan).
Tüm omurgalılarda 3. aks vardır (sağ/sol aks).
İnsanda 4 aks mevcuttur.
26
Aks özgünleşmesi
• VENTRAL/
• DORSAL
• Anteriyor/
posteriyor
• Proksimodistal
BMP4
NOG
HOX
Chordin
TBX
• Mediyal/
Lateral
• Radiyal/ Ulnar
NODAL
• Sag/sol
27
Organlar ve eklerinin oluşumu
• Gastrulasyondan sonra oluşur. Bu dönemde kullanılan
proteinler embryonik gelişimde kullanılanlar ile aynıdır.
• Sessiz kalan birçok gen bu dönemde aktifleşir.
• İnsan konjenital defektlerinden sorumlu olan birçok
gelişimsel genin bu aşamada önemli rolleri vardır.
• Erken gelişimsel dönemde etkin olan genlerin
mutasyonlarının ölümcül seyredeceği öngörülebilir.
28
medial
Radiyal
Ulnar-mammary sendromlu
Ulnar ışın defekti TBX3 ilişkili
lateral
Ulnar
Holt-Oram sendromu
Başparmak /radius aplazisi ( radyal ışın defekti) TBX5 ilişkili
29
Kraniyofasiyal Gelişim
“Yüz beynin aynasıdır’’
• Memelilerde orta ve ön beyin nöral krest hücreleri,
önceden belirlenmiş programlara göre, faringeal
arkuslara göç ederek, yüz ve kafa kemikleri ile boyunyüz kas ve bağ dokusunun oluşumuna katkıda
bulunur.
• Nöral krest hücrelerinin akibeti HOXlarla belirlenir.
Hox3a’nın fonksiyonel inaktivasyonu timus, tiroid ve
paratiroid anomalileri ile kalp ve damar malformasyonlarına
neden olur (del22q11 benzeri).
30