Гаструляция — это стадия раннего эмбрионального развития большинства животных , во время которой бластула (однослойная полая сфера клеток ), или у млекопитающих бластоциста , преобразуется в двухслойный или трехслойный эмбрион, известный как гаструла . [1] До гаструляции эмбрион представляет собой непрерывный эпителиальный слой клеток; к концу гаструляции эмбрион начинает дифференцироваться , чтобы установить отдельные клеточные линии , устанавливает основные оси тела (например, дорсально-вентральную , передне-заднюю ) и интернализует один или несколько типов клеток, включая будущий кишечник . [2]
У триплобластических организмов гаструла является трехслойной (трипластинчатой). Эти три зародышевых слоя — эктодерма (внешний слой), мезодерма (средний слой) и энтодерма (внутренний слой). [3] [4] У диплобластических организмов, таких как Cnidaria и Ctenophora , гаструла состоит только из эктодермы и энтодермы. Эти два слоя иногда также называют гипобластом и эпибластом . [5] Губки не проходят стадию гаструлы.
Гаструляция происходит после дробления и образования бластулы, или бластоцисты. За гаструляцией следует органогенез , когда отдельные органы развиваются внутри вновь образованных зародышевых листков. [6] Каждый слой дает начало определенным тканям и органам в развивающемся эмбрионе.
После гаструляции клетки в организме либо организуются в слои связанных клеток (как в эпителии ), либо в виде сети изолированных клеток, например, мезенхимы . [4] [8]
Хотя паттерны гаструляции демонстрируют огромное разнообразие в животном мире, их объединяют пять основных типов движений клеток, которые происходят во время гаструляции: [2] [9]
Термины «гаструла» и «гаструляция» были введены Эрнстом Геккелем в его работе 1872 года «Биология известковых губок» . [10] Гаструла (дословно «маленький живот») — это неолатинское уменьшительное слово, основанное на древнегреческом γαστήρ gastḗr («живот»).
Льюис Вулперт , пионер биологии развития в этой области, отметил, что «не рождение, брак или смерть, а гаструляция является поистине самым важным периодом в вашей жизни». [2] [11]
Гаструляция сильно варьируется в животном мире, но имеет базовые сходства. Гаструляция изучалась у многих животных, но некоторые модели использовались дольше, чем другие. Кроме того, легче изучать развитие у животных, которые развиваются вне матери. Модельные организмы , гаструляция которых изучена наиболее подробно, включают моллюска , морского ежа , лягушку и курицу . Модельная система человека — гаструлоид .
Различие между первичноротыми и вторичноротыми основано на направлении, в котором рот (стома) развивается по отношению к бластопору . Первичноротые происходят от греческого слова protostoma, означающего «первый рот» (πρῶτος + στόμα), тогда как этимология вторичноротых — «второй рот» от слов второй и рот (δεύτερος + στόμα). [ необходима цитата ]
Основные различия между вторичноротыми и первичноротыми обнаруживаются в эмбриональном развитии :
Морские ежи были важными модельными организмами в биологии развития с 19 века. [12] Их гаструляция часто считается архетипом для беспозвоночных вторичноротых. [13] Эксперименты вместе с компьютерным моделированием использовались для получения знаний о гаструляции у морских ежей. Недавнее моделирование показало, что планарной полярности клеток достаточно для управления гаструляцией морских ежей. [14]
Морские ежи демонстрируют высоко стереотипные паттерны дробления и клеточные судьбы. Материнские мРНК устанавливают организующий центр эмбриона морского ежа. Канонические сигналы Wnt и Delta-Notch постепенно разделяют прогрессивную энтодерму и мезодерму. [15]
У морских ежей первыми клетками, которые интернализуются, являются первичные мезенхимные клетки (ПМК), которые имеют скелетогенную судьбу, которые проникают во время стадии бластулы. Гаструляция — интернализация будущей энтодермы и нескелетогенной мезодермы — начинается вскоре после этого с инвагинации и других перестроек клеток вегетативного полюса , которые вносят примерно 30% в окончательную длину архентерона . Окончательная длина кишечника зависит от перестроек клеток внутри архентерона. [16]
Род лягушек Xenopus использовался в качестве модельного организма для изучения гаструляции. [17]
Сперматозоид вносит один из двух митотических астеров, необходимых для завершения первого дробления. Сперматозоид может проникнуть в любую часть животной половины яйца, но его точная точка входа нарушит радиальную симметрию яйца, организуя цитоскелет . Перед первым дроблением кортекс яйца вращается относительно внутренней цитоплазмы посредством скоординированного действия микротрубочек в процессе, известном как кортикальное вращение. Это смещение приводит в соприкосновение материнские детерминанты судьбы клетки из экваториальной цитоплазмы и вегетативной коры, и вместе эти детерминанты устанавливают организатор . Таким образом, область на вегетативной стороне, противоположная точке входа сперматозоида, станет организатором. [18] Хильда Мангольд , работающая в лаборатории Ганса Шпемана , продемонстрировала, что этот особый «организатор» эмбриона необходим и достаточен для того, чтобы вызвать гаструляцию. [19] [20] [21]
Спецификация энтодермы зависит от перестройки материнских детерминант, что приводит к нуклеаризации бета-катенина . Мезодерма индуцируется сигналом от презумптивной энтодермы к клеткам, которые в противном случае стали бы эктодермой. [18]
Дорсальная губа бластопора является механическим двигателем гаструляции. Первым признаком инвагинации, наблюдаемым у лягушки, является дорсальная губа. [ необходима цитата ]
У лягушки Xenopus одним из сигналов является ретиноевая кислота (RA). [22] Сигнализация RA в этом организме может влиять на формирование энтодермы и в зависимости от времени сигнализации может определять судьбу, будь то панкреатическая, кишечная или респираторная. Другие сигналы, такие как Wnt и BMP, также играют роль в респираторной судьбе Xenopus, активируя маркеры клеточной линии. [22]
У амниот (рептилий, птиц и млекопитающих) гаструляция включает в себя создание бластопора, отверстия в архентерон . Обратите внимание, что бластопор не является отверстием в бластоцель , пространство внутри бластулы , а представляет собой новый карман, который сталкивает существующие поверхности бластулы вместе. У амниот гаструляция происходит в следующей последовательности: (1) эмбрион становится асимметричным ; (2) формируется первичная полоска ; (3) клетки из эпибласта в первичной полоске претерпевают эпителиально-мезенхимальный переход и проникают в первичную полоску , образуя зародышевые листки . [7]
При подготовке к гаструляции эмбрион должен стать асимметричным как вдоль проксимально-дистальной оси , так и вдоль переднезадней оси . Проксимально-дистальная ось формируется, когда клетки эмбриона формируют «яичный цилиндр», состоящий из внезародышевых тканей, которые дают начало таким структурам, как плацента , на проксимальном конце и эпибласт на дистальном конце. Многие сигнальные пути способствуют этой реорганизации, включая BMP , FGF , nodal и Wnt . Висцеральная энтодерма окружает эпибласт . Дистальная висцеральная энтодерма (DVE) мигрирует в переднюю часть эмбриона, образуя переднюю висцеральную энтодерму (AVE). Это нарушает переднезаднюю симметрию и регулируется узловой сигнализацией. [7]
Первичная полоска формируется в начале гаструляции и находится на стыке между внезародышевой тканью и эпибластом на задней стороне эмбриона и месте ингрессии . [23] Формирование первичной полоски зависит от узловой сигнализации [7] в серпе Коллера внутри клеток, способствующих образованию первичной полоски, и сигнализации BMP4 из внезародышевой ткани. [23] [24] Более того, Cer1 и Lefty1 ограничивают первичную полоску соответствующим местоположением, противодействуя узловой сигнализации. [25] Область, определяемая как первичная полоска, продолжает расти по направлению к дистальному кончику. [7]
На ранних стадиях развития первичная полоска является структурой, которая установит двустороннюю симметрию , определит место гаструляции и инициирует формирование зародышевого листка. [26] Чтобы сформировать полоску, рептилии, птицы и млекопитающие располагают мезенхимальные клетки вдоль предполагаемой средней линии, устанавливая первую эмбриональную ось, а также место, куда клетки будут проникать и мигрировать в процессе гаструляции и формирования зародышевого листка. [27] Первичная полоска простирается через эту среднюю линию и создает передне-заднюю ось тела, [28] становясь первым событием нарушения симметрии у эмбриона и знаменуя начало гаструляции. [29] Этот процесс включает проникновение предшественников мезодермы и энтодермы и их миграцию в их конечное положение, [28] [30] где они будут дифференцироваться в три зародышевых листка. [27] Локализация клеточной адгезии и сигнальной молекулы бета-катенина имеет решающее значение для правильного формирования области-организатора, которая отвечает за инициирование гаструляции.
Для того чтобы клетки переместились из эпителия эпибласта через первичную полоску и образовали новый слой, клетки должны пройти эпителиально-мезенхимальный переход (ЭМП), чтобы потерять свои эпителиальные характеристики, такие как межклеточная адгезия . Сигнализация FGF необходима для правильного ЭМП. FGFR1 необходим для повышения регуляции SNAI1 , который подавляет регуляцию E-кадгерина , вызывая потерю клеточной адгезии. После ЭМП клетки проникают через первичную полоску и распространяются, образуя новый слой клеток или присоединяясь к существующим слоям. FGF8 участвует в процессе этого рассеивания из первичной полоски . [25]
Существуют определенные сигналы, которые играют роль в определении и формировании трех зародышевых слоев, такие как FGF, RA и Wnt. [22] У млекопитающих, таких как мыши, сигнализация RA может играть роль в формировании легких. Если RA недостаточно, будет ошибка в формировании легких. RA также регулирует дыхательную компетентность в этой мышиной модели. [ необходима цитата ]
Во время гаструляции клетки дифференцируются в эктодерму или мезодерму , которая затем разделяется на мезодерму и энтодерму. [22] Энтодерма и мезодерма формируются благодаря узловой сигнализации . Узловая сигнализация использует лиганды, которые являются частью семейства TGFβ . Эти лиганды будут сигнализировать трансмембранным рецепторам серин/треонинкиназы, и это затем фосфорилирует Smad2 и Smad3 . Затем этот белок прикрепится к Smad4 и переместится в ядро, где начнут транскрибироваться гены мезодермы. Путь Wnt вместе с β-катенином играет ключевую роль в узловой сигнализации и формировании энтодермы. [31] Факторы роста фибробластов (FGF), канонический путь Wnt, костный морфогенетический белок (BMP) и ретиноевая кислота (RA) важны для формирования и развития энтодермы. [22] FGF важны для производства гена гомеобокса , который регулирует раннее анатомическое развитие. Сигнализация BMP играет роль в печени и способствует печеночной судьбе. Сигнализация RA также индуцирует гены гомеобокса, такие как Hoxb1 и Hoxa5. У мышей, если отсутствует сигнализация RA, у мыши не будут развиваться легкие. [22] Сигнализация RA также имеет множество применений в формировании органов глоточных дуг, передней и задней кишки. [22]
Было предпринято несколько попыток понять процессы гаструляции с использованием методов in vitro параллельно и в дополнение к исследованиям на эмбрионах, обычно с использованием методов культивирования 2D [32] [33] [34] и 3D клеток ( эмбриональных органоидов ) [35] [36] [37] [38] с использованием эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) или индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). Они связаны с рядом явных преимуществ использования протоколов на основе культуры тканей, некоторые из которых включают снижение стоимости сопутствующей работы in vivo (тем самым сокращая, заменяя и совершенствуя использование животных в экспериментах; 3R ), возможность точного применения агонистов/антагонистов пространственно и временно специфичным образом [36] [37] , что может быть технически сложно выполнить во время гаструляции. Однако важно связать наблюдения в культуре с процессами, происходящими в эмбрионе для контекста.
Чтобы проиллюстрировать это, направленная дифференциация эмбриональных стволовых клеток мыши привела к образованию клеток, подобных примитивной полоске , которые демонстрируют многие характеристики клеток эпибласта, проходящих через примитивную полоску [32] (например, транзиторная регуляция брахиурии и клеточные изменения, связанные с переходом от эпителия к мезенхиме [32] ), а человеческие эмбриональные стволовые клетки, культивируемые на микрошаблонах, обработанных BMP4 , могут генерировать пространственную схему дифференциации, похожую на расположение зародышевых листков в человеческом эмбрионе. [33] [34] Наконец, используя трехмерные методы на основе эмбриоидных тел и органоидов , небольшие агрегаты эмбриональных стволовых клеток мыши ( эмбриональные органоиды или гаструлоиды ) способны демонстрировать ряд процессов раннего развития эмбриона млекопитающих, таких как нарушение симметрии, поляризация экспрессии генов, движения, подобные гаструляции, осевое удлинение и формирование всех трех эмбриональных осей (переднезадней, дорсовентральной и лево-правой осей). [35] [36] [37] [39]
Оплодотворение in vitro происходит в лаборатории. Процесс оплодотворения in vitro заключается в том, что зрелые яйцеклетки извлекаются из яичников и помещаются в культуральную среду, где они оплодотворяются спермой. В культуре сформируется эмбрион. [40] Через 14 дней после оплодотворения формируется первичная полоска. Формирование первичной полоски известно в некоторых странах как «человеческая индивидуальность». [41] Это означает, что эмбрион теперь сам по себе является существом, он является своей собственной сущностью. Страны, которые верят в это, создали правило 14 дней, в котором незаконно изучать или экспериментировать на человеческом эмбрионе после 14-дневного периода in vitro . Исследования проводились в течение первых 14 дней эмбриона, но никаких известных исследований не проводилось после 14 дней. [42] При наличии правила эмбрионы мышей используются для понимания развития после 14 дней; однако существуют различия в развитии между мышами и людьми.