Determinace anterio-posteriorní osy při vývoji končetin

Bc. Michael Killinger

Bachelor's thesis

Determination of anterior-posterior axis during limb development

Abstract:

Vývoj končetin představuje komplexní proces na sebe úzce navazujících buněčných a molekulárních mechanismů, které se podílejí na iniciaci a modelování jednotlivých struktur. Pro vývoj této morfologické struktury je důležitá jednak indukce končetinového pupene, dále morfogeneze modulující její tvar a následně diferenciace buněk a tkání, které určují strukturní identitu jednotlivých komponent vyvíjející se končetiny. Tato bakalářská práce předkládá souhrnný přehled buněčné a molekulární regulace uplatňující se v průběhu formování končetin se zaměřením na abnormality modelování anterio-posteriorní osy. Dále se zabývá poruchami molekulární signalizace vedoucími k vývojovým defektům, které mohou být součástí syndromů, jakož i izolovanými vrozenými vadami. Na závěr pak předkládá pilotní studii vlivu vybraných signálních molekul na vývoj končetin a na determinaci anterio-posteriorní osy. Pro experimentální část bylo zvoleno studium funkce proteinů ze signální rodiny WNT, která je nedílnou součástí vývoje končetin. Tato signalizace hraje nemalou roli již při iniciaci vzniku končetin, při jejich následném formování a také během modulace kosterní či svalové soustavy končetin. Cílem práce bylo objasnit vliv WNT5a a WNT7a molekul na determinaci anterio-posteriorní osy. Jejich funkce ve vývoji je částečně známá, avšak jejich podíl na determinaci anterio-posteriorní osy zůstává zatím neobjasněný. Jako modelový organismus jsme zvolili embrya kuřat pro snadnou manipulaci a pro možnost cíleně aplikovat morfogen do raných stadií končetin a následně sledovat jejich vývoj. Po aplikaci obou proteinů, WNT5a i WNT7a, byly pozorovány výrazné fenotypové projevy. Tyto abnormality byly pozorovány jak u raných stadií, kdy ještě nedocházelo k vytvoření chrupavčitých a kostěných základů končetin, tak i u stadií s plně vyvinutým skeletem. Tyto malformace postihovaly převážně distální oblasti končetin a zahrnovaly různé stupně hypoplazií a aplazií u dlouhých kostí i prstů. V této práci se nám díky pozorovanému asymetrickému vývoji kostí zeugopodia a autopodia podařilo prokázat vliv WNT5a i WNT7a na anterio-posteriorní uspořádání skeletálních elementů, nicméně dále bude nutné determinovat jejich specifický vliv na buněčné i tkáňové úrovni.

Abstract:

Limbs development involves a complex of associated and highly determinated cellular and molecular mechanisms that are essential for the initiation and patterning of all limb structures. Limb development is characterized by early induction of limb bud, morphogenesis of final shape and lastly by differentiation of the cells and tissues that contribute to limb function and identity. This bachelor thesis summarizes main mechanisms of cellular and molecular interactions during limb development with focus on anterior-posterior patterning. Moreover, it reviews some disruptions of molecular signaling leading to developmental defects, which can be part of syndromes or be caused by teratogens. Furthermore, the thesis is focused on the effect of selected signaling molecules on limb development and on the modulation of anterior-posterior patterning. We selected two members of WNT signaling family for experiments that are known to function as an essential factors during limb development. WNT signaling plays a critical role in limb initiation, patterning and also at the formation of muscular and skeletal systems. Main aim of our project was to reveal the possible effect of WNT5a and WNT7a on the determination of anterior-posterior axis in limbs. Their role in limb development is partially known but their effect on the anterior-posterior patterning has not been determined yet. We have selected a chick embryo as a model species because of the easy access to embryos, possibility to their manipulation and application the mophogens in the specific areas of the limb bud. Following the application of both WNT5a and WNT7a, we have observed strong phenotypes in the treated wings. Malformations were observed both at early stages of chicken embryos as well as at later stages, where skeleton was already developed. These malformations included hypoplasia and aplasia of bones with the effect observed mainly in the areas of zeugopod and distal autopod. Here, we found a potential effect of WNT5a and WNT7a to anterior-posteiror patterning of the bones during chick wing development but it will be necessary to determinate the certain mechanisms of these WNT proteins on limb patterning both on cellular and molecular levels.

Keywords

končetinové pole, končetinový pupen, Wnt, Fgf, Shh, Hox, Bmp, RA, teratogeny, poruchy vývoje, limb field, limb bud, teratogenes, limb defects

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 31. 5. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 27. 6. 2016
• Supervisor: doc. RNDr. Marcela Buchtová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Experimental Biology / Special Biology