Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Морфогенез Drosophila плодовых мушек интенсивно изучается в лаборатории

Морфоген представляет собой вещество , чье неравномерное распределение регулирует картину развития ткани в процессе морфогенеза или шаблон формирования , одного из основных процессов биологии развития , установление позиции различных специализированных типов клеток в ткани. Более конкретно, морфоген - это сигнальная молекула, которая действует непосредственно на клетки, вызывая специфические клеточные ответы в зависимости от его локальной концентрации.

Обычно морфогены продуцируются исходными клетками и диффундируют через окружающие ткани в эмбрионе на раннем этапе развития, так что устанавливаются градиенты концентрации. Эти градиенты управляют процессом дифференциации неспециализированных стволовых клеток в разные типы клеток, в конечном итоге формируя все ткани и органы тела. Контроль морфогенеза - центральный элемент эволюционной биологии развития (evo-DevO).

История [ править ]

Термин был придуман Алан Тьюринг в статье « Химические основы морфогенеза », где он предсказал химический механизм для биологической формирования рисунка , [1] десятилетия до формирования таких моделей была продемонстрирована. [2]

Концепция морфогена имеет долгую историю в биологии развития, начиная с работой пионерской Drosophila (дрозофила) генетики , Томас Хант Морган , в начале 20 - го века. Льюис Вольперт усовершенствовал концепцию морфогена в 1960-х с помощью модели французского флага , которая описывала, как морфоген может подразделять ткань на домены с различной экспрессией целевого гена (соответствующие цветам французского флага). Эту модель отстаивал ведущий биолог по дрозофилам Питер Лоуренс . Кристиан Нюсслейн-Фольхард первой идентифицировала морфоген Bicoid, один из факторов транскрипции, присутствующих в градиенте в синцитиальном эмбрионе Drosophila . Ей была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1995 г. за работу по объяснению морфогенной эмбриологии обыкновенной плодовой мухи. [3] [4] [5] [6] Группы под руководством Гэри Струла и Стивена Коэна затем продемонстрировали, что секретируемый сигнальный белок, декапентаплегический ( гомолог дрозофилы трансформирующего фактора роста бета ), действует как морфоген на более поздних стадиях развития дрозофилы. разработка.

Механизм [ править ]

Дополнительная информация: Эмбриогенез дрозофилы

Во время раннего развития градиенты морфогенов приводят к дифференцировке определенных типов клеток в определенном пространственном порядке. Морфоген обеспечивает пространственную информацию, формируя градиент концентрации, который подразделяет поле клеток, индуцируя или поддерживая экспрессию различных генов- мишеней при различных порогах концентрации. Таким образом, клетки, далекие от источника морфогена, будут получать низкие уровни морфогена и экспрессировать только низкопороговые гены -мишени.. Напротив, клетки, близкие к источнику морфогена, будут получать высокие уровни морфогена и будут экспрессировать гены-мишени как с низким, так и с высоким порогом. Разные типы клеток возникают как следствие различной комбинации экспрессии генов-мишеней. Таким образом, поле клеток подразделяется на разные типы в соответствии с их положением относительно источника морфогена. Предполагается, что эта модель представляет собой общий механизм, с помощью которого может создаваться разнообразие типов клеток в эмбриональном развитии животных.

Некоторые из самых ранних и наиболее изученных морфогенов являются факторами транскрипции, которые диффундируют в ранних эмбрионах Drosophila melanogaster (плодовая муха). Однако большинство морфогенов - это секретируемые белки, передающие сигнал между клетками .

Гены и сигналы [ править ]

Морфоген распространяется из локализованного источника и образует градиент концентрации в развивающейся ткани. [7] В биологии развития «морфоген» строго используется для обозначения сигнальной молекулы, которая действует непосредственно на клетки (не посредством последовательной индукции), вызывая специфические клеточные ответы, которые зависят от концентрации морфогена. Это определение касается механизма, а не какой-либо конкретной химической формулы, поэтому простые соединения, такие как ретиноевая кислота (активный метаболит ретинола или витамина А ), также могут действовать как морфогены. Эта модель не является общепринятой из-за особых проблем с настройкой градиента в ткани, описанных в модели французского флага [8]и последующая работа, показывающая, что градиент морфогена у эмбриона Drosophila более сложен, чем может указывать простая модель градиента. [9]

Примеры [ править ]

Предлагаемые морфогены млекопитающих включают ретиноевую кислоту , sonic hedgehog ( SHH ), трансформирующий фактор роста бета ( TGF-β ) / костный морфогенный белок ( BMP ) и Wnt / бета-катенин . [10] [11] Морфогены у Drosophila включают decapentaplegic и hedgehog . [10]

В процессе развития ретиноевая кислота , метаболит витамина А , используется для стимуляции роста заднего конца организма. [12] Ретиноевая кислота связывается с рецепторами ретиноевой кислоты, которые действуют как факторы транскрипции и регулируют экспрессию Hox-генов . Воздействие экзогенных ретиноидов на эмбрионы, особенно в первом триместре, приводит к врожденным дефектам. [11]

Члены семейства TGF-β участвуют в формировании дорсовентрального паттерна и формировании некоторых органов. Связывание TGF-β с бета-рецепторами TGF типа II задействует рецепторы типа I, вызывая трансфосфорилирование последних. Рецепторы типа I активируют белки Smad, которые, в свою очередь, действуют как факторы транскрипции, регулирующие транскрипцию генов. [11]

Sonic hedgehog (SHH) - это морфогены, которые необходимы для раннего формирования паттерна в развивающемся эмбрионе. SHH связывается с рецептором Patched, который в отсутствие SHH ингибирует рецептор Smoothened . Активированный сглажена в свою очередь , вызывает Gli1 , Gli2 и Gli3 быть транслокации в ядро , где они активируют гены - мишени , такие на pTCH1 и Engrailed . [11]

Фруктовая мушка [ править ]

Drosophila melanogaster имеет необычную систему развития, в которой первые тринадцать клеточных делений эмбриона происходят в синцитиуме до клеточности . По сути, эмбрион остается единственной клеткой с более чем 8000 ядрами, равномерно расположенными рядом с мембраной, до четырнадцатого деления клетки, когда независимые мембраны образуют борозду между ядрами, разделяя их на независимые клетки. В результате факторы транскрипции эмбрионов мух,такие как Bicoid или Hunchback, могут действовать как морфогены, поскольку они могут свободно диффундировать между ядрами, создавая плавные градиенты концентрации, не полагаясь на специализированные механизмы межклеточной передачи сигналов. Хотя есть некоторые свидетельства того, что факторы транскрипции гомеобокса, подобные им, могут проходить непосредственно через клеточные мембраны [13], этот механизм, как полагают, не вносит значительного вклада в морфогенез в клеточных [ необходимо уточнение ] системах.

В большинстве систем развития, таких как человеческие эмбрионы или более позднее развитие дрозофилы , синцитии встречаются очень редко (например, в скелетных мышцах), а морфогены обычно секретируются сигнальными белками. Эти белки связываются с внеклеточными доменами трансмембранных рецепторных белков, которые используют сложный процесс передачи сигнала для передачи уровня морфогена в ядро. Ядерными мишенями путей передачи сигнала обычно являются факторы транскрипции, активность которых регулируется таким образом, чтобы отражать уровень морфогена, поступающего на поверхность клетки. Таким образом, секретируемые морфогены действуют, генерируя градиенты активности факторов транскрипции, точно так же, как те, которые генерируются у синцициальной дрозофилы. эмбрион.

Дискретные гены-мишени отвечают на разные пороги активности морфогена. Экспрессия генов-мишеней контролируется сегментами ДНК, называемыми « энхансерами », с которыми напрямую связываются факторы транскрипции . После связывания фактор транскрипции затем стимулирует или ингибирует транскрипцию гена и, таким образом, регулирует уровень экспрессии продукта гена (обычно белка). «Низкопороговые» гены-мишени требуют регуляции только низких уровней активности морфогена и обладают энхансерами, которые содержат много сайтов связывания с высоким сродством для фактора транскрипции. «Высокопороговые» гены-мишени имеют относительно меньшее количество сайтов связывания или сайтов связывания с низким сродством, которые требуют гораздо более высоких уровней активности фактора транскрипции для регулирования.

Общий механизм, с помощью которого работает модель морфогена, может объяснять подразделение тканей на паттерны различных типов клеток, предполагая, что возможно создавать и поддерживать градиент. Однако модель морфогена часто вызывается для дополнительных действий, таких как контроль роста ткани или ориентация полярности клеток в ней (например, волоски на предплечье указывают в одном направлении), что не может быть объяснено с помощью модели.

Эпонимы [ править ]

Организационная роль, которую морфогены играют во время развития животных, была признана в 2014 году, когда был назван новый род жуков - Morphogenia . Типовой вид, Morphogenia Struhli , был назван в честь Гэри Струла, американского биолога по развитию, который сыграл важную роль в демонстрации того, что декапентаплегические и бескрылые гены кодируют белки, которые действуют как морфогены во время развития дрозофилы . [14]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Тьюринг, AM (1952). «Химические основы морфогенеза» . Философские труды Королевского общества Лондона B . 237 (641): 37–72. DOI : 10,1098 / rstb.1952.0012 .
  2. ^ Хискок, Том У .; Мегасон, Шон Г. (2015). "Ориентация Тьюринговых паттернов морфогенными градиентами и тканевой анизотропией" . Клеточные системы . 1 (6): 408–416. DOI : 10.1016 / j.cels.2015.12.001 . PMC 4707970 . PMID 26771020 .  
  3. ^ Nüsslein-Volhard, C .; Вишаус, Э. (октябрь 1980 г.). «Мутации, влияющие на количество сегментов и полярность у дрозофилы ». Природа . 287 (5785): 795–801. DOI : 10.1038 / 287795a0 . PMID 6776413 . S2CID 4337658 .  CS1 maint: uses authors parameter (link)
  4. ↑ Артур, Уоллес (14 февраля 2002 г.). «Возникающие концептуальные основы эволюционной биологии развития». Природа . 415 (6873): 757–764. DOI : 10.1038 / 415757a . PMID 11845200 . S2CID 4432164 .  
  5. ^ Винчестер, Гил (2004). «Эдвард Б. Льюис 1918-2004» (PDF) . Current Biology (опубликовано 21 сентября 2004 г.). 14 (18): R740–742. DOI : 10.1016 / j.cub.2004.09.007 . PMID 15380080 . S2CID 32648995 .   
  6. ^ «Эрик Вишаус и Кристиан Нюсслейн-Фольхард: сотрудничество в поисках генов развития» . iBiology. Архивировано из оригинального 13 октября 2016 года . Проверено 13 октября +2016 .
  7. ^ Рассел, Питер (2010). iGenetics: молекулярный подход . Сан-Франциско, Калифорния: Пирсон Бенджамин Каммингс. п. 566. ISBN. 978-0-321-56976-9.
  8. ^ Гордон, Натали К .; Гордон, Ричард (2016). «Органелла дифференцировки в эмбрионах: расщепитель клеточного состояния» . Теоретическая биология и медицинское моделирование . 13 : 11. DOI : 10,1186 / s12976-016-0037-2 . PMC 4785624 . PMID 26965444 .  
  9. ^ Рот С., Линч Дж. Имеет ли значение бикоидный градиент? Cell, том 149, выпуск 3, стр. 511–512, 27 апреля 2012 г.
  10. ^ а б Кам Р.К., Дэн Й, Чен Й, Чжао Х (2012). «Синтез и функции ретиноевой кислоты в раннем эмбриональном развитии» . Cell & Bioscience . 2 (1): 11. DOI : 10,1186 / 2045-3701-2-11 . PMC 3325842 . PMID 22439772 .  
  11. ^ а б в г Мур К.Л., Persaud TV, Torchia MG (2013). «Общие сигнальные пути, используемые во время развития: морфогены» . Развивающийся человек: клинически ориентированная эмбриология (9-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Saunders / Elsevier. С. 506–509. ISBN 978-1437720020.
  12. ^ Каннингем, TJ; Дестер, Г. (2015). «Механизмы передачи сигналов ретиноевой кислоты и ее роль в развитии органов и конечностей» . Nat. Преподобный Мол. Cell Biol . 16 (2): 110–123. DOI : 10.1038 / nrm3932 . PMC 4636111 . PMID 25560970 .  
  13. ^ Derossi D, Жолио AH, Chassaing G, Prochiantz A (апрель 1994). «Третья спираль гомеодомена Antennapedia перемещается через биологические мембраны» . J. Biol. Chem . 269 (14): 10444–50. PMID 8144628 . 
  14. ↑ Parker J (23 января 2014 г.). «Morphogenia: новый род неотропической трибы Jubini (Coleoptera, Staphylinidae, Pselaphinae) из бразильской Амазонки» . ZooKeys (373): 57–66. DOI : 10.3897 / zookeys.373.6788 . PMC 3909807 . PMID 24493960 .  

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Бриско Б., Лоуренс П., Винсент Дж. П., ред. (2010). Генерация и интерпретация градиентов морфогенов: предметная коллекция с позиций Колд-Спринг-Харбор в биологии . Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк: Лаборатория Колд-Спринг-Харбор. ISBN 978-0-87969-881-2.
  • Рот С., Линч Дж. (2012). "Имеет ли значение градиент Bicoid?" . Cell . 149 (3): 511–2. DOI : 10.1016 / j.cell.2012.04.007 . PMID  22541424 .
  • Роща EA Monuki ES (2013). «Глава 2 - Морфогены, центры формирования паттернов и их механизмы действия» . В Rubenstein J, Rakic ​​P (ред.). Формирование паттерна и спецификация типов клеток в развивающейся ЦНС и ПНС: комплексная нейробиология развития (первое издание). Сан-Диего: Academic Press. С. 25–44. ISBN 978-0123972651.