Morphogenesis

Morphogenesis means the generation of form, and usually in the context of developmental biology where it means the generation of tissue organization and shape in animal and plant embryos (it also covers the generation of internal organization in complex single-cell organisms such as Acetabularia – an area not discussed here). Morfogeneze se tedy zabývá zdánlivě jednoduchými problémy, jako například: jak se epitelové kanálky větví ve žlázách (obr. 1), jak nervy migrují ke svým cílům a rozpoznávají je, jak se mezenchymální buňky spojují, aby vytvořily předsvalové a předkostní kondenzace, jak se šlachy spojují s příslušnými kostmi a jak buňky mění svůj tvar.

Morfogeneze zahrnuje i složitější otázky, které zahrnují několik koordinovaných morfogenetických procesů, jako například: jak se formují kosti a jak se reorganizuje raná srdeční trubice savců a s ní spojené cévy, aby vzniklo čtyřkomorové srdce dospělého člověka. Kniha se zabývá vším, co souvisí s biologickým tvarováním a vývojovou anatomií. Ačkoli jsou otázky jednoduché, ukázalo se, že je obtížné na ně odpovědět.

Morfogeneze je jednou ze čtyř klíčových vzájemně propojených tříd událostí, které charakterizují celý vývoj:

1. Vzorkování: Nastavení pozic budoucích událostí v prostoru (v různých měřítkách)
2. Regulace načasování: Mechanismy „hodin“, které regulují, kdy k událostem dochází. Hodiny mohou přímo regulovat morfogenezi jednotlivých tkání, například somitů, a změny relativního načasování událostí (heterochronie) mohou řídit evoluci nových tělesných plánů.
3. Diferenciace buněk: Změny v souboru exprimovaných genů buňky (její molekulární fenotyp)
4. Morfogeneze: Procesy, které vytvářejí organizaci a tvar tkání a jsou obvykle následnou reakcí na časování a patternování.

Každý z těchto procesů obvykle zahrnuje signalizaci z jedné tkáně do druhé, přičemž signály vedou ke změnám v aktivitě proteinů a v expresi genů, které generují události (motory změn), jež mohou být buď autonomní, nebo mohou zahrnovat spolupráci buněk.

„Morfogeneze je důležitá“

• Zodpovídá za uspořádání tkání, a tedy za velkou část anatomie, fyziologie a chování organismu.
• Mutace, které ovlivňují morfogenezi, jsou základem mnoha lidských vrozených abnormalit.
• Mutace, které mění tvar, mění zdatnost druhu pod selekčním tlakem, a tak jsou motorem evolučních změn.

„Morfogeneze se obtížně studuje“: Současné znalosti o morfogenezi složitých tkání jsou omezené ze tří důvodů:

1. Mnoho klíčových událostí se odehrává během raného vývoje, kdy jsou orgánové rudimenty malé a obtížně studovatelné, i když genetické manipulace nyní umožňují zkoumat morfogenezi u organismů, jako je Drosophila ] s velmi malými embryi.
2. Většina tkání se v podmínkách in vitro do značné míry nevyvine, a proto jsou pro standardní experimentální manipulaci nedostupné.
3. Vnitřní složitost morfogeneze (viz níže) ztěžuje experimentování.

• 1 The Basics
• 2 The participating cells
• 3 Experimental approaches
• 4 The bigger picture
• 5 The current situation
• 6 References
• 7 See Also

The Basics

Tissue organization arises from cells exhibiting a set of well-defined morphogenetic behaviors (the morphogenetic toolkit – Table 1) that include movement, shape change, differential growth and apoptosis (programmed cell death). Differential growth is particularly important in plant morphogenesis, not considered here, where there is no cell movement (except by pollen tubes) and little apoptosis.

Co se týče měřítka, morfogenetické děje sahají od organizace subcelulárních struktur (např. filopodií) přes migraci jednotlivých buněk (např. buňky nervového hřebene pohybující se rychlostí asi jeden mikron za minutu) až po koordinovanou činnost tisíců buněk, díky níž je dosaženo složitých záhybů, které umožňují, aby se jednoduchá srdeční trubice během několika dní (u myši) reorganizovala ve čtyřkomorový orgán. O tom, jak je takové koordinace dosaženo, nevíme prakticky nic.

Jelikož vývoj každé tkáně v těle zahrnuje morfogenezi, má obrovské množství literatury. Tento článek se nesnaží být vyčerpávající ani se podrobně nezabývá žádným příkladem vývojové anatomie, ale klade si za cíl pouze poskytnout základní informace (podrobnosti o molekulární podstatě morfogenetických mechanismů lze nalézt v Davies 2005). Konkrétní přehledy lze nalézt pomocí Pubmedu a Googlu, zatímco mezi učebnice, které se morfogenezí zabývají, patří např: Slack (2005) (dobrý úvod) a Gilbert (2006) (široký záběr). Přehled materiálů z období před rokem 1990 viz Bard (1990). Odkazy na některé klíčové příklady jsou uvedeny v tabulce 1.

Tento článek pojednává o buněčných procesech morfogeneze; molekulární podstata těchto procesů je diskutována v článku Buněčné mechanismy morfogeneze

Zúčastněné buňky

Tři třídy buněčných typů v raných embryích lze rozlišit na základě geometrie:

1D: Tato třída zahrnuje jednotlivé buňky a jejich nejdůležitějším morfogenetickým procesem je pohyb. Příkladem jsou buňky nervového hřebene, primordiální zárodečné buňky a deriváty somitů a tato oblast přitahuje značný zájem. Směr pohybu buněk v embryu je řízen drahami (viz kontaktní vedení a haptotaxe v tabulce 1), signálními gradienty (chemotaxe) nebo hraničními interakcemi. Klíčovými problémy při analýze buněčné migrace in vivo je určení, které buňky se začínají pohybovat, signály pro zahájení pohybu, povaha migračních drah a způsob zastavení. Tuto oblast výzkumu posílila naše schopnost označovat specifické buněčné populace transgenními markery (β-galaktosidáza, zelený fluorescenční protein atd.), které nám umožňují sledovat jejich migraci během vývoje.

2D (vlastně: listy buněk): Polarizované jednovrstevné epitelové buňky vytvářejí silné adheze ze strany na stranu ke svým sousedům, vylučují bazální lamelu, ke které mohou přilnout další buňky, a udržují apikální povrch, ke kterému jiné buňky nemohou vytvářet adheze (proto zůstávají jednovrstevné). Epitelové listy vytvářejí ohraničené povrchy (např. povrchový ektoderm a mezotelové výstelky tělních dutin) a trubice (např. střevo), které mohou arborizovat (např. systém sběrných kanálků ledvin) (obrázek 1)). Endotelie tvoří trubice cévního systému a jsou anatomicky podobné epiteliím, ale používají jiné adhezivní a matrixové molekuly. Nejdůležitějšími mofogenetickými procesy epitelů a endotelií jsou skládání, pohyb (např. gastrulace a epibolie), řízený růst (např. prodlužování a větvení kanálků) a konvergentní prodlužování (mechanismus, který prostřednictvím změn tvaru buněk a sousedských vztahů umožňuje měnit tvar trubic a listů – např.např. prodlužování končetin drozofil a střev mořských ježků).

3D: Jedná se o skupiny buněk (obvykle mezenchymálních), které mohou přímo nebo nepřímo (např. prostřednictvím molekul extracelulární matrix) adherovat s jinými podobnými buňkami po celém svém povrchu, a proto se obvykle vyskytují ve 3D asociacích. Mnohé mezenchymální buňky jsou primitivní a projdou jedním nebo více morfogenetickými procesy (např. pohybem), aby vytvořily základní lešení organizace tkáně, než se zkondenzují a diferencují do řady buněčných typů (kůže, chrupavka, kost, sval, šlacha atd.). Pozdější morfogeneze na tomto lešení staví.

Epiteliální a mezenchymální buňky se mohou příležitostně přeměnit jedna v druhou a související 3D <> 2D přeměny nutí mezenchymální masy získat lumen (např.např. tvorba krevních cév a nefronů (Obrázek 1)) a epitelové buňky ztrácejí adheze ze strany na stranu, a tak se mohou odštěpovat a migrovat od svých listů (např. migrace buněk neurálního hřebene, rozpad somitů). Většina funkčních tkání jsou samozřejmě komplexní 3D struktury složené z mezenchymálních i epitelových buněk a jejich derivátů, spolu s nervovou a cévní tkání. Morfogenetické procesy, které vedou k jejich konečné struktuře, jsou bohaté a složité a nejsou dobře známy.

Experimentální přístupy

Prvním významným přístupem ke zkoumání morfogeneze bylo zkoumání vnitřních morfogenetických vlastností buněk: Townes a Holtfreter (1955 – klasika) ukázali, že náhodně vybrané agregáty buněk ze směsi embryonálních tkání obojživelníků se nejen roztřídí na své buněčné typy, ale také vytvoří určitou strukturu. Práce ukázala, že buňky samy o sobě mají morfogenetické vlastnosti, které mohou využít, a podnítila velké množství prací v 60. až 70. a 80. letech, které se zabývaly morfogenetickými schopnostmi buněk.

Druhým přístupem byla analýza chování buněk v tkáních, které se vyvinou v kultuře, kde s nimi lze experimentálně manipulovat. Vzhledem k tomu, že embrya mláďat a obojživelníků jsou relativně velká a dostupná, byla zvolena jako modelové druhy pro studium morfogeneze (např. migrace nervového hřebene a nervů, vývoj rohovky, gastrulace a morfogeneze epitelu), i když se pracovalo také na průhledném ježkovi (např. jeho gastrulace) a embryích myší (zejména kanálkové žlázy: ledviny, slinné žlázy, plíce atd.). Ani jeden z těchto přístupů nebyl při studiu embryí malých bezobratlých příliš užitečný.

Všechna tato experimentální práce vyústila v objasnění souboru vlastností, které mohou buňky využívat při vytváření organizace tkání (obr. 3) a které lze nazvat Soubor morfogenetických nástrojů (The Morphogenetic Toolkit Table 1). Patří sem vlastnosti jako pohyb buněk a jeho omezení, reorganizace a větvení epitelu a tvorba prostorů.

Většina současných prací v obecné oblasti morfogeneze se zaměřuje na

• Molekulární základ těchto nástrojů.
• Které z těchto nástrojů buňky používají pro tvorbu konkrétní tkáně a jak je používají.

Oba přístupy využívají transgenních zvířat, u nichž genové manipulace vedly ke změnám v uspořádání tkání nebo ke značení konkrétních buněk (např. pomocí zeleného fluorescenčního proteinu). Takové molekulární přístupy lze použít u všech hlavních modelových organismů – myši Mus musculis, zebřičky Brachidanio rerio, ovocné mušky Drosophila melanogaster a hlístice Caenorhabditis elegans.

Celkový obraz

Každé úplné zkoumání morfogeneze tkáně vždy začíná podrobným pochopením její vývojové anatomie. Poté následují experimenty, jejichž cílem je odhalit:

1. „Buněčnou organizaci, která je základem morfogeneze“. To zahrnuje počáteční geometrii a všechny povrchy nebo hranice, které budou omezovat následné chování buněk.
2. „Signály, které iniciují morfogenezi spolu s iniciujícími a přijímajícími buňkami“. O tom je známo mnoho (viz Gilbert). Příkladem signálu je růstový faktor GDNF, který iniciuje jak morfogenezi myší ledviny, tak kolonizaci myšího střeva buňkami neurálního hřebene, které vytvoří enterický nervový systém.
3. „Buněčné procesy, které řídí tvorbu tkání“ Tento dobře definovaný soubor (morfogenetická sada nástrojů, tabulka 1) často zahrnuje buňky, které se chovají kooperativně, ale víme jen málo o tom, jak to dělají.
4. „Molekulární hybatelé buněčných procesů“ Morfogeneze je dynamický proces řízený omezeným počtem molekulárních mechanismů zahrnujících povrch buněk (např. adhezní molekuly) a cytoskelet. Klíčovými hybateli jsou:
   1. Kontrakce aktinu v rámci cytoskeletu To poskytuje molekulární základ pohybu buněk, skládání epitelu atd.
   2. Kondenzace buněk zprostředkovaná CAM:
   3. Kontextuální růst Vzpínání epitelů v řasnatém tělese kuřecího oka a v lidském mozku je poháněno růstem omezeným pevnými hranicemi.
   4. Apoptóza Číslice se oddělují díky apoptotické ztrátě mezenchymu mezi číslicemi.
   5. Hydratace glykosaminoglykanů Ta může vytvářet dutiny (např. jejich bobtnání je zodpovědné za přední a zadní komoru oka, stejně jako synoviální dutiny v kloubech a srdeční rosol v raném srdci).
   6. Diferenciace buněk Pokud se mezenchymální buňky stanou epiteliálními, reorganizují se z 3D hmoty na 2D list (a naopak; např. vznik raného nefronu – obrázek).
   7. Další příležitostné síly Proudění krve v raném srdci je vytlačováno do dvou proudů a jejich oddělené tlaky na endokardiální trubici ve výtokovém traktu tuto měkkou tkáň deformují a vedou ke vzniku spirální přepážky
5. Jak jsou morfogenetické procesy ukončeny Tomu bylo věnováno málo pozornosti, ale dva příklady ilustrují možnosti

• Klíčový gen je downregulován. K tomu dochází ve slinné žláze, kde morfogenezi větvení usnadňuje hyaluronidáza. Po ztrátě enzymu se větvení zastaví.
• Nová struktura je vnitřně stabilní. Zajímavým příkladem je tvorba hranic zprostředkovaná interakcí eph-ephrin. Pokud se eph+ buňka dostane do kontaktu s příslušnou ephrin+ buňkou, je migrační aktivita obou buněk zablokována, a proto dochází k míšení obou typů buněk. Takové interakce vytvářejí stabilní hranice mezi rombomerami v zadním mozku (řídí také dráhy míšních nervů a udržují od sebe tepny a žíly).

Současná situace

Morfogeneze byla důležitou oblastí výzkumu v 70. a na počátku 80. let, ale poté aktivita poklesla, protože těžiště výzkumu ve vývoji se přesunulo k objevování a studiu genů zapojených do sítí regulujících diferenciaci. Nyní je morfogeneze opět na pořadu dne, a to ze tří důvodů.

1. Objev molekul (např. efs a efrinů), které řídí uspořádání tkání, takže molekulárně genetické techniky lze použít k analýze morfogeneze.
2. Vývoj technologie transgenních myší, která umožňuje testovat morfogenetické role molekul.
3. Rozvoj tkáňového inženýrství, které zahrnuje využití poznatků o morfogenezi k vytváření struktur užitečných pro klinickou medicínu.

Celkovým výsledkem je obrovské množství práce v prvním desetiletí 21. století, které vysvětlilo mnohé o molekulárních základech morfogeneze, i když méně se ví o tom, jak jsou tyto základy integrovány na buněčné úrovni. Existují tedy hlavní oblasti, kde jsou naše znalosti velmi omezené, a mezi problémy, které je třeba vyřešit, patří:

• Jak se neurony uspořádávají, aby vytvořily fungující nervový systém
• Jak se epitelie přeskupují do spletitých tvarů, které vidíme u srdce, ucha a střev.
• Jak buňky mezenchymu v pouhé kondenzaci vytvářejí svaly a kosti se vším složitým tvarováním, které to vyžaduje.
• Jak se svaly, šlachy, kosti a vazy organizují a integrují.

Čtenář si všimne, že některé z těchto otázek přesahují definici morfogeneze uvedenou dříve. Budiž! Vývoj je obtížné téma, jeho hranice jsou nejasné a molekulární poznatky mění naše myšlení. Pro toto téma však nastává vzrušující doba a naše schopnost kombinovat tradiční a molekulární experimentální přístupy s některými chytrými myšlenkami způsobí revoluci v našich přístupech ke zkoumání toho, jak konkrétní tkáně získávají svou podobu. Zdá se pravděpodobné, že příští desetiletí přinese skutečné informace o detailech morfogeneze složitých tkání u všech hlavních modelových organismů.

Jedná se o několik známých knih, které pojednávají o morfogenezi (za přečtení stojí ještě článek Townes). Detailed research articles are cited in the Table 1 subpage, while reviews can be found via Pubmed.

• Bard, JBL (1990) Morphogenesis: the cellular and molecular processes of developmental anatomy Cambridge University Press.

• Davies JA (2005) Mechanisms of Morphogenesis. Academic Press

• Gilbert SF (2006) Developmental Biology (8th edn.). Sinauer Ass.

• Slack J (2005) Essential Developmental Biology (2nd edn) Blackwell Publishing.

• Townes and Holtfreter (1955) Directed movements and selective adhesion of embryonic amphibian cells. J. exp Zool. 128:53-120.

Internal references

• Valentino Braitenberg (2007) Brain. Scholarpedia, 2(11):2918.

• Jamie Davies (2008) Cellular mechanisms of morphogenesis. Scholarpedia, 3(2):3615.

• Olaf Sporns (2007) Complexity. Scholarpedia, 2(10):1623.

• John B. Furness (2007) Enteric nervous system. Scholarpedia, 2(10):4064.

• Hans Meinhardt (2006) Gierer-Meinhardt model. Scholarpedia, 1(12):1418.

• Hermann Haken (2007) Synergetics. Scholarpedia, 2(1):1400.

See Also

Cellular mechanisms of morphogenesis, Gierer-Meinhardt model, Pattern formation, Self-organization, Synergetics