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). La morfogenesi si occupa quindi di problemi apparentemente semplici come: come i dotti epiteliali si ramificano nelle ghiandole (Figura 1), come i nervi migrano e riconoscono i loro obiettivi, come le cellule mesenchimali si uniscono per formare condensazioni pre-muscolari e pre-osse, come i tendini si collegano alle ossa appropriate, e come le cellule cambiano le loro forme.

La morfogenesi copre anche questioni più complicate che coinvolgono diversi processi morfogenetici coordinati come: come le ossa sono modellate, e come il tubo cardiaco dei primi mammiferi riorganizza se stesso e i suoi vasi sanguigni associati per produrre il cuore adulto a 4 camere. In effetti, copre tutto ciò che ha a che fare con il modellamento biologico e l’anatomia dello sviluppo. Anche se le domande sono semplici, si sono rivelate difficili da risolvere.

La morfogenesi è una delle quattro classi chiave di eventi interrelati che caratterizzano tutto lo sviluppo:

1. Piattaforma: L’impostazione delle posizioni degli eventi futuri attraverso lo spazio (in una varietà di scale)
2. Regolazione dei tempi: I meccanismi di “orologio” che regolano quando gli eventi accadono. Gli orologi possono regolare direttamente la morfogenesi di singoli tessuti come i somiti, e i cambiamenti dei tempi relativi degli eventi (eterocronia) possono guidare l’evoluzione di nuovi piani corporei.
3. Differenziazione cellulare: Cambiamenti nell’insieme dei geni espressi di una cellula (il suo fenotipo molecolare)
4. Morfogenesi: I processi che generano l’organizzazione e la forma dei tessuti e sono di solito la risposta a valle del timing e del patterning.

Ognuno di questi processi di solito comporta la segnalazione da un tessuto all’altro, i segnali che risultano in cambiamenti nell’attività proteica e nell’espressione genica che generano eventi (motori di cambiamento) che possono essere autonomi dalle cellule o possono coinvolgere la cooperazione cellulare.

“La morfogenesi è importante”

• È responsabile dell’organizzazione dei tessuti e quindi di gran parte dell’anatomia, della fisiologia e del comportamento di un organismo.
• Le mutazioni che influenzano la morfogenesi sono alla base di molte anomalie congenite umane.
• Le mutazioni che alterano la forma alterano la fitness di una specie sotto pressione di selezione e quindi guidano il cambiamento evolutivo.

“La morfogenesi è difficile da studiare”: La conoscenza attuale della morfogenesi dei tessuti complessi è limitata per tre motivi:

1. Molti degli eventi chiave avvengono durante lo sviluppo precoce, quando i rudimenti degli organi sono piccoli e difficili da studiare, anche se la manipolazione genetica sta permettendo di studiare la morfogenesi in organismi come la Drosophila ] con embrioni molto piccoli.
2. La maggior parte dei tessuti non sviluppano molto della loro forma in vitro e quindi sono inaccessibili alla manipolazione sperimentale standard.
3. La complessità intrinseca della morfogenesi (vedi sotto) rende difficile la sperimentazione.

• 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.

Per quanto riguarda la scala, gli eventi morfogenetici si estendono dall’organizzazione di strutture subcellulari (come i filopodi) attraverso la migrazione di singole cellule (ad esempio una cellula della cresta neurale che si muove ad una velocità di circa un micron al minuto) all’attività coordinata di migliaia di cellule che realizza i complessi ripiegamenti che permettono ad un semplice tubo cardiaco di riorganizzarsi in diversi giorni (nel topo) in un organo a quattro camere. Non sappiamo praticamente nulla su come tale coordinazione sia ottenuta.

Come lo sviluppo di ogni tessuto nel corpo coinvolge la morfogenesi, ha una letteratura enorme. Questo articolo non cerca di essere esaustivo o di considerare in dettaglio qualsiasi esempio di anatomia dello sviluppo, ma si propone solo di fornire le basi (i dettagli sulle basi molecolari dei meccanismi morfogenetici possono essere trovati in Davies 2005). Recensioni specifiche possono essere trovate usando Pubmed e Google, mentre i libri di testo che discutono la morfogenesi includono: Slack (2005) (una buona introduzione) e Gilbert (2006) (ampia copertura). Per una revisione del materiale precedente al 1990, vedere Bard (1990). I riferimenti ad alcuni esempi chiave sono riportati nella tabella 1.

Questo articolo discute i processi cellulari della morfogenesi; la base molecolare di questi processi è discussa nell’articolo sui Meccanismi cellulari della morfogenesi

Le cellule partecipanti

Tre classi di tipi di cellule nei primi embrioni possono essere distinte sulla base della geometria:

1D: Questa classe comprende singole cellule, e il loro processo morfogenetico più importante è il movimento. Gli esempi includono le cellule della cresta neurale, le cellule germinali primordiali e i derivati dei somiti, e quest’area ha attirato un notevole interesse. La direzione del movimento cellulare all’interno di un embrione è controllata da tracce (vedi guida a contatto e aptotassi Tabella 1), gradienti di segnalazione (chemiotassi) o interazioni di confine. I problemi chiave nell’analisi della migrazione cellulare in vivo sono l’identificazione di quali cellule iniziano a muoversi, i segnali per iniziare il movimento, la natura delle vie di migrazione e la modalità di arresto. Questa area di ricerca è stata rafforzata dalla nostra capacità di etichettare specifiche popolazioni di cellule con marcatori transgenici (β-galattosidasi, proteina verde fluorescente ecc.) per permetterci di seguire le loro migrazioni attraverso lo sviluppo.

2D (in realtà: fogli di cellule): Le cellule epiteliali polarizzate e monostratificate fanno forti adesioni da un lato all’altro dei loro vicini, secernono una lamina basale alla quale altre cellule possono aderire, e mantengono una superficie apicale alla quale altre cellule non possono aderire (per questo rimangono un monostrato). I fogli epiteliali formano superfici di delimitazione (per esempio l’ectoderma superficiale e i rivestimenti mesoteliali delle cavità corporee) e tubi (per esempio l’intestino) che possono arborizzarsi (per esempio il sistema di dotti collettori del rene) (Figura 1). Gli endoteli formano i tubi del sistema vascolare e sono anatomicamente simili agli epiteli, ma usano diverse molecole di adesione e di matrice. I processi mofogenetici più importanti degli epiteli e degli endoteli sono il ripiegamento, il movimento (per esempio la gastrulazione e l’epibolia), la crescita controllata (per esempio l’estensione e la ramificazione dei dotti) e l’estensione convergente (il meccanismo che, attraverso cambiamenti nella forma delle cellule e nelle relazioni tra vicini, permette a tubi e fogli di cambiare la loro forma – per es.

3D: Si tratta di gruppi di cellule (di solito mesenchimali) che possono aderire direttamente o indirettamente (per esempio tramite molecole di matrice extracellulare) con altre cellule simili su tutta la loro superficie e quindi si trovano generalmente in associazioni 3D. Molte cellule mesenchimali sono primitive e subiranno uno o più processi morfogenetici (per esempio il movimento) per creare un’impalcatura di base dell’organizzazione del tessuto prima di condensarsi e differenziarsi in una serie di tipi di cellule (derma, cartilagine, osso, muscolo, tendine ecc.). La morfogenesi successiva si basa su questa impalcatura.

Le cellule epiteliali e mesenchimali possono occasionalmente trasformarsi l’una nell’altra e il 3D associato <> Le trasformazioni 2D costringono le masse mesenchimali ad acquisire lumi (es.La formazione di vasi sanguigni e nefroni (Figura 1)) e le cellule epiteliali a perdere le adesioni da un lato all’altro e quindi possono delaminare e migrare lontano dai loro fogli (ad esempio, la migrazione delle cellule della cresta neurale, la rottura dei somiti). La maggior parte dei tessuti funzionali sono naturalmente strutture 3D complesse composte da cellule mesenchimali ed epiteliali e dai loro derivati, insieme al tessuto nervoso e vascolare. I processi morfogenetici che portano alle loro strutture finali sono ricchi e complessi, e non ben compresi.

Approcci sperimentali

Il primo grande approccio allo studio della morfogenesi fu quello di guardare le proprietà morfogenetiche intrinseche delle cellule: Townes e Holtfreter (1955 – un classico) dimostrarono che aggregati randomizzati di cellule provenienti da un mix di tessuti embrionali di anfibi non solo si sarebbero suddivisi nei loro tipi di cellule, ma avrebbero anche generato una certa struttura. L’articolo dimostrò che le cellule stesse avevano proprietà morfogenetiche che potevano utilizzare, e stimolò una grande quantità di lavoro negli anni ’60, ’70 e ’80 sulle capacità morfogenetiche delle cellule.

Un secondo approccio è stato quello di analizzare il comportamento delle cellule nei tessuti che si svilupperanno in cultura dove possono essere manipolati sperimentalmente. Poiché gli embrioni di pulcini e di anfibi sono relativamente grandi e accessibili, sono stati la specie modello scelta per studiare la morfogenesi (ad esempio le migrazioni della cresta neurale e dei nervi, lo sviluppo della cornea, la gastrulazione e la morfogenesi epiteliale), sebbene ci sia stato anche un lavoro sul riccio di mare trasparente (ad esempio la sua gastrulazione) e sugli embrioni di topo (in particolare le ghiandole canalizzate: rene, ghiandola salivare, polmone ecc). Nessuno di questi approcci è stato molto utile nello studio dei piccoli embrioni di invertebrati.

Tutto questo lavoro sperimentale è culminato nell’elucidazione di un insieme di proprietà che le cellule possono usare nel generare l’organizzazione dei tessuti (Figura 3) e che può essere chiamato The Morphogenetic Toolkit Table 1. Questo include proprietà come il movimento cellulare e i suoi vincoli, la riorganizzazione epiteliale e la ramificazione e la formazione di spazi.

La maggior parte del lavoro attuale nell’area generale della morfogenesi si concentra su

• La base molecolare di questi strumenti.
• Quali di questi strumenti le cellule usano per fare un particolare tessuto, e come li usano.

Entrambi gli approcci sfruttano l’uso di animali transgenici dove la manipolazione genica ha portato a cambiamenti nell’organizzazione dei tessuti o alla marcatura di cellule specifiche (per esempio con la proteina verde fluorescente). Tali approcci molecolari possono essere utilizzati per tutti i principali organismi modello – il topo Mus musculis, il pesce zebra Brachidanio rerio, la farfalla Drosophila melanogaster e il verme Caenorhabditis elegans.

Il quadro generale

Ogni indagine completa sulla morfogenesi di un tessuto inizia sempre con una comprensione dettagliata della sua anatomia di sviluppo. Questo è seguito dalla sperimentazione per scoprire:

1. “L’organizzazione cellulare alla base della morfogenesi”. Questo riguarda la geometria iniziale e qualsiasi superficie o confine che vincolerà il successivo comportamento cellulare.
2. “I segnali che iniziano la morfogenesi insieme alle cellule iniziatrici e riceventi”. Si sa molto su questo (vedi Gilbert). Un esempio di segnale è il fattore di crescita GDNF, che avvia sia la morfogenesi del rene di topo che la colonizzazione dell’intestino di topo da parte delle cellule della cresta neurale che formeranno il sistema nervoso enterico.
3. “I processi basati sulle cellule che guidano la formazione dei tessuti” Questo insieme ben definito (il toolkit morfogenetico Tabella 1) spesso coinvolge cellule che si comportano in modo cooperativo, ma sappiamo poco su come lo fanno.
4. “I driver molecolari dei processi cellulari” La morfogenesi è un processo dinamico guidato da un numero limitato di meccanismi molecolari che coinvolgono la superficie cellulare (ad esempio le molecole di adesione) e il citoscheletro. I fattori chiave sono:
   1. La contrazione dell’actina all’interno del citoscheletro Questo fornisce la base molecolare del movimento cellulare, del ripiegamento epiteliale ecc.
   2. Le condensazioni cellulari mediate dalle CAM: Un primo passo nello sviluppo di ossa, muscoli, cartilagine ecc.
   3. Crescita contestuale Il ripiegamento degli epiteli nel corpo ciliare dell’occhio del pulcino e nel cervello umano sono guidati dalla crescita vincolata da confini fissi.
   4. Apoptosi Le dita si separano attraverso la perdita apoptotica del mesenchima interdigitale.
   5. L’idratazione dei glicosaminoglicani Questo può generare cavità (per esempio il loro rigonfiamento è responsabile delle camere anteriori e posteriori dell’occhio, così come le cavità sinoviali nelle articolazioni e la gelatina cardiaca nel cuore primitivo).
   6. Differenziazione cellulare Se le cellule mesenchimali diventano epiteliali, si riorganizzano da una massa 3D a un foglio 2D (e viceversa; per esempio la formazione precoce del nefrone – figura).
   7. Altre forze occasionali Il flusso sanguigno nel cuore precoce è forzato in due flussi, e le loro pressioni separate sul tubo endocardico nel tratto di efflusso distorce questo tessuto molle e porta alla formazione del setto a spirale
5. Come i processi morfogenetici sono terminati Poca attenzione è stata data a questo, ma due esempi illustrano le possibilità

• Un gene chiave è down-regolato. Questo accade nella ghiandola salivare dove la morfogenesi delle ramificazioni è facilitata da una ialuronidasi. Una volta che l’enzima è perso, la ramificazione si ferma.
• La nuova struttura è intrinsecamente stabile. Un esempio interessante è la formazione di confini mediata dalle interazioni eph-ephrin. Quando una cellula eph+ entra in contatto con una cellula ephrin+ appropriata, l’attività migratoria è bloccata in entrambe le cellule e la mescolanza dei tipi di cellule è quindi inibita. Tali interazioni stabiliscono confini stabili tra i rombomeri nel prosencefalo (controllano anche i percorsi dei nervi spinali e tengono separate le arterie e le vene).

La situazione attuale

La morfogenesi è stata un’importante area di ricerca negli anni ’70 e nei primi anni ’80, ma l’attività è poi diminuita quando il focus della ricerca sullo sviluppo si è spostato sulla scoperta e lo studio dei geni coinvolti nelle reti che regolano il differenziamento. La morfogenesi è ora tornata all’ordine del giorno per tre motivi.

1. La scoperta di molecole (per esempio ephs ed ephrins) che controllano l’organizzazione dei tessuti, in modo che le tecniche di genetica molecolare possano essere applicate all’analisi della morfogenesi.
2. Lo sviluppo della tecnologia dei topi transgenici che permette di testare i ruoli morfogenetici delle molecole.
3. Lo sviluppo dell’ingegneria dei tessuti, che comporta l’applicazione della conoscenza della morfogenesi per realizzare strutture utili alla medicina clinica.

Il risultato netto è stata un’enorme quantità di lavoro nella prima decade del 21° secolo che ha spiegato molto sulle basi molecolari della morfogenesi, anche se si sa meno su come queste sono integrate a livello cellulare. Ci sono quindi aree principali in cui la nostra comprensione è molto limitata, e i problemi che devono essere risolti includono:

• Come i neuroni si organizzano per creare un sistema nervoso funzionante
• Come gli epiteli si riorganizzano nelle forme contorte viste nel cuore, nell’orecchio e nell’intestino.
• Come le cellule del mesenchima in una semplice condensazione formano i muscoli e le ossa, con tutte le complesse forme che questo richiede.
• Come muscoli, tendini, ossa e legamenti si organizzano e si integrano.

Il lettore noterà che alcune di queste domande vanno oltre la definizione di morfogenesi data prima. E così sia! Lo sviluppo è un argomento difficile, i suoi confini sono confusi e le intuizioni molecolari cambiano il nostro pensiero. Questi sono comunque tempi eccitanti per l’argomento e la nostra capacità di combinare approcci sperimentali tradizionali e molecolari con qualche pensiero intelligente rivoluzionerà i nostri approcci per indagare come specifici tessuti acquisiscono la loro forma. Sembra probabile che il prossimo decennio porterà informazioni reali sui dettagli della morfogenesi dei tessuti complessi in tutti i principali organismi modello.

Questi sono alcuni libri ben noti che discutono la morfogenesi (l’articolo di Townes è ancora da leggere). 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