stringtranslate.com

Морфогенез

Морфогенез (от греческого morphê форма и genesis создание, буквально «создание формы») — это биологический процесс , который заставляет клетку , ткань или организм развивать свою форму. Это один из трех фундаментальных аспектов биологии развития наряду с контролем роста тканей и паттернированием клеточной дифференциации .

Процесс контролирует организованное пространственное распределение клеток во время эмбрионального развития организма . Морфогенез может происходить также в зрелом организме, например, при нормальном поддержании ткани стволовыми клетками или при регенерации тканей после повреждения. Рак является примером крайне ненормального и патологического морфогенеза тканей. Морфогенез также описывает развитие одноклеточных форм жизни, которые не имеют эмбриональной стадии в своем жизненном цикле. Морфогенез необходим для эволюции новых форм.

Морфогенез — это механический процесс, включающий силы, которые генерируют механическое напряжение, деформацию и движение клеток, [1] и может быть вызван генетическими программами в соответствии с пространственным расположением клеток в тканях. Аномальный морфогенез называется дисморфогенезом .

История

Некоторые из самых ранних идей и математических описаний того, как физические процессы и ограничения влияют на биологический рост, и, следовательно, на естественные закономерности, такие как спирали филлотаксиса , были написаны Д'Арси Вентвортом Томпсоном в его книге 1917 года « О росте и форме » [2] [3] [примечание 1] и Аланом Тьюрингом в его «Химической основе морфогенеза» (1952). [6] Там, где Томпсон объяснял формы тел животных как создаваемые различными скоростями роста в разных направлениях, например, для создания спиральной раковины улитки , Тьюринг правильно предсказал механизм морфогенеза, диффузию двух различных химических сигналов, один из которых активирует, а другой дезактивирует рост, для установления закономерностей развития, за десятилетия до того, как было обнаружено формирование таких закономерностей. [ 7] Более полное понимание механизмов, задействованных в реальных организмах, потребовало открытия структуры ДНК в 1953 году и развития молекулярной биологии и биохимии . [ необходима ссылка ]

Генетическая и молекулярная основа

Морфогенез контролируется « набором » генов , которые включают и выключают развитие в точное время и в определенном месте. Здесь гены gap у плодовой мушки включаются такими генами, как bicoid , создавая полосы, которые создают сегментарную форму тела.

Несколько типов молекул важны в морфогенезе. Морфогены — это растворимые молекулы, которые могут диффундировать и переносить сигналы, которые контролируют дифференциацию клеток через градиенты концентрации. Морфогены обычно действуют посредством связывания со специфическими белковыми рецепторами . Важный класс молекул, участвующих в морфогенезе, — это белки факторов транскрипции , которые определяют судьбу клеток, взаимодействуя с ДНК . Они могут кодироваться главными регуляторными генами и либо активировать, либо деактивировать транскрипцию других генов; в свою очередь, эти вторичные генные продукты могут регулировать экспрессию еще других генов в регуляторном каскаде сетей генной регуляции . В конце этого каскада находятся классы молекул, которые контролируют поведение клеток, такое как миграция клеток , или, в более общем плане, их свойства, такие как клеточная адгезия или сократимость клеток. Например, во время гаструляции скопления стволовых клеток отключают свою клеточную адгезию, становятся мигрирующими и занимают новые позиции внутри эмбриона, где они снова активируют специфические белки клеточной адгезии и формируют новые ткани и органы. Пути передачи сигналов развития, участвующие в морфогенезе, включают Wnt , Hedgehog и эфрины . [8]

Клеточная основа

Сортировка клеток с использованием культивированных клеток эмбриональной карциномы P19 . Живые клетки были окрашены DiI (красный) или DiO (зеленый). Красные клетки были генетически изменены и экспрессировали более высокие уровни E-кадгерина, чем зеленые клетки. Смешанная культура образует большие многоклеточные агрегаты.

На тканевом уровне, игнорируя средства контроля, морфогенез возникает из-за клеточной пролиферации и подвижности. [9] Морфогенез также включает изменения в клеточной структуре [10] или в том, как клетки взаимодействуют в тканях. Эти изменения могут привести к удлинению ткани, истончению, складчатости, инвазии или разделению одной ткани на отдельные слои. Последний случай часто называют сортировкой клеток . «Сортировка» клеток заключается в том, что клетки перемещаются таким образом, чтобы сортироваться в кластеры, которые максимизируют контакт между клетками одного типа. Способность клеток делать это, как было предложено Малкольмом Стейнбергом, возникает из-за дифференциальной адгезии клеток в его гипотезе дифференциальной адгезии . Разделение тканей может также происходить посредством более драматичных событий клеточной дифференциации , во время которых эпителиальные клетки становятся мезенхимальными (см. Эпителиально-мезенхимальный переход ). Мезенхимальные клетки обычно покидают эпителиальную ткань в результате изменений адгезивных и сократительных свойств клеток. После эпителиально-мезенхимального перехода клетки могут мигрировать из эпителия, а затем связываться с другими подобными клетками в новом месте. [11] У растений клеточный морфогенез тесно связан с химическим составом и механическими свойствами клеточной стенки. [12] [13]

Адгезия между клетками

Во время эмбрионального развития клетки ограничены разными слоями из-за дифференциального сродства. Один из способов, которым это может произойти, — когда клетки разделяют одни и те же молекулы адгезии между клетками . Например, гомотипическая клеточная адгезия может поддерживать границы между группами клеток, которые имеют разные молекулы адгезии. Кроме того, клетки могут сортироваться на основе различий в адгезии между клетками, поэтому даже две популяции клеток с разными уровнями одной и той же молекулы адгезии могут сортироваться. В клеточной культуре клетки, которые имеют самую сильную адгезию, перемещаются в центр смешанных агрегатов клеток. Более того, межклеточная адгезия часто модулируется сократимостью клеток, которая может оказывать силы на межклеточные контакты, так что две популяции клеток с одинаковыми уровнями одной и той же молекулы адгезии могут сортироваться. Молекулы, ответственные за адгезию, называются молекулами клеточной адгезии (CAM). Известно несколько типов молекул клеточной адгезии, и одним из основных классов этих молекул являются кадгерины . Существуют десятки различных кадгеринов, которые экспрессируются на разных типах клеток. Кадгерины связываются с другими кадгеринами по принципу «подобное к подобному»: E-кадгерин (обнаруженный во многих эпителиальных клетках) связывается преимущественно с другими молекулами E-кадгерина. Мезенхимальные клетки обычно экспрессируют другие типы кадгеринов, такие как N-кадгерин. [14] [15]

Внеклеточный матрикс

Внеклеточный матрикс (ВКМ) участвует в поддержании тканей разделенными, обеспечивая структурную поддержку или предоставляя структуру для миграции клеток. Коллаген , ламинин и фибронектин являются основными молекулами ВКМ, которые секретируются и собираются в листы, волокна и гели. Мультисубъединичные трансмембранные рецепторы, называемые интегринами, используются для связывания с ВКМ. Интегрины связываются внеклеточно с фибронектином, ламинином или другими компонентами ВКМ, а внутриклеточно с белками, связывающими микрофиламенты , α-актинином и талином, чтобы связать цитоскелет с внешней средой. Интегрины также служат рецепторами для запуска каскадов передачи сигнала при связывании с ВКМ. Хорошо изученным примером морфогенеза, включающим ВКМ, является разветвление протоков молочной железы . [16] [17]

Сократимость клеток

Ткани могут менять свою форму и разделяться на отдельные слои посредством клеточной сократимости. Так же, как и в мышечных клетках, миозин может сокращать различные части цитоплазмы, чтобы изменить ее форму или структуру. Сократимость, вызванная миозином, в морфогенезе эмбриональных тканей наблюдается во время разделения зародышевых листков в модельных организмах Caenorhabditis elegans , Drosophila и данио-рерио . В эмбриональном морфогенезе часто наблюдаются периодические импульсы сокращения. Модель, называемая разделителем состояния клетки, включает в себя чередующееся сокращение и расширение клетки, инициированное бистабильной органеллой на апикальном конце каждой клетки. Органелла состоит из микротрубочек и микрофиламентов в механическом противодействии. Она реагирует на локальные механические возмущения, вызванные морфогенетическими движениями. Затем они запускают бегущие волны эмбриональной дифференциации сокращения или расширения по предполагаемым тканям, которые определяют тип клетки, и за которыми следует клеточная дифференциация. Разделитель состояний клеток был впервые предложен для объяснения морфогенеза нервной пластинки во время гаструляции аксолотля [18] , а затем эта модель была обобщена на весь морфогенез. [19] [ 20]

Ветвящийся морфогенез

В процессе развития легкого бронх разветвляется на бронхиолы, образуя дыхательное дерево . [21] Разветвление является результатом разветвления кончика каждой бронхиолярной трубки, а процесс морфогенеза разветвления формирует бронхи, бронхиолы и, в конечном итоге, альвеолы. [22]

Морфогенез ветвления также очевиден в образовании протоков молочной железы . [23] [17] Примитивное образование протоков начинается в процессе развития , но формирование ветвей системы протоков начинается позже в ответ на эстроген во время полового созревания и далее совершенствуется в соответствии с развитием молочной железы. [17] [24] [25]

Морфогенез рака

Рак может возникнуть в результате нарушения нормального морфогенеза, включая как образование опухолей, так и метастазы опухолей . [26] Дисфункция митохондрий может привести к повышению риска рака из-за нарушения сигнализации морфогена. [26]

Морфогенез вируса

Во время сборки вириона бактериофага (фага) T4 морфогенетические белки, кодируемые генами фага , взаимодействуют друг с другом в характерной последовательности. Поддержание соответствующего баланса в количествах каждого из этих белков, продуцируемых во время вирусной инфекции, по-видимому, имеет решающее значение для нормального морфогенеза фага T4. [27] Кодируемые фагом T4 белки, которые определяют структуру вириона, включают основные структурные компоненты, второстепенные структурные компоненты и неструктурные белки, которые катализируют определенные этапы в последовательности морфогенеза. [28] Морфогенез фага T4 делится на три независимых пути: головные, хвостовые и длинные хвостовые волокна, как подробно описано Япом и Россманом. [29]

Компьютерные модели

Подход к моделированию морфогенеза в информатике или математике можно проследить до статьи Алана Тьюринга 1952 года «Химическая основа морфогенеза» [30] , модели, теперь известной как шаблон Тьюринга .

Другая известная модель — так называемая модель французского флага , разработанная в шестидесятых годах. [31]

Улучшения в производительности компьютеров в двадцать первом веке позволили моделировать относительно сложные модели морфогенеза. В 2020 году была предложена такая модель, в которой рост и дифференциация клеток являются клеточным автоматом с параметризованными правилами. Поскольку параметры правил дифференцируемы, их можно обучать с помощью градиентного спуска , метода, который был высоко оптимизирован в последние годы благодаря его использованию в машинном обучении . [32] Эта модель была ограничена генерацией изображений и, таким образом, является двумерной.

Похожая на описанную выше модель впоследствии была расширена для создания трехмерных структур и была продемонстрирована в видеоигре Minecraft , блочная природа которой сделала ее особенно целесообразной для моделирования трехмерных клеточных автоматов. [33]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Книга Томпсона часто цитируется. Сокращенная версия, включающая 349 страниц, остается в печати и легко доступна. [4] Несокращенная версия, включающая 1116 страниц, также была опубликована. [5]

Ссылки

  1. ^ Bidhendi, Amir J.; Altartouri, Bara; Gosselin, Frédérick P.; Geitmann, Anja (июль 2019 г.). «Механический стресс инициирует и поддерживает морфогенез эпидермальных клеток волнистых листьев». Cell Reports . 28 (5): 1237–1250. doi : 10.1016/j.celrep.2019.07.006 . PMID  31365867.
  2. ^ Томпсон, Д'Арси Уэнтворт (1917). О росте и форме. Cambridge University Press .
  3. ^ Montell, Denise J. (5 декабря 2008 г.), «Морфогенетические движения клеток: разнообразие модульных механических свойств» (PDF) , Science , 322 (5907): 1502–1505, Bibcode :2008Sci...322.1502M, doi :10.1126/science.1164073, PMID  19056976, S2CID  27982230, архивировано из оригинала (PDF) 28 ноября 2014 г. , извлечено 11 декабря 2012 г.
  4. ^ Томпсон, Д'Арси Уэнтворт (2004) [1917, сокращенно 1961], Боннер, Джон Тайлер (ред.), О росте и форме, Кембридж, Англия; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Cambridge University Press , ISBN 978-0-521-43776-9, получено 11 декабря 2012 г.
  5. ^ Томпсон, Д'Арси Уэнтворт (1992), О росте и форме: Полное пересмотренное издание , Нью-Йорк, Нью-Йорк: Довер, ISBN 978-0-486-67135-2
  6. ^ Turing, AM (1952). «Химическая основа морфогенеза». Philosophical Transactions of the Royal Society B. 237 ( 641): 37–72. Bibcode :1952RSPTB.237...37T. doi : 10.1098/rstb.1952.0012 .
  7. ^ Хискок, Том В.; Мегасон, Шон Г. (2015). «Ориентация тьюрингоподобных паттернов градиентами морфогена и тканевой анизотропией». Cell Systems . 1 (6): 408–416. doi :10.1016/j.cels.2015.12.001. PMC 4707970 . PMID  26771020. 
  8. ^ Kouros-Mehr, H.; Werb, Z. (2006). «Кандидаты-регуляторы морфогенеза ветвления молочной железы, идентифицированные с помощью анализа транскриптов по всему геному». Dev. Dyn . 235 (12): 3404–12. doi :10.1002/dvdy.20978. PMC 2730892. PMID  17039550 . 
  9. ^ Монтевиль, Маэль; Сперони, Люсия; Зонненшайн, Карлос; Сото, Ана М. (2016). «Моделирование органогенеза молочной железы на основе биологических первых принципов: клетки и их физические ограничения». Прогресс в биофизике и молекулярной биологии . От века генома к веку организма: новые теоретические подходы. 122 (1): 58–69. arXiv : 1702.03337 . doi :10.1016/j.pbiomolbio.2016.08.004. PMC 5563449 . PMID  27544910. 
  10. ^ Дюран-Небреда, Сальва; Пла, Джорди; Видиелла, Блай; Пиньеро, Хорди; Конде-Пуэйо, Нурия; Соле, Рикар (15 января 2021 г.). «Синтетическое латеральное ингибирование в периодическом формировании микробных колоний». ACS Синтетическая биология . 10 (2): 277–285. doi : 10.1021/acsynbio.0c00318. ISSN  2161-5063. ПМЦ 8486170 . ПМИД  33449631. 
  11. ^ Гилберт, Скотт Ф. (2000). «Морфогенез и клеточная адгезия». Биология развития (6-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-243-6.
  12. ^ Bidhendi, Amir J; Geitmann, Anja (январь 2016 г.). «Связь механических свойств первичной клеточной стенки растений с морфогенезом» (PDF) . Journal of Experimental Botany . 67 (2): 449–461. doi : 10.1093/jxb/erv535 . PMID  26689854.
  13. ^ Bidhendi, Amir J; Geitmann, Anja (январь 2018). «Конечно-элементное моделирование изменений формы растительных клеток». Plant Physiology . 176 (1): 41–56. doi :10.1104/pp.17.01684. PMC 5761827 . PMID  29229695. 
  14. ^ Hulpiau, P.; van Roy, F. (февраль 2009 г.). «Молекулярная эволюция суперсемейства кадгеринов». Int. J. Biochem. Cell Biol . 41 (2): 349–69. doi :10.1016/j.biocel.2008.09.027. PMID  18848899.
  15. ^ Angst, B.; Marcozzi, C.; Magee, A. (февраль 2001 г.). «Суперсемейство кадгеринов: разнообразие форм и функций». J Cell Sci . 114 (Pt 4): 629–41. doi :10.1242/jcs.114.4.629. PMID  11171368.
  16. ^ Fata JE, Werb Z, Bissell MJ (2004). «Регуляция морфогенеза ветвления молочной железы внеклеточным матриксом и его ремоделирующими ферментами». Breast Cancer Res . 6 (1): 1–11. doi : 10.1186/bcr634 . PMC 314442. PMID  14680479 . 
  17. ^ abc Sternlicht MD (2006). "Ключевые этапы развития молочной железы: сигналы, которые регулируют морфогенез ветвления протоков". Breast Cancer Res . 8 (1): 201. doi : 10.1186/bcr1368 . PMC 1413974. PMID  16524451 . 
  18. ^ Гордон, Ричард; Бродланд, Г. Уэйн (1987). «Механика цитоскелета морфогенеза мозга». Cell Biophysics . 11 : 177–238. doi :10.1007/BF02797122. PMID  2450659. S2CID  4349055.
  19. ^ Гордон, Натали К.; Гордон, Ричард (2016). «Органелла дифференциации в эмбрионах: разделитель состояний клеток». Теоретическая биология и медицинское моделирование . 13 : 11. doi : 10.1186/s12976-016-0037-2 . PMC 4785624. PMID  26965444 . 
  20. ^ Гордон, Натали К.; Гордон, Ричард (2016). Embryogenesis Explained . doi :10.1142/8152. ISBN 978-981-4350-48-8.
  21. ^ Вулперт, Льюис (2015). Принципы развития (5-е изд.). Oxford University Press. С. 499–500. ISBN 978-0-19-967814-3.
  22. ^ Миура, Т (2008). «Моделирование морфогенеза ветвления легких». Многомасштабное моделирование систем развития . Текущие темы в биологии развития. Том 81. С. 291–310. doi :10.1016/S0070-2153(07)81010-6. ISBN 9780123742537. PMID  18023732.
  23. ^ Fata JE, Werb Z, Bissell MJ (2004). «Регуляция морфогенеза ветвления молочной железы внеклеточным матриксом и его ремоделирующими ферментами». Breast Cancer Res . 6 (1): 1–11. doi : 10.1186/bcr634 . PMC 314442. PMID  14680479 . 
  24. ^ Хайнс, NE; Уотсон, CJ (2010). «Факторы роста молочной железы: роль в нормальном развитии и при раке». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 2 (8): a003186. doi :10.1101/cshperspect.a003186. ISSN  1943-0264. PMC 2908768. PMID 20554705  . 
  25. ^ Джей Р. Харрис; Марк Э. Липпман; К. Кент Осборн; Моника Морроу (28 марта 2012 г.). Заболевания груди. Lippincott Williams & Wilkins. стр. 94–. ISBN 978-1-4511-4870-1.
  26. ^ ab Fosslien E (2008). "Морфогенез рака: роль митохондриальной недостаточности" (PDF) . Annals of Clinical & Laboratory Science . 38 (4): 307–329. PMID  18988924. S2CID  4538888. Архивировано из оригинала (PDF) 21.09.2017.
  27. ^ Флор, Эрик (1970). «Взаимодействие морфогенетических генов бактериофага Т4». Журнал молекулярной биологии . 47 (3): 293–306. doi :10.1016/0022-2836(70)90303-7. PMID  4907266.
  28. ^ Snustad, D.Peter (1968). «Доминантные взаимодействия в клетках Escherichia coli, смешанно инфицированных бактериофагом T4D дикого типа и мутантами amber, и их возможные последствия для типа функции гена-продукта: каталитическая против стехиометрической». Вирусология . 35 (4): 550–563. doi :10.1016/0042-6822(68)90285-7. PMID  4878023.
  29. ^ Яп, Мо Лан; Россманн, Майкл Г. (2014). «Структура и функция бактериофага Т4». Future Microbiology . 9 (12): 1319–1327. doi :10.2217/fmb.14.91. PMC 4275845. PMID  25517898 . 
  30. ^ Тьюринг, Алан Матисон (1952). «Химическая основа морфогенеза». Philosophical Transactions of the Royal Society B. 237 ( 641): 37–72. Bibcode : 1952RSPTB.237...37T. doi : 10.1098/rstb.1952.0012. S2CID  937133.
  31. ^ Шарп, Джеймс; Грин, Джереми (2015). «Позиционная информация и реакция-диффузия: две большие идеи в биологии развития объединяются». Развитие . 142 (7): 1203–1211. doi : 10.1242/dev.114991 . hdl : 10230/25028 . PMID  25804733.
  32. ^ Мордвинцев, Александр; Рандаццо, Этторе; Никлассон, Эйвинд; Левин, Майкл (2020). «Выращивание нейроклеточных автоматов». Дистиллировать . 5 (2). дои : 10.23915/distill.00023 . S2CID  213719058.
  33. ^ Судхакаран, Шьям; Грбич, Джордже; Ли, Сиян; Катона, Адам; Нахарро, Элиас; Глануа, Клэр; Ризи, Себастьян (2021). «Выращивание трехмерных артефактов и функциональных машин с помощью нейроклеточных автоматов». arXiv : 2103.08737 [cs.LG].

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Морфогенез» .