Die Entwicklung der primären Geweben Prof. Dr. Ágoston Szél Die Entwicklung der primären Geweben Semmelweis Universität Institut für Humanmorphologie und Entwicklungsbiologie 2004

Dreikeimblättriges Embryo extraembryonales Mesoderm Somatopleura Amnionhöhle Ektoderm Chorda dorsalis intraembryonales Mesoderm Dottersack Entoderm Splanchnopleura

Die Aufteilung des intraembryonalen Mesoderms Chorda dorsalis extraembryonales Mesoderm paraxiales Mesoderm Amnionhöhle intermediäres Mesoderm Somatopleura intraembryonales Zölom Seitenplatten-Mesoderm definitiver Dottersack Splanchnopleura

Differenzierung des Mesoderms Neuralrohr Oberflächenektoderm Paraxiales Mesoderm Somatopleura Intermediäres Mesoderm Chorda dorsalis Aorta Entoderm Splanchnopleura Intra-embryonales Zölom

Frühdifferenzierung der Somiten Intra-embryonales Zölom Notochord Neuralrohr Oberflächenektoderm Somite Dermatom Myotom Somitozöl Sclerotom Gonad Somatopleura Intra-embryonales Zölom Splanchno-pleura Wolff-Gang Entoderm Aorta

Die Aufgliederung der Somiten Dermis (Bindegewebe der Haut), Unterhautsbindegewebe Dermatom Myotom Muskelgewebe Sclerotom Wirbelsäule

Differenzierung der Seitenplatten Intra-embryonales Zölom Notochord Neuralrohr Oberflächenektoderm Somite Dermatom Somitozöl Myotom Sclerotom Gonad Somatopleura Körperwand Intra-embryonales Zölom Eingeweidewand Splanchno-pleura Entoderm

Differenzierung der der intermedären Mesoderms Notochord Neuralrohr Oberflächenektoderm Somite Dermatom Somitozöl Myotom Sclerotom Gonad Geschlechts- organe Wolff-Gang Geschlechtskanal

Differentiation der Keimblätter Intermediäres Mesoderm Oberflächenektoderm Neuralrohr Paraxiales Mesoderm Somatopleura Splanchnopleura Intermediäres Mesoderm Aorta Entoderm Notochord

Keimblatt - Grundgewebetyp Muskelgewebe Bindegewebe Nervengewebe Epithelgewebe 8 Ektoderm Entoderm Mesoderm 5 7 3 1 4 9 6 2

Hieronymus Bosch: Der Garten der Lüste

Epithelium des Darmkanals, der Atemwegen und Drüsen (Leber, Pancreas) Embryonales Epiblast Embryonales Entoderm Embryonales Ektoderm Urkeimzellen Embryonales Mesoderm Epithelium des Darmkanals, der Atemwegen und Drüsen (Leber, Pancreas) Oberflächen- Ektoderm Epithelium der Mundhöhle inneres Ohr Epithelium der Haut u. Anhangs-organen (Brustdrüse, Haar, Nagel) Hornhaut, Augenlinse Epithelium des Anus Ziliarmuskeln Neuralleiste Neuralrohr Kraniale Neuralleiste Rumpf- Neural-leiste Gehirn, Rücken-mark, Retina motorische Nerven Sensorische Nerven, Schwannsche Zellen, Pigmentzellen, vegetative Ganglionen Kopfmesoderm Bindegewebe des Schlunddarms Seitenplatte Paraxiales Mesoderm Sclerotom Dermatom Intermediäres Mesoderm Kopfmuskeln Somitomer Myotom Gameten Rumpfskelett Binde-gewebe der Haut Extremität (Skelett) Harn- und Geschlechts-organen (Epithelium, Bindegewebe, Muskeln) Seröse Haut parietales Blatt Wand (Muskeln u. Bindegewebe) des Darmkanals u. der Atemwegen Blut, Gefäße, Herz Somatisches Mesoderm Splanchnisches Mesoderm Extremität (Muskeln) Rumpf-muskulatur

Keimblatt - Grundgewebetyp Muskelgewebe 8 Ektoderm 7 5 Bindegewebe 3 Mesoderm 4 Nervengewebe 9 Entoderm 1 6 2 Epithelgewebe

Oberflächen- Ektoderm 1. Epithel der Haut Embryonales Epiblast Embryonales Ektoderm Oberflächen- Ektoderm inneres Ohr Hornhaut, Augenlinse Sinnesorganen Epithelium der Mundhöhle Epithelium des Anus Epithel der Mundschleimhaut, Zahnschmelz, Hornhaut Epithel des Anus Hautepithel, Anhangsgebilde: Brustdrüse, Haare, Nagel, Talgdrüsen, Schweißdrüsen, Epithelium der Haut u. Anhangs-organen (Brustdrüse, Haar, Nagel) epithelio-epithelial

Keimblatt - Grundgewebetyp Muskelgewebe 8 Ektoderm 7 5 Bindegewebe 3 Mesoderm 4 Nervengewebe 9 Entoderm 1 6 2 Epithelgewebe

Speiseröhre, Magen, Därme; Atemwegepithel (Luftröhre, Embryonales Epiblast Embryonales Entoderm Epithelium des Darmkanals, der Atewegen und Drüsen (Leber, Pancreas) Speiseröhre, Magen, Därme; Atemwegepithel (Luftröhre, Bronchus- Alveolusepithel), 2. Epithel des Magen-Darmkanals Drüsen des Darmkanals, Leber, Pankreas, Gallenblase, Epithel der Harnblase Epithel der Schlundtaschen, Tonsillen, Thymusepithel, Schilddrüse, Nebenschilddrüse) epithelio-epithelial

Keimblatt - Grundgewebetyp Muskelgewebe 8 Ektoderm 7 5 Bindegewebe 3 Mesoderm 4 Nervengewebe 9 Entoderm 1 6 2 Epithelgewebe

3. Nervengewebe aus dem Neuralrohr und der Neuralleiste Embryonales Epiblast Embryonales Ektoderm Neuralrohr 3. Nervengewebe aus dem Neuralrohr und der Neuralleiste Neuralleiste Kraniale Neuralleiste Rumpf- Neural-leiste Neuralleiste: sensorische Nerven, vegetative Ganglionen und Nerven, Schwannsche Zellen, Pigmentzellen Gehirn, Rücken-mark, Retina motorische Nerven Neuralrohr: Zentralnerven-system (Gehirn und Rückenmark) Peripherales Nervensystem (motorische Hirn- und Spinalnerven), Retina Ziliarmuskeln Sensorische Nerven, Schwannsche Zellen, Pigmentzellen, vegetative Ganglionen Kopfmesoderm Bindegewebe des Schlunddarms epithelio-neural

Keimblatt - Grundgewebetyp Muskelgewebe 8 Ektoderm 7 5 Bindegewebe 3 Mesoderm 4 Nervengewebe 9 Entoderm 1 6 2 Epithelgewebe

4. Bindegewebe aus dem Mesenchym Gliedmaßen und Rumpfes, Fettgewebe Embryonales Epiblast Embryonales Mesoderm Paraxiales Mesoderm: Dermatom (Hautbindegewebe) Sclerotom (Knochen des Rumpfes) Rumpfskelett Paraxiales Mesoderm Sclerotom Dermatom Binde-gewebe der Haut Seitenplatte Extremität (Skelett) Seitenplatte: Knochen der Extremitäten, Bindegewebe der Eingeweide, Blutzellen, Gefäßen

Keimblatt - Grundgewebetyp Muskelgewebe 8 Ektoderm 7 5 Bindegewebe 3 Mesoderm 4 Nervengewebe 9 Entoderm 1 6 2 Epithelgewebe

5. Muskel die aus dem Mesenchym stammen Wand (Muskel u. Bindegewebe) des Darmkanals u. der Atemwegen Splanchnisches Mesoderm 5. Muskel die aus dem Mesenchym stammen Seitenplatte Embryonales Mesoderm Paraxiales Mesoderm Embryonales Epiblast Muskel der Extremität, Rumpf glatte Muskulatur der Eingeweide, Herzmuskulatur, glatte Muskeln der Gefäßen Myotom Extremität (Muskel) Rumpf-muskulatur Seröse Haut parietales Blatt Blut, Gefäße, Herz

Die Neuralleiste (Ganglionleiste) - das „vierte Keimblatt”? keine Schichtbildung (Abwesenheit von Cadherinen) Auswanderungsfähigkeit (Migration) Vielfältigkeit der Zielgeweben ektodermales Mesenchym - Ektomesenchym, Mesektoderm

dorsolaterale Leitungsbahn Pigmentzellen Neuralleiste Hinterwurzelganglionen, sensorische Ganglionen der Hirnnerven Schwannsche Zellen Satellitenzellen Pigmentzellen (Melanocyten) unipoläre (sensorische) Neuron parasympa-thische und sympathische Ganglionen multipoläre Ganglionzellen in sympathischen Ganglionen Somiten-mesoderm chromaffine Zellen in Nebennierenrinde ventrale Leitungsbahn sich entwickelnde Nebennierenrinde Plexus prevertebralis Nervenplexus in Darmwand Glomus caroticum, parafollikuläre (C) Zellen entero-chromaffine Zellen parasympathisches Plexus submucosus in Darm

Non-neurale Abkömmlinge der Neuralleiste Auge (Hornhaut, Ziliarmuskeln) Knochen (desmale Knochen des Schädels) Herz (Septum aorticopulmonare) Bindegewebe (Schlundbogenknorpel) Hirnhäute Haut (Dermis and hypodermis) Zahn (Odontoblasten)

Mißbildungen der Grundgewebe: Teratomas Sakrokokzygeales Teratom Oropharyngeales Teratom Ovariales Teratom

Teratom Es handelt sich um ein Neoplasma (Tumor). Malignische Entartung ist möglich. Es ist von einer Vielfalt von ausdifferenzierten Geweben (Knorpel, Knochen, Haut) aufgebaut. Richtige Organen dagegen sind nicht vorhanden. Es entsteht aus Herden von pluripotenten Embryonalgeweben (Primitivstreifen, Chorda). Irrtümliche Hypothese: das Teratom ist ein ungleicher Zwilling.

Die homeoboxe Genen

Drosophila melanogaster (normal) Antenne Bein Drosophila melanogaster (normal) Bein Bein

Homeotische Fehlbildung der Taufliege Bein HOX Gen-Mutation (Antennapedia). Anstatt der Antenne, dem Insekt wurden Beine ausentwickelt ! Bein Bein Bein

Homeoboxe Gene Drosophila- embryo Drosophila Gene Chr 3 Maus- embryo Maus Gene Chr 6 Chr11 Chr 15

Struktur der homeodomänen Proteinen 1. Kern-Transkriptionsfaktoren die die Expression anderer Genen regulieren 2. Funktion: Bestimmung der antero-posterior Achse. Fehlerhafte Funktion (homeotische Mutation; Homeose) verursacht die Entwicklung von ektopischen Gebilden, die ähnlich (homeotisch) zu der ursprünglichen Körperteilen sind 3. Chemische Zusammensetzung: Helix-Turn-Helix 4. Bindung: ein Helix erkennt eine bestimmte DNS Sequenz (Promoter) HOMEODOMAIN (61 Aminosäure) Helix-Turn-helix Amino Variabler Teil COOH

Struktur der homeodomänen Proteine 5. Wirkung: bindet sich zu Proteinen an, die für die Bindung zur RNS-Polimerase verantwortlich sind 6. Enkodierung: durch homeotische Selektorgenen. Die Gene enthalten eine (von Fliege – bis zur Säugetiere) sehr konservative Sequenz: HOMEBOX Der Produkt des Homeboxes (DNS-Abschnitt von 183 Basenpaaren) ist die Homeodomäne (Proteinsegment bestehend aus 61 Aminosäuren) HOMEODOMAIN (61 Aminosäure) Helix-Turn-helix Amino Variabler Teil COOH

Struktur der homeodomänen Proteine 6. Diese Gene sind an der bestimmten Kromosomen nacheinander angeordnet (Cluster) Ihre Sequenzen entsprechen der kranio-kaudalen Sequenzen der enkodierten Körperteilen 7. Regulierung der homeotischen Genen: 650 000 Basenpaar Regulierung Sequenz Protein Produkte anderer upstream (stromaufwärts) Gene (z.B.: Segmentations-Gene) binden sich hier an HOMEODOMAIN (61 Aminosäure) Helix-Turn-helix Amino Variabler Teil COOH

(Transkriptionsfaktor) 8. Allgemeine Prinzip der Regulierung: Gen-Kaskaden (Regulierung der Transkription) HOMEODOMAIN (61 Aminosäure) Helix-Turn-helix Amino Variabler Teil COOH DNS-bindende Sequenz (Transkriptionsfaktor) bicoid Gen bicoid Protein bicoid Protein bindet sich zur Promoter-region des hunchback Gens hunchback Gen hunchback Protein hunchback Protein bindet sich zur Promoter-region des Krüppel Gens Krüppel Protein Krüppel Gen Krüppel Protein bindet sich zur Promoter-region des odd-skipped Gens odd-skipped Protein odd-skipped Gen

Kaskade von Selektor Genen (Drosophila) Mütterliche Gene: Gradienten zwischen vorderen und hinteren Polen des Embryo werden determiniert. Bicoid, Caudal, Swallow, Torso, Oskar, Trunk goosecoid, nodal, noggin, chordin Zygotische (“early response”) Gene Gap Gene: Hauptbereiche des Embryo werden bestimmt. Verlust dieser Genen verursacht das Fehlen eines kompletten Segmentes. Hunchback Krüppel Knirps Tailless Hairy Even skipped Runt Fushi tarazu Paired Odd skipped Odd paired Pair-rule Gene: geradzahlige und ungeradzahlige Segmenten werden bestimmt. Verlust dieser Genen verursacht das Fehlen allen gerad- oder ungeradzahligen Segmenten. Pax1 - Pax9

(enkodieren für Signalmolekülen und adhäsiven Molekülen) (...Fortsetzung) Engrailed Hedgehog Gooseberry Wingless Patched (ptc) Segment Polarität Gene: die Polarität eines jeden Segmenten wird festgelegt. BMP-4, Wnt, FGF, Shh Labial (lab) Proboscipedia (pb) Deformed (Dfd) Sex combs reduced (Scr) Antennapedia (Antp) Ultrabithorax (Ubx) Abdominal A (abdA) Abdominal B (abdB) Homeotische (Selektor) gene: Bereichspezifische Segmente werden bestimmt, Verlust dieser Genen verursacht das Fehlen einigen segment-spezifizischen Strukturen. hoxA - hoxD Distale (downstream, stromabwärts) Gene werden in einer hierarchischen Weise reguliert (enkodieren für Signalmolekülen und adhäsiven Molekülen)

Homeoboxe Gene Die Regionalisierung entlang der Körperachse wird durch Genkomplexe gesteuert, die sich bei praktisch allen Tieren nachweisen lassen und während der Evolution konserviert worden. Die Homeoboxgene (die entlang der Körperachse exprimierten Gene) bilden einen axialen Hox-Code und legen Segmentindentität fest.

Homeoboxe Gene Jeder Somit enthält seine Segmentidentität durch die Expression einer bestimmten, nur für diesen Somiten typischen Kombination von Hox-Genen. Jeder Somit hat also einen binären Code, den einzelnen Bits entspricht Expression/Non-expression eines bestimmten Hox-Gene.