Морфоген - Morphogen

Морфогенез Дрозофила плодовых мушек интенсивно изучается в лаборатории

А морфоген вещество, неравномерное распределение которого определяет шаблон развития тканей в процессе морфогенез или же формирование рисунка, один из основных процессов биология развития, устанавливая 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 эмбриона на раннем этапе развития, так что устанавливаются градиенты концентрации. Эти градиенты стимулируют процесс дифференциации неспециализированных стволовые клетки на разные типы клеток, в конечном итоге формируя все ткани и органы тела. Контроль морфогенеза - центральный элемент в эволюционная биология развития (эво-дево).

История

Термин был придуман Алан Тьюринг в газете "Химические основы морфогенеза ", где он предсказал химический механизм биологического формирование рисунка,[1] за десятилетия до того, как было продемонстрировано формирование таких закономерностей.[2]

Концепция морфогена имеет долгую историю в биологии развития, восходящую к работе первопроходцев. Дрозофила (плодовая муха) генетик, Томас Хант Морган, в начале 20 века. Льюис Вулперт усовершенствовал концепцию морфогена в 1960-х с Модель французского флага, в котором описано, как морфоген может разделить ткань на домены с разными мишенями. экспрессия гена (соответствует цветам французского флага). Эту модель отстаивали ведущие Дрозофила биолог, Питер Лоуренс. Кристиан Нюсслейн-Фольхард был первым, кто идентифицировал морфоген, Бикоид, один из факторы транскрипции присутствует в градиенте в Дрозофила синцициальный эмбрион. Награждена премией 1995 г. Нобелевская премия по физиологии и медицине за ее работу по объяснению морфогенного эмбриология обыкновенной плодовой мухи.[3][4][5][6] Группы под руководством Гэри Струла и Стивена Коэна затем продемонстрировали, что секретируемый сигнальный белок, декапентаплегический (в Дрозофила гомолог трансформирующий фактор роста бета ), действовал как морфоген на более поздних стадиях Дрозофила разработка.

Механизм

Дальнейшая информация: Эмбриогенез дрозофилы

На раннем этапе развития градиенты морфогенов приводят к дифференциации конкретных типы клеток в четком пространственном порядке. Морфоген предоставляет пространственную информацию, формируя градиент концентрации который подразделяет поле клеток, вызывая или поддерживая выражение другой цели гены при различных порогах концентрации. Таким образом, клетки, далекие от источника морфогена, будут получать низкие уровни морфогена и экспрессировать только низкопороговую мишень. гены. 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 разной комбинации экспрессии генов-мишеней. Таким образом, поле клеток подразделяется на разные типы в соответствии с их положением относительно источника морфогена. Предполагается, что эта модель является общим механизмом, с помощью которого может быть создано разнообразие типов сот в эмбриональное развитие у животных.

Некоторые из самых ранних и наиболее изученных морфогенов: факторы транскрипции который размытый в начале Drosophila melanogaster (плодовая муха) эмбрионы. Однако большинство морфогенов секретный белки, которые сигнал между ячейками.

Гены и сигналы

Морфоген распространяется из локализованного источника и образует градиент концентрации в развивающейся ткани.[7] В биологии развития термин «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 ретинол или же витамин А ) также могут действовать как морфогены. Модель не является общепринятой из-за особых проблем с настройкой градиента в ткани, описанных в Модель французского флага[8] и последующая работа, показывающая, что градиент морфогена у эмбриона Drosophila более сложен, чем может указывать простая модель градиента.[9]

Примеры

Предлагаемые морфогены млекопитающих включают: ретиноевая кислота, ежик звуковой (SHH ), трансформирующий фактор роста бета (TGF-β ) / костный морфогенный белок (BMP ), и Wnt /бета-катенин.[10][11] Морфогены в Дрозофила включают декапентаплегический и Ежик.[10]

Во время разработки ретиноевая кислота, метаболит витамин А, используется для стимуляции роста задний конец организма.[12] Ретиноевая кислота связывается с рецепторы ретиноевой кислоты который действует как факторы транскрипции для регулирования экспрессии Hox-гены. Воздействие экзогенных ретиноидов на эмбрионы, особенно в первом триместре, приводит к врожденным дефектам.[11]

TGF-β члены семьи участвуют в формирование дорсовентрального паттерна и формирование некоторых органов. Связывание с TGF-β с типом II Бета-рецепторы TGF рекрутирует рецепторы типа I, вызывая трансфосфорилирование последних. Рецепторы типа I активируют Smad белки, 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 Исправлено рецептор, который в отсутствие SHH ингибирует Сглаженный рецептор. Активировано сглажено по очереди причины Gli1, Gli2, и Gli3 перемещаться в ядро, где они активируют гены-мишени, такие как ПТЧ1 и Гравированный.[11]

Плодовая муха

Drosophila melanogaster имеет необычную систему развития, в которой первые тринадцать клеточных делений эмбриона происходят внутри синцитий до клеточность. 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 у эмбрионов мух факторы транскрипции Такие как Бикоид или же Горбун могут действовать как морфогены, потому что они могут свободно диффундировать между ядрами, создавая плавные градиенты концентрации, не полагаясь на специализированные межклеточные механизмы передачи сигналов. Хотя есть некоторые свидетельства того, что гомеобокс факторы транскрипции подобные им могут проходить непосредственно через клеточные мембраны,[13] не предполагается, что этот механизм вносит значительный вклад в морфогенез клеточных[требуется разъяснение ] системы.

В большинстве систем развития, таких как человеческий эмбрион или более поздний Дрозофила При развитии синцитии возникают очень редко (например, в скелетных мышцах), а морфогены обычно являются секретируемыми сигнальными белками. Эти белки связываются с внеклеточными доменами трансмембранного рецептор белки, которые используют сложный процесс преобразование сигнала чтобы сообщить уровень морфогена ядру. Ядерными мишенями путей передачи сигнала обычно являются факторы транскрипции, активность которых регулируется таким образом, чтобы отражать уровень морфогена, полученного на поверхности клетки. Таким образом, секретируемые морфогены действуют, создавая градиенты активности факторов транскрипции точно так же, как те, которые генерируются в синцитиальном Дрозофила эмбрион.

Дискретные гены-мишени отвечают на разные пороги активности морфогена. Экспрессия генов-мишеней контролируется сегментами ДНК, называемыми 'усилители ' которому факторы транскрипции привязать напрямую. 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 внутри нее (например, волосы на предплечье указывают в одном направлении), что не может быть объяснено с помощью модели.

Эпонимы

Организационная роль, которую морфогены играют в процессе развития животных, была признана в 2014 году, когда был назван новый род жуков, Морфогения. Типовой вид, Морфогения струхли, был назван в честь Гэри Струла, американского биолога, работающего над развитием, который сыграл важную роль в демонстрации того, что декапентаплегический и бескрылый гены кодируют белки, которые функционируют как морфогены во время Дрозофила разработка.[14]

Рекомендации

  1. ^ Тьюринг, А. М. (1952). «Химические основы морфогенеза». Философские труды Лондонского королевского общества B. 237 (641): 37–72. Дои:10.1098 / рстб.1952.0012.
  2. ^ Хискок, Том У .; Мегасон, Шон Г. (2015). "Ориентация паттернов типа Тьюринга по градиентам морфогенов и анизотропии тканей". Сотовые системы. 1 (6): 408–416. Дои:10.1016 / j.cels.2015.12.001. ЧВК  4707970. PMID  26771020.
  3. ^ Nüsslein-Volhard, C .; Вишаус, Э. (октябрь 1980 г.). "Мутации, влияющие на номер сегмента и полярность в Дрозофила". Природа. 287 (5785): 795–801. Дои:10.1038 / 287795a0. PMID  6776413. S2CID  4337658.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  4. ^ Артур, Уоллес (14 февраля 2002 г.). «Новые концептуальные основы эволюционной биологии развития». Природа. 415 (6873): 757–764. Дои:10.1038 / 415757a. PMID  11845200. S2CID  4432164.
  5. ^ Винчестер, Гил (2004). "Эдвард Б. Льюис 1918-2004" (PDF). Текущая биология (опубликовано 21 сентября 2004 г.). 14 (18): R740–742. Дои:10.1016 / j.cub.2004.09.007. PMID  15380080. S2CID  32648995.
  6. ^ «Эрик Вишаус и Кристиана Нюсслейн-Фольхард: сотрудничество в поиске генов развития». iBiology. Архивировано из оригинал 13 октября 2016 г.. Получено 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. Дои:10.1186 / s12976-016-0037-2. ЧВК  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 И, Чен И, Чжао Х (2012). «Синтез и функции ретиноевой кислоты в раннем эмбриональном развитии». Cell & Bioscience. 2 (1): 11. Дои:10.1186/2045-3701-2-11. ЧВК  3325842. PMID  22439772.
  11. ^ а б c d 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. ^ Cunningham, T.J .; 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. Дои:10.1038 / nrm3932. ЧВК  4636111. PMID  25560970.
  13. ^ Derossi D, Joliot AH, Chassaing G, Prochiantz A (апрель 1994 г.). «Третья спираль гомеодомена Antennapedia перемещается через биологические мембраны». J. Biol. Chem. 269 (14): 10444–50. PMID  8144628.
  14. ^ Паркер Дж (23 января 2014 г.). «Morphogenia: новый род неотропической трибы Jubini (Coleoptera, Staphylinidae, Pselaphinae) из бразильской Амазонки». ZooKeys (373): 57–66. Дои:10.3897 / zookeys.373.6788. ЧВК  3909807. PMID  24493960.

дальнейшее чтение