Morphogenesis

by: adminPosted on:
Post-publication activity

Curator: Jonathan Bard

Contributors:
0.40 –

Eugene M. Izhikevich

0.20 –

Milos Rancic

0.20 –

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). Prin urmare, morfogeneza se ocupă de probleme aparent simple, cum ar fi: modul în care canalele epiteliale se ramifică în glande (figura 1), modul în care nervii migrează către și își recunosc țintele, modul în care celulele mezenchimale se reunesc pentru a forma condensări pre-musculare și pre-osoase, modul în care tendoanele se leagă de oasele corespunzătoare și modul în care celulele își schimbă forma.

Morfogeneza acoperă, de asemenea, întrebări mai complicate care implică mai multe procese morfogenetice coordonate, cum ar fi: cum se formează oasele și cum tubul cardiac timpuriu al mamiferelor se reorganizează pe sine și vasele de sânge asociate pentru a produce inima adultă cu 4 camere. Într-adevăr, acoperă tot ceea ce are legătură cu modelarea biologică și anatomia dezvoltării. Deși întrebările sunt simple, ele s-au dovedit a fi dificil de răspuns.

Morfogeneza este una dintre cele patru clase cheie de evenimente interrelaționate care caracterizează întreaga dezvoltare:

  1. Patterning: Stabilirea pozițiilor evenimentelor viitoare în spațiu (la o varietate de scări)
  3. Reglarea sincronizării: Mecanismele „ceasului” care reglează momentul în care se produc evenimentele. Ceasurile pot reglementa în mod direct morfogeneza țesuturilor individuale, cum ar fi somitele, iar schimbările de sincronizare relativă a evenimentelor (heterocronie) pot conduce evoluția unor noi planuri corporale.
  4. Diferențierea celulară: Modificări în setul de gene exprimate de o celulă (fenotipul său molecular)
  5. Morfogeneză: Procesele care generează organizarea și forma țesuturilor și sunt, de obicei, răspunsul din aval la sincronizare și patterning.

Care dintre aceste procese implică, de obicei, semnale de la un țesut la altul, semnalele având ca rezultat modificări ale activității proteice și ale expresiei genice care generează evenimente (motoare ale schimbării) care pot fi fie autonome din punct de vedere celular, fie pot implica cooperarea celulară.

„Morfogeneza este importantă”

  • Este responsabilă pentru organizarea țesuturilor și, prin urmare, pentru o mare parte din anatomia, fiziologia și comportamentul unui organism.
  • Mutațiile care afectează morfogeneza stau la baza multor anomalii congenitale umane.
  • Mutațiile care modifică forma modifică condiția fizică a unei specii supuse presiunii de selecție și, astfel, conduc la schimbări evolutive.

„Morfogeneza este dificil de studiat”: Cunoștințele actuale despre morfogeneza țesuturilor complexe sunt limitate din trei motive:

  1. Multe dintre evenimentele cheie au loc în timpul dezvoltării timpurii, când rudimentele organelor sunt mici și dificil de studiat, deși manipularea genetică permite acum investigarea morfogenezei la organisme precum Drosophila ] cu embrioni foarte mici.
  2. Majoritatea țesuturilor nu vor dezvolta o mare parte din forma lor in vitro și, prin urmare, sunt inaccesibile manipulării experimentale standard.
  3. Complexitatea intrinsecă a morfogenezei (a se vedea mai jos) face ca experimentarea să fie dificilă.

  • 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.

În ceea ce privește scara, evenimentele morfogenetice se extind de la organizarea structurilor subcelulare (cum ar fi filopodiile), prin migrația unor singure celule (de exemplu, o celulă din creasta neurală care se mișcă cu o viteză de aproximativ un micron pe minut) până la activitatea coordonată a miilor de celule care realizează pliurile complexe care permit unui simplu tub cardiac să se reorganizeze în câteva zile (la șoarece) într-un organ cu patru camere. Nu știm practic nimic despre modul în care se realizează o astfel de coordonare.

Deoarece dezvoltarea fiecărui țesut din organism implică morfogeneza, aceasta are o literatură enormă. Acest articol nu încearcă să fie cuprinzător sau să ia în considerare în detaliu vreun exemplu de anatomie a dezvoltării, ci doar își propune să ofere elementele de bază (detalii despre baza moleculară a mecanismelor morfogenetice pot fi găsite în Davies 2005). Recenzii specifice pot fi găsite folosind Pubmed și Google, în timp ce manualele care discută despre morfogeneză includ: Slack (2005) (o bună introducere) și Gilbert (2006) (acoperire largă). Pentru o trecere în revistă a materialului de dinainte de 1990, a se vedea Bard (1990). Referințele la câteva exemple cheie sunt prezentate în Tabelul 1.

Acest articol discută procesele celulare ale morfogenezei; baza moleculară a acestor procese este discutată în articolul despre Mecanismele celulare ale morfogenezei

Celulele participante

Trei clase de tipuri de celule din embrionii timpurii pot fi distinse pe baza geometriei:

1D: Această clasă cuprinde celule unice, iar cel mai important proces morfogenetic al acestora este mișcarea. Exemplele includ celulele crestei neurale, celulele germinale primordiale și derivatele somitei, iar acest domeniu a atras un interes considerabil. Direcția de deplasare a celulelor în cadrul unui embrion este controlată de trasee (a se vedea ghidarea prin contact și haptotaxie Tabelul 1), de gradienți de semnalizare (chemotaxie) sau de interacțiuni la limită. Problemele cheie în analiza migrației celulare in vivo sunt identificarea celulelor care încep să se miște, a semnalelor de inițiere a mișcării, a naturii căilor de migrație și a modului de oprire. Acest domeniu de cercetare a fost consolidat de capacitatea noastră de a marca populații specifice de celule cu markeri transgenici (β-galactosidază, proteină verde fluorescentă etc.) pentru a ne permite să urmărim migrațiile acestora pe parcursul dezvoltării.

2D (de fapt: foițe de celule): Celulele epiteliale polarizate, monostrat, fac aderențe puternice de la o parte la alta față de vecinii lor, secretă o lamă bazală la care pot adera alte celule și mențin o suprafață apicală la care alte celule nu pot face aderențe (motiv pentru care rămân un monostrat). Foițele epiteliale formează suprafețe de delimitare (de exemplu, ectodermul de suprafață și căptușelile mezoteliale ale cavităților corpului) și tuburi (de exemplu, intestinul) care se pot arboriza (de exemplu, sistemul de canale colectoare renale)(Figura 1)). Endoteliile formează tuburile sistemului vascular și sunt similare din punct de vedere anatomic cu epiteliile, dar utilizează molecule de aderență și matrice diferite. Cele mai importante procese mofogenetice ale epiteliilor și endoteliilor sunt plierea, mișcarea (de exemplu, gastrularea și epibolia), creșterea controlată (de exemplu, extinderea și ramificarea canalelor) și extinderea convergentă (mecanismul care, prin modificări ale formei celulelor și ale relațiilor de vecinătate, permite tuburilor și foliilor să își schimbe forma – de ex.g. extensia membrelor din Drosophila și a intestinelor din ariciul de mare).

3D: Acestea sunt grupuri de celule (de obicei mezenchimale) care pot adera direct sau indirect (de exemplu, prin intermediul moleculelor de matrice extracelulară) cu alte celule similare pe întreaga lor suprafață și, prin urmare, se găsesc, în general, în asociații 3D. Multe celule mezenchimale sunt primitive și vor suferi unul sau mai multe procese morfogenetice (de exemplu, mișcări) pentru a crea un schelet de bază pentru organizarea țesutului înainte de a se condensa și diferenția într-o serie de tipuri de celule (dermă, cartilaj, os, mușchi, tendon etc.). Morfogeneza ulterioară se construiește pe această schelă.

Figura 2: Micrografia confocală a unui rinichi de șoarece timpuriu (E13) cu două agregate meznchimale (roșu) atașate la un duct renal: cel superior a format deja un lumen și a realizat o lamă bazală (verde) pe drumul său spre a deveni un nefron. Această imagine evidențiază modul în care epiteliile formează structuri 2D în cadrul unei matrice 3D de mezenchim.

Celele epiteliale și mezenchimale se pot transforma ocazional unele în altele, iar transformările 3D asociate <> Transformările 2D forțează masele mezenchimale să dobândească lumenuri (de ex.de exemplu, formarea vaselor de sânge și a nefronilor (figura 1)) și celulele epiteliale să piardă aderențele de la o parte la alta și, astfel, se pot delamina și migra departe de foițele lor (de exemplu, migrarea celulelor crestei neurale, descompunerea somitelor). Majoritatea țesuturilor funcționale sunt, bineînțeles, structuri 3D complexe compuse atât din celule mezenchimale, cât și din celule epiteliale și derivații acestora, împreună cu țesut nervos și vascular. Procesele morfogenetice care duc la structurile lor finale sunt bogate și complexe și nu sunt bine înțelese.

Abordări experimentale

Prima abordare majoră pentru investigarea morfogenezei a fost aceea de a analiza proprietățile morfogenetice intrinseci ale celulelor: Townes și Holtfreter (1955 – un clasic) au arătat că agregatele aleatorii de celule dintr-un amestec de țesuturi embrionare amfibiene nu numai că se vor sorta în tipurile lor de celule, dar vor genera și o anumită structură. Lucrarea a demonstrat că celulele însele aveau proprietăți morfogenetice pe care le puteau folosi și a stimulat numeroase lucrări în anii ’60, ’70 și ’80 privind abilitățile morfogenetice ale celulelor.

O a doua abordare a fost aceea de a analiza comportamentul celular în țesuturile care se vor dezvolta în cultură, unde pot fi manipulate experimental. Deoarece embrionii de pui și de amfibieni sunt relativ mari și accesibili, aceștia au fost speciile-model alese pentru studierea morfogenezei (de exemplu, creasta neurală și migrațiile nervoase, dezvoltarea corneei, gastrularea și morfogeneza epitelială), deși au existat, de asemenea, lucrări asupra ariciului de mare transparent (de exemplu, gastrularea acestuia) și a embrionilor de șoarece (în special a glandelor ductale: rinichi, glande salivare, plămâni etc.). Niciuna dintre aceste abordări nu a fost de mare folos în studiul embrionilor de nevertebrate mici.

Figura 3: Unele moduri de bază ale mișcării morfogenetice. (Din Slack (2005), se solicită permisiunea)

Toată această muncă experimentală a culminat cu elucidarea unui set de proprietăți pe care celulele le pot folosi în generarea organizării tisulare (Figura 3) și care poate fi numit The Morphogenetic Toolkit Tabelul 1. Aceasta include proprietăți precum mișcarea celulară și constrângerile acesteia, reorganizarea și ramificarea epitelială și formarea de spații.

Cele mai multe lucrări actuale în domeniul general al morfogenezei se concentrează pe

  • Baza moleculară a acestor instrumente.
  • Care dintre aceste instrumente sunt folosite de celule pentru a realiza un anumit țesut și cum le folosesc.

Ambele abordări valorifică utilizarea animalelor transgenice, unde manipularea genelor a dus la modificări în organizarea țesuturilor sau la marcarea unor celule specifice (de exemplu, cu proteină verde fluorescentă). Astfel de abordări moleculare pot fi utilizate pentru toate organismele model principale – șoarecele Mus musculis, peștele zebră Brachidanio rerio, musculița Drosophila melanogaster și viermele rotund Caenorhabditis elegans.

Imaginea de ansamblu

Orice investigație completă a morfogenezei unui țesut începe întotdeauna cu o înțelegere detaliată a anatomiei sale de dezvoltare. Aceasta este urmată de experimentare pentru a descoperi:

  1. „Organizarea celulară care stă la baza morfogenezei”. Aceasta acoperă geometria inițială și orice suprafețe sau limite care vor constrânge comportamentul celular ulterior.
  2. „Semnalele care inițiază morfogeneza împreună cu celulele inițiatoare și receptoare”. Se cunosc multe despre acest lucru (a se vedea Gilbert). Un exemplu de semnal este factorul de creștere GDNF, care inițiază atât morfogeneza rinichiului de șoarece, cât și colonizarea intestinului de șoarece de către celulele de creastă neurală care vor forma sistemul nervos enteric.
  3. „Procesele bazate pe celule care determină formarea țesuturilor” Acest set bine definit (setul de instrumente morfogenetice din Tabelul 1) implică adesea celule care se comportă în mod cooperativ, dar știm puține lucruri despre modul în care acestea fac acest lucru.
  4. „Motoarele moleculare ale proceselor celulare” Morfogeneza este un proces dinamic condus de un număr limitat de mecanisme moleculare care implică suprafața celulară (de exemplu, moleculele de adeziune) și citoscheletul. Principalii factori determinanți sunt:
    2. Contracția actinei în cadrul citoscheletului Aceasta asigură baza moleculară a mișcării celulare, a plierii epiteliale etc.
    4. Condensări celulare mediate de CAM: Un prim pas în dezvoltarea oaselor, a mușchilor, a cartilajelor etc.
    5. Creșterea contextuală Îndoirea epiteliilor în corpul ciliar al ochiului de pui și în creierul uman este determinată de o creștere constrânsă de limite fixe.
    6. Apoptoza Degetele se separă prin pierderea apoptotică a mezenchimului interdigital.
    7. Hidratarea glicozaminoglicanilor Aceasta poate genera cavități (de exemplu, umflarea lor este responsabilă de camerele anterioare și posterioare ale ochiului, precum și de cavitățile sinoviale din articulații și de jeleul cardiac din inima timpurie).
    8. Diferențierea celulară Dacă celulele mezenchimale devin epiteliale, acestea se reorganizează de la o masă 3D la o foaie 2D (și invers; de exemplu, formarea timpurie a nefronilor – figura).
    9. Alte forțe ocazionale Fluxul sanguin în inima timpurie este forțat în două fluxuri, iar presiunile lor separate asupra tubului endocardic din tractul de ieșire distorsionează acest țesut moale și duce la formarea septului spiralat
  6. Cum se termină procesele morfogenetice S-a acordat puțină atenție acestui aspect, dar două exemple ilustrează posibilitățile
  • O genă cheie este reglată în sens negativ. Acest lucru se întâmplă în glanda salivară, unde morfogeneza ramificată este facilitată de o hialuronidază. Odată ce enzima este pierdută, ramificarea se oprește.
  • Noua structură este intrinsec stabilă. Un exemplu interesant este formarea limitelor mediată de interacțiunile ephrinei cu ephrina. În cazul în care o celulă eph+ intră în contact cu o celulă ephrin+ corespunzătoare, activitatea de migrație este blocată în ambele celule și, prin urmare, este inhibată amestecarea tipurilor de celule. Astfel de interacțiuni stabilesc granițe stabile între rombomeri în mezencefal (ele controlează, de asemenea, traseele nervilor spinali și țin arterele și venele la distanță).

Situația actuală

Morfogeneza a fost un domeniu important de cercetare în anii ’70 și la începutul anilor ’80, dar activitatea a scăzut apoi pe măsură ce accentul cercetării în dezvoltare s-a mutat pe descoperirea și studierea genelor implicate în rețelele care reglează diferențierea. În prezent, morfogeneza este din nou pe ordinea de zi din trei motive.

  1. Descoperirea moleculelor (de exemplu, ephs și ephrins) care controlează organizarea țesuturilor, astfel încât tehnicile de genetică moleculară pot fi aplicate la analiza morfogenezei.
  2. Dezvoltarea tehnologiei șoarecilor transgenici care permite testarea rolurilor morfogenetice ale moleculelor.
  3. Dezvoltarea ingineriei tisulare, care presupune aplicarea cunoștințelor despre morfogeneză pentru a realiza structuri utile pentru medicina clinică.

Rezultatul net a fost o cantitate enormă de muncă în primul deceniu al secolului XXI, care a explicat multe despre bazele moleculare ale morfogenezei, deși se știe mai puțin despre modul în care acestea sunt integrate la nivel celular. Astfel, există domenii majore în care înțelegerea noastră este foarte limitată, iar problemele care trebuie rezolvate includ:

  • Cum se organizează neuronii pentru a forma un sistem nervos funcțional
  • Cum se rearanjează epiteliile în formele convolute observate în inimă, ureche și intestin.
  • Cum celulele mezenchimului într-o simplă condensare formează mușchi și oase, cu toată modelarea complexă pe care aceasta o necesită.
  • Cum se organizează și se integrează mușchii, tendoanele, oasele și ligamentele.

Cititorul va observa că unele dintre aceste întrebări depășesc definiția morfogenezei dată anterior. Așa să fie! Dezvoltarea este un subiect dificil, granițele sale sunt neclare, iar cunoștințele moleculare ne schimbă modul de gândire. Totuși, acestea sunt vremuri incitante pentru acest subiect, iar capacitatea noastră de a combina abordările experimentale tradiționale și moleculare cu o gândire inteligentă va revoluționa abordările noastre de investigare a modului în care anumite țesuturi își dobândesc forma. Pare probabil că următorul deceniu va aduce informații reale despre detaliile morfogenezei țesuturilor complexe în toate organismele model principale.

Acestea sunt câteva cărți bine cunoscute care discută morfogeneza (articolul lui Townes merită în continuare citit). 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

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată.