Grundlagen Entwicklungsbiologie - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Unterschiedliche Stadien der Zellentwicklung: Gelangen Zellen von einer undifferenzierten zur ausgereiften Form durch spezifische Entwicklungsstadien.

• Stammzellen: unbegrenzt teilungsfähig, pluripotent
• Progenitorzellen: eingeschränkte Teilungsfähigkeit, multipotent
• Differenzierte Zellen: spezifische Funktionen, begrenzte Teilungsfähigkeit
• Zellproliferation: Mitose und Zellwachstum
• Zelldifferenzierung: Spezialisierung durch Genexpression
• Apoptose: programmierter Zelltod

a)

1. Erläutere den Prozess der Zelldifferenzierung und wie spezifische Genexpression dabei eine Rolle spielt. Warum ist dieser Prozess wichtig für die Entwicklung eines Organismus? Bezugnehmend auf die verschiedenen Entwicklungsstadien, ordne die folgenden Zelltypen (Stammzellen, Progenitorzellen, differenzierte Zellen) in diesen Prozess ein und beschreibe ihre jeweiligen Funktionen und Eigenschaften.

Lösung:

Erläuterung des Prozesses der Zelldifferenzierung:Zelldifferenzierung ist der Prozess, bei dem sich undifferenzierte Zellen zu spezialisierten Zellen entwickeln. Dies geschieht durch spezifische Genexpression, bei der bestimmte Gene aktiviert und andere stummgeschaltet werden. Diese Aktivierung von Genen steuert die Synthese von Proteinen, die für die spezifischen Funktionen und Strukturen der Zelle notwendig sind.

• Stammzellen: Diese Zellen sind pluripotent, was bedeutet, dass sie in der Lage sind, sich unbegrenzt zu teilen und in nahezu alle Zelltypen eines Organismus zu differenzieren. Sie befinden sich im frühesten Entwicklungsstadium und sind wesentlich für das Wachstum und die Regeneration von Geweben.
• Progenitorzellen: Diese Zellen haben eine eingeschränkte Teilungsfähigkeit und sind multipotent, was bedeutet, dass sie sich in mehrere, aber nicht alle Zelltypen differenzieren können. Sie dienen als Vorläuferzellen für spezifische Zelllinien und spielen eine Rolle in der Aufrechterhaltung und Reparatur von Geweben.
• Differenzierte Zellen: Diese Zellen haben sich zu einer spezialisierten Form entwickelt, die spezifische Funktionen im Organismus übernimmt. Ihre Teilungsfähigkeit ist begrenzt. Beispiele umfassen Nervenzellen, Muskelzellen und Blutzellen. Sie sind entscheidend für das normale Funktionieren von Organen und Systemen.

• Stammzellen: Diese sind die Ausgangszellen, die durch ihre pluripotenten Eigenschaften die Quelle für alle anderen Zelltypen darstellen. Sie befinden sich im frühesten Stadium der Zellentwicklung.
• Progenitorzellen: Diese Zellen sind bereits etwas weiter in ihrer Entwicklung und haben eine eingeschränktere Differenzierungskapazität, dienen jedoch als Übergangsstadium zu den voll ausgereiften Zellen.
• Differenzierte Zellen: Diese haben ihre letztendliche Form und Funktion erreicht. Sie sind das Endprodukt des Differenzierungsprozesses und erfüllen spezifische Aufgaben im Organismus.

Aufgabe 2)

Signalwege und ihre Rolle bei der GewebebildungSignalwege spielen eine zentrale Rolle bei der Steuerung des Zellverhaltens, insbesondere Zellteilung und Differenzierung, während der Gewebebildung. Zu den wichtigsten Signalwegen gehören Wnt, Hedgehog, Notch und BMP.

• Wnt-Signalweg: Dieser Signalweg reguliert Zellwachstum und Polarität. Ein Schlüsselelement dieses Weges ist β-Catenin.
• Hedgehog-Signalweg: Dieser Weg steuert die Zellproliferation und Musterbildung. Ein kritisches Molekül in diesem Signalweg ist Sonic Hedgehog (Shh).
• Notch-Signalweg: Wichtiger Signalweg für die Zell-Zell-Kommunikation und notwendig für die Zellentdifferenzierung.
• BMP-Signalweg: Dieser Weg ist entscheidend für die Knochen- und Knorpelbildung und wird von Transforming Growth Factor-Beta (TGF-β)-Familie genutzt.
• Signaltransduktion: Signaltransduktion erfolgt durch Ligand-Rezeptor-Bindung, Aktivierung von Signalproteinen und anschließende Genexpressionsänderungen.
• Interaktionen zwischen Signalwegen können synergistisch (zusammenwirkend) oder antagonistisch (entgegengesetzt) sein.
• Mutationen in diesen Signalwegen können zu schweren Entwicklungsstörungen führen.

a)

Erläutere detailliert den Wnt-Signalweg. Beschreibe die Rolle von β-Catenin in diesem Signalweg und wie seine Dysregulation zu Entwicklungsstörungen führen kann. Gehe anschließend darauf ein, wie der Wnt-Signalweg mit dem Notch-Signalweg interagieren kann. Nutze dabei konkret zwei Beispiele für synergistische und antagonistische Wirkungen.

Lösung:

Wnt-SignalwegDer Wnt-Signalweg ist ein entscheidender Mechanismus, der Zellwachstum, Zellpolarisierung und die Zellmigration reguliert. Er spielt eine zentrale Rolle bei der Embryonalentwicklung, der Geweberegeneration und der Aufrechterhaltung verschiedener Stammzellnischen.

• Rolle von β-Catenin: Im Wnt-Signalweg fungiert β-Catenin als zentrales Signalmolekül. In Abwesenheit von Wnt-Liganden wird β-Catenin durch einen Zerstörungskomplex, der aus Axin, APC (Adenomatous Polyposis Coli), GSK-3β (Glycogen Synthase Kinase 3 Beta) und CK1 (Casein Kinase 1) besteht, kontinuierlich phosphoryliert und dadurch für den proteasomalen Abbau markiert. Dies verhindert die Akkumulation von β-Catenin im Zytoplasma und seinen Eintritt in den Zellkern.
• Wenn Wnt-Liganden an den Frizzled-Rezeptor und den Ko-Rezeptor LRP5/6 (Low-density lipoprotein receptor-related protein 5/6) binden, wird der Zerstörungskomplex inaktiviert. Dies führt dazu, dass β-Catenin stabilisiert wird, sich im Zytoplasma ansammelt und schließlich in den Zellkern transloziert. Im Zellkern interagiert β-Catenin mit TCF/LEF-Transkriptionsfaktoren (T-Cell Factor / Lymphoid Enhancer Factor) und aktiviert die Transkription von Wnt-Zielgenen, die für Zellproliferation und Differenzierung wichtig sind.

• Überaktive Wnt-Signalgebung kann zu unkontrolliertem Zellwachstum und Krebs führen, wie zum Beispiel Darmkrebs.
• Eine unzureichende Wnt-Signalgebung kann die Stammzellnischen destabilisieren und zu Degenerationskrankheiten führen.

• Synergistische Wirkung: In der frühen Embryonalentwicklung kann die synergistische Aktivierung von Wnt- und Notch-Signalen zur korrekten Musterbildung und Organentwicklung beitragen. Ein Beispiel ist die Entwicklung des Nervensystems, wo beide Signalwege zusammenarbeiten, um die Differenzierung neuraler Vorläuferzellen zu regulieren.
• Antagonistische Wirkung: Während der Darmhomöostase wirken Wnt- und Notch-Signale oft antagonistisch. Wnt ist dafür bekannt, die Differenzierung von Zellen des intestinalen Epithels zu fördern, wohingegen Notch die Selbsterneuerung der Stammzellen aufrechterhält. Ein Ungleichgewicht zwischen diesen Signalwegen kann zu Krankheiten wie Krebs oder Mukosadegeneration führen.

Aufgabe 3)

Während der frühen embryonalen Entwicklung spielen Morphogene eine entscheidende Rolle bei der Positionsbestimmung und der Zelldifferenzierung. Morphogene wie Bicoid, Nodal und Sonic Hedgehog (Shh) bilden durch Diffusion, Produktion und Abbau Konzentrationsgradienten, die als 'morphogenetische Felder' bekannt sind. Diese Felder ermöglichen es Zellen, ihre Position innerhalb des Embryos zu erkennen und sich anhand der Morphogenkonzentration entsprechend zu spezialisieren. Ein Gleichgewicht dieser Gradienten, kombiniert mit Rückkopplungsmechanismen und Inhibitoren, definiert die Körperachsen und Segmentierung im Embryo.

a)

Erläutere den Mechanismus der Diffusion eines Morphogens und die Faktoren, die die Form des Konzentrationsgradienten beeinflussen. Verwende dabei das Beispiel des Morphogens Bicoid und erkläre, wie dieser Gradient zur Festlegung der Körperachsen in Drosophila beiträgt.

Lösung:

• Mechanismus der Diffusion eines Morphogens: Diffusion ist der Prozess, bei dem Moleküle von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedriger Konzentration wandern. Im Falle von Morphogenen bedeutet dies, dass diese von den Zellen, die sie produzieren, diffundieren, um räumliche Konzentrationsgradienten zu bilden. Diese Gradienten sind entscheidend für die embryonale Entwicklung, da sie den Zellen signalisieren, wie sie sich spezialisieren sollen.
• Faktoren, die die Form des Konzentrationsgradienten beeinflussen:
  • Produktion: Die Menge und der Ort der Morphogenproduktion beeinflussen den initialen Konzentrationsgradienten.
  • Diffusionsrate: Wie schnell sich das Morphogenwellenmuster im Raum ausbreitet, beeinflusst die Form des Gradienten. Ein schneller diffundierendes Morphogen wird einen flacheren Gradienten bilden.
  • Abbau: Der Abbau des Morphogens, der durch Enzyme und andere Faktoren gesteuert wird, bestimmt, wie schnell das Morphogen nach seiner Produktion abnimmt. Ein schnellerer Abbau führt zu steileren Gradienten.
  • Bindung an andere Moleküle: Die Bindung des Morphogens an Rezeptoren oder andere Proteine in der Umgebung kann die freie Diffusion beeinflussen.
• Beispiel des Morphogens Bicoid und Festlegung der Körperachsen in Drosophila:Bicoid ist ein wichtiges Morphogen, das in der frühen Embryonalentwicklung von Drosophila eine Schlüsselrolle spielt. Es wird in den vorderen (anteriören) Regionen der Eizelle von Drosophila exprimiert und diffundiert dann nach hinten (posterior). Dies führt zu einem Konzentrationsgradienten, der anteriore mit höhere Konzentrationen und posteriore mit niedrigeren Konzentrationen kennzeichnet. Die Konzentration von Bicoid bestimmt die Expressionsmuster von Zielgenen, die für die Kopf- und Thoraxentwicklung verantwortlich sind. Beispielsweise wird das Hunchback-Gen bei hoher Bicoid-Konzentration aktiviert. Der so entstehende Gradient ist somit maßgeblich an der Positionierung und Differenzierung der Körperachsen von Drosophila beteiligt.

b)

Stelle eine Gleichung auf, die die Konzentrationsänderung eines Morphogens in Abhängigkeit von Zeit und Raum beschreibt und berücksichtige dabei Diffusion und Abbau. Leite her, wie sich Gleichgewichtskonzentrationen ergeben und was dies für die Positionsinformation bedeutet.

Lösung:

• Konzentrationsänderung eines Morphogens: Die Konzentrationsänderung eines Morphogens in Abhängigkeit von Zeit und Raum kann durch die Reaktions-Diffusions-Gleichung beschrieben werden. Diese ist eine partielle Differenzialgleichung. Sei c(x,t) die Konzentration des Morphogens, dann lautet die Gleichung:

\[ \frac{\partial c(x,t)}{\partial t} = D \frac{\partial^2 c(x,t)}{\partial x^2} - k c(x,t) \]

\[ 0 = D \frac{\partial^2 c(x)}{\partial x^2} - k c(x) \]

\[ c(x) = A e^{-\sqrt{\frac{k}{D}} x} + B e^{\sqrt{\frac{k}{D}} x} \]

\[ c(x) = A e^{-\sqrt{\frac{k}{D}} x} \]

Aufgabe 4)

Betrachte ein hypothetisches Modell eines Genexpressionsnetzwerks in einer einzelligen Eukaryotenart. In diesem Modell beeinflusst ein Transkriptionsfaktor (TF) die Expression von drei Genen (A, B und C). Gen A und Gen B enthalten Promotorregionen, die spezifisch an denselben TF binden. Gen C enthält einen Enhancer, der durch einen Komplex aus dem TF und einem Corepressor aktiviert wird. Für die Aktivierung von TF ist eine Phosphorylierung, die durch einen extrazellulären Signalweg ausgelöst wird, erforderlich. Zudem reguliert eine miRNA die Stabilität der mRNA von Gen C. Eine negative Feedbackschleife ist ebenso integriert, bei der das Proteinprodukt von Gen C die Transkription des TF unterdrückt.

a)

Beschreibe detailliert, wie der Transkriptionsfaktor (TF), nachdem er durch Phosphorylierung aktiviert worden ist, die Genexpression der Gene A, B und C reguliert. Erkläre, wie verschiedene regulatorische Elemente (Promotor, Enhancer, Corepressor) sowie epigenetische Modifikationen in diesen Prozess involviert sein könnten. Nutze Diagramme, um die regulatorischen Mechanismen zu veranschaulichen.

Lösung:

Regulation der Genexpression durch den Transkriptionsfaktor (TF)Nachdem der Transkriptionsfaktor (TF) durch Phosphorylierung aktiviert wurde, reguliert er die Expression der Gene A, B und C auf spezifische Weise. Die folgenden Schritte beschreiben diesen komplexen Prozess im Detail:

• Aktivierung des TF durch Phosphorylierung:Ein extrazelluläres Signal aktiviert eine Signalkaskade, die zur Phosphorylierung des Transkriptionsfaktors (TF) führt. Diese Phosphorylierung ist entscheidend für die Aktivität des TF.
• Regulation von Gen A und Gen B:1. Bindung an Promotorregionen: Der aktivierte TF bindet spezifisch an die Promotorregionen von Gen A und Gen B. Diese Promotoren besitzen bestimmte DNA-Sequenzen, die als Bindungsstellen für den TF dienen.2. Rekrutierung der RNA-Polymerase: Durch die Bindung des TF an die Promotoren von Gen A und Gen B wird die RNA-Polymerase rekrutiert, welche die Transkription dieser Gene initiiert.3. Epigenetische Modifikationen: Der TF kann auch Chromatin-modifizierende Enzyme anziehen, die epigenetische Änderungen wie Methylierungen oder Acetylierungen an den Histonen der Promotorregionen bewirken. Diese Modifikationen können die Zugänglichkeit des Chromatins für die Transkriptionsmaschinerie weiter erhöhen.
• Regulation von Gen C:1. Bildung eines Aktivator-Komplexes: Der TF bildet in Kombination mit einem Corepressor einen Komplex, der an den Enhancer von Gen C bindet. Dieses Bindung sorgt für die spezifische Aktivierung der Transkription von Gen C.2. Enhancer-Promoter-Schleifen: Der Enhancer von Gen C interagiert physisch mit der Promotorregion des Gens, um die Transkription zu aktivieren. Dabei wird eine Schleifenstruktur in der DNA gebildet, die die Effizienz der Transkription erhöht.3. Zusätzliche epigenetische Modifikationen: Ähnlich wie bei Gen A und Gen B können epigenetische Modifikationen auch bei Gen C eine Rolle spielen. Der Enhancer oder Promotor von Gen C kann durch den TF-Komplex modifiziert werden, um die Wahrscheinlichkeit der Transkription zu erhöhen.
• Interferenz durch miRNA:Die mRNA von Gen C wird durch eine miRNA reguliert. Diese miRNA bindet an die mRNA von Gen C und fördert deren Abbau oder blockiert die Translation, wodurch die Menge des Gen C-Proteins in der Zelle kontrolliert wird.
• Negative Feedbackschleife:Das Proteinprodukt von Gen C bindet an den Promotor oder eine andere regulatorische Region des TF-Gens und unterdrückt dessen Transkription. Dies stellt eine negative Rückkopplung dar, die dazu beiträgt, die Aktivität des TF und somit die Expression der Gene A, B und C zu regulieren.

b)

Angenommen, Gen C wird 50% weniger exprimiert, weil die miRNA die Stabilität der mRNA reduziert. Wie wirkt sich diese Verringerung auf die gesamte Genexpressionsnetzwerk aus, insbesondere mit Bezug auf die negative Feedbackschleife? Berechne außerdem den neuen Steady-State-Wert von TF unter der Voraussetzung, dass das ursprüngliche TF-Level bei 100 Einheiten liegt, und Gen C das TF-Level ursprünglich um 20% reduziert hat (verwende lineare Beziehungen zur Vereinfachung).

Lösung:

Auswirkungen der verringerten Expression von Gen C auf das gesamte GenexpressionsnetzwerkWenn Gen C aufgrund der Wirkung einer miRNA um 50% weniger exprimiert wird, hat dies mehrere Auswirkungen auf das Genexpressionsnetzwerk, insbesondere in Bezug auf die negative Feedbackschleife.

• Verringerte Produktion des Proteins von Gen C:Wenn die mRNA von Gen C um 50% reduziert wird, führt dies zu einer proportionalen Verringerung des Proteins, das von Gen C produziert wird. Das bedeutet, dass nur noch 50% des ursprünglichen Proteinprodukts von Gen C vorhanden sind.
• Abnahme der negativen Feedbackschleife:Da das Proteinprodukt von Gen C die Transkription des TF unterdrückt, führt eine Verringerung dieses Proteinprodukts zu einer geringeren Unterdrückung des TF. Infolgedessen wird die Produktion von TF weniger stark gehemmt, was zu einem Anstieg des TF-Spiegels führt.

• Das ursprüngliche TF-Level beträgt 100 Einheiten.
• Im ursprünglichen Zustand reduziert das Protein von Gen C das TF-Level um 20%, was bedeutet, dass das TF-Level ohne die negative Rückkopplung 125 Einheiten betragen würde (da 20% von 125 Einheiten = 25 Einheiten, und 125 - 25 = 100 Einheiten).
• Durch die Verringerung der Gen C Expression um 50% wird das Gen C Protein nur noch halb so effektiv, d.h., es reduziert das TF-Level nur noch um 10%.

• Das TF-Level ohne jegliche Rückkopplung wäre immer noch 125 Einheiten.
• Eine Reduktion um 10% von 125 Einheiten ergibt 12,5 Einheiten.
• Das neue TF-Level wird also 125 Einheiten - 12,5 Einheiten = 112,5 Einheiten sein.