Morfogenese - Morphogenesis

Morphogenese (fra den græske morphê -form og oprettelse af genesis , bogstaveligt talt " formgenerering ") er den biologiske proces, der får en celle , et væv eller en organisme til at udvikle sin form. Det er et af tre grundlæggende aspekter af udviklingsbiologi sammen med kontrol af vævsvækst og mønster af cellulær differentiering .

Processen styrer den organiserede rumlige fordeling af celler under embryonisk udvikling af en organisme . Morfogenese kan også finde sted i en moden organisme, såsom ved normal vedligeholdelse af væv af stamceller eller i regenerering af væv efter skade. Kræft er et eksempel på meget unormal og patologisk vævsmorfogenese. Morfogenese beskriver også udviklingen af encellede livsformer, der ikke har et embryonalt stadie i deres livscyklus. Morfogenese er afgørende for udviklingen af nye former.

Morfogenese er en mekanisk proces, der involverer kræfter, der genererer mekanisk stress, belastning og bevægelse af celler, og kan induceres af genetiske programmer i henhold til den rumlige mønster af celler i væv.

Historie

Nogle af de tidligste ideer og matematiske beskrivelser om, hvordan fysiske processer og begrænsninger påvirker biologisk vækst, og dermed naturlige mønstre såsom spiraler af bladstilling , blev skrevet af D'Arcy Wentworth Thompson i sin 1917 bog på vækst og Form og Alan Turing i sin Det kemiske grundlag for morfogenese (1952). Hvor Thompson forklarede animal kropsformer som bliver skabt ved at variere vækstrater i forskellige retninger, for eksempel for at skabe den spiral skallen af en snegl , Turing korrekt forudsagt en mekanisme af morfogenese, diffusionen af to forskellige kemiske signaler, en aktiverende og en deaktivering vækst, for at oprette udviklingsmønstre, årtier før dannelsen af sådanne mønstre blev observeret. Den fuldstændigere forståelse af mekanismerne involveret i faktiske organismer krævede opdagelsen af DNA -strukturen i 1953 og udviklingen af molekylærbiologi og biokemi .

Genetisk og molekylært grundlag

Morfogenese styres af et "værktøjskasse" af gener, der tænder og slukker udviklingen på præcise tidspunkter og steder. Her gap gener er i bananfluen tændes ved gener såsom bicoid , opsætning af striber, der skaber kroppens segmental formular.

Flere typer molekyler er vigtige i morfogenese. Morfogener er opløselige molekyler, der kan diffundere og bære signaler, der styrer celledifferentiering via koncentrationsgradienter. Morfogener typisk handle gennem binding til specifikke protein- receptorer . En vigtig klasse af molekyler, der er involveret i morfogenese, er transkriptionsfaktorproteiner, der bestemmer cellers skæbne ved at interagere med DNA . Disse kan kodes for af masterregulerende gener og enten aktivere eller deaktivere transkription af andre gener; til gengæld kan disse sekundære genprodukter regulere ekspressionen af endnu andre gener i en regulatorisk kaskade af genregulerende netværk . I slutningen af denne kaskade er klasser af molekyler, der styrer cellulær adfærd, såsom cellemigration eller mere generelt deres egenskaber, såsom celleadhæsion eller cellekontraktilitet. For eksempel slukker klumper af stamceller under gastrulation deres celle-til-celle-adhæsion, bliver vandrende og indtager nye positioner i et embryo, hvor de igen aktiverer specifikke celleadhæsionsproteiner og danner nye væv og organer. Udviklingssignalveje impliceret i morfogenese omfatter Wnt, Hedgehog og ephrin.

Mobilbasis

Cellesortering med dyrkede P19 embryonale carcinomceller . Levende celler blev farvet med DiI (rød) eller DiO (grøn). De røde blodlegemer blev genetisk ændret og udtrykker højere niveauer af E-cadherin end de grønne celler. Den blandede kultur danner store multicellulære aggregater.

På vævsniveau, der ignorerer kontrolmidlerne, opstår morfogenese på grund af cellulær spredning og motilitet. Morfogenese involverer også ændringer i den cellulære struktur eller hvordan celler interagerer i væv. Disse ændringer kan resultere i vævsforlængelse, udtynding, foldning, invasion eller adskillelse af et væv i forskellige lag. Sidstnævnte tilfælde kaldes ofte cellesortering . Celle "sortering" består af celler, der bevæger sig for at sortere i klynger, der maksimerer kontakten mellem celler af samme type. Cellernes evne til at gøre dette er blevet foreslået at stamme fra differential celleadhæsion af Malcolm Steinberg gennem hans differentielle adhæsionshypotese . Vævsadskillelse kan også forekomme via mere dramatiske cellulære differentieringshændelser , hvor epitelceller bliver mesenkymale (se Epithelial -mesenkymal overgang ). Mesenkymale celler forlader typisk epitelvævet som en konsekvens af ændringer i celleadhæsiv og kontraktile egenskaber. Efter epitel-mesenkymal overgang kan celler migrere væk fra et epitel og derefter associeres med andre lignende celler på et nyt sted. I planter er cellulær morfogenese tæt forbundet med den kemiske sammensætning og de mekaniske egenskaber ved cellevæggen.

Celle-til-celle adhæsion

Under embryonal udvikling er celler begrænset til forskellige lag på grund af differentielle affiniteter. En af måderne dette kan forekomme er, når celler deler de samme celle-til-celle adhæsionsmolekyler . For eksempel kan homotypisk celleadhæsion opretholde grænser mellem grupper af celler, der har forskellige adhæsionsmolekyler. Desuden kan celler sortere baseret på forskelle i vedhæftning mellem cellerne, så selv to populationer af celler med forskellige niveauer af det samme adhæsionsmolekyle kan sortere ud. I cellekultur flytter celler, der har den stærkeste adhæsion, til midten af et blandet aggregat af celler. Desuden moduleres celle-celleadhæsion ofte ved cellekontraktilitet, som kan udøve kræfter på celle-cellekontakterne, så to cellepopulationer med lige store niveauer af det samme adhæsionsmolekyle kan sortere ud. De molekyler, der er ansvarlige for adhæsion, kaldes celleadhæsionsmolekyler (CAM'er). Flere typer celleadhæsionsmolekyler kendes, og en hovedklasse af disse molekyler er cadheriner . Der er snesevis af forskellige cadheriner, der udtrykkes på forskellige celletyper. Cadheriner binder til andre cadheriner på en lignende måde: E-cadherin (findes på mange epitelceller) binder fortrinsvis til andre E-cadherin-molekyler. Mesenkymale celler udtrykker normalt andre cadherintyper, såsom N-cadherin.

Ekstracellulær matrix

Den ekstracellulære matrix (ECM) er involveret i at holde væv adskilt, tilvejebringe strukturel støtte eller tilvejebringe en struktur for celler at migrere videre. Kollagen , laminin og fibronectin er store ECM -molekyler, der udskilles og samles til ark, fibre og geler. Multisubunit transmembranreceptorer kaldet integriner bruges til at binde til ECM. Integriner binder ekstracellulært til fibronectin, laminin eller andre ECM -komponenter og intracellulært til mikrofilamentbindende proteiner α -actinin og talin for at forbinde cytoskelet med ydersiden. Integriner fungerer også som receptorer til at udløse signaltransduktionskaskader, når de bindes til ECM. Et velstuderet eksempel på morfogenese, der involverer ECM, er forgiftning af brystkirtlen .

Cellekontraktilitet

Væv kan ændre deres form og adskilles i forskellige lag via cellekontraktilitet. Ligesom i muskelceller kan myosin trække forskellige dele af cytoplasmaet sammen for at ændre dets form eller struktur. Myosin-drevet kontraktilitet i embryonalt vævsmorfogenese ses under adskillelsen af kimlag i modelorganismerne Caenorhabditis elegans , Drosophila og zebrafisk . Der er ofte periodiske sammentrækningspulser ved embryonisk morfogenese. En model kaldet cellestatussplitteren involverer skiftevis cellekontraktion og ekspansion, initieret af en bistabil organel i den apikale ende af hver celle. Organellen består af mikrotubuli og mikrofilamenter i mekanisk modstand. Det reagerer på lokale mekaniske forstyrrelser forårsaget af morfogenetiske bevægelser. Disse udløser derefter rejsende embryonale differentieringsbølger af sammentrækning eller ekspansion over formodede væv, der bestemmer celletype og efterfølges af celledifferentiering. Celletilstandssplitteren blev først foreslået at forklare neurale plademorfogenese under gastrulering af axolotl, og modellen blev senere generaliseret til hele morfogenese.

Forgrenende morfogenese

Ved udviklingen af lungen forgrener en bronchus sig til bronchioler, der danner luftvejstræet . Forgreningen er et resultat af spidsen af hvert bronchiolært rør bifurcating, og processen med forgrening af morfogenese danner bronchi, bronchioler og i sidste ende alveolerne.

Branching morfogenese er også tydelig i duktal dannelse af brystkirtlen . Primitiv kanaldannelse begynder i udviklingen , men forgreningsdannelsen af kanalsystemet begynder senere som reaktion på østrogen i puberteten og forfines yderligere i takt med brystkirteludviklingen.

Kræftmorfogenese

Kræft kan skyldes afbrydelse af normal morfogenese, herunder både tumordannelse og tumormetastase . Mitokondriel dysfunktion kan resultere i øget kræftrisiko på grund af forstyrret morfogensignalering.

Virusmorfogenese

Under samling af bakteriofagen (fag) T4 -virionen interagerer de morfogenetiske proteiner, der kodes af faggenerne , med hinanden i en karakteristisk sekvens. Opretholdelse af en passende balance i mængderne af hvert af disse proteiner produceret under virusinfektion synes at være kritisk for normal fag T4 morfogenese. Phage T4-kodede proteiner, der bestemmer virionstrukturen, omfatter større strukturelle komponenter, mindre strukturelle komponenter og ikke-strukturelle proteiner, der katalyserer specifikke trin i morfogenesesekvensen. Phage T4 morfogenese er opdelt i tre uafhængige veje: hovedet, halen og de lange halefibre som beskrevet af Yap og Rossman.

Se også

Noter

Referencer

Yderligere læsning

Bard, JBL (1990). Morfogenese: De cellulære og molekylære processer i udviklingsanatomi . Cambridge, England: Cambridge University Press.
Slack, JMW (2013). Væsentlig udviklingsbiologi . Oxford: Wiley-Blackwell.

Languages

In other projects