!"#$%&'&( #)*+,-)-.-( /( 012+,-)-.-( ( I6&"/,(,G12E*'E?(+$* "(-"/,(,G12E1:*?(+2A*+3".3( !"#$"%&"'()*+*$,-"."&"/012)* 3403"$5(26*77*

Transkript

1 !"#$%&'&( Notochord, faryngotremie, nervová trubice, endostyl, ocas, metamerie mesodermu Z!eho a jak tyto vlastnosti pochází, s k!m jsou sdíleny?!"#$"%&"'()*+*$,-"."&"/012)* 3403"$5(26*77* 89,1:(6*;',.,()*%-<;2-;<6=*#,#01:*'+<0+(-6*+* 2"$>0(+1,*%,*(,?>6-(@*;%-+';#5*'*3<A>@:;* "(-"/,(,%,B* C,%-+*$,?0*'+#5D2,$*+*."%3@&1,$*#,* 'E%&,.2,$*34,.1:"?5:"*,'"&;D(5:"*.@(5*+* #,:"*%3,10F2+*$":";*>E-*"(-"/,(,G12";*+* %<"'(H'+15*$,-".";*".:+&,(+* Doména ontogenetick!ch znak" - Dnes v#etn$ regula#ního pozadí (EVO-DEVO) #)*+,-)-.-( /( 012+,-)-.-( ( I6&"/,(,G12E*'E?(+$* "(-"/,(,G12E1:*?(+2A*+3".3( *Fylogenetick! v!znam ontogenetick!ch znak": ontogenetické transformace - jediná cesta k fenotypické fixaci apomorfie von Baer (1848), E.Haeckel (1865): fylogenetick! v!znam ontogenetick!ch znak", pravidlo rekapitulace (ontogenese - rekapitulace fylogenese), po#áte#ní stadia universální: blastula, gastrula, neurula, pharyngula fylotyp - fylotypické stadium (u strunatc" pharyngula)

2 P íklady fylotypick!ch stadií (srv.: larvy s rozvinut!m p estavbov!m modem): *planula diff. *trochofora diff *veliger *zárodek hmyzu * asná faryngula Fylotypické stadium obratlovc": faryngula Chorda, nerv.trubice, somity, ocas, hlava, %aberní &t$rbiny realita Pou#ení: v!ad" detail# jednotlivé predikce rekapitula$ního zákona neplatí, obecn" ontogenetické znaky v%ak z#stávají nejd#le&it"j%ím zdrojem informací o fylogenetick'ch vztazích, p!inejmen%ím v p!ípad" vysok'ch taxon# a $asn'ch stadií ontogenese Platí nap!.: znak, kter! se v ontogenesi objevuje d'íve je p"vodn$j&í (atd.) Nové impulsy (ca od 2000): EVO-DEVO: ontogenese/fylogenese = sled regula#ních krok" (exprese specifick!ch morfogen" / signálních faktor")

3 Ontogenese: superposice omezeného mno%ství základních v!vojov!ch modul" + regulace jejich prostorového a #asového uplatn$ní Klí#ov!m molekulárním mechanismem integrace mnohobun$#ného organismu je regulace prost'ednictvím kontextuáln$ specifick!ch transkrip#ních faktor" schopn!ch vazby na DNA prost'ednitvím homeodomény Hlavním z nich je soubor homeoboxov!ch gen" - Hox Homeotické geny, Homeobox! Lewis (1978): objev souboru gen! specificky kontrolujících expresi morfogenetick!ch gen! u Drosophila! Slack (1984): homologické geny i u my"i aj. - základní regula"ní jednotka genové exprese - homeobox (Hox)! Hox geny kontrolují morfogenesi metamern# uspo$ádan!ch struktur, absence "i specifická kombinace Hox gen! základní plán zásadn# pozm#%uje Homeobox (->Hox) 1984: soubor gen" obsahujících shodn! základ - identickou sekvenci 183 bp DNA kódující 61 AA protein homeodoménu (homeobox), tento protein (3' alfa-helix oblasti) je shodn! u v$ech Eukaryot (je odvozen z restrik#ního proteinu Prokaryota) Hox proteiny jsou základními transkrip#ními faktory Metazoa, základní slo%kou aparátu v!vojové regulace: zdrojem bun&#né posi#ní identity a p'edozadní osy individua JKL*/,(6*M*?H2&+.(5*<,/;&+D(5*%6%-)$*$"<N"/,(,%,*M* -<+(%2<03D(5*N+2-"<*$".;&;#515*1:+<+2-,<*/,("')*,O3<,%,* PM*0.,(G12)*;*Q,-+?"+* J"$,"."$)(+**RS*TT*UVWS*>+%5X*

4 Hox geny uspo'ádány v genomu v kompaktních shlucích, v rámci nich% jsou jednotlivé geny se'azeny p'esn& v po'adí v jakém se exprimují na p'edozadní ose individua, resp. v pr"b&hu ontogenese (kolinearita - základní vlastnost Hox gen") Figure 1 : Genomic Organization of the Hox Gene Cluster. A schematic of the Hox gene clusters (not to scale) in the genomes of D. melanogaster and M. musculus. Genes are colored to differentiate between Hox family members, and genes that are orthologous between clusters and species are labeled in the same color. Genes are shown in the order in which they are found on the chromosomes but, for clarity, some non-hox genes that are located within the clusters in the fly genome have been excluded. The positions of three non-hox homeodomain genes, zen, bcd and ftz, are shown in the fly Hox cluster (grey boxes). Gene abbreviations: lab, labial; pb, proboscipedia; zen, zerknullt; bcd, bicoid; Dfd, Deformed; Scr, Sex combs reduced; ftz, fushi tarazu; Antp, Antennapedia; Ubx, Ultrabithorax; abd-a, abdominal-a; Abd-B, Abdominal-B. Figure 4 : Schematic of overlaps in and differences between the somite-derived primaxial phenotypes and the lateral plate-derived, abaxial phenotypes of Hox paralogous mutants. The regions for both primaxial and abaxial defects are shown as color-coded bars adjacent to the segments affected in paralogous mutants. Note the differences in AP position as well as the overlap differences in the primaxial versus the abaxial phenotypes. Hox Complexes of Drosophila and Mammals The Hox complex has been duplicated twice in mammalian genomes and comprises 39 genes. Note that microrna genes, which inhibit translation of more anterior Hox mrnas, have been conserved between Drosophila and humans. Exprese mrna Hox C6 Posterior Repression of Hox-C6 mrna Translation in the Mouse Embryo Translation of Hox-C6 mrna is seen in eight thoracic segments of the day 13 mouse embryo but blocked in the tail region, probably through the action of micrornas. The inset shows that Hox- C6 mrna is expressed all the way to the tip of the tail (using a Hox-C6-lacZ gene fusion). Note that the anterior border of expression of the Hox-C6 protein starts in the posterior half of the T1 segment, indicating that the sclerotome has already resegmented Translace mrna Hox C6: *za#íná po resegmentaci sklerotomu C7, *za T9 blokována microrna J"$,"G12)*/,(6*U">%+:;#515* :"$,"."$)(;X* 8,.&,*!"#*4+.+*.+&951:*<".0(=*(+34YB*!"#$$$$U."<%"',(-<H&(5*3"&+<0%+1,*:&+'6=*$"?,2X* %&#$**3<,1:"<.H&(5*DH%-*$"?2;$!'#$$()*)"+,+*$-*$,.*/$0$1+231)*45$ 67#$$$U$,%".,<$*3+Z,<(0(/=*[+>Y*">&+%-=*2"(D,G(6$ 89:$$U3H<"')*+O0H&(5*\*"><+-&,*U!+OV=]=*^*!TL*R*\*"2"=* +-.Y** ;<.=3*>?$-<+(%2<03D(5*N+2-"<6*%3,10F126* <,/;&;#515*<A?(H*?H2";_*$"<N"/,(,%,* "><+-&"'D5:"*-@&+*U89:*R*"2"=*+3".YX*

5 J&+'+B*+>%,(1,*,O3<,%,*J"O=* `&O*\*`M8*3+Z,<(0(/=*K-O* Neuromeres serve as the developmental unit to produce specific neurons Otx -)( Hox Dlx code D A Hox code P Each neuromere represents a center of cell proliferation, early differentiation and migration. V Amphioxus has no neuromeres Murakami 2010 Hox- geny: základní rodina homeotick!ch gen" Drosophila - 2 skupiny Hox gen" (ANT-C, BX-C) Deuterostomia: v!razn& zv&t$en po#et gen" v posteriorní #ásti Obratlovci: 4 r"zné komplexy na 4 r"zn!ch chromosomech: HoxA...HoxD, 13 paralogov!ch skupin, celkem 38 gen" (n&které kombinace neexistují (HoxA8, HoxC1 atd.) : d"sledek opakované duplikace genomu diferenciace unikátních gen" v posteriorní oblasti (Hox11-13) Velmi specifická situace u Tunicata rozpad kolinearity, redukce atd. ao3<,%,*jkl*/,(a*'*#,.("-&0'e1:** -@&(51:*%,/$,(-,1:* J&+'+*\*>,?*,O3<,%,*JKL* Základní evolu$ní novinka CHORDATA Distální komplex Hox gen# & Postanální OCAS (v kombinaci s chordou a a metamerním svalstvem: základní a mimo!ádn" efektivní generátor pohybu) Základní evolu$ní novinka CHORDATA Distální komplex Hox gen# & Postanální OCAS Craniata: opakovaná duplikace a diferenciace Hox gen" zjemn$ní homeotické regulace

6 Vysok! po#et Hox gen" (a dal&ích regula#ních gen") u Craniata (zásadní apomorfie skupiny!) je d"sledkem dvou nezávisl!ch duplikací celého genomu T'etí duplikace charakterisuje genom Teleostei Nezávislá evoluce v rámci r"zn!ch paralogov!ch gen" byla patrn$ velmi d"le%it!m faktorem genotypické a regula#ní versatility Craniata Obecn! model genomové duplikace: A: hypotetick! po#áte#ní stav (22 gen") B: duplikace produkuje kompletní set paralogick!ch gen", ve stejném po'adí C: více gen" je mutováno, stává se pseudogeny a posléze mizí D: dal$í genomová duplikace produkuje paralogickou tetrátu strukturn& odpovídající stavu p'i druhé duplikaci E: dtto C, v#etn& zna#n& odli$n!ch modifikací p"vodních paralog" Podíl a procentuální podíl gen" s tetraparalogním v!skytem na jednotliv!ch chromosomech #lov&ka: Fylogenetick! strom dle kompletních genom" Robustní doklad dvou duplikací genomu Paramvir Dehal and Jeffrey L Boore : Two Rounds of Whole Genome Duplication in the Ancestral Vertebrate PLoS Biol October; 3(10): e314. Kompletní duplikace genomu v evoluci obratlovc" 1R -?p#ed Craniata, 2R - Craniata 3R - Teleostei Restrukturace genomu v d"sledku tandemov!ch duplikací a nezávislé divergence paralogick!ch gen" - Klí#ov! faktor evolu#ního potenciálu Craniata 2004 by National Academy of Sciences Vandepoele K et al. PNAS 2004;101:

7 Velikost genomu u r"zn!ch skupin (srv.: max. u Dipnoi a Caudata, min. Teleostei) Ontogenese: superposice omezeného mno%ství základních v!vojov!ch modul" + regulace jejich prostorového a #asového uplatn$ní Number of base pairs = mass in pg x x 109 1pg = 978 Mb (For derivation of this formula, see Dolezel et al., Cytometry 51A: , 2003). Chordata: Iniciální stadia ontogenese vymezují mo%nosti dal&ího postupu ur#ující evolu#ní divergence nacházíme práv$ zde Mnohobun&#ní - Metazoa Bilateralia (Coelomata): trávicí trubice s ústním a 'itním otvorem, stomodeum, centralisovan! nervov! systém, coelom - mesoderm (Triblastica) a z n&j odvozené struktury: svaly, cévy, vylu#ovací orgány, oporná soustava Deuterostomia: t.j. Echinodermata, Hemichordata (Enteropneusta, Pterobranchia), Chordata * C:"<.+-+*#%";* *Q,-+?"+=*b0&+-,<+&0+=* `,;-,<"%-"$0+* c6(+3"$"<f,*b0&+-,<+&0+*d* e<0>&+%g12)*"</+(0%+1,*-@&+b*,2-".,<$=*,(.".,<$=*$,%".,<$*p*1",&"$* b0&+-,<h&(5*%";$@<("%-*+*.'@*?h2&+.(5* "</+(0%+D(5*"%6B*+(-,<"M3"%-,<0"<(5=*."<%"M ',(-<H&(5** f,.("-()*"(-"/,(,g12)*$,1:+(0%$6=*2-,<)* -6-"*'&+%-("%G*3<".;2;#5B*U0X*/+%-<;&+1,=**U00X* <,/;&+D(5*3<"-,0(6*%3,10F126*"'&0'g;#515* >;(@D(E*162&;%*+*1:"'H(5*345%&;9(E1:* >;(@D(E1:*3"3;&+15*

8 Gastrulace I AMPHIOXUS CEPHALOCHORDATA Branchiostoma: Mikroletitální vejce,!loutek nerovnom"rn" t"!#í, sedimentuje R$hování holoblastické GASTRULACE II u v#ech Deuterostomi gastrula%ní bod = vegetativní pól Invaginace Involuce epibolie. Fate mapping blastuly a presumptivní regionalisace vají!ka: Animáln í pól Vegetativní pól... ale alecitální vají ko kopinatce - ekvální r!hování, gastrulace invaginací vs. oligolecitální vají ko Amphibia: Craniata - gastrulace epibolií pr b h gastrulace apod. závisí spí!e na mno ství loutku, není základní charakteristikou Specifika gastrulace Chordata: Enterocoelie: diferenciace chordy a somit" Neurulace `,',&"3$,(-+&*%0/(+&0(/*3+-:h+6%*0(*b0&+-,<+&0+* Axis 1: Wnts in the blastopore (A-P) 4)*( +(-,<0"<M3"%-,<0"<*3+Z,<(0(/=*&0$>*3+Z,<(0(/* '5067-*/(8!9/):/*/;(<=>.?(."<%+&M',(-<+&*3+Z,<(0(/=*,+<*.,',&"3$,(-* "-@,-A+,(8!9/):/*/;(BAA?( Q0.&0(,*%3,10F1+G"(=*>;Z,<i6*%3"-%=*&0$>*3+Z,<(0(/* $'C(8!9/):/*/;(050.?( j,;<+&*,1-".,<$*%3,10f1+g"(=*,+<*.,',&"3$,(-* D+*EA6%-2*/( Q;%1&,*%,/$,(-+G"(=*1,&&*%3,10F1+G"(*0(*"$$+G.0+* * Q".0F2+1,*-@1:-"*$"<N"/,(A=*#,#01:*,O3<,%,*+*,N,2-A*'D,-(@* %-+>0&0%+1,*2"$3&,O(51:*,O3<0$+D(51:*'?"<A*Uk<,/;&+D(51:* $".;&AlX*#,*?H%+.(5*a8KM`a8K*1:+<+2-,<0%G2";* #,.("-&0'E1:*'E'"#"'E1:*&0(05* Bilateralia: 5 rodin regula#ních protein" (aktivisace, inhibice bun$#ného r"stu) Cnidaria Nematostella WntA Kusserow et al Deuterostomes Amphioxus Wnt1 Holland et al. 2000

9 Axis 2: Tgf-beta (dpp/bmp4): D-V Protostomes: insect Deuterostomes: frog St.Johnston and Gelbart 1987 Schmidt et al Cnidaria: coral Hayward et al A-P and D-V Integration in the Embryonic Morphogenetic Field Shown is a model of the embryonic morphogenetic field in which a Cartesian System of A-P (Wnt) and D-V (BMP) gradients are integrated at the level of phosphorylation of the transcription factors Smads 1, 5, and 8. Note that in this selfregulating model the BMP gradient provides the intensity, but the Wnt gradient controls the duration of the Smad 1, 5, 8, signal. Direct protein-protein interactions are shown in black, and transcriptional activity of Smads 1, 5, and 8 are in blue. Chordata: Mesoderm is shown in red, endoderm in yellow and ectoderm in blue (neural) and grey (epidermis). An ancestral secreted Bmp axis was involved in dorsoventral patterning of the three germ layers in the bilaterian ancestor. This ancestor we propose was characterized by a diffuse organization of its nervous system, shown by blue dots. A Bmp gradient was involved in dorsoventral patterning of all three germ layers. In the basal deuterostome and hemichordates the role of the Bmp gradient is conserved in general dorsoventral patterning. During chordate (and protostome) evolution, the existing Bmp/Chordin axis was co-opted for an additional developmental role in nervous system centralization. The Conserved Chordin-BMP Signaling Network Although the Chordin-BMP signaling network is conserved, there has been a D-V axis inversion from Drosophila to Xenopus. (A) In Xenopus, Chordin is expressed on the dorsal side and BMP4 at the opposite ventral pole (image courtesy of Hojoon X. Lee). (B) In Drosophila, Dpp is dorsal (blue) and Sog is ventral (in brown) in the ectoderm E.M. De Robertis 2008: Evo-Devo: Variations on Ancestral Themes. Cell January 25; 132(2): Lowe CJ, Terasaki M, Wu M, Freeman RM Jr, Runft L, et al. (2006) Dorsoventral Patterning in Hemichordates: Insights into Early Chordate Evolution. PLoS Biol 4(9): e291. doi: /journal.pbio Diagram showing the two great branches of the Bilateria. mh2&+.(5*.0',</,(1,*b0&+-,<+&0+b* * *!<"-"%-"$0+=*`,;-,<"%-"$0+* De Robertis E M PNAS 2008;105: by National Academy of Sciences

10 Evolutionary Relationships among Animals (A) Urbilateria is the archetypal animal that was the last common ancestor shared by protostomes and deuterostomes. The Urbilateria in this image is depicted as a segmented bottom-dwelling (benthic) animal with eyes, central nervous system, a small appendage, and an open slitlike blastopore. Endoderm is shown in red, central nervous system in dark blue, and surface ectoderm in light blue. (B) The new animal phylogeny, showing that cnidarians are basal to bilateria and that protostomes are divided into two branches, the molting Ecdysozoans and the nonmolting Lophotrochozoans. E.M. De Robertis 2008: Evo-Devo: Variations on Ancestral Themes. Cell January 25; 132(2): Protostomia blastoporus: ad. ústa p'íp. ústa i 'i( Deuterostomia blastoporus: jen 'i(, ústa (u strunatc" i 'i() vzniká pozd&ji a jinde

11 Protostomia blastoporus: ústa i 'i( spirální r!hování embryonální v!voj deterministick! coelom schizocoelií Deuterostomia blastoporus: jen 'i(, ústa (u strunatc" i 'i() vzniká pozd&ji a jinde radiální (pravo-levé) r!hování embryonální v!voj regula#ní coelom enterocoelií Deuterostomia: apomorfie Deuterostomie Enterocoelie Faryngotremie: perforace hltanu %aberními $t&rbinami (Enteropneusta, Chordata)? Archimetamerie (coelom rozd&len!: proto-, meso- metacoel) 8E'"#"')*+%3,2-6*.,;-,<"%-"$0,B* K.&"[,(5*-'"<>6*n%-*k(+*3"?.@#0l*"$,?;#,*$"[("%G* -<"F12)*+2G'0-6*?H<".2;=*'6[+.;#,*?'E9,(";* 0(',%G10*."*,(,</,G12)*'E>+'6*'+#5D2+* K-,'5<+*'+<0+(-(5*3<"%-"<*+&-,<(+G'(5*3"%01,*+* n3<+'6*n%-(5:"*"-'"<;* o*-'"<>@*n%-(5:"*"-'"<;*#%";*2*.0%3"%010*3"d,-()* >;(@D()*3"3;&+1,=**3"-,(10H&(@*%3,10F126*.0%3"("'+()*2*,N,2G'(5$;*4,9,(5*n2"&;** 8&+%-(5*N"<$+1,*n%-(5*.;G(6*3<"1,B*0(-,<+21,*,2-".,<$;*+*,(.".,<$;*%*'+<0+(-(5*<,/;&+15*

12 c3,10f12h*<,/;&+d(5*%0/(+&0%+1,*,(.".,<$h&(5* N+<6(/"-<,$0,*#,*%:".(H*;*J,$01:"<.+-+*+* C:"<.+-+*** Up*C<+(0+-+*340%-;3;#,*+2G'(5*0(-,<',(1,* (,;<",2-".,<$;*UjC=*!&+2".6X* The pharyngeal pouches are outpocketings of theendoderm at precise sites along the anterioposterior axis. (A) Lateral view (overlying ectoderm not shown) with fourpouches that delineate each of the pharyngeal arches. (B) Horizontal view showing the arrangement of the pharyngeal arches (I to VI) and pouches (1pp to 4pp) aroundthe internal pharyngeal cavity. (C) Transverse section at the level of the pharyngeal pouch showing the elongation ofthe pharyngeal pouch endoderm along the dorsoventral axis. Abbreviations: red = endoderm; green = ectoderm; yellow = mesenchyme; pp pharyngeal pouch; I, II, III, IV, VI (1st to 6th pharyngeal arches; OV otic vesicle. Anterior to the left. Graham et al. J. Anat. (2005) 207, pp Regionalization of the pharyngeal pouches. (A,B) Bmp-7 is expressed in the rostral half of each pharyngeal pouch. (C,D) Fgf-8 is expressed in the caudal half of each pharyngeal pouch. (E,F) Pax-1 is expressed in the dorsal region of the pouches. (G,H) Shh is expressed at high levels in the endoderm of the second pouch. (A,C,E,G) Side views of the pharyngeal region; (B,D,F,H) longitudinal sections through the arches. Abbreviations: HH Hamburger and Hamilton ( Hamburger & Hamilton, 1951), pp pharyngeal pouch, aa aortic arch, OV otic vesicle, II 2nd arch, III third arch, IV fourth arch, en endoderm, ec ectoderm. Scale bars = 200 )m. Graham et al. J. Anat. (2005) 207, pp Deuterostomia: Exprese Pax 1/9 DEUTEROSTOMIA Echinodermata Ostnoko ci 5-díln! coelom (p ední protocoel /singleton/ + 2 páry: mesocoel a metacoel) Sítov! endoskelet (kalcit), ambulaklární systém - vodní cévy (z levého mesocoelu) 5 rec. T íd + 15 vym el!ch Me nikov (ca 1905): vodní cévy = aberní "t rbiny Jefferies: Mitrata (=Carpida=Stylophora): Calcichordata, dermální kalcitové desky, vnit ní aberní "t rbiny u ostatních Echinodermata drutotní ztráta aberních st n Rychel A L et al. Mol Biol Evol 2006;23:

13 DEUTEROSTOMIA Hemichordata Polostrunatci Trimerick! 5-díln! coelom: protocoel + párov! meso- a metacoel Stomochord v!b ek trávicí trubice! aberní st rbiny - metacoel Dv nápadn odli"né skupiny: Pterobranchia (k ídlo ab í): p isedlí, drobní, v rourkách, lofofor (mesocoel) Enteropneusta ( aludovci) dlouzí, ervovití, protocoel - proboscis, mesocoel límec, metacoel serie ab."t rbin DEUTEROSTOMIA Hemichordata: aludovci Enteropneusta aludovci a K ídlo áb í Dvoj áb íci Mnoho áb íci Pterobranchia: Rhabdopleura Enteropneusta: Saccoglossus 18S RNA: Pterobranchia - vnit ní skupina Enteropneusta

14 Bmp Levels Control Dorsoventral Domains of Gene Expression in S. kowalevskii The ventral side, assigned because of the mouth location, is down in this schematic figure. Anterior is to the left. Note the three parts of the body: the prosome (proboscis) at the anterior end, the narrow mesosome (collar) in the middle, and the elongated metasome to the posterior (only half the length is shown). Ectodermal derivatives are colored blue, mesodermal red, and endodermal yellow. Prominent structures of the dorsoventral axis include the dorsal and ventral axon tracts, the dorsal and ventral blood vessels, the dorsal stomochord with the heart/kidney complex, the dorsal gill slits, the ventral mouth, and the ventral tail (only in the juvenile, not shown). Evo-Devo Saccoglossus (Enteropneusta) - embryonální exprese morfogen engrailed (u obratlovc marker rozhraní rhomben-/ mesencephalon) a bar H (base prosencephalonu) Metamorfosa tornarie proboscis polostrunatc" hlava obratlovc"? Hox geny larva Enteropneusta je%ovka Molekulární data (v#. RGM mt DNA): Sesterskou skupinou Chordata jsou Ambulacralia (=Echinodermata+Hemichordata) RGM = Rare genomic mutations

15 Ml ojedi Xenoturbellaria Xenoturbella - záhadn! erv napadající m kk!"e - etná zjednodu"ení, ale : Xenoturbella acoelomátní plo&t$nka: DEUTEROSTOMIA Acoela basální skupina Deuterostomia E. Westblad (1949). "Xenoturbella bocki n.g., n.sp., a peculiar, primitive turbellarian type". Arkiv för Zoologi 1: S. J. Bourlat, C. Nielsen, A. E. Lockyer, D. Timothy, J. Littlewood, M. J. Telford (2003). "Xenoturbella is a deuterostome that eats molluscs". Nature 424 (6951): doi: /nature PMID [2] S. J. Bourlat, T. Juliusdottir, C. J. Lowe, R. Freeman, J. Aronowicz, M. Kirschner, E. S. Lander, M. Thorndyke, H. Nakano, A. B. Kohn, A. Heyland, L. L. Moroz, R. R. Copley, M. J. Telford (2006). "Deuterostome phylogeny reveals monophyletic chordates and the new phylum Xenoturbellida". Nature 444 (7115): Philippe, H.; Brinkmann, H.; Copley, R. R.; Moroz, L. L.; Nakano, H.; Poustka, A. J.; Wallberg, A.; Peterson, K. J. et al. (2011). "Acoelomorph flatworms are deuterostomes related to Xenoturbella". Nature 470 (7333): Fritsch et al Ambulacralia vs. Chordata: Prismatem #asné embryogenese

16 Echinodermata obratlovci (Vertebrata) Hemichordata + kopinatec + plá#t"nci AMBULACRALIA CHORDATA Animal-vegetal osa vají#ka trimerní = A-P osa embrya (proto-, meso- a metacoel) Coelom Animal-vegetal osa vají#ka = D-V osa embrya, metamerní A-P osa nap'í# v ose vstupu mno"ství spermie odd#len$ch coleomov$ch vá!k% somit% Gastrulace invaginací epibolií Ne!loutek Ano ANO Jednoduchá planktonní larva NE AMBULACRALIA CHORDATA Echinodermata obratlovci (Vertebrata) Hemichordata + kopinatec + plá#t"nci Coelom trimerní (archimerní) metamerní (proto-, meso- a metacoel) mno"ství odd#len$ch coleomov$ch vá!k% somit% Gastrulace invaginací epibolií prvoústa neurenterick! kanál Ne ANO!loutek Ano Jednoduchá planktonní larva NE Chordata mesoderm se zakládá ve form" vzájemn" odd"lenn$ch vá%k& somit&, postupn" enteroceln" od#t"povan$ch sm"rem dozadu (posteriorn") & postupné prodlu"ování zárodku (ocas) AMBULACRALIA Echinodermata obratlovci (Vertebrata) Hemichordata + kopinatec + plá#t"nci Coelom trimerní (archimerní) metamerní (proto-, meso- a metacoel) mno"ství odd#len$ch coleomov$ch vá!k% somit% Gastrulace invaginací epibolií Ne!loutek CHORDATA Ano Metamerní segmentace - v!chozí rozvrh morfogenese strunatc" Obecn$ organisa!ní princip obdobn# rozvinut$ rovn#" u Annelida a Arthropoda? Plesiomorfní typ diferenciace Metazoa? ANO Jednoduchá planktonní larva NE

17 Couso 2009 $%&'(%)*+',%(\*+&-,<(+G'(5*4,9,(5* ">,1():"*3<">&)$;*<A%-;*8H%(I.(J%?( U$,%,(1:6$*,-1YX** r0$0-6*<a%-;* 2D << 3D (p'es 200 bun#!n$ch typ%)... ale jen 3 typy r%stu 3D (prostorov$): - r%stová rychlost = n 3 mesenchym blastema 2D (plo(n$) - r%stová rychlost = n 2 epitely (srv ektoderm, entoderm) 1D dlou"iv$ r%st (neurony) vaskulární (krevní bu)ky aj.) Nezbytn nutné : regulovat interakce 2D vs. 3D tkání $%&'(%)*+',%(\*+&-,<(+G'(5*4,9,(5* ">,1():"*3<">&)$;*<A%-;*8H%(I.(J%?( a30-,&0h&(5*$"<n"/,(,%,*'%y*q`*-2h(@* U$,%,(1:6$*,-1YX** r0$0-6*<a%-;* sa?(h*4,9,(5*u1",&"$=*d&,(@(5*1",&"$;=* "$,?,(5*<A%-;=*.,-,<$0(0%G12H*<,/;&+1,=*,30-,&0%+1,*$,%".,<$;=*$".;&+1,*>;(@D():"* 162&;*3A%">,(5$*<A%-"'E1:*N+2-"<A*\* %0/(H&(51:*3<"-,0(A*+-.YX*\*#,.(";*?,*?H2&+.(51:*'+<0+(-*B*@.&)@.1A7)=.*-@&(5*%-+'>6*

18 Metamerisace alternativní 'e(ení obecného problému r%stu (2D vs 3D) Epiteliální morfogenese vs. 3D tkán# (mesenchym etc.) Limity r%stu R%zná 'e(ení (coelom,!len#ní coelomu, omezení r%stu, deterministická regulace, epitelisace mesodermu, modulace bun#!ného cyklu p%sobením r%stov$ch faktor% signálních protein% atd.) jednou ze základních variant : metamerisace mesodermálních struktur : p'edpokladem integrace do celkové stavby organismu je v(ak specifick$ typ celkovostní regulace! základním 'e(ením je regulace prost"ednictvím Hox Somitogenese: V paraxiální oblasti resp. v ocasním pupenu Kuratani, ) Vznik somit" - Morfologická segmentace PSM 2) patterning: modifikace exprima#ního profilu mesodermálních bun&k v d"sledku p"sobení regula#ních protein": segmenta#ní vzor je p'ipraven na molekulární úrovni, morfologicky PSM (presomitick! mesoderm) 1) r"stová fáze (r"st mesodermální populace aktivovan! rtem blastoporu

19 Somitogenese: V paraxiální oblasti resp. v ocasním pupenu (3) Specifikace morfogenese jednotliv!ch segmet" Hox signalisace (2-3) Vymezení aktivity realisujících morfogenesi segment": Engrailed, wingless, Shh - (2) Periodická exprese Notch, delta, hairy (HAS) homologní u protostomií Craniata: interakce notch / wnt segmenta#ní hodiny U Craniata navíc: zesílená exprese fgf8 aktivisace bun&#ného cyklu zesílení polarisace parasegment" - segmenta#ní vlny Chordata: Shodné iniciální kroky embryonálního v!voje CHORDATA EKTODERM MESODERM ENTODERM epidermis chorda st!evo nervová trubice somity hltan,endostyl, svaly, (kostra), %kára &aberní oblast urogenitální systém d'chací s.. Cévní systém epitely ugs Pojivové tkán" &lázy Chorda Somity Neurální trubice Primordiální gonocyty gastrula CRANIATA Cephalochordata Craniata: specifická diferenciace mesodermu, regionalisace struktury somit" apomorfie: sklerotom Mesodermal subdivision in amphioxus (A and B) compared with a schematic vertebrate (C). A and B show progressive stages in the development of amphioxus mesoderm. A ventrolateral zone of amphioxus mesoderm (red) grows down to surround the gut. Homology of this zone to the lateral plate mesoderm of vertebrates (red in C) is supported by site of origin and fate. Medial amphioxus somite cells form myotome (yellow) whereas dorsolateral cells (orange) eventually move to surround the notochord. On the basis of position of origin, these may be homologous to the myotome and dermatome of vertebrates (yellow and orange, respectively, in C), although these cells do not contribute to a dermis in amphioxus. The vertebrate sclerotome (gray in C) has no equivalent in amphioxus and is a novelty linked with the evolution of the axial skeleton. EKTODERM MESODERM ENTODERM epidermis chorda st!evo nervová trubice somity hltan,endostyl, neurální li&ta svaly, (kostra), %kára &aberní oblast zuby,krycí kost urogenitální systém d'chací s. PNS, smyslové o. Cévní systém epitely ugs endotel cév etc. Pojivové tkán" &lázy Autapomorfie Craniata gastrula Primordiální gonocyty

20 Neurální li&ta: embryonální orgán produkující populace pluripotentních kmenov!ch bun$k pronikající (zejm. na rozhraní ektoderm/ mesoderm) do r"zn!ch míst t$le, kde se specificky m$ní a zásadn$ ovliv*ující morfogenesi a integraci obratlov#ího t$la Neural crest : neurální li#ta m.j. endotel cév, kožní receptory, melanocyty, odontoblasty, osteoblasty, chondroblasty etc. - vět!ina specialisovan"ch buňecn"ch fenotypů Craniata - z neurální li!ty Orig. by Robert $ern! Neurální li#ta: základní apomorfie Craniata P íklady bun n!ch typ vznikajících z neurální li"ty Mí!ní ganglia ganglia sympatického a parasympatického systému Sekre ní bu ky endokrinních "laz Schwannovy bu ky, endotel cév Chondrocyty a blastemy branchiální oblasti a viscerokrania Pigmentové bu ky Odontoblasty, osteoblasty Vasoreceptory Neuromasty, pouzdra smyslov#ch orgán a ásti neurokrania Neurální li!ta Klí ová apomorfie Craniata?

21 Neurální li&ta, bezprost'edn$ odstupující od uzavírající se nervové trubice, je orgán charakterisovan! rozpadem tká*ové kohesivity, emancipací, volnou pohyblivostí, pluripotentností a organisa#ní autonomií jednotliv!ch bun$k, místn$ se seskupujících do kondesát" blastém" p'í&tích orgán" (chrupavek apod.), do ganglií periferní NS apod. Difusn$ p"sobí v celém t$le (zejm. na rozhraní epitel"), v histologickém obrazu se jeví jako neintegrovaná agregace generalisovan!ch bun$k ( primordiální pojivová tká* ) - mesenchym Jinou klí#ovou inovací morfogenese Craniata jsou plakody: lokáln$ specifická organisa#ní centra smyslov!ch orgán". Primárn$ jde o ektodermální struktury mimo NS. Ektodermální plakody základ komplexních smyslov!ch orgán" ektodermální invaginace (iniciace mesenchymem n.li&ty?) + neurální papila (neuro)plakody: Epibranchální, dorsolaterální otické, optické, olfaktorická Evolutionary novelties of the vertebrate head derive from neural crest and placodes Evolutionary novelties of the vertebrate head derive from neural crest and placodes (from Gammill and Bronner-Fraser, 2003) G.Schlosser 2010 Neural crest and placodes develop similarly in several respects (migratory cells, neuronal differentiation) Neural crest and placodes originate from neural plate border G.Schlosser 2010 G.Schlosser 2010

22 Neural crest and placodes originate from neural plate border Neural crest and placodes originate from neural plate border Ambystoma Different placodes originate from common precursor region at neural plate border: fate maps expression of Six1 and Eya1 G.Schlosser 2010 Do neural crest and placodes have a common evolutionary origin from specialized neural plate border cells or did they evolve independently of each other? Frontier of Innovation Evolutionary origin of vertebrate neural crest and placodes at the neural plate border 1. Neural crest, placodes, and the New Head of vertebrates 2. Comparison of neural crest and placode development and induction in Xenopus 3. Evolutionary origin of neural crest and placodes Differences between neural crest and placode development 1. Distribution: In contrast to neural crest, placodes are restricted to the head and comprise a heterogeneous assembly of structures G.Schlosser 2010

23 Differences between neural crest and placode development Differences between neural crest and placode development 2. Morphogenesis: All neural crest cells but not all placodal cells are migratory 3. Fate: Neural crest and placodal cells have widely divergent developmental potential 4. Gene expression: Neural crest and placodes express different sets of transcription factors, including TFs that control early specification and migration G.Schlosser 2010 G.Schlosser 2010 Základní v!vojové inovace Craniata: neurální li&ta a plakody vznikají v t$sném sousedství na p'edním okraji expandujícího neuroektodermu vykazují v&ak zna#né odli&nosti (v#etn$ exprima#ního profilu a zú#astn$n!ch transkrip#ních faktor") je velmi pravd$podobné, %e vznikly jako separátní, vzájemn$ nezávislé organisa#ní moduly, Anteriorní okraj neuroporu resp. neurální ploténky: Iniciace neurální li&ty, panplakodálního pole, v#etn$ stomodeálního primordia Soukup et al. in prep. Anteriorní okraj neuroporu resp. panplakodárního pole je universální zdrojem ektodermální #ásti stomodea Zp"sob, lokalisace a postup jeho formování se v&ak u jednotliv!ch skupin velmi li&í

24 Modul plakodální dynamiky (v#etn$ regula#ního pozadí) se stala tak'ka universální sou#ástí inicia#ních stádií morfogenese nejr"zn$j&ích struktur Notochord, faryngotremie, nervová trubice, endostyl, ocas, metamerie mesodermu!$&dk&'&( * Neurální li&ta * Plakody a z nich odvozené struktury (smyslové orgány apod.) * Mozek s rhombomerickou segmentací * Chrupavka s potenciálem mineralisace * odonotodová kaskáda a zuby * Axiální skelet a hlavov! skelet * Zv$t&ení po#tu gen" v genomu Základní apomorfie Craniata *Neurální li&ta *Plakody a z nich odvozené struktury (smyslové orgány apod.) *Mozek s rhombomerickou segmentací *Chrupavka s potenciálem mineralisace *odonotodová kaskáda a zuby *Axiální skelet a hlavov! skelet *Zv$t&ení po#tu gen" v genomu u jin!ch strunatc"? Chordata