Curator: Jonathan Bard
Eugene M. Izhikevich
Milos Rancic
Nick Orbeck
Figure 1: A section through an early mouse kidney shows the mix of collecting ducts and nephron tubules in a mesenchyme matrix that have been generated by the morphogenetic processes of tube branching (collecting duct system) and mesenchyme-to-epithelial transformation (nephrons)
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). A morfogenezis tehát olyan látszólag egyszerű problémákkal foglalkozik, mint például: hogyan ágaznak el a hámcsatornák mirigyekben (1. ábra), hogyan vándorolnak az idegek a célpontjaikhoz és hogyan ismerik fel azokat, hogyan jönnek össze a mesenchymasejtek, hogy előizom- és előcsont-kondenzációkat alkossanak, hogyan kapcsolódnak az inak a megfelelő csontokhoz, és hogyan változtatják meg a sejtek az alakjukat.
A morfogenezis olyan bonyolultabb kérdésekre is kiterjed, amelyek több összehangolt morfogenetikai folyamatot foglalnak magukban, mint például: hogyan alakulnak ki a csontok, és hogyan szervezi át magát és a hozzá kapcsolódó ereket a korai emlősök szívcsöve, hogy kialakuljon a négykamrás felnőtt szív. Valójában mindenre kiterjed, ami a biológiai alakformálással és a fejlődési anatómiával kapcsolatos. Bár a kérdések egyszerűek, megválaszolásuk nehéznek bizonyult.
A morfogenezis egyike annak a négy kulcsfontosságú, egymással összefüggő eseménycsoportnak, amelyek az egész fejlődést jellemzik:
- Mintázódás: A jövőbeli események pozícióinak kialakítása a térben (különböző léptékekben)
- Az időzítés szabályozása: Az “óra” mechanizmusok, amelyek szabályozzák, hogy mikor történnek az események. Az órák közvetlenül szabályozhatják az egyes szövetek, például a szomiták morfogenezisét, és az események relatív időzítésének változásai (heterokrónia) új testtervek evolúcióját irányíthatják.
- Sejtdifferenciálódás: Változások egy sejt kifejezett génkészletében (molekuláris fenotípusában)
- Morfogenezis: A szöveti szervezetet és alakot létrehozó folyamatok, amelyek általában az időzítésre és a mintázásra adott utólagos válaszok.
Ezek a folyamatok mindegyike általában magában foglalja az egyik szövetből a másikba történő jelátvitelt, a jelek a fehérjeaktivitás és a génexpresszió változásait eredményezik, amelyek olyan eseményeket (a változás motorjait) generálnak, amelyek lehetnek sejt-autonómok, vagy lehetnek sejtek együttműködésével.
“A morfogenezis fontos”
- Ez felelős a szöveti szerveződésért, és így a szervezet anatómiájának, fiziológiájának és viselkedésének nagy részéért.
- A morfogenezist befolyásoló mutációk számos emberi veleszületett rendellenesség hátterében állnak.
- Az alakot megváltoztató mutációk megváltoztatják a faj fittségét szelekciós nyomás alatt, és így evolúciós változásokat indítanak el.
“A morfogenezist nehéz tanulmányozni”: Az összetett szövetek morfogenezisével kapcsolatos jelenlegi ismeretek három okból korlátozottak:
- A kulcsfontosságú események nagy része a korai fejlődés során játszódik le, amikor a szervi csökevények kicsik és nehezen tanulmányozhatók, bár a genetikai manipuláció ma már lehetővé teszi a morfogenezis vizsgálatát olyan szervezetekben, mint a Drosophila ] nagyon kicsi embriókkal.
- A legtöbb szövet nem sokat fejlődik in vitro, és így a szokásos kísérleti manipuláció számára elérhetetlen.
- A morfogenezis eredendő összetettsége (lásd alább) megnehezíti a kísérletezést.
Contents
- 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.
A méretarányokat tekintve a morfogenetikai események a szubcelluláris struktúrák (mint például a filopódiumok) szerveződésétől az egyes sejtek vándorlásán keresztül (pl. egy idegsejt, amely percenként körülbelül egy mikron sebességgel mozog) a sejtek ezreinek összehangolt tevékenységéig terjednek, amely olyan komplex hajtásokat eredményez, amelyek lehetővé teszik, hogy egy egyszerű szívcső több nap alatt (az egérben) négykamrás szervvé alakuljon át. Gyakorlatilag semmit sem tudunk arról, hogyan valósul meg ez a koordináció.
Mivel a test minden szövetének fejlődése magában foglalja a morfogenezist, hatalmas irodalma van. Ez a cikk nem törekszik arra, hogy átfogó legyen, vagy hogy a fejlődési anatómia bármelyik példáját részletesen megvizsgálja, hanem csak az alapokat kívánja ismertetni (a morfogenetikai mechanizmusok molekuláris alapjairól részletesen Davies 2005-ben olvasható). Konkrét áttekintések a Pubmed és a Google segítségével találhatók, míg a morfogenezist tárgyaló tankönyvek a következők: Slack (2005) (jó bevezetés) és Gilbert (2006) (széles körű lefedettség). Az 1990 előtti anyag áttekintését lásd Bard (1990). Néhány kulcsfontosságú példára való hivatkozást az 1. táblázat tartalmaz.
Ez a cikk a morfogenezis sejtes folyamatait tárgyalja; e folyamatok molekuláris alapjait a Morfogenezis sejtes mechanizmusai című cikk tárgyalja
A résztvevő sejtek
A korai embriókban a geometria alapján a sejttípusok három osztályát különböztethetjük meg:
1D: Ez az osztály az egyes sejteket foglalja magában, és legfontosabb morfogenetikai folyamatuk a mozgás. Ilyenek például a neurális gerincsejtek, a primordiális csírasejtek és a szomita-származékok, és ez a terület jelentős érdeklődést váltott ki. Az embrión belüli sejtmozgás irányát pályák (lásd az 1. táblázatban a kontaktirányítást és a haptotaxist), jelátviteli gradiensek (kemotaxis) vagy határterületi kölcsönhatások irányítják. A sejtvándorlás in vivo elemzése során a kulcsproblémák közé tartozik annak azonosítása, hogy mely sejtek kezdenek el mozogni, a mozgást elindító jelek, a vándorlási útvonalak jellege és a megállás módja. A kutatásnak ezt a területét erősíti, hogy képesek vagyunk transzgénikus markerekkel (β-galaktozidáz, zöld fluoreszcens fehérje stb.) jelölni specifikus sejtpopulációkat, amelyek segítségével nyomon követhetjük vándorlásukat a fejlődés során.
2D (valójában: sejtlapok): A polarizált, egyrétegű epitélsejtek erős oldalirányú adhéziót fejtenek ki szomszédjaikkal, bazális lamellát választanak ki, amelyhez más sejtek tapadhatnak, és fenntartanak egy apikális felületet, amelyhez más sejtek nem tudnak tapadni (ezért maradnak egyrétegűek). A hámlemezek határoló felületeket (pl. a felszíni ektoderma és a testüregek mezoteliális bélése) és csöveket (pl. a bél) alkotnak, amelyek arborizálódhatnak (pl. a vese gyűjtőcsőrendszere)(1. ábra)). Az endotéliumok alkotják az érrendszer csöveit, és anatómiailag hasonlóak a hámsejtekhez, de más adhéziós és mátrix molekulákat használnak. A hámsejtek és endotéliumok legfontosabb mofogenetikai folyamatai a hajtogatás, a mozgás (pl. gasztruláció és epibolya), az irányított növekedés (pl. a csatornák nyúlása és elágazása) és a konvergens nyúlás (az a mechanizmus, amely a sejtek alakjának és a szomszédos kapcsolatoknak a megváltozása révén lehetővé teszi, hogy a csövek és lapok megváltoztassák alakjukat – e.pl. Drosophila végtag és tengeri sün bélnyúlványa).
3D: Ezek olyan (általában mesenchymális) sejtcsoportok, amelyek közvetlenül vagy közvetve (pl. extracelluláris mátrix molekulákon keresztül) képesek más hasonló sejtekkel a teljes felületükön tapadni, és így általában 3D-s társulásokban találhatók. Sok mesenchymasejt primitív, és egy vagy több morfogenetikai folyamaton megy keresztül (pl. mozgás), hogy létrehozza a szöveti szerveződés alapvázát, mielőtt különböző sejttípusokká (bőr, porc, csont, izom, ín stb.) tömörülne és differenciálódna. A későbbi morfogenezis erre az állványzatra épül.
2. ábra: Konfokális mikroszkópos felvétel egy korai (E13) egér veséről, ahol két meznchima aggregátum (piros) csatlakozik egy vesevezetékhez: a felső már kialakította a lument és bazális lamina (zöld) képződött a nefronná válás útján. Ez a kép rávilágít arra, hogy a hámsejtek 2D-s struktúrákat alkotnak egy 3D-s mesenchymamátrixon belül.
A hámsejtek és a mesenchymasejtek időnként egymásba alakulhatnak, és a kapcsolódó 3D-s <> 2D-s átalakulások a mesenchymatömegeket lumenek kialakítására kényszerítik (pl.pl. ér- és nefronképződés (1. ábra)), a hámsejtek pedig elveszítik az oldalirányú adhéziót, és így delaminálódhatnak és elvándorolhatnak a lapjaikról (pl. neurális gerincsejtek vándorlása, szomita bontás). A legtöbb funkcionális szövet természetesen komplex 3D struktúrák, amelyek mind a mesenchymális, mind a hámsejtekből és származékaikból, valamint ideg- és érszövetekből állnak. A végső struktúráikhoz vezető morfogenetikai folyamatok gazdagok és összetettek, és nem jól ismertek.
Kísérleti megközelítések
A morfogenezis vizsgálatának első fő megközelítése a sejtek belső morfogenetikai tulajdonságainak vizsgálata volt: Townes és Holtfreter (1955 – egy klasszikus) kimutatta, hogy a kétéltűek embrionális szöveteinek keverékéből származó sejtek randomizált aggregátumai nem csak a sejttípusaikba rendeződnek, hanem némi struktúrát is létrehoznak. A dolgozat megmutatta, hogy a sejtek maguk is rendelkeznek morfogenetikai tulajdonságokkal, amelyeket ki tudnak használni, és a ’60-as ’70-es és ’80-as években számos munkát ösztönzött a sejtek morfogenetikai képességeivel kapcsolatban.
A második megközelítés a sejtek viselkedésének elemzése volt olyan szövetekben, amelyek kultúrában fejlődnek, ahol kísérletileg manipulálhatók. Mivel a csirke- és kétéltűembriók viszonylag nagyok és hozzáférhetőek, ezek voltak a választott modellfajok a morfogenezis tanulmányozására (pl. neurális gerinc- és idegvándorlás, szaruhártya-fejlődés, gasztruláció és hámmorfogenezis), bár az átlátszó tengeri sünnel (pl. annak gasztrulációja) és egérembriókkal (különösen a csatornás mirigyekkel: vese, nyálmirigy, tüdő stb.) is folytak munkák. A kis gerinctelenek embrióinak tanulmányozásában egyik megközelítésnek sem volt sok haszna.
3. ábra: A morfogenetikai mozgás néhány alapvető módja. (Slack (2005) munkájából, engedélyt kérünk)
Mindez a kísérleti munka egy olyan tulajdonságkészlet megvilágításában csúcsosodott ki, amelyet a sejtek a szöveti szerveződés létrehozásában használhatnak (3. ábra), és amelyet a morfogenetikai eszköztárnak nevezhetünk 1. táblázat. Ez olyan tulajdonságokat foglal magában, mint a sejtek mozgása és annak korlátai, a hám átrendeződése és elágazása, valamint a terek kialakulása.
A morfogenezis általános területén a legtöbb jelenlegi munka a
- Ezen eszközök molekuláris alapjaira összpontosít.
- Hogy ezen eszközök közül melyeket használják a sejtek egy adott szövet kialakításához, és hogyan használják azokat.
Mindkét megközelítés kihasználja a transzgenikus állatok használatát, ahol a génmanipuláció a szöveti szerveződés megváltozásához vagy bizonyos sejtek jelöléséhez vezetett (pl. zöld fluoreszcens fehérjével). Az ilyen molekuláris megközelítések az összes fő modellorganizmus – az egér Mus mus musculis, a zebrahal Brachidanio rerio, a gyümölcslégy Drosophila melanogaster és a körömféreg Caenorhabditis elegans – esetében alkalmazhatók.
A nagyobb kép
A szövetek morfogenezisének teljes körű vizsgálata mindig a fejlődési anatómia részletes megértésével kezdődik. Ezt követik a kísérletek a következők feltárására:
- “A morfogenezist megalapozó sejtszerveződés”. Ez magában foglalja a kezdeti geometriát és minden olyan felületet vagy határt, amely korlátozza a sejtek későbbi viselkedését.
- “A morfogenezist elindító jelek a kezdeményező és a fogadó sejtekkel együtt”. Erről sok mindent tudunk (lásd Gilbert). Egy példa a jelre a GDNF növekedési faktor, amely mind az egérvese morfogenezisét, mind az egérbél kolonizációját elindítja a neurális crest sejtek által, amelyek az enterális idegrendszert fogják alkotni.
- “A sejtalapú folyamatok, amelyek a szövetképződést irányítják” Ez a jól definiált készlet (a morfogenetikai eszköztár 1. táblázat) gyakran magában foglalja a sejtek kooperatív viselkedését, de keveset tudunk arról, hogyan teszik ezt.
- “A sejtfolyamatok molekuláris mozgatórugói” A morfogenezis dinamikus folyamat, amelyet korlátozott számú, a sejtfelszínt (pl. adhéziós molekulákat) és a citoszkeletet érintő molekuláris mechanizmusok irányítanak. A legfontosabb mozgatórugók a következők:
- Aktin összehúzódás a citoszkeletonon belül Ez adja a sejtmozgás, hámhéj összehajlás stb. molekuláris alapját.
- CAM által közvetített sejtkondenzációk: A csontok, izmok, porcok stb. kialakulásának első lépése.
- Kontextuális növekedés A ciliáris test hámsejtjeinek meghajlását a csirke szemében és az emberi agyban a rögzített határok által korlátozott növekedés hajtja.
- Apoptózis A számjegyek a számjegyek közötti mesenchyma apoptotikus elvesztése révén válnak szét.
- A glikozaminoglikánok hidratációja Ez üregeket hozhat létre (pl. ezek duzzadása felelős a szem elülső és hátsó kamrájáért, valamint az ízületek ízületi üregeiért és a korai szívben a szívkocsonyáért).
- Sejtdifferenciálódás Ha a mesenchymasejtek hámsejtekké válnak, akkor 3D tömegből 2D lapkává szerveződnek át (és fordítva; pl. korai nefronképződés – ábra).
- Egyéb alkalmi erők A korai szívben a véráramlás két áramlásra kényszerül, és ezek külön nyomása a kiáramlási traktusban lévő endokardiális csőre torzítja ezt a lágy szövetet, és a spirális szeptum kialakulásához vezet
- Hogyan fejeződnek be a morfogenetikai folyamatok Kevés figyelmet fordítottak erre, de két példa szemlélteti a lehetőségeket
- Egy kulcsfontosságú gén szabályozódik le. Ez a nyálmirigyben történik, ahol az elágazó morfogenezist egy hialuronidáz segíti elő. Ha az enzim elveszik, az elágazás leáll.
- Az új szerkezet önmagában stabil. Érdekes példa az eph-ephrin kölcsönhatások által közvetített határképződés. Ha egy eph+ sejt kapcsolatba lép egy megfelelő ephrin+ sejttel, a migrációs aktivitás mindkét sejtben blokkolódik, és így a sejttípusok keveredése gátolt. Az ilyen kölcsönhatások stabil határokat állítanak fel a hátsó agyban a rombomerek között (a gerincvelői idegek útját is szabályozzák, és távol tartják egymástól az artériákat és a vénákat).
A jelenlegi helyzet
A morfogenezis a 70-es években és a 80-as évek elején fontos kutatási terület volt, de az aktivitás aztán csökkent, mivel a fejlődési kutatás fókusza a differenciálódást szabályozó hálózatokban részt vevő gének felfedezésére és tanulmányozására helyeződött át. A morfogenezis most három okból újra napirendre került.
- A szöveti szerveződést szabályozó molekulák (pl. ephs és ephrinek) felfedezése, így a molekuláris genetikai technikákat alkalmazni lehet a morfogenezis elemzésére.
- A transzgenikus egértechnológia kifejlesztése, amely lehetővé teszi a molekulák morfogenetikai szerepének vizsgálatát.
- A szövetsebészet fejlesztése, amely a morfogenezisre vonatkozó ismeretek alkalmazását jelenti a klinikai orvoslás számára hasznos struktúrák létrehozására.
A nettó eredmény a 21. század első évtizedében hatalmas mennyiségű munka volt, amely sokat megmagyarázott a morfogenezis molekuláris alapjairól, bár kevesebbet tudunk arról, hogy ezek hogyan integrálódnak a sejtek szintjén. Vannak tehát olyan fő területek, ahol a megértésünk nagyon korlátozott, és a megoldásra váró problémák közé tartoznak:
- Hogyan szerveződnek a neuronok, hogy működőképes idegrendszert alkossanak
- Hogyan rendeződnek át a hámsejtek a szívben, a fülben és a bélben látható tekervényes alakzatokká.
- Hogyan alakulnak ki a mesenchimasejtek egyszerű tömörülésben izmokat és csontokat, az ehhez szükséges bonyolult alakformálással együtt.
- Hogyan szerveződnek és integrálódnak az izmok, inak, csontok és szalagok.
Az olvasó megjegyzi, hogy e kérdések némelyike túlmutat a morfogenezis korábban adott definícióján. Úgy legyen! A fejlődés nehéz téma, határai elmosódottak, és a molekuláris felismerések megváltoztatják gondolkodásunkat. Ezek azonban izgalmas idők a téma számára, és az a képességünk, hogy a hagyományos és a molekuláris kísérleti megközelítéseket némi okos gondolkodással kombináljuk, forradalmasítani fogja a megközelítéseinket annak vizsgálatában, hogyan nyerik el formájukat az egyes szövetek. Valószínűnek tűnik, hogy a következő évtized valódi információkat fog hozni a komplex szöveti morfogenezis részleteiről az összes fő modellorganizmusban.”
Ezek a morfogenezist tárgyaló néhány jól ismert könyv (Townes cikkét még érdemes elolvasni). 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
Sponsored by: Eugene M. Izhikevich, Editor-in-Chief of Scholarpedia, the peer-reviewed open-access encyclopedia
Reviewed by: Anonymous
Accepted on: 2008-05-09 20:06:22 GMT