Гаструляция — стадия раннего эмбрионального развития большинства животных , во время которой бластула (однослойная полая сфера клеток ) или у млекопитающих бластоциста реорганизуется в двухслойный или трехслойный зародыш, известный как гаструла . . [1] До гаструляции эмбрион представляет собой непрерывный эпителиальный слой клеток; к концу гаструляции эмбрион начинает дифференцировку , образуя отдельные клеточные линии , устанавливает основные оси тела (например, дорсально-вентральную , передне-заднюю ) и интернализует один или несколько типов клеток, включая проспективную кишку . [2]
У триплобластных организмов гаструла трехламинарная (трехслойная). Этими тремя зародышевыми листками являются эктодерма (наружный слой), мезодерма (средний слой) и энтодерма (внутренний слой). [3] [4] У диплобластических организмов, таких как Cnidaria и Ctenophora , гаструла имеет только эктодерму и энтодерму. Эти два слоя также иногда 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 образовавшихся зародышевых листков. [6] Каждый слой дает начало определенным тканям и органам развивающегося эмбриона.
После гаструляции клетки организма либо организуются в листы связанных клеток (как в эпителии ), либо в виде сетки изолированных клеток, например, мезенхимы . [4] [8]
Хотя модели гаструляции демонстрируют огромные различия во всем животном мире, их объединяют пять основных типов движений клеток, которые происходят во время гаструляции: [2] [9]
Термины «гаструла» и «гаструляция» были придуманы Эрнстом Геккелем в его работе 1872 года «Биология известковых губок» . [10] Гаструла (буквально «живот») — это неолатинское уменьшительное слово, основанное на древнегреческом γαστήρ gastḗr («живот»).
Льюису Уолперту , новаторскому биологу развития в этой области, приписывают замечание: «Не рождение, брак или смерть, а гаструляция действительно является самым важным периодом в вашей жизни». [2] [11]
Гаструляция сильно различается в животном мире, но имеет основные сходства. Гаструляцию изучали на многих животных, но некоторые модели использовались дольше, чем другие. Кроме того, легче изучать развитие животных, развивающихся вне матери. К модельным организмам , гаструляция которых изучена наиболее детально, относятся моллюски , морские ежи , лягушки и курицы . Модельной системой человека является гаструлоид .
Различие между протостомами и вторичноротыми основано на направлении развития рта (стомы) по отношению к бластопору . Протостома происходит от греческого слова protostoma, означающего «первый рот» (πρῶτος + στόμα), тогда как этимология Второстома — «второй рот» от слов второй и рот (δεύτερος + στόμα). [ нужна цитата ]
Основные различия между вторичноротыми и протостомами обнаруживаются в эмбриональном развитии :
Морские ежи были важными модельными организмами в биологии развития с 19 века. [12] Их гаструляцию часто считают архетипом вторичноротых беспозвоночных. [13] Для получения знаний о гаструляции морского ежа использовались эксперименты и компьютерное моделирование. Недавнее моделирование показало, что полярности плоских клеток достаточно, чтобы стимулировать гаструляцию морских ежей. [14]
Морские ежи демонстрируют весьма стереотипные модели расщепления и судьбы клеток. Депонированные у матери мРНК создают организующий центр эмбриона морского ежа. Каноническая передача сигналов Wnt и Delta-Notch постепенно разделяет прогрессирующую энтодерму и мезодерму. [15]
У морских ежей первыми интернализующимися клетками являются первичные мезенхимные клетки (PMC), имеющие скелетогенную судьбу и проникающие на стадии бластулы. Гаструляция – интернализация проспективной энтодермы и нескелетогенной мезодермы – начинается вскоре после этого с инвагинации и других клеточных перестроек вегетативного полюса , которые составляют примерно 30% окончательной длины архентерона . Окончательная длина кишечника зависит от перестройки клеток внутри архентерона. [16]
Род лягушек Xenopus использовался в качестве модельного организма для изучения гаструляции. [17]
Сперматозоид дает одну из двух митотических астр , необходимых для завершения первого дробления. Сперма может проникнуть в любую часть животной половины яйцеклетки, но точная точка входа нарушит радиальную симметрию яйцеклетки, организовав цитоскелет . Перед первым дроблением кора яйцеклетки вращается относительно внутренней цитоплазмы за счет скоординированного действия микротрубочек в процессе, известном как вращение коры. Это смещение приводит в контакт материнские детерминанты клеточной судьбы из экваториальной цитоплазмы и вегетативной коры, и вместе эти детерминанты создают организатор . Таким образом, организатором станет область на вегетативной стороне, противоположная месту входа сперматозоидов. [18] Хильда Мангольд , работающая в лаборатории Ганса Спеманна , продемонстрировала, что этот особый «организатор» эмбриона необходим и достаточен для индукции гаструляции. [19] [20] [21]
Спецификация эндодермы зависит от перестройки депонированных материнских детерминант, что приводит к нуклеаризации Beta-catenin . Мезодерма индуцируется передачей сигналов от презумптивной энтодермы к клеткам, которые в противном случае стали бы эктодермой. [18]
Дорсальная губа бластопора является механическим двигателем гаструляции. Первым признаком инвагинации у лягушки является спинная губа. [ нужна цитата ]
У лягушки Xenopus одним из сигналов является ретиноевая кислота (РА). [22] Передача сигналов RA в этом организме может влиять на формирование энтодермы и, в зависимости от времени передачи сигналов, может определять судьбу панкреатического, кишечного или дыхательного пути. Другие сигналы, такие как Wnt и BMP, также играют роль в респираторной судьбе Xenopus путем активации индикаторов клеточных клонов. [22]
У амниот (рептилий, птиц и млекопитающих) гаструляция включает создание бластопора — отверстия в архентероне . Обратите внимание, что бластопор не является отверстием в бластоцели , пространстве внутри бластулы , а представляет собой новый карман, который сближает существующие поверхности бластулы. У амниот гаструляция происходит в следующей последовательности: (1) зародыш становится асимметричным ; (2) формируются примитивные полоски ; (3) клетки эпибласта первичной полоски подвергаются эпителиально -мезенхимальному переходу и проникают в примитивную полоску с образованием зародышевых листков . [7]
При подготовке к гаструляции эмбрион должен стать асимметричным как по проксимально-дистальной оси , так и по переднезадней оси . Проксимально-дистальная ось формируется, когда клетки эмбриона образуют «цилиндр яйца», который состоит из внеэмбриональных тканей, дающих 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 передне-заднюю симметрию и регулируется узловой передачей сигналов. [7]
Примитивная полоска формируется в начале гаструляции и находится в месте соединения внеэмбриональной ткани с эпибластом на задней стороне зародыша и в месте ингрессии . [23] Формирование примитивной полоски зависит от узловой передачи сигналов [7] в серпе Коллера внутри клеток, способствующих первичной полоске и передаче сигналов BMP4 из внеэмбриональной ткани. [23] [24] Более того, Cer1 и Lefty1 ограничивают примитивную полоску соответствующим местоположением, противодействуя узловой передаче сигналов. [25] Область, определяемая как примитивная полоска, продолжает расти по направлению к дистальному кончику. [7]
На ранних стадиях развития примитивная полоска представляет собой структуру, которая устанавливает двустороннюю симметрию , определяет место гаструляции и инициирует образование зародышевого листка. [26] Для формирования полоски рептилии, птицы и млекопитающие располагают мезенхимальные клетки вдоль предполагаемой срединной линии, устанавливая первую эмбриональную ось, а также место, куда клетки будут проникать и мигрировать в процессе гаструляции и формирования зародышевого листка. [27] Примитивная полоска проходит через эту срединную линию и образует передне-заднюю ось тела, [28] становясь первым событием, нарушающим симметрию в эмбрионе , и отмечает начало гаструляции. [29] Этот процесс включает в себя проникновение предшественников мезодермы и энтодермы и их миграцию в конечное положение, [28] [30] , где они дифференцируются в три зародышевых листка. [27] Локализация клеточной адгезии и сигнальной молекулы бета-катенина имеет решающее значение для правильного формирования области-организатора, которая отвечает за инициацию гаструляции.
Чтобы клетки могли переместиться из эпителия эпибласта через примитивную полоску с образованием нового слоя, клетки должны подвергнуться эпителиально-мезенхимальному переходу (ЕМТ), чтобы потерять свои эпителиальные характеристики, такие как межклеточная адгезия . Передача сигналов FGF необходима для правильного ЕМТ. FGFR1 необходим для повышения регуляции SNAI1 , который снижает регуляцию E-кадгерина , вызывая потерю клеточной адгезии. После ЕМТ клетки проникают через примитивную полоску и распространяются, образуя новый слой клеток или присоединяясь к существующим слоям. FGF8 участвует в процессе расселения из первичной полоски . [25]
Существуют определенные сигналы, которые играют роль в детерминации и формировании трех зародышевых листков, таких как FGF, RA и Wnt. [22] У млекопитающих, таких как мыши, передача сигналов RA может играть роль в формировании легких. Если РА недостаточно, произойдет ошибка в работе легких. RA также регулирует дыхательную компетентность в этой мышиной модели. [ нужна цитата ]
Во время гаструляции клетки дифференцируются в эктодерму или мезендодерму , которая затем разделяется на мезодерму и энтодерму. [22] Энтодерма и мезодерма формируются за счет узловой передачи сигналов . В узловой передаче сигналов используются лиганды, которые являются частью семейства TGFβ . Эти лиганды будут сигнализировать трансмембранные рецепторы серин/треонинкиназы, которые затем фосфорилируют Smad2 и Smad3 . Затем этот белок прикрепится к Smad4 и переместится в ядро, где начнут транскрибироваться гены мезентодермы. Путь Wnt вместе с β-catenin играет ключевую роль в передаче сигналов nodal и формировании энтодермы. [31] Факторы роста фибробластов (FGF), канонический путь Wnt, костный морфогенетический белок (BMP) и ретиноевая кислота (RA) играют важную роль в формировании и развитии энтодермы. [22] FGF играют важную роль в производстве гена гомеобокса , который регулирует раннее анатомическое развитие. Передача сигналов BMP играет роль в печени и способствует судьбе печени. Передача сигналов RA также индуцирует гены гомеобокса, такие как Hoxb1 и Hoxa5. У мышей, если отсутствует передача сигналов RA, у мышей не развиваются легкие. [22] Передача сигналов RA также имеет множество применений в формировании органов глоточных дуг, передней и задней кишки. [22]
Был предпринят ряд попыток понять процессы гаструляции с использованием методов in vitro, параллельных и дополняющих исследования на эмбрионах, обычно с использованием методов 2D [32] [33] [34] и 3D культивирования клеток ( эмбриональных органоидов ). [35] [36] [37] [38] с использованием эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) или индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). Это связано с рядом явных преимуществ использования протоколов, основанных на культурах тканей, некоторые из которых включают снижение стоимости связанных с ними работ in vivo (тем самым сокращая, заменяя и совершенствуя использование животных в экспериментах; 3R ), возможность точно применять агонисты/антагонисты пространственно и временно специфичным образом [36] [37] , что может быть технически сложно выполнить во время гаструляции. Однако для контекста важно связать наблюдения в культуре с процессами, происходящими в эмбрионе.
Чтобы проиллюстрировать это, управляемая дифференцировка ЭСК мыши привела к образованию примитивных полосоподобных клеток, которые проявляют многие характеристики клеток эпибласта, которые проходят через примитивную полоску [32] (например, временная регуляция повышения брахюрии и клеточные изменения, связанные с переход от эпителия к мезенхиме [32] ), а ЭСК человека, культивированные на микропаттернах и обработанные BMP4 , могут генерировать паттерн пространственной дифференцировки, аналогичный расположению зародышевых слоев в человеческом эмбрионе. [33] [34] Наконец, используя 3D- технику на основе эмбриоидных тел и органоидов , небольшие агрегаты мышиных ЭСК ( эмбриональных органоидов или гаструлоидов ) способны продемонстрировать ряд процессов раннего развития эмбрионов млекопитающих, таких как нарушение симметрии, поляризация экспрессии генов, движения, подобные гаструляции, осевое удлинение и генерация всех трех эмбриональных осей (передне-задней, дорсовентральной и лево-правой осей). [35] [36] [37] [39]
Экстракорпоральное оплодотворение происходит в лаборатории. Процесс экстракорпорального оплодотворения заключается в том, что зрелые яйцеклетки извлекаются из яичников и помещаются в питательную среду, где они оплодотворяются спермой. В культуре сформируется эмбрион. [40] Через 14 дней после оплодотворения формируется примитивная полоска. Формирование примитивной черты известно в некоторых странах как «человеческая индивидуальность». [41] Это означает, что эмбрион теперь сам является существом, он представляет собой собственную сущность. Страны, которые так считают, создали правило 14 дней, согласно которому запрещено изучать или экспериментировать на человеческом эмбрионе после 14-дневного периода in vitro . Исследования проводились в первые 14 дней эмбриона, но никаких известных исследований после 14 дней не проводилось. [42] При наличии этого правила используются эмбрионы мышей, развитие которых происходит через 14 дней; однако существуют различия в развитии между мышами и людьми.