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). Morfogenese behandelt dus ogenschijnlijk eenvoudige problemen zoals: hoe epitheliale kanalen zich vertakken in klieren (Figuur 1), hoe zenuwen migreren naar en hun doelen herkennen, hoe mesenchymale cellen samenkomen om pre-spier- en pre-botcondensaties te vormen, hoe pezen zich verbinden met de juiste botten, en hoe cellen hun vorm veranderen.

Morfogenese bestrijkt ook meer gecompliceerde vragen waarbij verschillende gecoördineerde morfogenetische processen betrokken zijn, zoals: hoe botten worden gevormd, en hoe de vroege hartbuis van zoogdieren zichzelf en de bijbehorende bloedvaten reorganiseert om het volwassen hart met vier kamers te vormen. In feite wordt alles behandeld wat te maken heeft met biologische vormgeving en ontwikkelingsanatomie. Hoewel de vragen eenvoudig zijn, blijken zij moeilijk te beantwoorden.

Morfogenese is een van de vier onderling samenhangende categorieën van gebeurtenissen die de gehele ontwikkeling kenmerken:

1. Patroonvorming: Het bepalen van de posities van toekomstige gebeurtenissen in de ruimte (op verschillende schalen)
2. Regulering van timing: De ‘klok’-mechanismen die reguleren wanneer gebeurtenissen plaatsvinden. Klokken kunnen rechtstreeks de morfogenese van afzonderlijke weefsels zoals somieten reguleren, en veranderingen in de relatieve timing van gebeurtenissen (heterochronie) kunnen de evolutie van nieuwe lichaamsplannen aansturen.
3. Celdifferentiatie: Veranderingen in de reeks tot expressie gebrachte genen van een cel (zijn moleculaire fenotype)
4. Morfogenese: De processen die weefselorganisatie en vorm genereren en zijn meestal de downstream reactie op de timing en patroonvorming.

Bij elk van deze processen is gewoonlijk sprake van signalering van het ene weefsel naar het andere, waarbij de signalen resulteren in veranderingen in de eiwitactiviteit en in de genexpressie die gebeurtenissen (veranderingsmotoren) genereren die zowel celautonoom kunnen zijn als celsamenwerking kunnen impliceren.

“Morfogenese is belangrijk”

• Het is verantwoordelijk voor de weefselorganisatie en daarmee voor een groot deel van de anatomie, fysiologie en gedrag van een organisme.
• Mutaties die de morfogenese beïnvloeden liggen ten grondslag aan veel aangeboren afwijkingen bij de mens.
• Mutaties die de vorm veranderen veranderen de fitness van een soort onder selectiedruk en drijven zo evolutionaire verandering aan.

“Morfogenese is moeilijk te bestuderen”: De huidige kennis over de morfogenese van complexe weefsels is om drie redenen beperkt:

1. Veel van de sleutelgebeurtenissen vinden plaats tijdens de vroege ontwikkeling, wanneer de rudimenten van de organen klein en moeilijk te bestuderen zijn, hoewel genetische manipulatie het nu mogelijk maakt morfogenese te bestuderen in organismen zoals Drosophila ] met zeer kleine embryo’s.
2. De meeste weefsels zullen in vitro niet veel van hun vorm ontwikkelen en zijn dus ontoegankelijk voor standaard experimentele manipulatie.
3. De intrinsieke complexiteit van morfogenese (zie hieronder) maakt experimenteren moeilijk.

• 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.

Wat de schaal betreft, morfogenetische gebeurtenissen strekken zich uit van de organisatie van subcellulaire structuren (zoals filopodia) via de migratie van enkele cellen (b.v. een neurale crest cel die met een snelheid van ongeveer een micron per minuut beweegt) tot de gecoördineerde activiteit van duizenden cellen die de complexe plooiingen tot stand brengen die een eenvoudige hartbuis in staat stellen zich in enkele dagen (bij de muis) te reorganiseren tot een orgaan met vier kamers. We weten vrijwel niets over hoe een dergelijke coördinatie tot stand komt.

Omdat de ontwikkeling van elk weefsel in het lichaam morfogenese inhoudt, is er een enorme literatuur over. In dit artikel wordt geen poging gedaan om allesomvattend te zijn of om enig voorbeeld van ontwikkelingsanatomie in detail te beschouwen, maar wordt alleen getracht de basis te geven (details over de moleculaire basis van morfogenetische mechanismen kunnen worden gevonden in Davies 2005). Specifieke recensies kunnen worden gevonden met Pubmed en Google, terwijl leerboeken die morfogenese bespreken onder meer zijn: Slack (2005) (een goede inleiding) en Gilbert (2006) (brede dekking). Voor een overzicht van het materiaal van voor 1990, zie Bard (1990). Verwijzingen naar enkele belangrijke voorbeelden staan in tabel 1.

Dit artikel bespreekt de cellulaire processen van morfogenese; de moleculaire basis van deze processen wordt besproken in het artikel over de Cellulaire mechanismen van morfogenese

De deelnemende cellen

Drie klassen van celtypen in vroege embryo’s kunnen worden onderscheiden op basis van geometrie:

1D: Deze klasse omvat enkelvoudige cellen, en hun belangrijkste morfogenetische proces is beweging. Voorbeelden hiervan zijn de cellen van de neurale lijst, de oerkiemcellen en de somietderivaten, en dit gebied heeft veel belangstelling getrokken. De richting van de celbeweging in een embryo wordt gecontroleerd door sporen (zie contact geleiding en haptotaxis tabel 1), signaalgradiënten (chemotaxis) of grensinteracties. De belangrijkste problemen bij het analyseren van celmigratie in vivo zijn het identificeren van welke cellen beginnen te bewegen, de signalen voor het initiëren van de beweging, de aard van de migratiepaden en de wijze van stoppen. Dit onderzoeksgebied is versterkt door ons vermogen om specifieke celpopulaties te labelen met transgene markers (β-galactosidase, groen fluorescerend eiwit, enz.), zodat we hun migraties gedurende de ontwikkeling kunnen volgen.

2D (eigenlijk: platen van cellen): Gepolariseerde, monolaag-epitheelcellen hechten zich van links naar rechts sterk aan hun buren, scheiden een basale laag af waaraan andere cellen zich kunnen hechten, en behouden een apicaal oppervlak waaraan andere cellen zich niet kunnen hechten (daarom blijven ze een monolaag). Epitheelvellen vormen begrenzende oppervlakken (b.v. oppervlakte-ectoderm en de mesotheliale bekledingen van lichaamsholten) en buizen (b.v. darmen) die kunnen arboriseren (b.v. het verzamelbuizensysteem van de nieren)(figuur 1)). Endotheelcellen vormen de buizen van het vaatstelsel en lijken anatomisch op epitheelcellen, maar gebruiken andere adhesie- en matrixmoleculen. De belangrijkste mophogenetische processen van epithelia en endotheel zijn vouwen, beweging (b.v. gastrulatie en epibolyse), gecontroleerde groei (b.v. de uitbreiding en vertakking van kanalen) en convergente uitbreiding (het mechanisme dat, door veranderingen in celvorm en burenrelaties, buizen en platen in staat stelt hun vorm te veranderen – b.v.

3D: Dit zijn groepen cellen (meestal mesenchymale) die zich direct of indirect (b.v. via extracellulaire matrixmoleculen) over hun gehele oppervlak aan andere soortgelijke cellen kunnen hechten en die dus meestal in 3D-associaties voorkomen. Veel mesenchymale cellen zijn primitief en ondergaan een of meer morfogenetische processen (b.v. beweging) om een basisschede van weefselorganisatie op te zetten alvorens te condenseren en te differentiëren in een reeks celtypes (lederhuid, kraakbeen, bot, spier, pees enz.). De latere morfogenese bouwt voort op deze steiger.

Epitheliale en mesenchymale cellen kunnen af en toe in elkaar overgaan en de bijbehorende 3D <> 2D-transformaties dwingen mesenchymale massa’s tot het verkrijgen van lumina (bijv.bv. bloedvat en nefron vorming (figuur 1)) en epitheelcellen te verliezen side-to-side hechtingen en dus kan delamineren en migreren uit de buurt van hun platen (bv. neurale kam cel migratie, somiet afbraak). De meeste functionele weefsels zijn uiteraard complexe 3D-structuren die bestaan uit mesenchym- en epitheelcellen en hun derivaten, samen met zenuw- en vaatweefsel. De morfogenetische processen die leiden tot hun uiteindelijke structuren zijn rijk en complex, en worden niet goed begrepen.

Experimentele benaderingen

De eerste belangrijke benadering van het onderzoek naar morfogenese was te kijken naar de intrinsieke morfogenetische eigenschappen van cellen: Townes en Holtfreter (1955 – een klassieker) toonden aan dat gerandomiseerde aggregaten van cellen uit een mix van amfibie embryonale weefsels zichzelf niet alleen sorteerden in hun celtypes, maar ook enige structuur genereerden. Dit artikel toonde aan dat de cellen zelf morfogenetische eigenschappen bezaten die zij konden gebruiken, en stimuleerde in de jaren ’60, ’70 en ’80 veel werk op het gebied van de morfogenetische vermogens van cellen.

Een tweede benadering bestond erin het gedrag van cellen te analyseren in weefsels die zich ontwikkelen in cultuur, waar zij experimenteel kunnen worden gemanipuleerd. Aangezien kuiken- en amfibie-embryo’s relatief groot en toegankelijk zijn, zijn zij de modelsoorten bij uitstek voor het bestuderen van morfogenese (b.v. neurale lijst en zenuwmigraties, hoornvliesontwikkeling, gastrulatie en epitheliale morfogenese), hoewel er ook werk is verricht op de transparante zee-egel (b.v. zijn gastrulatie) en muizenembryo’s (met name de buisvormige klieren: nieren, speekselklier, longen enz.). Geen van beide benaderingen heeft veel nut gehad bij de studie van kleine ongewervelde embryo’s.

Al dit experimentele werk heeft geleid tot de opheldering van een reeks eigenschappen die cellen kunnen gebruiken bij het genereren van weefselorganisatie (figuur 3) en die kan worden genoemd The Morphogenetic Toolkit Tabel 1. Dit omvat eigenschappen zoals celbeweging en de beperkingen daarvan, epitheliale reorganisatie en vertakking en de vorming van ruimten.

Het meeste huidige werk op het algemene gebied van morfogenese richt zich op

• De moleculaire basis van deze gereedschappen.
• Welke van deze hulpmiddelen cellen gebruiken voor het maken van een bepaald weefsel, en hoe ze ze gebruiken.

Beide benaderingen kapitaliseren op het gebruik van transgene dieren waar genmanipulatie heeft geleid tot veranderingen in weefselorganisatie of tot de markering van specifieke cellen (bijv. met groen fluorescerend eiwit). Dergelijke moleculaire benaderingen kunnen worden gebruikt voor alle belangrijke modelorganismen – de muis Musculis, de zebravis Brachidanio rerio, de fruitvlieg Drosophila melanogaster en de rondworm Caenorhabditis elegans.

Het grotere plaatje

Een volledig onderzoek naar de morfogenese van een weefsel begint altijd met een gedetailleerd begrip van de ontwikkelingsanatomie. Dit wordt gevolgd door experimenten om te ontdekken:

1. “De cellulaire organisatie die ten grondslag ligt aan morfogenese”. Dit omvat de initiële geometrie en alle oppervlakken of grenzen die het latere celgedrag zullen beperken.
2. “De signalen die morfogenese in gang zetten, samen met de initiërende en ontvangende cellen”. Hierover is veel bekend (zie Gilbert). Een voorbeeld van een signaal is de groeifactor GDNF, die zowel de morfogenese van de muizennier in gang zet als de kolonisatie van de muizendarm door de neurale kuifcellen die het enterische zenuwstelsel zullen vormen.
3. “De cel-gebaseerde processen die de weefselvorming aansturen” Bij deze goed gedefinieerde set (de morfogenetische toolkit Tabel 1) zijn vaak cellen betrokken die zich coöperatief gedragen, maar we weten weinig over hoe ze dit doen.
5. “De moleculaire drijfveren van celprocessen” Morfogenese is een dynamisch proces dat wordt gestuurd door een beperkt aantal moleculaire mechanismen waarbij het celoppervlak (b.v. adhesiemoleculen) en het cytoskelet betrokken zijn. De belangrijkste drijvende krachten zijn:
   1. Actinesamentrekking binnen het cytoskelet Dit levert de moleculaire basis voor celbeweging, epitheliale vouwing enz.
   2. CAM-gemedieerde celcondensaties: Een eerste stap in de ontwikkeling van botten, spieren, kraakbeen enz.
   3. Contextuele groei De plooiing van epithelia in het ciliaire lichaam van het kuikenoog en in de menselijke hersenen worden gedreven door groei beperkt door vaste grenzen.
   4. Apoptose De cijfers scheiden zich door het apoptotische verlies van inter-digit mesenchyme.
   5. De hydratatie van glycosaminoglycanen Hierdoor kunnen holten ontstaan (hun zwelling is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor de voorste en achterste kamers van het oog, maar ook voor synoviale holten in gewrichten en hartgelei in het vroege hart).
   6. Celdifferentiatie Als mesenchymale cellen epitheliaal worden, reorganiseren zij van een 3D-massa tot een 2D-vel (en omgekeerd; b.v. vroege nefronvorming – figuur).
   7. Andere occasionele krachten De bloedstroom in het vroege hart wordt in twee stromen gedwongen, en hun gescheiden druk op de endocardiale buis in het uitstroomtraject vervormt dit zachte weefsel en leidt tot de vorming van het spiraalseptum
6. Hoe morfogenetische processen worden beëindigd Hieraan is weinig aandacht besteed, maar twee voorbeelden illustreren de mogelijkheden

• Een belangrijk gen wordt gedownreguleerd. Dit gebeurt in de speekselklier waar de morfogenese van vertakkingen wordt bevorderd door een hyaluronidase. Als het enzym wegvalt, stopt de vertakking.
• De nieuwe structuur is intrinsiek stabiel. Een interessant voorbeeld is de grensvorming door interacties tussen eph en ephrine. Wanneer een eph+ cel in contact komt met een passende ephrin+ cel, wordt de migratie-activiteit in beide cellen geblokkeerd en vermenging van de celtypen wordt daardoor geremd. Dergelijke interacties vormen stabiele grenzen tussen rhombomeren in de achterhersenen (zij controleren ook de paden van spinale zenuwen en houden slagaders en aders uit elkaar).

De huidige situatie

Morfogenese was een belangrijk onderzoeksgebied in de jaren ’70 en begin jaren ’80, maar de activiteit nam daarna af naarmate het zwaartepunt van het ontwikkelingsonderzoek verschoof naar het ontdekken en bestuderen van de genen die betrokken zijn bij netwerken die de differentiatie reguleren. Morfogenese staat nu om drie redenen weer op de agenda.

1. De ontdekking van moleculen (b.v. ephs en ephrins) die de weefselorganisatie regelen, zodat moleculair-genetische technieken kunnen worden toegepast op de analyse van morfogenese.
2. De ontwikkeling van transgene muizentechnologie waarmee de morfogenetische rol van moleculen kan worden getest.
3. De ontwikkeling van tissue engineering, waarbij kennis van morfogenese wordt toegepast om structuren te maken die nuttig zijn voor de klinische geneeskunde.

Het nettoresultaat is een enorme hoeveelheid werk in het eerste decennium van de 21e eeuw die veel heeft verklaard over de moleculaire grondslagen van morfogenese, zij het dat minder bekend is over hoe deze op cellulair niveau zijn geïntegreerd. Er zijn dus belangrijke gebieden waar ons begrip zeer beperkt is, en problemen die moeten worden opgelost zijn onder meer:

• Hoe neuronen zich organiseren om een functionerend zenuwstelsel te maken
• Hoe epithelia zich herschikken tot de kronkelige vormen die te zien zijn in het hart, het oor en de darmen.
• Hoe mesenchymcellen in een loutere verdichting spieren en botten vormen, met alle complexe vormen die daarvoor nodig zijn.
• Hoe spieren, pezen, botten en ligamenten georganiseerd en geïntegreerd raken.

De lezer zal opmerken dat sommige van deze vragen verder gaan dan de eerder gegeven definitie van morfogenese. Het zij zo! Ontwikkeling is een moeilijk onderwerp, de grenzen zijn vaag en moleculaire inzichten veranderen ons denken. Dit zijn echter opwindende tijden voor het onderwerp en ons vermogen om traditionele en moleculaire experimentele benaderingen te combineren met wat slim denkwerk zal een revolutie teweegbrengen in onze benaderingen om te onderzoeken hoe specifieke weefsels hun vorm krijgen. Het lijkt waarschijnlijk dat het volgende decennium echte informatie zal opleveren over de details van complexe weefselmorfogenese in alle belangrijke modelorganismen.

Dit zijn enkele bekende boeken waarin morfogenese wordt besproken (het Townes-artikel is nog steeds de moeite van het lezen waard). 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