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). Morfogeneza zajmuje się więc pozornie prostymi problemami, takimi jak: jak rozgałęziają się przewody nabłonkowe w gruczołach (Rysunek 1), jak nerwy migrują i rozpoznają swoje cele, jak komórki mezenchymalne łączą się, tworząc kondensacje przedmięśniowe i przedkostne, jak ścięgna łączą się z odpowiednimi kośćmi i jak komórki zmieniają swoje kształty.

Morfogeneza obejmuje również bardziej skomplikowane zagadnienia, które dotyczą kilku skoordynowanych procesów morfogenetycznych, takich jak: jak kształtują się kości i jak wczesna cewka sercowa ssaków reorganizuje się wraz z towarzyszącymi jej naczyniami krwionośnymi w celu wytworzenia czterokomorowego serca dorosłego człowieka. W istocie, obejmuje wszystko i wszystko, co ma związek z kształtowaniem biologicznym i anatomii rozwojowej. Choć pytania są proste, odpowiedzi na nie okazują się trudne.

Morfogeneza jest jedną z czterech kluczowych, powiązanych ze sobą klas zdarzeń, które charakteryzują cały rozwój:

1. Patterning: Ustalanie pozycji przyszłych zdarzeń w przestrzeni (w różnych skalach)
2. Regulacja czasu: Mechanizmy „zegarowe”, które regulują, kiedy zdarzenia mają miejsce. Zegary mogą bezpośrednio regulować morfogenezę poszczególnych tkanek, takich jak somity, a zmiany względnego czasu zdarzeń (heterochronia) mogą napędzać ewolucję nowych planów ciała.
3. Różnicowanie komórek: Zmiany w komórce zestaw genów wyrażonych (jej fenotyp molekularny)
4. Morfogeneza: Procesy, które generują organizację i kształt tkanek i są zazwyczaj odpowiedzią downstream na timing i patterning.

Każdy z tych procesów zazwyczaj obejmuje sygnalizację z jednej tkanki do drugiej, sygnały skutkujące zmianami w aktywności białek i ekspresji genów, które generują zdarzenia (motory zmian), które mogą być albo autonomiczne dla komórek lub mogą obejmować współpracę komórek.

„Morfogeneza jest ważna”

• Odpowiada za organizację tkanek, a tym samym za znaczną część anatomii, fizjologii i zachowania organizmu.
• Mutacje, które wpływają na morfogenezę leżą u podstaw wielu ludzkich wad wrodzonych.
• Mutacje, które zmieniają kształt, zmieniają kondycję gatunku pod presją selekcji i w ten sposób napędzają zmiany ewolucyjne.

„Morfogeneza jest trudna do zbadania”: Obecna wiedza na temat morfogenezy złożonych tkanek jest ograniczona z trzech powodów:

1. Wiele kluczowych wydarzeń ma miejsce podczas wczesnego rozwoju, kiedy rudymenty organów są małe i trudne do zbadania, chociaż manipulacja genetyczna pozwala obecnie na badanie morfogenezy u organizmów takich jak Drosophila ] z bardzo małymi embrionami.
2. Większość tkanek nie rozwinie wiele ze swojej formy in vitro i dlatego są niedostępne dla standardowej manipulacji eksperymentalnej.
3. Złożoność morfogenezy (patrz poniżej) utrudnia eksperymenty.

• 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.

Jeśli chodzi o skalę, wydarzenia morfogenetyczne rozciągają się od organizacji struktur subkomórkowych (takich jak filopodia) poprzez migrację pojedynczych komórek (np. komórki grzebienia nerwowego poruszające się z prędkością około mikrona na minutę) do skoordynowanej aktywności tysięcy komórek, które osiągają złożone fałdy umożliwiające prostej rurce sercowej reorganizację w ciągu kilku dni (u myszy) w czterokomorowy organ. Nie wiemy praktycznie nic o tym, jak taka koordynacja jest osiągana.

Jak rozwój każdej tkanki w organizmie obejmuje morfogenezę, ma ogromną literaturę. Ten artykuł nie próbuje być kompleksowe lub rozważyć każdy przykład rozwoju anatomii w szczegółach, ale tylko ma na celu zapewnienie podstaw (szczegóły molekularnej podstawy mechanizmów morfogenetycznych można znaleźć w Davies 2005). Konkretne przeglądy można znaleźć w Pubmedzie i Google, natomiast podręczniki omawiające morfogenezę to między innymi: Slack (2005) (dobre wprowadzenie) i Gilbert (2006) (szerokie ujęcie). Przegląd materiałów sprzed 1990 r. można znaleźć w Bard (1990). Odniesienia do niektórych kluczowych przykładów podano w Tabeli 1.

Ten artykuł omawia komórkowe procesy morfogenezy; molekularne podstawy tych procesów omówiono w artykule Komórkowe mechanizmy morfogenezy

Komórki uczestniczące

Trzy klasy typów komórek we wczesnych zarodkach można wyróżnić na podstawie geometrii:

1D: Klasa ta obejmuje pojedyncze komórki, a ich najważniejszym procesem morfogenetycznym jest ruch. Przykłady obejmują komórki grzebienia nerwowego, pierwotne komórki zarodkowe i pochodne somitów, a obszar ten wzbudza duże zainteresowanie. Kierunek ruchu komórek w zarodku jest kontrolowany przez ścieżki (patrz: naprowadzanie kontaktowe i haptotaksja Tabela 1), gradienty sygnalizacyjne (chemotaksja) lub interakcje graniczne. Kluczowymi problemami w analizie migracji komórek in vivo jest określenie, które komórki zaczynają się przemieszczać, jakie sygnały inicjują ruch, jaka jest natura szlaków migracyjnych i w jaki sposób się zatrzymują. Ten obszar badań został wzmocniony przez naszą zdolność do znakowania specyficznych populacji komórek za pomocą transgenicznych markerów (β-galaktozydaza, białko zielonej fluorescencji itp.), aby umożliwić nam śledzenie ich migracji w trakcie rozwoju.

2D (właściwie: arkusze komórek): Spolaryzowane, jednowarstwowe komórki nabłonka tworzą silne połączenia boczne z sąsiadami, wydzielają blaszkę podstawną, do której mogą przylegać inne komórki i utrzymują powierzchnię wierzchołkową, do której inne komórki nie mogą przylegać (dlatego pozostają jednowarstwowe). Blaszki nabłonka tworzą powierzchnie wiążące (np. ektoderma powierzchniowa i mezotelialna wyściółka jam ciała) i rurki (np. jelita), które mogą się rozgałęziać (np. system kanalików zbiorczych nerek) (ryc. 1). Endotelia tworzą rurki układu naczyniowego i są anatomicznie podobne do epitelii, ale wykorzystują inne cząsteczki adhezyjne i macierzowe. Najważniejsze procesy mofogenetyczne nabłonków i śródbłonków to fałdowanie, przemieszczanie (np. gastrulacja i epibolia), kontrolowany wzrost (np. rozszerzanie i rozgałęzianie się przewodów) oraz rozszerzanie konwergentne (mechanizm, który poprzez zmiany kształtu komórek i stosunków sąsiedzkich pozwala rurkom i blaszkom zmieniać swoją formę – np.Drosophila limb and sea-urchin gut extension).

3D: Są to grupy komórek (zwykle mezenchymalnych), które mogą przylegać bezpośrednio lub pośrednio (np. poprzez cząsteczki macierzy pozakomórkowej) z innymi podobnymi komórkami na całej ich powierzchni i tak są zazwyczaj spotykane w asocjacjach 3D. Wiele komórek mezenchymalnych jest prymitywnych i przechodzi jeden lub więcej procesów morfogenetycznych (np. ruch) w celu stworzenia podstawowego rusztowania organizacji tkanki przed zagęszczeniem i różnicowaniem się w różne typy komórek (skóra właściwa, chrząstka, kość, mięsień, ścięgno itp.). Późniejsza morfogeneza opiera się na tym rusztowaniu.

Komórki nabłonkowe i mezenchymalne mogą czasami przekształcać się w siebie nawzajem, a związane z tym transformacje 3D <> 2D zmuszają masy mezenchymalne do uzyskania lumenów (np.np. tworzenie naczyń krwionośnych i nefronów (rysunek 1)), a komórki nabłonkowe do utraty przylegania z boku na bok i dlatego mogą się rozwarstwiać i migrować z dala od swoich arkuszy (np. migracja komórek grzebienia nerwowego, podział somitów). Większość funkcjonalnych tkanek to oczywiście złożone struktury trójwymiarowe, składające się zarówno z komórek mezenchymalnych, jak i nabłonkowych oraz ich pochodnych, wraz z tkanką nerwową i naczyniową. Procesy morfogenetyczne, które prowadzą do ich ostatecznych struktur są bogate i złożone, i nie są dobrze poznane.

Podejścia eksperymentalne

Pierwszym głównym podejściem do badania morfogenezy było przyjrzenie się wewnętrznym właściwościom morfogenetycznym komórek: Townes i Holtfreter (1955 – klasyk) wykazali, że randomizowane agregaty komórek z mieszanki tkanek embrionalnych płazów nie tylko uporządkują się według typów komórek, ale także wytworzą pewną strukturę. Praca ta pokazała, że same komórki mają morfogenetyczne właściwości, które mogą wykorzystać, i pobudziła wiele prac w latach 60-tych, 70-tych i 80-tych nad morfogenetycznymi zdolnościami komórek.

Drugie podejście polegało na analizie zachowania komórek w tkankach, które będą się rozwijać w kulturze, gdzie można nimi eksperymentalnie manipulować. Ponieważ zarodki kurcząt i płazów są stosunkowo duże i łatwo dostępne, stały się one gatunkami modelowymi z wyboru do badania morfogenezy (np. migracji grzebienia nerwowego i nerwów, rozwoju rogówki, gastrulacji i morfogenezy nabłonka), choć prowadzono również prace nad przezroczystym jeżowcem (np. jego gastrulacją) i zarodkami myszy (szczególnie gruczołów przewodowych: nerek, ślinianek, płuc itp.). Żadne z tych podejść nie było zbyt użyteczne w badaniu małych zarodków bezkręgowców.

Wszystkie te prace eksperymentalne zakończyły się wyjaśnieniem zestawu właściwości, które komórki mogą wykorzystać w generowaniu organizacji tkanek (rysunek 3) i które można nazwać Zestawem Narzędzi Morfogenetycznych Tabela 1. Obejmuje on właściwości takie jak ruch komórek i jego ograniczenia, reorganizację nabłonka i rozgałęzianie oraz tworzenie przestrzeni.

Większość obecnych prac w ogólnym obszarze morfogenezy skupia się na

• Molekularnych podstawach tych narzędzi.
• Które z tych narzędzi komórki wykorzystują do tworzenia konkretnej tkanki i jak ich używają.

Oba podejścia wykorzystują wykorzystanie zwierząt transgenicznych, gdzie manipulacja genami doprowadziła do zmian w organizacji tkanek lub do znakowania konkretnych komórek (np. za pomocą zielonego białka fluorescencyjnego). Takie molekularne podejścia mogą być stosowane dla wszystkich głównych organizmów modelowych – myszy Mus musculis, zeberek Brachidanio rerio, muszki owocowej Drosophila melanogaster i glisty Caenorhabditis elegans.

Większy obraz

Każde pełne badanie morfogenezy tkanki zawsze zaczyna się od szczegółowego zrozumienia jej anatomii rozwojowej. Następnie przeprowadza się eksperymenty, aby odkryć:

1. „Organizację komórkową, która leży u podstaw morfogenezy”. Obejmuje to początkową geometrię i wszelkie powierzchnie lub granice, które będą ograniczać późniejsze zachowanie komórek.
2. „Sygnały, które inicjują morfogenezę wraz z komórkami inicjującymi i biorcami”. Dużo wiadomo na ten temat (patrz Gilbert). Przykładem takiego sygnału jest czynnik wzrostu GDNF, który inicjuje zarówno morfogenezę nerek myszy, jak i kolonizację jelit myszy przez komórki grzebienia neuronalnego, które utworzą jelitowy układ nerwowy.
3. „Procesy oparte na komórkach, które napędzają tworzenie tkanek” Ten dobrze zdefiniowany zestaw (zestaw narzędzi morfogenetycznych Tabela 1) często obejmuje komórki zachowujące się wspólnie, ale niewiele wiemy o tym, jak to robią.
4. „Molekularne czynniki procesów komórkowych” Morfogeneza jest dynamicznym procesem napędzanym przez ograniczoną liczbę mechanizmów molekularnych obejmujących powierzchnię komórki (np. cząsteczki adhezyjne) i cytoszkielet. Kluczowe czynniki napędowe to:
   1. skurcz aktyny w cytoszkielecie Stanowi to molekularną podstawę ruchu komórek, fałdowania nabłonka itp.
   2. Kondensacje komórek pod wpływem CAM: Pierwszy krok w rozwoju kości, mięśni, chrząstek itd.
   3. Wzrost kontekstowy Wyboczenie nabłonka w ciele rzęskowym oka pisklęcia i w ludzkim mózgu są napędzane przez wzrost ograniczony przez stałe granice.
   4. Apoptoza Cyfry oddzielają się przez apoptotyczną utratę mezenchymy międzyzębowej.
   5. Hydratacja glikozaminoglikanów To może generować jamy (np. ich pęcznienie jest odpowiedzialne za przednią i tylną komorę oka, jak również jamy maziowe w stawach i galaretkę sercową we wczesnym sercu).
   6. Różnicowanie komórek Jeśli komórki mezenchymalne stają się nabłonkowe, reorganizują się z masy 3D do arkusza 2D (i odwrotnie; np. wczesne tworzenie nefronu – rycina).
   7. Inne okazjonalne siły Przepływ krwi we wczesnym sercu jest wymuszony przez dwa strumienie, a ich oddzielne naciski na wsierdzie w drodze odpływu zniekształcają tę miękką tkankę i prowadzą do powstania przegrody spiralnej
5. Jak kończą się procesy morfogenetyczne Niewiele uwagi poświęcono temu zagadnieniu, ale dwa przykłady ilustrują możliwości

• Kluczowy gen jest wyregulowany w dół. Dzieje się tak w śliniance, gdzie morfogeneza rozgałęzień jest ułatwiona przez hialuronidazę. Po utracie tego enzymu, rozgałęzianie zatrzymuje się.
• Nowa struktura jest wewnętrznie stabilna. Ciekawym przykładem jest tworzenie granic, w którym pośredniczą interakcje efryna-efryna. Gdy komórka eph+ styka się z odpowiednią komórką ephrin+, aktywność migracyjna jest zablokowana w obu komórkach, a zatem mieszanie się typów komórek jest zahamowane. Takie interakcje ustanawiają stabilne granice między rombami w tylnej części mózgu (kontrolują one również ścieżki nerwów rdzeniowych i utrzymują tętnice i żyły z dala od siebie).

Obecna sytuacja

Morfogeneza była ważnym obszarem badań w latach 70-tych i wczesnych 80-tych, ale aktywność następnie spadła, ponieważ nacisk badań w rozwoju przeniósł się na odkrywanie i studiowanie genów zaangażowanych w sieci regulujące różnicowanie. Morfogeneza powróciła do programu z trzech powodów.

1. Odkrycie molekuł (np. efy i efryny), które kontrolują organizację tkanek, dzięki czemu techniki genetyki molekularnej mogą być stosowane do analizy morfogenezy.
2. Rozwój technologii myszy transgenicznych, która pozwala na testowanie morfogenetycznych ról molekuł.
3. Rozwój inżynierii tkankowej, która polega na zastosowaniu wiedzy o morfogenezie do tworzenia struktur przydatnych w medycynie klinicznej.

Wynikiem netto była ogromna ilość pracy w pierwszej dekadzie XXI wieku, która wyjaśniła wiele o molekularnych podstawach morfogenezy, aczkolwiek mniej wiadomo o tym, jak są one zintegrowane na poziomie komórkowym. Istnieją zatem główne obszary, w których nasze zrozumienie jest bardzo ograniczone, a problemy, które wymagają rozwiązania obejmują:

• Jak neurony organizują się, aby funkcjonujący system nerwowy
• Jak nabłonki rearanżują się w zagmatwane kształty widoczne w sercu, uchu i jelitach.
• Jak komórki mezenchymy w zwykłej kondensacji tworzą mięśnie i kości, z całym skomplikowanym kształtowaniem, jakiego to wymaga.
• Jak mięśnie, ścięgna, kości i więzadła stają się zorganizowane i zintegrowane.

Czytelnik zauważy, że niektóre z tych pytań wykraczają poza definicję morfogenezy podaną wcześniej. Niech tak będzie! Rozwój to trudny temat, jego granice są rozmyte, a spostrzeżenia molekularne zmieniają nasze myślenie. Są to jednak ekscytujące czasy dla tego tematu, a nasza zdolność do łączenia tradycyjnych i molekularnych metod eksperymentalnych z odrobiną sprytnego myślenia zrewolucjonizuje nasze podejście do badania tego, jak określone tkanki uzyskują swoją formę. Wydaje się prawdopodobne, że następna dekada przyniesie prawdziwe informacje o szczegółach morfogenezy złożonych tkanek u wszystkich głównych organizmów modelowych.

To są niektóre znane książki, które omawiają morfogenezę (artykuł Townesa jest nadal wart przeczytania). 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