Mekanismer for mønster organisering

Av Otangelo Grasso -oversatt hefra.



Bilde 1. Gastrulasjon

gastrulasjonOverraskende nok er de tidligste trinnene i dyrs utvikling blant de mest variable, selv innenfor en fylum. En frosk, en kylling og et pattedyr, for eksempel, selv om de senere utvikler seg på lignende måter, lager egg som er radikalt forskjellige i størrelse og struktur, og de begynner utviklingen med forskjellige sekvenser av celledelinger og cellespesialiseringer. Gastrulasjon f forekommer i alle dyreembryoer, men detaljene om timingen, det tilknyttede mønsteret av cellebevegelser og formen og størrelsen på embryoet etter hvert som gastrulasjonen fortsetter er svært varierende. Likeledes er det stor variasjon i tiden og måten kroppens primærakser blir avmerket. Imidlertid blir denne polariseringen av embryoet vanligvis merkbar veldig tidlig, før gastrulering begynner: det er det første trinnet i romlig mønsterdannelse. Tre akser må generelt etableres. Dyre-vegetalaksen (A-V) definerer hos de fleste arter hvilke deler som skal bli indre (gjennom gastrulasjonsbevegelser) og hvilke som skal forbli eksterne. (Det bisarre navnet stammer fra et århundre siden og har ingenting med grønnsaker å gjøre.) Den anteroposteriore (A-P) aksen spesifiserer plasseringen av fremtidens hode og hale. Den dorsoventrale (D-V) d-aksen spesifiserer fremtidens rygg og mage.


Den anterior-posteriore (AP eller anteroposterior) aksen er linjen som strekker seg fra hode til hale (eller munn til anus i de organismer som mangler hode og hale). Den dorsal-ventrale (DV eller dorsoventrale) aksen er linjen som strekker seg fra rygg (dorsum) til mage (ventrum). Høyre-venstre akse skiller de to laterale sidene av kroppen. Selv om mennesker (for eksempel) kan se symmetriske ut, husk at i de fleste av oss er hjertet i venstre halvdel av kroppen, mens leveren er til høyre. På en eller annen måte vet embryoet at noen organer hører hjemme på den ene siden, og andre organer på den andre.



zygote-gastrulasjonEmbryoet vet det ikke, men den intelligente designeren med fremsyn vet det, og programmerte utviklingsprogrammet riktig.
I den ene ytterligheten er egget sfærisk symmetrisk, og aksene blir først definert under embryogenese. Musen nærmer seg å være et eksempel, med få tydelige tegn på polaritet i egget. Tilsvarende ser blastomerene som produseres av de første celledelingene ut til å være like og er bemerkelsesverdig tilpasningsdyktige. Hvis det tidlige museembryoet deles i to, kan et par identiske tvillinger produseres - to komplette, normale individer fra en enkelt celle. Tilsvarende, hvis en av cellene i et tocellet musembryo blir ødelagt ved å stikke den med en nål og det resulterende "halvembryoet" plasseres i livmoren til en fostermor for å utvikle seg, vil i mange tilfeller en helt normal mus dukke opp.

Bilde 2. Gastrulasjon av blastula


I motsatt ytterlighet definerer eggets struktur de fremtidige aksene til kroppen. Dette er tilfellet for de fleste arter, inkludert insekter som Drosophila (bananfluer). Mange andre organismer ligger mellom de to ytterpunktene. Egget til frosken Xenopus, for eksempel, har en klart definert A-V-akse selv før befruktning: Kjernen nær toppen definerer dyrepolen, mens massen av eggeplommen (embryoets matforsyning, bestemt til å bli inkorporert i tarmen) mot bunnen definerer vegetabilsk pol. Flere typer mRNA-molekyler er allerede lokalisert i eggets vegetabilske cytoplasma, hvor de produserer proteinproduktene sine. Etter befruktning virker disse mRNAene og proteinene i og på cellene i nedre og midtre del av embryoet, og gir cellene deres spesialiserte karakterer, både ved direkte effekter og ved å stimulere produksjonen av utskilte signalproteiner.
For eksempel blir mRNA som koder for transkripsjonsregulatoren VegT deponert ved den vegetabilske polen under oogenese (Bilde 2.B) . Etter befruktning blir dette mRNA-et oversatt, og det resulterende VegT-proteinet aktiverer et sett med gener som koder for signalproteiner som induserer mesoderm c og endoderm. Den dorsoventrale D-V-aksen til Xenopus-embryoet er derimot definert gjennom befruktningshandlingen. Etter at sædcellen har kommet inn, roterer den ytre cortex av eggets cytoplasma i forhold til den sentrale kjernen av egget, slik at dyrepolen til cortex blir litt forskjøvet til den ene siden.


froske-eggBilde 3. Befruktning av froskeegg

Froskeegget og dets asymmetrier.
(A) Sidevisning av et Xenopus-egg fotografert rett før befruktning.
(B) Den asymmetriske fordelingen av molekyler inne i egget, og hvordan denne endres etter befruktning for å definere en dorsoventral så vel som en dyre-vegetal asymmetri.

Befruktning, gjennom en omorganisering av mikrotubulus cytoskjelettet, utløser en rotasjon av eggbarken (et lag noen μm dypt) gjennom ca. 30grader i forhold til eggets kjerne; rotasjonsretningen bestemmes av stedet for sædinngang. Noen komponenter bæres enda lenger til den fremtidige ryggsiden ved aktiv transport langs mikrotubuli. Den resulterende dorsalkonsentrasjonen av Wnt11 mRNA fører til dorsal produksjon av Wnt11-signalproteinet og definerer den dorsoventrale polariteten til det fremtidige embryoet. Vegetalt lokalisert VegT definerer den vegetale kilden til signaler som vil indusere endoderm og mesoderm.
Behandlinger som blokkerer rotasjonen tillater spaltning å skje normalt, men produserer et embryo med en sentral tarm og ingen dorsalstrukturer eller D-V-asymmetri. Dermed er denne kortikale rotasjonen nødvendig for å definere D-V-aksen til den fremtidige kroppen ved å lage D-V-aksen til egget.


Gastrulasjon-2Stedet for inntrengning av sæd som fordreier retningen av den kortikale rotasjonen i Xenopus, kanskje gjennom sentrosomet som sædcellene bringer inn i egget - ettersom rotasjonen er assosiert med en omorganisering av mikrotubuli med kjerne fra sentrosomet i eggets cytoplasma. Omorganiseringen fører til en mikrotubuli-basert transport av flere cytoplasmatiske komponenter, inkludert mRNA som koder for Wnt11, et medlem av Wnt-familien av signalproteiner, som flytter den mot den fremtidige dorsalsiden (se figur over). Dette mRNA blir snart oversatt og Wnt11-proteinet som skilles ut fra celler som dannes i den regionen av embryoet aktiverer Wnt-signalveien. Denne aktiveringen er avgjørende for å utløse kaskaden av påfølgende hendelser som vil organisere den dorsoventrale aksen til kroppen. (A-P-aksen til embryoet vil først bli tydelig senere, i prosessen med gastrulering.) Selv om forskjellige dyrearter bruker en rekke forskjellige mekanismer for å spesifisere aksene sine, har resultatet vært relativt godt bevart i evolusjonen: hode er skilt fra hale , ryggen fra magen og tarmen fra huden. Det ser ut til at det ikke spiller så stor rolle hvilke triks embryoet bruker for å bryte den innledende symmetrien og sette opp denne grunnleggende kroppsplanen.

 

Bilde 4. Gastrulasjon -oversikt

 

Studier i Drosophila har avslørt de genetiske kontrollmekanismene som ligger til grunn for utvikling
Det er fluen Drosophila, mer enn noen annen organisme, som har gitt nøkkelen til vår nåværende forståelse av hvordan gener styrer utviklingen. Tiår med genetiske studier kulminerte i en storstilt genetisk teknikk, med fokus spesielt på det tidlige embryoet og leting etter mutasjoner som forstyrrer dets mønster. Dette avslørte at de viktigste utviklingsgenene faller inn i et relativt lite sett med funksjonelle klasser. Oppdagelsen av disse genene og den påfølgende analysen av deres funksjoner var en berømt 'tour de force' og hadde en revolusjonerende innvirkning på hele utviklingsbiologien, og ga oppdagerne en Nobelpris. Noen deler av utviklings-maskineriet som avsløres på denne måten er bevart mellom fluer og virveldyr, noen deler ikke. Men logikken i den eksperimentelle tilnærmingen og de generelle strategiene for genetisk kontroll som den avslørte, har transformert vår forståelse av flercellet utvikling generelt. For å forstå hvordan det tidlige utviklingsmaskineriet fungerer i Drosophila, er det viktig å merke seg en særegenhet ved flueutvikling. I likhet med eggene til andre insekter, men i motsetning til de fleste virveldyr, begynner Drosophila-egget – formet som en agurk – sin utvikling med en usedvanlig rask rekke kjernemessige delinger uten celledeling, og produserer flere kjerner i en felles cytoplasma – et syncytium. Kjernene migrerer deretter til cellebarken, og danner en struktur som kalles syncytial blastoderm. Etter at omtrent 6000 kjerner er produsert, folder plasmamembranen seg innover mellom dem og deler dem inn i separate celler, og omdanner syncytial blastoderm til cellulære blastoderm.

 

Bilde 5. Gastrulasjon -ett steg videre

gastrulasjonUtvikling av Drosophila egg fra befruktning til cellulær blastoderm stadium
Det første mønsteret til Drosophila-embryoet avhenger av signaler som diffunderer gjennom cytoplasmaet på syncytialstadiet og utøver sine handlinger på gener i de raskt delende kjernene, før egget deles inn i separate celler. Her er det ikke behov for de vanlige formene for celle-celle-signalering; naboregioner av syncytial blastoderm kan kommunisere ved hjelp av transkripsjons-regulerende proteiner som beveger seg gjennom cytoplasmaet til den gigantiske multinukleære cellen.


Egg-polaritetsgener koder for makromolekyler avsatt i egget for å organisere aksene til det tidlige Drosophila-embryoet
Som i de fleste insekter, er hovedaksene til den fremtidige kroppen til Drosophila definert før befruktning av en kompleks utveksling av signaler mellom det utviklende egget, eller oocytten, og follikkelcellene som omgir den i eggstokken. I stadiene før befruktning blir de anteroposteriore og dorsoventrale aksene til det fremtidige embryoet definert av fire systemer med eggpolaritetsgener som skaper landemerker - enten mRNA eller protein - i den utviklende oocytten. Etter befruktning fungerer hvert landemerke som et fyrtårn, og gir et signal som organiserer utviklingsprosessen i nabolaget. Naturen til genene dukket opp fra studier av mutanter der mønsteret til embryoet ble endret. En klasse av mutasjoner ga embryoer med forstyrret polaritet - for eksempel haleendestrukturer i begge ender av kroppen, uten hodeende-strukturer. Denne klassen av mutasjoner identifiserte settet med egg-polaritetsgener. Eggpolaritetsgenet som er ansvarlig for signalet som organiserer den fremre enden av embryoet, kalles Bicoid. En avsetning av bicoide mRNA-molekyler er lokalisert, før befruktning, i den fremre enden av egget. Ved befruktning blir mRNA oversatt til å produsere Bicoid-protein. Dette proteinet er et intracellulært morfogen, og transkripsjonsregulator som diffunderer bort fra kilden for å danne en konsentrasjonsgradient i syncytialcytoplasmaet, med maksimum ved hodeenden av embryoet

BitcoidBicoid-proteingradienten.
(A) Bicoid mRNA avsettes ved den fremre polen under oogenese.
(B) Lokal oversettelse etterfulgt av diffusjon genererer Bicoid-proteingradienten.
(C) Fravær av Bicoid-proteingradienten i embryoer fra Bicoide homozygote mutante mødre.
De forskjellige konsentrasjonene av Bicoid langs A-P-aksen hjelper til med å bestemme forskjellige celleskjebner ved å regulere transkripsjonen av gener i kjernene til syncytial blastoderm. Av de tre andre eggpolaritetsgensystemene bidrar to til å mønstre syncytialkjernene langs A-P-aksen og en til å mønstre dem langs D-V-aksen. Sammen med Bicoid-gruppen av gener, og som virker på en stort sett lik måte, markerer genproduktene deres tre grunnleggende partisjoner av kroppsregioner - hode versus bak, dorsal versus ventral og endoderm versus mesoderm og ektoderm - så vel som en fjerde partisjon, ikke mindre grunnleggende for kroppsplanen til dyr: skillet mellom kjønnsceller og somatiske celler.

Organiseringen av de fire egg-polaritetsgradientsystemene i Drosophila.
Nanos er en translasjonsrepressor som styrer dannelsen av magen. Lokalisert Nanos-mRNA er også inkorporert i kjønnscellene når de dannes på baksiden av embryoet, og Nanos-protein er nødvendig for utvikling av kimlinje. Bicoid protein er en transkripsjonsaktivator som bestemmer hode- og thoraxregionene. Toll og Torso er reseptorproteiner som er fordelt over hele membranen, men aktiveres bare på stedene som er angitt av fargen, gjennom lokalisert eksponering for de ekstracellulære liganden Spaetzle (liganden for Toll) og Trunk (liganden for Torso). Tollaktivitet bestemmer mesodermen og Torso-aktivitet bestemmer dannelsen av terminale strukturer.

Bilde 6. Bitcoid-proteingradient


Eggpolaritetsgenene har en ytterligere spesiell egenskap: De er alle morseffektgener, ved at det er morens genom i stedet for zygotens genom som er kritisk. For eksempel utvikler en flue, hvis kromosomer er muterte i begge kopiene av Bicoid-genet, men som er født fra en mor som bærer en normal kopi av Bicoid, helt normalt, uten noen defekter i hodemønsteret. Men hvis avkommet er en hunn, kan hun ikke deponere noe funksjonelt Bicoid mRNA i sine egne egg, som derfor vil utvikle seg til hodeløse embryoer, uavhengig av farens genotype. Eggpolaritetsgenene virker først i et hierarki av gensystemer som definerer et gradvis mer detaljert mønster av kroppsdeler.

 

 

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund