Developmental Biology III
Katsuo Furukubo-Tokunaga
[email protected]
http://www.biol.tsukuba.ac.jp/~tokunaga/
welcome.html
Everything Starts from an Egg
Salvador Dali
Lady Gaga Is 'Incubating' Inside Egg at Grammys
"She's in an embryonic stage and won't be born until her
performance this evening," says Lori Ann Gibson, her creative
director.
Genes Control Development via
Multiple Stages
Genes
Cells
Tissues
Organs
Organisms
Developmental Biology in the
Post-Genomic Era
March 2000
February 2001
DNA Microarray
FERTILIZATON
0 day
EGG
EMBRYONIC
DEVELOPMENT
1 day HATCHING
LARVA
THREE LARVAL STAGES
5 day PUPATION
PUPA
METAMORPHOSIS
10 day
ADULT
1 mm
Complete Description of Gene Activities
through Development
Embryo, Lava, Pupa, Adult
Different Sets of
Genes are
Expressed in
Different
Developmental
Stages
More than 80% of the Genes are Used during
the First 20 Hours of Fruitfly Development
Development is an Temporal and Spatial
Reconstruction of the Genetic Information
Gene Expression Patterns
Drosophila Embryo
(2 hrs, 6000 cells)
Genes: Red, Blue, Green
14,000 Genes
Advantages of Drosophila melanogaster
in the Study of Animal Development
1. Simple body plan
2. Short life span
3. Complete genomic data
4. Powerful genetic tools
5. Numerous mutants
6. Conserved molecular mechanisms
Among the Best Model Animals for the
Studies of Biological Problems
Conserved Genes between Fly and Human
Science 291,1304 - 1351, 2001.
Flies and Human
How similar?
Flies have:
Human Disease Genes 61%
Human Cancer Genes
68%
Is a fly a human?
Or are you a big fly without
wings??
Master Control Genes :
its all up to the Masters
Making eyes
as you like!
Induction of the eyeless Gene Results
in Ectopic Eyes
GAL4 / UAS System
Ectopic
Eyes are
Complete
Even at the
Microscopic
Level.
Scanning Electron Microscopy
Master Control Genes are Conserved between Flies
and Mammals
Ectopic Fly Eyes induced with a mouse eyeless/Pax6 Gene
Protostomes and Deuterostomes Share
Similarity at Molecular Level
Drosophila Genetics Pioneers the Studies of
Developmental Biology at the Molecular Mechanisms
European Molecular Biology Organization
Fly Meeting, Creta in Greece
SUMMARY
1. Development is a realization of
the genetic program written on
DNA.
1. Small number of master
control genes regulate
development.
Cleaving Embryo
Dali Museum, Spain
1. Underlying molecular
mechanisms are evolutionary
conserved.
Walter J. Gehring, Master Control Genes in Development
and Evolution, Yale Univ. Press.
(浅島 誠監修、古久保 - 徳永克男他訳「ホメオボックス・ストー
リー:形づくりの遺伝子と発生・進化」 東京大学出版会)
Developmental Biology Text Books
Alberts et al., eds. (2008). Molecular Biology of the Cell, 5th ed. Chapter 22
“Development of Multicellular Organisms” , Garland Science, New York, ISBN 08153-3218-1. (細胞の分子生物学 第5版、2008年翻訳、丸善)
Lodish et al., eds. (2007). Molecular Cell Biology, 6th ed. Chapter
15 ”Integration of Signals and gene controls“, Chapter 22 “Cell birth, lineage,
and death”, Scientific American Books, New York, ISBN 0-7167-4366-3.(分子
細胞生物学 第6版、東京化学同人).
Wolpert, L, Beddington, R., Jessell, T. M., Lawrence, P., Meyerowitz, E. M., and
Smithm J. (2007). Principles of Development 3 rd Ed. Oxford University Press ;
ISBN: 0198792913.
http://www.biol.tsukuba.ac.jp/~tokunaga/welcome.html
分子発生生物学
分子神経生物学
古久保 - 徳永
克男
Furukubo-Tokunaga, Katsuo
生命環境科学研究科・構造生物学専攻
生物農林学系棟 B308
[email protected]
http://www.biol.tsukuba.ac.jp/~tokunaga/
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すべては卵からはじまる
サルバドール ダリ
発生は遺伝子によりコントロールさ
れている
遺伝子
細胞
組織
器官
動物体
ポストゲノム時代の発生生物学
全遺伝子配列の解明
2000年3月
DNA Microarray
FERTILIZATON
0 day
EGG
EMBRYONIC
DEVELOPMENT
1 day HATCHING
LARVA
THREE LARVAL STAGES
5 day PUPATION
PUPA
METAMORPHOSIS
10 day
ADULT
1 mm
A Fly trapped in Amber ca. 40,000,000 Years Ago
発生段階ごとの遺伝子の働きを完全に把握する
胚 幼虫 蛹 成虫
異なるセットの遺伝
子が異なる発生段
階において特異的
に発現される
ショウジョウバエでは発生20時間で80%
以上の遺伝子が使用される
発生過程は遺伝子プログラムの時空間的再構成
遺伝子発現パターン
ショウジョウバエ胚
(発生2時間, 6000細胞)
Genes: Red, Blue, Green
14,000 遺伝子
分子レベルの発生研究のモデルとしてのショウ
ジョウバエ
1.単純な構造
2.短い世代時間
3.全ゲノム配列
4.強力な遺伝学
5.数千の変異体
6.保存された分子機構
分子発生研究の革命児
さらに、脳、行動、老化
あらゆる生命現象の必須のモデル生物
様々な機能の遺伝子がショウジョウバエとヒトで保存
されている。
Science 291,1304 - 1351, 2001.
ショウジョウバエ と ヒト
どれだけ似てる?
ヒトの病気遺伝子 61%
ヒトのガン遺伝子
68%
をショウジョウバエは持っている
ショウジョウバエはじつはヒト!?
それとも、私はハエ?
GAL4 / UAS 遺伝子発現システム
好みの場所に
目を作る
eyeless 遺伝子の発現により異所的な複眼
が形成される
異所的に形成
された複眼は
微細構造も正
確に再現され
ている。
走査電子顕微鏡像
マウスやヒトの遺伝子でも遺伝子機構は同じ
マウスPax6遺伝子により誘導された複眼
前口動物と後口動物
は、分子レベルでは
実は良く似ていいる。
保存された遺伝子プ
ログラムの存在
?
ショウジョウバエの遺伝子研究が新しい地平を開拓する
European Molecular Biology Organization
Creta Fly Meeting
まとめ
1. 発生は遺伝子プログラムの
実現過程に集約される。
2. 少数のマスターコントロール
遺伝子が発生を制御している。
3. 発生の分子メカニズムは進
化的に保存されている。
「卵割」
ダリ博物館 スペイン
教科書と参考書
発生生物学
Alberts et al., eds. (2008). Molecular Biology of the Cell, 5th ed. Chapter 22
“Development of Multicellular Organisms”, Garland Science, New York, ISBN 0-81533218-1. (細胞の分子生物学 第5版、2008年翻訳、丸善)
Lodish et al., eds. (2007). Molecular Cell Biology, 6th ed. Chapter 15 ”Integration of
Signals and gene controls“, Chapter 22 “Cell birth, lineage, and death”, Scientific
American Books, New York, ISBN 0-7167-4366-3.(分子細胞生物学 第5版、2005年翻訳、
東京化学同人).
Lewis Wolpert, Rosa Beddington, Thomas M. Jessell, Peter Lawrence, Elliot M.
Meyerowitz, Jim Smith (2007). Principles of Development 3rd Ed. Oxford University
Press ; ISBN: 0198792913.
エッセンシャル発生生物学 (2002). Jonathan Slack (著), 大隅 典子 (翻訳) 羊土社 ;
ISBN: 4897062896.
Walter J. Gehring 著、浅島 誠監修、古久保 - 徳永克男他訳「ホメオボックス・ストーリー:
形づくりの遺伝子と発生・進化」 2002年 東京大学出版会。
教科書と参考書: 神経科学
Carlson, N. R. (2007). Physiology of Behavior. 9th ed. Person Education Inc., Boston, ISBN
0-205-46724-5. (カールソン神経科学テキスト、丸善).
Kandel et al. eds. (2000). Principles of Neural Science, 4th ed. Part VIII "The
Development of the Nervous System", McGraw-Hill, Inc., ISBN 0-8385-7701-6.
エッセンシャル神経科学 Allan Siegel, Hreday N. Sapru (著), 前田 正信(翻訳)丸善
Jonathan Weiner 著、垂水雄二訳「時間・愛・記憶の遺伝子を求めて:生物学者シーモア・ベ
ンザーの軌跡」 2001年 早川書房
Kandel, E. R. (2006) In Search of Memory “The Emergence of a New Science of Mind”,
W.W. Norton & Company, New York.
利根川 進 「私の脳科学講義」 岩波新書.
シリーズ 脳科学 全6巻 東京大学出版会.
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背腹軸の決定と普遍性