Γενική επισκόπηση των κυττάρων και της κυτταρικής βιολογικής έρευνας

Βιβλίο: ΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ (THE CELL) Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μία Μοριακή Προσέγγιση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Γενική επισκόπηση των κυττάρων και της κυτταρικής βιολογικής έρευνας Μέρος Α

ΓΕΝΙΚΑ Η κατανόηση της μοριακής Βιολογίας των κυττάρων αποτελεί βασικό στόχο της σύγχρονης βιολογικής έρευνας, δεδομένου ότι σχετίζεται ΑΜΕΣΑ με: - την Ιατρική, Γεωργία, Βιοτεχνολογία & Βιοϊατρική μηχανική -Παραδείγματα σχετιζόμενα με την Ιατρική αποτελούν π.χ. η ταυτοποίηση γονιδίων που ευθύνονται για κοινές/σημαντικές ασθένειες όπως: Α. καρδιαγγειακές παθήσεις Β. ρευματοειδής αρθρίτιδα *Μέσω αλληλούχισης DNA μπορούν να ανιχνευθούν Γ. σακχαρώδης διαβήτης 5.000 μεταλλαγμένα γονίδια σχετιζόμενα με ασθένειες Επίσης, για: Δ. ανάπτυξη αντικαρκινικών φαρμάκων, Ε. χρήση ΒΛΑΣΤΙΚΩΝ κυττάρων στην αποκατάσταση τραυματισμένων ιστών, Ζ. θεραπεία των νόσων Πάρκινσον & Αλτσχάιμερ Ακαδημαϊκές Εκδόσεις 2011 Το κύτταρο-μια Μοριακή Προσέγγιση 1

ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΚΑΙ ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ -Η ΖΩΗ: εμφανίσθηκε 750 εκ. χρόνια μετά τη δημιουργία της Γης -ΤΟ ΚΥΤΤΑΡΟ: είναι η μικρότερη αυτο-συναρμολογούμενη & αυτο-διπλασιαζόμενη μονάδα ζωής -Με την ΕΞΕΛΙΞΗ προήλθαν τα σημερινά κύτταρα που διακρίνονται σε: Προκαρυωτικά & Ευκαρυωτικά κύτταρα -Τα Προκαρυωτικά (Prokaryotic) κύτταρα: Έχουν Γενετικό υλικό κυκλικά μόρια DNA -Τα Ευκαρυωτικά (Eukaryotic) κύτταρα: Έχουν Πυρήνα με το Γενετικό υλικό 3

4 Το ΠΡΩΤΟ ΒΗΜΑ στην εξέλιξη Ο αυθόρμητος σχηματισμός οργανικών μορίων Σε αέριο μείγμα που περιείχε: CH 4, NH 3, H 2 και υδρατμούς προκλήθηκε ηλεκτρική εκκένωση. Τα προϊόντα της αντίδρασης αποκάλυψαν τον σχηματισμό ποικιλίας οργανικών μορίων, μεταξύ οποίων τα αμινοξέα: αλανίνη, ασπαρτικό οξύ, γλουταμικό οξύ και γλυκίνη Πείραμα του Stanley Miller, 1950s Αν και δεν αναπαρήγαγε τις συνθήκες στην πρωτόγονη Γη, απέδειξε την πιθανότητα αυθόρμητης σύνθεσης οργανικών μορίων και αποκάλυψε τα βασικά συστατικά προέλευσης των πρώτων ζωντανών οργανισμών.

Το ΕΠΟΜΕΝΟ βήμα στην εξέλιξη: ο σχηματισμός μακρομορίων - Οι μονομερείς υπομονάδες μακρομορίων πολυμερίζονται αυθόρμητα σε ΠΡΟΒΙΟΤΙΚΕΣ συνθήκες π.χ. Η θέρμανση μειγμάτων αμινοξέων οδηγεί στον πολυμερισμό & τον σχηματισμό πρωτεϊνών. - Το ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΤΕΡΟ χαρακτηριστικό του ΠΡΩΤΟΥ μακρομορίου ήταν ο ΑΥΤΟ-ΔΙΠΛΑΣΙΑΣΜΟΣ Η σύνθεση νέων αντιγράφων έχει την δυνατότητα αναπαραγωγής και περαιτέρω εξέλιξης. - Από τα κυριότερα πληροφοριακά μακρομόρια του κυττάρου (νουκλεϊνικά οξέα & πρωτεΐνες), ΜΟΝΟ τα νουκλεϊνικά οξέα έχουν ικανότητα αυτο-διπλασιασμού τους - Τα νουκλεϊνικά οξέα αυτο-διπλασιάζονται με σύζευξη βάσεων σε συμπληρωματικά νουκλεοτίδια Α Α Α1 Α Α1 Α Α1 Α Α2 Α1 Αυτοδιπλασιασμός του RNA. Η σύζευξη αδενίνης Α με ουρακίλη U & γουανίνης G με κυτοσίνη C. Μία αλυσίδα RNA αποτελεί μήτρα για τη σύνθεση μιας νέας συμπληρωματικής αλληλουχίας (Α προς: Α1, Α2 & Α3) 5 Α3

6 H ΚΑΤΑΝΟΗΣΗ ΤΗΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΕΞΕΛΙΞΗΣ - αρχές της δεκαετίας του 1980: ανακαλύφθηκε ότι το RNA καταλύει χημικές αντιδράσεις όπως ο πολυμερισμός νουκλεοτιδίων -περαιτέρω μελέτες απέδειξαν το RNA μπορεί να κατευθύνει την σύνθεση μιας νέας / θυγατρικής αλυσίδας RNA από μια μήτρα RNA -Άρα, το RNA είναι μήτρα και καταλύτης του αυτοδιπλασιασμού του -Έτσι, το RNA θεωρείται το ΠΡΩΤΟ ΓΕΝΕΤΙΚΟ ΜΕΣΟ, σε ένα πρώϊμο στάδιο χημικής εξέλιξης που βασίσθηκε σε αυτοδιπλασιαζόμενα μόρια RNA: Χρονική περίοδος γνωστή ως ο κόσμος του RNA (RNA world) -Διαδοχικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ RNA & αμινοξέων: οδήγησαν στην εξέλιξη του σημερινού γενετικού κώδικα και το RNA αντικαταστάθηκε τελικά από το DNA ως γενετικό υλικό

(1Χ) (2Χ) Ο εγκλεισμός αυτοδιπλασιαζόμενου RNA σε μεμβράνη φωσφολιπιδίων Ίσως το πρώτο κύτταρο δημιουργήθηκε από εγκλεισμό του αυτοδιπλασιαζόμενου RNA και άλλων μορίων σε μεμβράνη αποτελούμενη από φωσφολιπίδια. Κάθε φωσφολιπίδιο έχει δύο υδρόφοβες ανθρακικές αλυσίδες ή ουρές και μια υδρόφιλη κεφαλή που περιέχει φωσφορικές ομάδες. Οι ουρές είναι στο εσωτερικό της λιπιδικής διπλοστιβάδας, ενώ οι υδρόφιλες κεφαλές βρίσκονται στο νερό. -Τα Φωσφολιπίδια των μεβρανών ως αμφιπαθή μόρια σχηματίζουν αυθόρμητα μια διπλοστιβάδα. -Τα αυτοδιπλασιζόμενα μόρια RNA σε μία μεμβράνη διατηρήθηκαν ως: μονάδα ικανή αυτο-αναπαραγωγής και περαιτέρω εξέλιξης. *Η πρωτεϊνική σύνθεση από RNA: ίσως να αναπτύχθηκε αυτή τη χρονική περίοδο, και το πρώτο κύτταρο να αποτελείτο από αυτο-αναπαραγόμενο RNA & τις κωδικοποιημένες απ αυτό πρωτεΐνες. 7

Η παραγωγή μεταβολικής ενέργειας. Η γλυκόλυση είναι αναερόβια. Η ενέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας συμβάλλει στη σύνθεση γλυκόζης. Το Ο 2 από τη φωτοσύνθεση χρησιμοποιείται στον οξειδωτικό μεταβολισμό, απελευθερώνοντας περισσότερη ενέργεια από εκείνη της γλυκόλυσης 8 Η Εξέλιξη του Μεταβολισμού Ανάγκη Ενέργειας Τα κύτταρα αναπτύχθηκαν αρχικά σε περιβάλλον πλούσιο σε οργανικά μόρια προσλαμβάνοντας τροφή & ενέργεια από το περιβάλλον, μία κατάσταση περιοριστική. Αργότερα όμως ανέπτυξαν μηχανισμούς σύνθεσης και χρήσης ενεργειακών μορίων όπως η 5 -Τριφωσφορική Αδενοσίνη (ATP), ως πηγή μεταβολικής ενέργειας (π.χ κίνηση, μυϊκή σύσπαση). Οι κυτταρικοί μηχανισμοί παραγωγής ATP εξελίχθηκαν σε 3 στάδια: γλυκόλυση, φωτοσύνθεση & ο οξειδωτικός μεταβολισμός. Η ανάπτυξη των μεταβολικών οδών Γλυκόλυση *Φωτοσύνθεση Οξειδωτικός μεταβολισμός *ατμοσφαιρικό Ο 2 & εξέλιξη **Αμαζόνιος: 20% του Ο 2 της ατμόσφαιρας

Σύγχρονοι Προκαρυωτικοί Οργανισμοί -Διακρίνονται σε: ΑΡΧΑΙΑ (ή Αρχαιοβακτήρια) & ΒΑΚΤΗΡΙΑ (ή Ευβακτήρια) -Ορισμένα ζούν σε ακραία περιβάλοντα (π.χ: θερμές πηγές θείου σε 80 ο C & ph 2.0) -Zούν σε ποικίλα περιβάλλοντα (π.χ: χώμα, νερό, & άλλους οργανισμούς-παθογονα) -Σχήμα: σφαιρικά, ραβδόμορφα ή σπειροειδή -Διάμετρος: 1-10μm -DNA: 0.6-5x10 6 ζεύγη βάσεων, για ~5.000 πρωτεϊνες -Οι μεγαλύτεροι: τα ΚΥΑΝΟΒΑΚΤΗΡΙΑ (φωτοσύνθεση) To ΒΑΚΤΗΡΙΟ Escherichia coli: -Απαντά στον ανθρώπινο εντερικό σωλήνα -Περιβάλλεται από δύσκαμπτο εξωτερικό τοίχωμα & εσωτερικότερα από την κυτταροπλασματική μεμβράνη -Μόνο το δύσκαμπτο κυτταρικό τοίχωμα είναι διαπερατό -Το DNA της είναι ένα κυκλικό μόριο, στο Πυρηνοειδές -Φέρει κοκκιώδες κυτταρόπλασμα με 30.000 ριβοσώματα ΕΙΚΟΝΑ 1.5: Φωτογραφία E. coli σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο 9

Μεγέθη και σχήματα βακτηρίων (Α) Σχηματική απεικόνιση βακτηρίων (Β) E. coli: Το DNA είναι συγκεντρωμένο στην ανοιχτόχρωμη περιοχή (Γ) Φωτοσυνθετικά: Anabaena cylindrica (άνω) Phormidium laminosum (κάτω) (δεσμεύουν άζωτο & CO 2 ) (Δ) Beggiatoa: περιστρεφόμενο, οξειδώνει H 2 S για ενέργεια & δεσμεύει άνθρακα 10

Τα ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Τα χαρακτηριστικά τους: 1. Είναι πολυπλοκότερα και μεγαλύτερα από τα Προκαρυωτικά 2. Περιβάλλονται από μία κυτταροπλασματική μεμβράνη 3. Περιέχουν πυρήνα, κυτταροπλασματικά οργανίδια & κυτταρικό σκελετό 4. Ο πυρήνας είναι ευδιάκριτος, 5μm με την γενετική πληροφορία ως γραμμικό DNA 5. Στο πυρήνα γίνεται η αντιγραφή του DNA & η σύνθεση του RNA 6. Η μετάφραση του RNA σε πρωτεϊνες γίνεται στα ριβοσώματα στο κυτταρόπλασμα 7. Διαχειρίζονται την ενέργεια (ATP) με Μιτοχόνδρια ή/και Χλωροπλάστες (φωτοσύνθεση) 8. Έχουν λυσοσώματα (πέψη μορίων) και υπεροξειδιοσωμάτια (οξειδωτικές αντιδράσεις) 9. Διαθέτουν χυμοτόπια ή κενοτόπια για πέψη & αποθήκευση μορίων 10. Έχουν ενδοπλασματικό δικτυο & συσκευή Golgi για ταξινόμηση/μεταφορά πρωτεϊνών 11. Έχουν εσωτερική οργάνωση μέσω κυτταροσκελετού: δίκτυο ινιδίων για το σχήμα & την οργάνωση του κυτταροπλάσματος 11

Εικόνα 1.6: (Α) Δομή ζωικών κυττάρων 12

Εικόνα 1.6: (Β) Δομή φυτικών κυττάρων 13

Η ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΩΝ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ - Ι - Πιστεύεται ότι η εξέλιξη των ευκαρυωτών βασίσθηκε σε ΥΠΟΚΥΤΤΑΡΙΚΑ ΟΡΓΑΝΙΔΙΑ - ΤΑ ΟΡΓΑΝΙΔΙΑ προέκυψαν με ΕΝΔΟΣΥΜΒΙΩΣΗ: ενός κυττάρου μέσα στο άλλο αποτελώντας εξέλιξη προκαρυωτικών στο εσωτερικό προγονικών ευκαρυωτών -Τα μιτοχόνδρια & χλωροπλάστες: προήλθαν από βακτήρια, μέσα σε μεγαλύτερα κύτταρα ΙΣΧΥΡΕΣ ΕΝΔΕΙΞΕΙΣ 1. έχουν παρόμοιο μέγεθος με τα βακτήρια Τα ΜΙΤΟΧΟΝΔΡΙΑ & οι ΧΛΩΡΟΠΛΑΣΤΕΣ: 2. αναπαράγονται με διαίρεση όπως τα βακτήρια 3. έχουν δικό τους DNA με δυναμικό διαίρεσης όπως τα βακτήρια 4. το DNA τους αναδιπλασιάζεται όταν διαιρείται το οργανίδιο 5. τα γονίδιά τους μεταγράφονται & μεταφράζονται στα δικά τους ριβοσώματα δηλ. έχουν γενετικά συστήματα διαφορετικά του πυρηνικού γονιδιώματος 6. Τα ριβοσώματα & το ριβοσωμικό RNA τους δεν μοιάζουν με εκείνα που κωδικοποιούνται από το πυρηνικό γονιδίωμα των ευκαρυωτών 14

15 Η ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΩΝ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ - ΙΙ - Πιστεύεται ότι: 1. τα μιτοχόνδρια αποτελούν εξέλιξη αερόβιων βακτηρίων *Η ενσωμάτωση αεροβίου σε αναερόβιο: παρέχει ικανότητα οξειδωτικού μεταβολισμού 2. οι χλωροπλάστες προήλθαν από φωτοσυνθετικά βακτήρια (κυανοβακτήρια) ** Η ενσωμάτωση φωτοσυνθετικού σε αναερόβιο: παρέχει διατροφική αυτονομία (π.χ: παραγωγή Γλυκόζης = ενέργεια μέσω φωτοσύνθεσης) 1 & 2: Ανάγκη προσαρμογής/επιβίωσης: Κράτα με να σε κρατώ, να ανεβούμε στο βουνό *Με την ΕΞΕΛΙΞΗ τα περισσότερα βακτηριακά γονίδια ενσωματώθηκαν στο πυρήνα προκαλώντας ένα ΜΩΣΑΪΚΟ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΟ ΓΕΝΩΜΑ

16 ΠΩΣ ΟΜΩΣ Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΣΥΝΕΒΑΛΕ ΣΤΗ ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΤΩΝ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ?? ΚΑΡΟΛΟΣ ΔΑΡΒΙΝΟΣ: Άγγλος φυσιοδίφης Ο θεμελιωτής της θεωρίας της Εξέλιξης

Η ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΤΩΝ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΩΝ ΚΥΤΤΑΡΩΝ - ΙΙΙ 1. από τον κοινό προκαρυωτικό πρόγονο προήλθαν τα Αρχαία (Α) & τα Βακτήρια (Β) 2. Η ενδοσυμβίωση Αερόβιου με Αρχαίο Μιτοχόνδριο Ευκαρυωτικό κύτταρο 3. Χλωροπλάστες: Αποτελούν ενδοσυμβίωση κυανοβακτηρίων με τον πρόγονο Φυτών 4. Το Ευκαρυωτικό γένωμα έχει γονίδια: Αρχαίων & Βακτηρίων Β Β Α ΣΥΝΟΠΤΙΚΑ Αρχέγονο κύτταρο 2. γονιδιακή μεταφορά & σύντηξη 1. ενδοσυμβίωση Βακτήρια Αρχαία Α. Ενδοσυμβίωση Β. Γονιδιακή Μεταφορά/Σύντηξη κοινός πρόγονος ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ *Σταδιακή διαφοροποίηση (σε 3.5-3.8 δις χρόνια) 17

ΤΑ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Διακρίνονται σε: Ζωϊκά κύτταρα Φυτικά κύτταρα Τα ευκαρυωτικά κύτταρα: - Είναι κατά πολύ πολυπλοκότερα από τα προκαρυωτικά κύτταρα -Όλα περιβάλλονται από ΜΙΑ κυτταροπλασματική μεμβράνη, περιέχουν πυρήνα, ριβοσώματα, κυτταροπλασματικά οργανίδια και κυτταροσκελετό. 18

Η ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΠΟΛΥΚΥΤΤΑΡΩΝ ΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ - Ι - Πολλοί Ευκαρυωτικοί Οργανισμοί είναι Μονοκύτταροι -Οι Πολυκύτταροι εξελίχθηκαν από μονοκύτταρους ευκαρυώτες πριν 1 δις χρόνια. -Ορισμένοι μονοκύτταροι σχηματίζουν πολυκυτταρικά ΣΥΣΣΩΜΑΤΩΜΑΤΑ ως ένα εξελικτικά μεταβατικό στάδιο μεμονωμένων κυττάρων προς πολυκύτταρους ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΥΚΑΡΥΩΤΙΚΩΝ 1. Ο Σακχαρομύκητας (S. Cerevisiae) -ο απλούστερος μονοκύτταρος ευκαρυώτης - ο μικρότερος από τα κύτταρα ζώων & φυτών - έχει διάμετρο ~6 μm & DNA με 12Χ10 6 ζεύγη βάσεων ΕΙΚΟΝΑ 1.8: Φωτογραφία ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης του Saccharomyces cerevisiae. Η φωτογραφία έχει υποστεί ψευδοχρωματισμό. 19

Η ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΠΟΛΥΚΥΤΤΑΡΩΝ ΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ - ΙΙ - ΙΙ Η αµοιβάδα Amobea proteus 2. Η αμοιβάδα Amobea proteus -µεγάλο & πολύπλοκο κύτταρο -εξαιρετικά ευκίνητος μονοκύτταρος -100.000 φορές µεγαλύτερο της E. coli οργανισμός -είναι ευκίνητος οργανισµός -μεγάλο & πολύπλοκο κύτταρο -φέρει ψευδοπόδια: σύλληψη της τροφής -100.000 φορές μεγαλύτερη της E. coli ψευδοπόδια -φέρει ψευδοπόδια για: 1. κίνηση & 2. σύλληψη της τροφής 18 20

Η ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΩΝ ΠΟΛΥΚΥΤΤΑΡΩΝ ΟΡΓΑΝΙΣΜΩΝ - ΙII ΤΑ ΧΛΩΡΟΦΥΚΗ - Τα κύτταρα Volvox σχηματίζουν πολυκύτταρες αποικίες σε κοίλες σφαίρες - Εσωτερικά των σφαιρών υπάρχουν εως χιλιάδες κύτταρα ενσωματωμένα σε μία ζελατινώδη μήτρα Χλωροφύκη Volvox σχηματίζουν αποικίες * Θεωρούνται ΠΡΟΓΟΝΟΙ των ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ φυτών, μετά από συνεχή λειτουργική εξειδίκευση των κυττάρων Τα χλωροφύκη φωτοσυνθέτουν όπως και άλλοι ευκαρυωτικοί οργανισμοί που περιέχουν χλωροπλάστες 21

ΤΑ ΦΥΤΑ - Αποτελούνται από λιγότερα είδη κυττάρων - Έχουν 3 κύρια ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΙΣΤΩΝ: Α. Τον Θεμέλιο ιστό: 1. παρεγχυματικά κύτταρα: για μεταβολικές αντιδράσεις 2. κολεγχυματικά παρέχουν δομική στήριξη στο φυτό 3. σκληρεγχυματικά Β. Τον Επιδερμικό ιστό: καλύπτει : την επιφάνεια του φυτού Γ. Τον Αγγειακό ιστό: επιμήκη κύτταρα αγγεία & τραχεϊδες που διαμορφώνουν το αγγειακό σύστημα: ξύλωμα & φλοίωμα 22

ΤΑ ΦΥΤΑ Τα Φυτικά κύτταρα διακρίνονται σε: Α. Παρεγχυματικά Β. Κολεγχυματικά Τα κύτταρα αυτά επιτελούν: (Α) = φωτοσύνθεση (Β) = μηχανική στήριξη Γ. Επιδερμικά Δ. Αγγεία Τραχεϊδες (Γ) = επιδερμική αναπνοή (στόματα με καταφρακτικά κύτταρα) Στόμα Δ = αγγειακό σύστημα - Φέρει κύτταρα για μεταφορά: Η 2 Ο & θρεπτικών ουσιών 23

Μέρος Β 24

ΤΑ ΖΩΪΚΑ ΚΥΤΤΑΡΑ Τα ζωικά κύτταρα είναι πιο ετερογενή από τα φυτικά. Το ανθρώπινο σώμα αποτελείται από >200 διαφορετικά είδη κυττάρων, συστατικά 5 βασικών τύπων ιστών: Επιθηλιακός Ιστός Συνδετικός (ή Ερειστικός ιστός) Ιστός του αίματος Νευρικός ιστός Μυϊκός ιστός 25

Επιθηλιακός Ιστός Αποτελείται από Επιθηλιακά κύτταρα: 1. Τα Επιθηλιακά κύτταρα είναι: πολυεδρικά, στενά συνδεδεμένα μεταξύ τους με στεγανούς συνδέσμους & δεσμοσώματα και ΕΛΑΧΙΣΤΗ μεσοκυττάρια ουσία 2. Σχηματίζουν περιβλήματα που καλύπτουν την επιφάνεια του σώματος & επενδύουν τα εσωτερικά όργανα 3. Υπάρχουν πολλοί και διαφορετικοί ειδικοί τύποι επιθηλιακών κυττάρων με λειτουργία: για τη προστασία (δέρμα), απορρόφηση (κύτταρα επένδυσης του λεπτού εντέρου) και έκκριση (κύτταρα σιελογόνων αδένων) * Ο επιθηλιακός ιστός διακρίνεται με βάση την μορφή σε: πλακώδες (πεπλατυσμένα κύτταρα), κυβικό και κυλινδρικό επιθήλιο 26

Φωτογραφίες Φωτογραφίες φωτονικού φωτονικού μικροσκοπίου, µικροσκοπίου, αντιπροσωπευτικές ζωικών κυττάρων Αi. Α. Επιθηλιακά Επιθηλιακά κύτταρα κύτταρα της στοματικής στοµατικής κοιλότητας, κοιλότητας, Aii. Β. του του χοληφόρου χοληφόρου πόρου πόρου (αποχέτευση (αποχέτευση χολής χολής από από το ήπαρ το ήπαρ στο στο έντερο) έντερο) & Aiii. & Γ. του του εντέρου εντέρου (παχύ (παχύ στρώμα στρώµα πολλαπλών πολλαπλών στιβάδων) στιβάδων) 25 27

Συνδετικός ιστός (ΣΙ) 1. Συνδέει τμήματα του σώματος και βοηθάει στη διατήρηση της δομής άλλων ιστών 2. Αποτελείται από διάφορους κυτταρικούς τύπους που παράγουν ινίδια κολλαγόνου & ελαστίνης (ελαστικές ίνες), δικτυωτές ίνες (ινίδια κολλαγόνου τύπου ΙΙΙ) & άφθονη πηκτώδη εξωκυτταρική θεμέλια ουσία Διακρίνεται σε Χαλαρό & Πυκνό ΣΙ: Ο χαλαρός ΣΙ που: (1) καλύπτει εσωτερικά επιθηλιακές στιβάδες & (2) συμπληρώνει κενά μεταξύ οργάνων ιστών, αποτελείται από τους ΙΝΟΒΛΑΣΤΕΣ Ο πυκνός ΣΙ που: εντοπίζεται στους τένοντες και τους συνδέσμους -Στους ΣΥΝΔΕΤΙΚΟΥΣ ιστούς περιλαμβάνονται: (α) οι σκελετικοί ιστοί - τα οστά που αποτελούνται από οστεοβλάστες και ο χόνδρος που αποτελείται από χονδροκύτταρα & (β) ο λιπώδης ιστός που αποτελείται από λιπώδη κύτταρα 28

Φωτογραφία ινοβλαστών Κύτταρα με χαρακτηριστική μορφή επιμηκυσμένης ατράκτου Το αίμα είναι τύπος χαλαρού συνδετικού ιστού. Αποτελείται από ερυθροκύτταρα (μεταφορά Ο 2 ) και λευκά αιμοσφαίρια: κοκκιοκύτταρα, μονοκύτταρα, μακροφάγα και λεμφοκύτταρα (συμμετέχουν σε φλεγμονώδεις αντιδράσεις & στην ανοσολογική απόκριση) Φωτογραφία αίματος: ερυθροκύτταρα, κοκκιοκύτταρα, λεμφοκύτταρα και μονοκύτταρα στο ανθρώπινο αίμα. 29

Νευρικός ιστός Νευρικός ιστός αποτελείται από: 1. Υποστηρικτικά κύτταρα & 2. Νευρικά κύτταρα ή νευρώνες: ειδικά κύτταρα μεταβίβασης ερεθισμάτων στο σώμα & μεταφοράς ερεθισμάτων από το περιβάλλον στο σώμα (π.χ: μάτι, αυτί) Μυϊκός ιστός - Μυϊκός ιστός είναι υπεύθυνος για παραγωγή έργου & κίνησης - Διακρίνεται σε: 1. σκελετικό ή γραμμωτό, 2. καρδιακό και 3. λείο μυϊκό ιστό α. Η MYΪKH INA είναι η μικρότερη λειτουργική μονάδα του σκελετικού μυός., Είναι ένα ιδιαίτερα επίμηκες, κυλινδρικό & συσταλτό πολυπύρηνο κύτταρο β. Οι καρδιακές μυϊκές ίνες είναι κυλινδρικά & επιμήκη κύτταρα με 1-2 κεντρικούς πυρήνες γ. H λεία ίνα είναι ένα ατρακτοειδές, επίμηκες, μονοπύρηνο κύτταρο μήκους 20-600 μm 30

Τα Κύτταρα ως Πειραματικά Μοντέλα Η εξέλιξη των κυττάρων: από Κοινό Πρόγονο, η διατήρηση θεμελιωδών ιδιοτήτων των κυττάρων και οι βασικές αρχές που προκύπτουν από πειράματα, οδήγησαν στην ανάπτυξη ΚΥΤΤΑΡΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ για τη μελέτη πολυπλοκότερων οργανισμών ΠΡΟΤΥΠΟΙ ΟΡΓΑΝΙΣΜΟΙ ως ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ Βακτήρια (Escherichia coli) - μελέτη προκαρυωτών Ζυμομύκητες (Saccharomyces sereviciae) - μελέτη ευκαρυωτών Νηματώδης σκώληκας (Caenorhabditis elegans) - ανάπτυξη πολυκύτταρων οργανισμών (ζώων) & κυτταρική διαφοροποίηση Φρουτόμυγα (Drosophila melanogaster) αναπτυξιακή βιολογία Ζώων Φυτό (Arabidopsis thaliana) - μοριακή βιολογία & ανάπτυξη Φυτών Σπονδυλωτά Βάτραχος (Xenopus laevis) - πρώϊμη ανάπτυξη σπονδυλωτών Ψάρι Ζέβρα (Zebrafish) ανάπτυξη & γενετική ανάλυση των σπονδυλωτών Ποντίκι (Mus musculus) ανάπτυξη & γενετική ανάλυση των θηλαστικών 31

Περιεχόμενο DNA διαφόρων οργανισμών - Ι <Ανθρώπου >Ανθρώπου - Το μέγεθος του γονιδιώματος ποικίλλει μεταξύ οργανισμών - Μετράται σε ζεύγη νουκλεοτιδίων (bp) DNA ανά απλοειδές γονιδίωμα - Οργανισμοί με φυλετική αναπαραγωγή π.χ. άνθρωπος, έχουν διπλοειδή γονιδιώματα: δηλ. 1 πατρικής & 1 μητρικής προέλευσης 32

Περιεχόμενο DNA / γονιδίων διαφόρων οργανισμών - ΙΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ 1. το περιεχόμενο DNA & 2. ο αριθμός γονιδίων: α. διαφέρει β. αυξάνει Εξελικτικά * Πολλοί συγγενείς οργανισμοί μπορεί να διαφέρουν στο μήκος DNA του γονιδιώματος τους, αν και έχουν παρόμοιο αριθμό λειτουργικών γονιδίων. 33

Μοντέλο Προκαρυωτικών: το βακτήριο Escherichia coli Το E. coli είναι ραβδόμορφο βακτηριακό κύτταρο. Διαβιεί στο έντερο του ανθρώπου και άλλων σπονδυλωτών. Πολλαπλασιάζεται σε απλά θρεπτικά υλικά. Φέρει 1 μικρό κυκλικό μόριο DNA 4.6Χ10 6 ζευγών νουκλεοτιδίων. Συνθέτει 4.300 είδη πρωτεϊνών. Συγκριτικά, το ανθρώπινο γονιδίωμα είναι ~1000 φορές μεγαλύτερο και περιέχει 20.000-25.000 γονίδια DNA: στην ανοιχτόχρωμη περιοχή 1. H αλληλουχία DNA του προσδιορίστηκε πλήρως το 1997. Πολλαπλασιάζεται ταχύτατα: διαιρείται κάθε 20 min. Πληθυσμός κυττάρων από διαίρεση ενός μόνον αρχικού κυττάρου απομονώνονται ως μια αποικία σε ημιστερεό θρεπτικό μέσο-άγαρ. 2. Αποικίες 10 8 κυττάρων αναπτύσσονται σε 16 ώρες και η επιλογή γενετικών υποτύπων, ανθεκτικών σε αντιβιοτικό όπως η πενικιλίνη, είναι εύκολη και ταχύτατη 3. Απαιτούμενα θρεπτικά συστατικά πολλαπλασιασμού: γλυκόζη, αλατούχες ενώσεις, αμινοξέα, βιταμίνες & πρόδρομες ενώσεις νουκλεϊκών οξέων 4. Σε απλούστερα θρεπτικά συστατικά αναπτύσσεται βραδύτερα σε ~40 min γιατί πρέπει να συνθέσει όλα τα αμινοξέα Βακτηριακές αποικίες: επιφάνεια θρεπτικού υλικού *Η E. Coli χρησιμοποιείται σε Πειράματα Γενετικής Ανάλυσης με άγαρ και στην μελέτη Μεταβολικών (βιοσυνθετικών) πορειών 34

Μοντέλο Ευκαρυωτικών: o σακχαροζυμομύκητας Φωτογραφία: S. cerevisiae Ο Saccharomyces cerevisiae (μαγιά μπύρας) είναι μικρός πρότυπος ευκαρυώτης ζυμομύκητας. Χρησιμοποιείται από ζυθοποιούς, οινοποιούς και αρτοποιούς. Έχει 12Χ10 6 ζεύγη βάσεων DNA με ~6.000 γονίδια. Το γονιδίωμα του είναι ~2.5-3 φορές μεγαλύτερο του E. coli. Πειράματα Γενετικής Ανάλυσης δεν παρουσιάζουν δυσκολίες όπως στα πολύπλοκα ευκαρυωτικά (π.χ. άνθρωπος) Έχει τα τυπικά χαρακτηριστικά των ευκαρυωτικών κυττάρων. Είναι μονοκύτταρος σχετικά ακίνητος μύκητας με: άκαμπτο κυτταρικό τοίχωμα, μιτοχόνδρια αλλά όχι χλωροπλάστες. Έχει πυρήνα που περιβάλλεται από πυρηνική μεμβράνη. Το DNA του είναι κατανεμημένο σε 16 γραμμικά χρωμοσώματα και το κυτταρόπλασμα περιέχει κυτταροσκελετό και υποκυτταρικά οργανίδια Αναπαράγεται σχετικά γρήγορα (2h). Επιτελεί όλες τις βασικές λειτουργίες του ευκαρυωτικού κυττάρου *Αν μεταλλαγμένο κύτταρο ζύμης χάσει ένα γονίδιο απαραίτητο για την κυτταρική διαίρεση, η εισαγωγή ενός αντίστοιχου ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ γονιδίου διορθώνει τη βλάβη και επιτρέπει τη κανονική διαίρεση Διαιρούνται ασύμμετρα σε μεγάλο & μικρό κύτταρο **Με Γενετικές & Βιοχημικές μελέτες κατανοήθηκε: ο κύκλος της κυτταρικής διαίρεσης που απαντάται και σε κύτταρα θηλαστικών 35

Μοντέλο Ζωϊκής ανάπτυξης & Κυτταρικής διαφοροποίησης: o Νηματώδης σκώληκας C. elegans Ο Caenorhabditis elegans είναι σχετικά απλός πολυκύτταρος οργανισμός. Aναπτύσσεται από ένα γονιμοποιημένο ωάριο σε ενήλικο άτομο, με ακριβώς 959 σωματικά κύτταρα και με μεταβλητό αριθμό ωαρίων και σπερματοζωαρίων (1.000-2.000 γαμετικά κύτταρα). 1. Το γονιδίωμα του, 97Χ10 6 ζεύγη βάσεων, φέρει ~19,000 γονίδια (~όσα ο άνθρωπος). Η μελέτη του είναι απλούστερη σε σχέση με τα γονιδιώματα των περισσοτέρων ζώων. 2. Η διαδικασία ανάπτυξής του παρατηρείται με μικροσκόπιο. Eίναι επιδεκτικός γενετικών χειρισμών που ταυτοποίησαν πολλές μεταλλάξεις αναπτυξιακών ανωμαλιών και απομονώθηκαν καθοριστικά γονίδια ελέγχου της ανάπτυξης και διαφοροποίησης των νηματωδών. Παρόμοια γονίδια βρέθηκαν στον άνθρωπο, αναδεικνύοντάς τον ως ιδανικό ΜΟΝΤΕΛΟ ΖΩΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ * Για το 70% των ανθρώπινων πρωτεϊνών υπάρχει κάποια ομόλογη πρωτεΐνη στο C. elegans. Mελέτες ανάπτυξης οδήγησαν στην κατανόηση του προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου, διαδικασία με την οποία το σώμα απαλλάσσεται από τα πλεονάζοντα κύτταρα, την ΑΠΟΠΤΩΣΗ. 36

Μοντέλο Αναπτυξιακής Βιολογίας: Drosophila melanogaster *Η μύγα των φρούτων (ή μύγα ξυδιού ή κρασιού) Καλλιεργείται εύκολα στο εργαστήριο. Λόγω του σύντομου αναπαραγωγικού κύκλου της (~2 εβδομάδες) είναι χρήσιμη για πειράματα Γενετικής (π.χ. σχέση μεταξύ γονιδίων & χρωμοσωμάτων). * Τα γονίδια της εμφανίζουν εντυπωσιακή ομοιότητα με τα ΓΟΝΙΔΙΑ του ΑΝΘΡΩΠΟΥ. Συνέβαλε: 1. στην κατανόηση μηχανισμών Ανάπτυξης από ένα γονιμοποιημένο ωάριο (ζυγώτης) σε ενα πολυκύτταρο οργανισμό με διαφορετικά είδη κυττάρων & 2. στο χαρακτηρισμό γονιδίων της ανάπτυξης του σώματος, οφθαλμών, φτερών, άκρων. 3. Με γονιδίωμα 185Χ10 6 ζεύγη βάσεων κωδικοποιεί ~14.000 γονίδια ομόλογα με τα περισσότερα που έχουν κρίσιμο ρόλο στην παθογένεση νοσημάτων αλλά και την ΑΝΑΠΤΥΞΗ του ΑΝΘΡΩΠΟΥ * ΓΕΝΙΚΑ: Γενετικές και Μοριακές μελέτες επέτρεψαν την κατανόηση Μοριακών μηχανισμών και ταυτοποίησαν πολλά γονίδια ελέγχου της Ζωικής ανάπτυξης & Διαφοροποίησης 37

Μοντέλο Μοριακής Βιολογίας & Ανάπτυξης των Φυτών: Το φυτό Arabidopsis thaliana Η Μοριακή Βιολογία των φυτών είναι αναπτυσσόμενο πεδίο με ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΣΗΜΑΣΙΑ. Τα φυτικά γονιδιώματα είναι πολύπλοκα. Ιδανικό Μοντέλο Φυτικής ανάπτυξης & Γενετικής μπορεί να αποτελέσει ένας σχετικά απλός φυτικός οργανισμός 1. Το μικρό ζιζάνιο-φυτό Arabidopsis thaliana έχει επιλεγεί από 3.000.000 είδη ως πρότυπο φυτό. Αυξάνεται σε εσωτερικό χώρο και αποκτά χιλιάδες απογόνους σε 8-10 εβδομάδες 2. Έχει γονιδίωμα 125Χ10 6 ζεύγη βάσεων DNA με 26.000 γονίδια. Πολλά επαναλαμβάνονται και τα μοναδικά γονίδια είναι ~15.000. Τα γονίδια της είναι ομόλογα σε πολλά είδη καλλιεργούμενων φυτών και προσφέρουν γνώσεις στην Ανάπτυξη και τη Φυσιολογία των φυτών 3. Καλλιεργείται σχετικά εύκολα στο εργαστήριο & έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι Γενετικής τροποποίησης της σε μοριακό επίπεδο. Τέτοια μεθοδολογία ταυτοποίησε γονίδια που εμπλέκονται σε διάφορα στάδια της ανάπτυξης του φυτού, όπως η ΑΝΑΠΤΥΞΗ του ΑΝΘΟΥΣ *Η Γενετική της ανάλυση υπογραμμίζει τις ομοιότητες και διαφορές μεταξύ των μηχανισμών ελέγχου στην ανάπτυξη Φυτών & Ζώων 38

Μοντέλο Πρώϊμης Ανάπτυξης ΣΠΟΝΔΥΛΩΤΩΝ: ο Βάτραχος Ωάρια Βατράχου Xenopus laevis Τα πιο πολύπλοκα ζώα είναι τα σπονδυλωτά συμπεριλαμβανομένου του βατράχου και των θηλαστικών (π.χ. ποντίκι, άνθρωπος) 1. Ο βάτραχος X. laevis αποτελεί ιδανικό μοντέλο μελέτης της πρώϊμης ανάπτυξης Σπονδυλωτών 2. Τα ωάρια του είναι ασυνήθιστα μεγάλα (~1 mm). Όλα τα στάδια της ανάπτυξης, από το αυγό έως τον γυρίνο, γίνονται έξω από το σώμα της μητέρας και μπορούν εύκολα να μελετηθούν. Επιπλέον, τα ωάρια μπορούν να απομονωθούν σε μεγάλες ποσότητες για Βιοχημική Ανάλυση. *Με βάση τα τεχνικά του πλεονεκτήματα χρησιμοποιείται ευρύτατα στην Αναπτυξιακή Βιολογία και: έχουν προκύψει πληροφορίες για μοριακούς μηχανισμούς ελέγχου της Ανάπτυξης, Διαφοροποίησης & Εμβρυϊκής κυτταρικής Διαίρεσης 39

Μοντέλο Ανάπτυξης & Γενετικής Ανάλυσης Σπονδυλωτών: Zebrafish (Α) (Β) (Α) Έμβρυο 24 ωρών (Β) Ενήλικο ψάρι. 1. Το ψάρι ζέβρα (zebrafish) Brachydanio rerio είναι τροπικό ψάρι του γλυκού νερού. Αναπαράγεται γρήγορα στο εργαστήριο (3-4 μήνες). Τα έμβρυα αναπτύσσονται έξω από το σώμα της μητέρας, είναι διαφανή και μπορούν να παρατηρηθούν όλα τα στάδια της ανάπτυξης 2. Η εκκόλαψη γίνεται 12-36 ώρες μετά τη γονιμοποίηση. Οι πρόδρομες δομές όλων των οργάνων εμφανίζονται μετά από 36 ώρες. Το φύλο των νεαρών ατόμων είναι διακριτό μετά από τομή 3. Για την ταυτοποίηση των μεταλλάξεων, που επηρεάζουν την ανάπτυξη αναπτύχθηκαν εξαιρετικές μέθοδοι, μεταξύ των οποίων η κατασκευή δια-γονιδιακών ψαριών ζέβρα * Έχει πολλά πλεονεκτήματα για Γενετική Ανάλυση των Σπονδυλωτών και χρησιμοποιείται ως ΜΟΝΤΕΛΟ AΝΑΠΤΥΞΗΣ 40

Το μοντέλο Ανάπτυξης & Γενετικής Ανάλυσης Θηλαστικών: Ποντίκι -Τα θηλαστικά είναι τα πιο σύνθετα ζώα με: 2-3 φορές περισσότερα γονίδια από τη Drosophila, 25πλάσια ποσότητα DNA/κύτταρο και εκατομμύρια φορές περισσότερα κύτταρα στο σώμα τους 1. Ο ποντικός (Mus musculus) είναι ο πρότυπος οργανισμός Γενετικής Ανάλυση των Θηλαστικών. 2. Η Γενετική Ανάλυση διευκολύνεται από την διαθεσιμότητα της πλήρους γονιδιωματικής αλληλουχίας 3. Παρόλο που η Γενετική μελέτη του ποντικού έχει δυσκολίες, σε σχέση τον σακχαροζυμομύκητα ή τη φρουτόμυγα, έχουν ταυτοποιηθεί πολλές μεταλλάξεις που επηρεάζουν την Ανάπτυξη του 4. Σήμερα κατασκευάζονται γενετικά τροποποιημένοι ποντικοί (διαγονιδιακά ζώα) με εισαγωγή μεταλλαγμένων γονιδίων στα αναπαραγωγικά τους κύτταρα για μελέτη της λειτουργίας τους σ όλον τον οργανισμό 5. Επίσης κατασκευάζονται διαγονιδιακά ποντίκια με στοχευμένες μεταλλάξεις συγκεκριμένων γονιδίων σε διάφορους ιστούς *Για κάθε γονίδιο του ανθρώπου υπάρχει ένα ομόλογο στον ποντικό, με παρόμοια αλληλουχία DNA και λειτουργία. Ο μερικός αλφισμός (ή αλμπινισμός) αποτελεί ένα τέτοιο παράδειγμα. 41

42 Συγκριτικό παράδειγμα ανάπτυξης Ανθρώπου & Ποντικού Παράδειγμα ΟΜΟΛΟΓΟΥ ΑΛΦΙΣΜΟΥ ή ΛΕΥΚΗΣ Το ποντίκι ως ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΗΣ ΑΝΘΡΩΠΙΝΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ Ένα παιδί και ένα ποντίκι παρουσιάζουν παρόμοιες ανωμαλίες στον χρωματισμό του δέρματος (μερικός αλφισμός ή Λεύκη ) λόγω μεταλλαγών σε ένα γονίδιο που απαιτείται για τη φυσιολογική μετανάστευση των μελανοκυττάρων κατά τη διάρκεια της εμβρυϊκής ανάπτυξης. Τα μελανοκύτταρα ευθύνονται για τον χρωματισμό του δέρματος