Morfogenese - Morphogenesis
Morfogenese (fra den greske morphêformen og skapelsen av genesis , bokstavelig talt " formgenerering ") er den biologiske prosessen som får en celle , vev eller organisme til å utvikle sin form. Det er et av tre grunnleggende aspekter ved utviklingsbiologi sammen med kontroll av vevsvekst og mønster av cellulær differensiering .
Prosessen styrer den organiserte romlige fordelingen av celler under embryonisk utvikling av en organisme . Morfogenese kan også finne sted i en moden organisme, for eksempel ved normalt vedlikehold av vev av stamceller eller i regenerering av vev etter skade. Kreft er et eksempel på svært unormal og patologisk vevsmorfogenese. Morfogenese beskriver også utviklingen av encellede livsformer som ikke har et embryonalt stadium i livssyklusen. Morfogenese er avgjørende for utviklingen av nye former.
Morfogenese er en mekanisk prosess som involverer krefter som genererer mekanisk stress, belastning og bevegelse av celler, og kan induseres av genetiske programmer i henhold til den romlige mønstring av celler i vev.
Historie
Noen av de tidligste ideer og matematiske beskrivelser av hvordan fysiske prosesser og begrensninger påvirker biologisk vekst, og dermed naturlige mønstre slik som spiraler av bladstilling , ble skrevet av D'Arcy Wentworth Thompson i sin 1917 bok på vekst og Form og Alan Turing i sitt Det kjemiske grunnlaget for morfogenese (1952). Der Thompson forklarte dyrs kroppsformer som skapt av varierende veksthastigheter i forskjellige retninger, for eksempel for å lage spiralskallet til en snegl , forutslo Turing korrekt en mekanisme for morfogenese, diffusjon av to forskjellige kjemiske signaler, en som aktiverer og en deaktiverer vekst, for å sette opp utviklingsmønstre, tiår før dannelsen av slike mønstre ble observert. Den fyldigere forståelsen av mekanismene som er involvert i faktiske organismer krevde oppdagelsen av DNA -strukturen i 1953, og utviklingen av molekylærbiologi og biokjemi .
Genetisk og molekylært grunnlag
Flere typer molekyler er viktige i morfogenese. Morfogener er oppløselige molekyler som kan diffundere og bære signaler som styrer celledifferensiering via konsentrasjonsgradienter. Morphogens virker typisk gjennom binding til spesifikke proteinreseptorer . En viktig klasse molekyler involvert i morfogenese er transkripsjonsfaktorproteiner som bestemmer cellers skjebne ved å samhandle med DNA . Disse kan kodes for av hovedregulerende gener , og enten aktivere eller deaktivere transkripsjonen av andre gener; på sin side kan disse sekundære genproduktene regulere uttrykket av fortsatt andre gener i en regulatorisk kaskade av genregulerende nettverk . På slutten av denne kaskaden er klasser av molekyler som kontrollerer mobil oppførsel som cellemigrasjon , eller, mer generelt, deres egenskaper, for eksempel celleadhesjon eller cellekontraktilitet. For eksempel, under gastrulering , slår klumper av stamceller av celle-til-celle-adhesjonen, blir migrerende og inntar nye posisjoner i et embryo hvor de igjen aktiverer spesifikke celleadhesjonsproteiner og danner nytt vev og organer. Utviklingssignalveier involvert i morfogenese inkluderer Wnt, Hedgehog og ephrin.
Mobilbasis
På et vevsnivå, hvis man ignorerer kontrollmidlene, oppstår morfogenese på grunn av mobil spredning og motilitet. Morfogenese innebærer også endringer i cellestrukturen eller hvordan celler interagerer i vev. Disse endringene kan føre til forlengelse av vev, tynning, bretting, invasjon eller separasjon av ett vev i forskjellige lag. Det siste tilfellet omtales ofte som cellesortering . Celle "sortering" består av celler som beveger seg for å sortere i klynger som maksimerer kontakten mellom celler av samme type. Evnen til celler til å gjøre dette har blitt foreslått å stamme fra differensial celleadhesjon av Malcolm Steinberg gjennom hans differensialadhesjonshypotese . Vevsseparasjon kan også skje via mer dramatiske cellulære differensieringshendelser der epitelceller blir mesenkymale (se Epitel - mesenkymal overgang ). Mesenkymale celler forlater vanligvis epitelvevet som en konsekvens av endringer i cellelim og kontraktile egenskaper. Etter epitel-mesenkymal overgang kan celler migrere bort fra et epitel og deretter knytte seg til andre lignende celler på et nytt sted. I planter er cellulær morfogenese tett knyttet til den kjemiske sammensetningen og de mekaniske egenskapene til celleveggen.
Cell-til-celle vedheft
Under embryonal utvikling er celler begrenset til forskjellige lag på grunn av differensielle affiniteter. En av måtene dette kan skje er når celler deler de samme cell-til-celle- adhesjonsmolekylene . For eksempel kan homotypisk celleadhesjon opprettholde grenser mellom grupper av celler som har forskjellige adhesjonsmolekyler. Videre kan celler sortere basert på forskjeller i vedheft mellom cellene, så selv to populasjoner av celler med forskjellige nivåer av det samme adhesjonsmolekylet kan sortere ut. I cellekultur beveger celler som har sterkest vedheft til midten av et blandet aggregat av celler. Videre moduleres cellecelleadhesjon ofte av cellekontraktilitet, som kan utøve krefter på celle-cellekontaktene slik at to cellepopulasjoner med like store nivåer av det samme adhesjonsmolekylet kan sortere ut. Molekylene som er ansvarlige for vedheft kalles celleadhesjonsmolekyler (CAM). Flere typer celleadhesjonsmolekyler er kjent, og en hovedklasse av disse molekylene er kadheriner . Det er dusinvis av forskjellige kadheriner som uttrykkes på forskjellige celletyper. Kadheriner binder seg til andre kadheriner på en lignende måte: E-kadherin (funnet på mange epitelceller) binder seg fortrinnsvis til andre E-kadherinmolekyler. Mesenkymale celler uttrykker vanligvis andre cadherin-typer som N-cadherin.
Ekstracellulær matrise
Den ekstracellulære matrisen (ECM) er involvert i å holde vev separert, gi strukturell støtte eller tilveiebringe en struktur for celler å migrere videre. Kollagen , laminin og fibronektin er viktige ECM -molekyler som skilles ut og settes sammen til ark, fibre og geler. Multisubunitt transmembranreseptorer kalt integriner brukes til å binde seg til ECM. Integriner binder ekstracellulært til fibronektin, laminin eller andre ECM -komponenter, og intracellulært til mikrofilamentbindende proteiner α -aktinin og talin for å koble cytoskjelettet med utsiden. Integriner fungerer også som reseptorer for å utløse signaltransduksjonskaskader når de bindes til ECM. Et godt studert eksempel på morfogenese som involverer ECM er ductal forgrening av brystkjertelen .
Cellens kontraktilitet
Vev kan endre form og skilles i forskjellige lag via cellens kontraktilitet. På samme måte som i muskelceller kan myosin trekke seg sammen i forskjellige deler av cytoplasma for å endre form eller struktur. Myosin-drevet kontraktilitet i embryonalt vevs morfogenese sees under separasjonen av kimlag i modellorganismene Caenorhabditis elegans , Drosophila og sebrafisk . Det er ofte periodiske sammentrekningspulser ved embryonisk morfogenese. En modell som kalles cell state splitter innebærer vekslende cellekontraksjon og ekspansjon, initiert av en bistabil organell i den apikale enden av hver celle. Organellen består av mikrotubuli og mikrofilamenter i mekanisk motstand. Den reagerer på lokale mekaniske forstyrrelser forårsaket av morfogenetiske bevegelser. Disse utløser deretter reiser embryonale differensieringsbølger av sammentrekning eller ekspansjon over antatt vev som bestemmer celletype og blir fulgt av celledifferensiering. Cell state splitter ble først foreslått for å forklare nevral plate morfogenese under gastrulering av axolotl, og modellen ble senere generalisert til hele morfogenese.
Forgrening morfogenese
I utviklingen av lungen forgrener en bronkus seg til bronkioler som danner luftveitreet . Forgreningen er et resultat av spissen av hvert bronkiolært rør bifurcating, og prosessen med forgrening av morfogenese danner bronkiene, bronkiolene og til slutt alveolene.
Forgrenende morfogenese er også tydelig i duktal dannelse av brystkjertelen . Primitiv kanaldannelse begynner i utviklingen , men forgreningsdannelsen av kanalsystemet begynner senere som respons på østrogen i puberteten og foredles ytterligere i takt med utvikling av brystkjertelen.
Kreftmorfogenese
Kreft kan skyldes forstyrrelse av normal morfogenese, inkludert både tumordannelse og tumormetastase . Mitokondriell dysfunksjon kan resultere i økt kreftrisiko på grunn av forstyrret morfogensignalering.
Virusmorfogenese
Under montering av bakteriofag (fag) T4 virion , morfogenetiske proteiner kodet for av fag- gener som samvirker med hverandre på en karakteristisk sekvens. Å opprettholde en passende balanse i mengden av hvert av disse proteinene som produseres under virusinfeksjon ser ut til å være kritisk for normal fag T4 -morfogenese. Fag T4-kodede proteiner som bestemmer virionstrukturen inkluderer store strukturelle komponenter, mindre strukturelle komponenter og ikke-strukturelle proteiner som katalyserer spesifikke trinn i morfogenesesekvensen. Fag T4 morfogenese er delt inn i tre uavhengige veier: hodet, halen og de lange halefibrene som beskrevet av Yap og Rossman.
Se også
- Ben morfogenetisk protein
- Kollektiv cellemigrasjon
- Embryonisk utvikling
- Mønsterformasjon
- Turing mønster
- Fransk flagg modell
- Reaksjonsdiffusjonssystem
- Nevrulering
- Gastrulering
- Axon veiledning
- Øyeutvikling
- Polycystisk nyresykdom 2
- Drosophila embryogenese
- Cytoplasmatisk determinant
- Madin-Darby Canine Nyreceller
Merknader
Referanser
Videre lesning
- Bard, JBL (1990). Morfogenese: De cellulære og molekylære prosessene for utviklingsanatomi . Cambridge, England: Cambridge University Press.
- Slack, JMW (2013). Essensiell utviklingsbiologi . Oxford: Wiley-Blackwell.