De udviklende dele af rygmarven reguleres først centralt og overføres derefter til selvstyre • Alexander Markov • Videnskabsnyheder om "Elements" • Udviklingsbiologi, genetik, embryologi

De udviklende dele af rygmarven reguleres først centralt og overføres derefter til selvstyre.

Fig. 1. 2-faset regulering af de dorso-ventrale markeringer i neuralrøret (den fremtidige rygmarv). Et tværsnit af neuralrøret er vist ved tre udviklingsstadier. Tidligt på (1st fase. Morfogenafhængige gradienter af signalproteiner – morfogen BMP og SHH (vist til venstre) – kontrol af adskillelsen af ​​stamceller (neuronale precursorer) i flere lag – domæner, hvorfra forskellige typer neuroner derefter dannes. Pink farve regionen af ​​motoriske neuronforstadier (motorneuroner (forstadier)) er angivet, i blåt – dorsale interkalære neuroner (dorsale interneuroner). Endvidere begynder differentiering – transformationen af ​​stamceller i neuroner, der ophører med at opdele og migrere til periferien (vist skrå udklækning), og progenitorneuroner forbliver nær neurocellen (lodret hul i midten af ​​hver skive). På dette stadium påvirker BMP- og SHH-gradienterne ikke længere proportionerne og positionen af ​​domænegrænserne, som nu reguleres offline og bestemmes af frekvensen af ​​progenitorceller, der ændrer sig til neuroner, der er karakteristiske for hvert domæne. Synopsis til artiklen under drøftelse

Som under udviklingen af ​​embryoen reguleres proportionerne af dens hurtigt voksende dele – et af de mest presserende spørgsmål i udviklingsbiologi.Ved hjælp af eksemplet på dorso-ventral (spinal-abdominal) organisation af neuralrøret i mus og kylling har et internationalt forskergruppe vist, at reguleringsmåden kan ændre sig efterhånden som organet vokser. Den primære opdeling af neuralrøret i områder med forskellige former for progenitorceller, hvorfra forskellige typer neuroner dannes derefter, bestemmes af graden af ​​signalproteinerne – morfogener Shh, BMP og Wnt. Men senere, når forfædlingsceller begynder at differentiere (blive til neuroner), falder indflydelsen af ​​morfogen kraftigt. Autonome regulering kommer frem i forgrunden, baseret på graden af ​​differentiering karakteristisk for hver type stamceller. Forholdet mellem disse hastigheder og den dorso-ventrale organisation af rygmarven bestemt af dem er ens i mus og kylling, det vil sige evolutionært konservativ. Undersøgelsen lægger lys på, hvordan optimale proportioner af dele af en organisme kan opretholdes, når størrelsen ændrer sig under evolutionen.

Gradienter af koncentrationer af signalproteiner – morfogener, såsom Wnt, Shh eller BMP, spiller en vigtig rolle i "mærkning" af det udviklende embryo (og dets individuelle dele) i diskrete områder,hvis celler vil så opføre sig forskelligt og danne forskellige væv, organer og dele af kroppen (se: Hvordan forstår cellerne, at nogle skal blive hår, andre knogler, tredje hjerner osv.). Morfogener fremstilles ofte af specielle grupper af celler (de kaldes undertiden "arrangører", se fosterinduktion), hvorfra de spredes ved diffusion eller initierer deres egen produktion i naboceller, og koncentrationen af ​​morfogen falder med afstand fra arrangøren.

Koncentrationen af ​​morfogener i det ekstracellulære rum afhænger af, hvilke sæt regulatorer på det næste niveau – transkriptionsfaktorer – aktiveres inde i cellerne. Transskriptionsfaktorer regulerer igen udtryk for mange gener, hvis arbejde i sidste ende bestemmer cellens skæbne.

De morfogene gradienter, der bestemmer aktiveringen af ​​transkriptionsfaktorer, er ikke den eneste mønstermekanisme i et udviklende embryo (se: Alan Turing's ideer bidrog til at forstå mekanismen for udvikling af hvirveldyrsfingre, Elements, 18 december 2012). Meget af disse mekanismer er uklart. Det er for eksempel ikke meget klart, hvordan proportionerne af de hurtigt voksende dele af embryoet er reguleret.Til trods alt fører væksten uundgåeligt til en ændring i koncentrationerne af morfogener i udvikling af væv. Dermed griner ikke dele af delene, skal du enten dynamisk ændre produktionsniveauet for morfogener, tilpasse sig de ændrede størrelser af de rudimenter, der er under kontrol, eller anvende andre reguleringsmetoder. Dette problem gælder ikke kun for embryonal vækst, men også for ændringer i kropsstørrelse under udvikling. I nogle tilfælde forekommer justeringen af ​​morfogengradienter som allerede blevet fundet (se: T. Gregor et al., 2005. Diffusion og skalering under den tidlige dannelse af embryonale mønstre). Men sker det altid?

En undersøgelse af britiske og østrigske biologer, hvis resultater offentliggøres i det seneste nummer af tidsskriftet Videnskab, giver et negativt svar på dette spørgsmål.

Forfatterne undersøgte reguleringen af ​​de dorso-ventrale markeringer af musem embryo neural tube. De tidlige stadier af processen er allerede blevet undersøgt i tilstrækkelig detaljer. Den yderst forenklede ordning er vist i fig. 1, lidt mere detaljeret – i fig. 2.

Fig. 2. Differentiering af musem embryo neurale rørceller. Tværsnit af neuralrøret er vist i området af det fremtidige bælte på de forreste ekstremiteter (fostrets alder er 10,5 dage). På billeder celler farves forskelligt afhængigt af hvilke gener der udtrykkes i dem. På det rigtige billede grænserne for domænerne er omtalt (området for precursorer af motoneuroner, pMN (motor neuron progenitors) – den tredje fra bunden, de grønne celler udenfor det – neuroner migrerer til periferien). NC (notokord) – akkord, FP (gulvplade) – bundplade, RP (tagplade) – loftplade. Længde skala linjer 50 mikron. Billede fra artiklen i diskussion Videnskab

Markeringen styres af modsatte gradienter af to morfogener: "ventral" og "dorsal". På den ventrale (nedre, abdominale) side af neuralrøret, i den såkaldte bundplade (gulvplade) såvel som i akkordet, der ligger direkte under neuralrøret, syntetiseres protein Sonic Hedgehog (Shh) – et morfogen involveret i layoutet af mange dele af kroppen. På den dorsale (dorsale) side af neuralrøret syntetiseres der i loftpladen (tagplade) et andet multifunktionelt morfogen, BMP (her er det nok engang hensigtsmæssigt, at enhver beskrivelse, især populær af sådanne komplekse biologiske processer, altid er en stærk forenkling , selv primitivisering: i virkeligheden er alt som altid meget mere kompliceret).

Således skabes to modsatte gradienter i neuralrøret: koncentrationen af ​​Shh stiger fra toppen til bunden, og effekten af ​​BMP stiger fra bunden til toppen. Afhængig af kombinationen af ​​disse koncentrationer vælger stamcellerne i neuralrøret (precursorer af cellerne i nervevævet) deres skæbne (cellernes skæbne): de transformeres fra potentielle forstadier af mange forskellige typer "voksne" celler til precursorer af kun én celletype. For eksempel motor eller intercalary neuroner. Transformationen består i det faktum, at et eller andet sæt transkriptionsfaktorer begynder at udtrykke i cellerne. Som følge heraf er neuralrøret delt i dorz-ventral retning i 13 domæner (zoner), der hver har sin egen kombination af transkriptionsfaktorer. Især udtrykkes transkriptionsfaktoren Olig2 i det tredje domæne, hvis celler vil blive yderligere transformeret til rygmarvsmotorneuroner, og de seks dorsale domæner, som giver anledning til interkalære neuroner, kan identificeres ved ekspression af Pax3 transkriptionsfaktoren.

Progenitorceller opdeles, og på et tidspunkt begynder nogle af dem at transformere (differentiere) til neuroner af en eller anden type.Samtidig forbliver forfaldsceller i midten, der holder kontakten med neurocellen (rygkanalen) og fortsætter med at opdele, og neuroner migrerer til periferien og splitter ikke længere.

Forfatterne var interesserede i, hvordan proportionerne af forfædrede domæner ændres, da embryoet vokser og hvad er mekanismen til regulering af disse proportioner. Det første trin er mere eller mindre klart: Den primære inddeling i domæner styres af morfogengradienter, men hvad sker der efterfølgende?

Til at begynde med var forfatterne overbeviste om, at væksten af ​​domæner er skarpt allometrisk, det vil sige, deres relative størrelser varierer meget med neuralrørets vækst. For eksempel har pMN-domænet (regionen af ​​forstadierne af motoneuroner) en ret stor relativ størrelse, men på den niende dag med embryonudvikling begynder den hurtigt at falde i forhold til andre domæner (i fig. 2 til højre er den allerede faldet). Forfatterne viste, at størrelsen af ​​domænerne nøjagtigt afspejler antallet af stamceller i dem. Det mest interessante er, at de relative størrelser af domæner ændrer sig på en lignende måde i normale mus og i dværgmutantmus, og endda i et kyllingembryo.Dette betyder, at dynamikken i andelen af ​​domæner er evolutionært konservativ – de ændrer sig lidt i løbet af evolutionen. Heraf følger, at denne dynamik og (eller) de faktorer, der direkte eller indirekte styrer det, er meget vigtige for den udviklende organisme.

Hvad er disse faktorer? Forfatterne begrundede, at antallet af stamceller i et domæne kan ændre sig af fire grunde: 1) proliferation – celledeling; 2) apoptose – programmeret celledød; 3) differentiering, det vil sige omdannelsen af ​​stamcellen til et neuron, der forlader domænet og derved reducerer dets størrelse; 4) Ændring af cellulær identitet, dvs. omdannelsen af ​​en celle af et domæne til en celle i et andet domæne (for dette skal nogle transkriptionsfaktorer være slukket, og andre skal medtages).

Ved hjælp af et stort arsenal af moderne metoder til genteknologi, farvning og mærkning af celler afhængigt af deres tilstand (tilstedeværelsen af ​​visse proteiner, intensiteten af ​​DNA-syntese osv.) Var forfatterne i stand til at estimere satsen for alle fire processer på forskellige stadier af udviklingen af ​​neuralrøret.

Cellefordelingen i alle domæner var næsten den samme (undtagen bundpladen, hvor cellerne deles sjældnere).Når den vokser, falder den lidt, og det sker synkront på alle områder. Dette betyder, at andelen af ​​domæner ikke bestemmes af proliferationshastigheden.

Antallet af apoptose var ubetydelig i forhold til cellefordelingen. Derfor er apoptose heller ikke egnet til rollen som regulator for proportioner. Det går mere aktivt i dværgmutante mus – derfor er rygmarven tyndere, men proportionerne af domænerne bestemmes i dette tilfælde af noget andet.

Graden af ​​differentiering var forskellig for forskellige domæner, og når den vokser, ændrer den sig også på forskellige måder. Forgængerne af motoneuroner begynder at differentiere tidligere end andre. Den maksimale hastighed for differentiering i dem er også nået tidligere (60 hph, timer efter hovedfoldet stadium – 60 timer efter hovedfoldet stadium, i en mus er det 10 dage fra begyndelsen af ​​udviklingen). Samtidig begynder den relative størrelse af pMN-domænet at falde hurtigt. I de dorsale domæner når graden af ​​differentiering maksimalt 40 timer senere (100 hph).

Yderligere test og beregninger bekræftede, at forskellene i væksten af ​​domæner (og dermed dynamikken i deres proportioner) i de senere trin (startende fra 40 hph) forklares af forskellige differentieringsrater, som hvert domæne har sin egen.De områder, hvor differentiering går hurtigere, vokser langsommere (deres relative størrelse falder) og omvendt.

Med hensyn til de tidlige stadier (<40 hph) kan forskellene i differentieringshastigheden på nuværende tidspunkt ikke spille en afgørende rolle – simpelthen fordi differentiering endnu ikke er begyndt. For at forstå, hvad der sker i denne periode, måtte forfatterne måle tempoet i den fjerde af de ovennævnte processer, ændringen af ​​celleidentitet. Til dette formål blev der anvendt en genial metode, som gør det muligt at tælle celler, der plejede at producere en bestemt transkriptionsfaktor, og derefter standsede med at gøre det. Genetisk modificerede mus blev fremstillet, hvori de celler, hvori Olig2-transkriptionsfaktoren er udtrykt (dette er et karakteristisk træk ved pMN-domænecellerne, motoneuronprecursorerne), begynder at producere et grønt fluorescerende protein efter indførelsen af ​​et specifikt stof. Hvis cellen derefter ophører med at producere Olig2 (det vil sige, bliver til en celle i et andet domæne), lyser det stadig grønt. Tilstedeværelsen af ​​Olig2-protein i en celle kan bestemmes ved farvning med fluorescerende antistoffer (se Immunostaining).Således vil pMN-celler modtage to etiketter samtidigt og tidligere pMN-celler – kun en.

Det viste sig, at forandringen af ​​cellulær identitet – overførslen af ​​celler fra et domæne til et andet ved at slukke for nogle transkriptionsfaktorer og inddragelsen af ​​andre – er højt i de tidlige stadier (<40 hph) og falder kraftigt i de senere stadier.

Som vi husker, er inkluderingen af ​​transkriptionsfaktorer, der markerer domæner, styret af morfogengradienter. Derfor er denne kendsgerning et gennemsigtigt hint, at op til 40 hph er domænernes og deres grænsers skæbne bestemt af morfogener. I fremtiden er indflydelsen af ​​morfogener reduceret, og en anden reguleringsmekanisme for vækst af domæner kommer i spil i forbindelse med differentieringshastigheden.

For at endelig bekræfte dette udførte forfatterne en række eksperimenter, hvor de kunstigt svækkede driften af ​​Shh signaleringskaskaden i alle domæner samtidigt. Dette blev gjort ved at indføre en inhibitor, cyclopamin (substansen blev givet dette navn, fordi det undertrykker Shhs arbejde, det kan føre til cyclopia: Shh spiller trods alt en vigtig rolle i den korrekte fordeling af ansigtet i to symmetriske halvdele). Det viste sig, at undertrykkelsen af ​​Shh stærkt påvirker væksthastigheden og domænenavnernes position op til 40 hph, og i senere stadier falder effekten kraftigt.

Alle disse resultater (samt en række andre, som vi udeladte for kortfattet, herunder forsøg på kyllingembryoen, som viste at alle disse processer ligner meget hos fugle og pattedyr) tyder på, at vækst af domæner er reguleret i to faser. I første fase spilles den ledende rolle af gradienterne for morfogener Shh og BMP. Derefter falder følsomheden af ​​stamceller til morfogener, og væksten af ​​domæner skifter til en "autonom tilstand" (selvregulering): nu bestemmes væksthastigheden og proportionerne af domænerne ved de differentieringshastigheder, som er karakteristiske for hvert domæne. Hvad disse satser afhænger af, er det næste vigtige spørgsmål, der skal løses i fremtiden.

Denne undersøgelse er et lille, men vigtigt skridt i retning af at løse det mest akutte problem med biologi: forståelse af, hvordan genetisk information gennem formidling af komplekse processer af selvorganisering under ontogenese er indbefattet i fænotypen. Bag de specifikke detaljer i specifikke processer, der løses af forskere, fremkommer generelle principper gradvis. I dette tilfælde viser overgangen fra "system-wide" kontrol til lokal, autonom. Den indledende markering styres af system signaler – gradienter af stoffer spildt i det intercellulære rum produceret af visse organiseringscentre.Men så går de udviklede organs markerede områder videre til selvstyre (selvom det selvfølgelig ikke handler om fuldstændig uafhængighed fra omgivende væv og eksterne signaler, i de senere stadier af neurale rørudviklingen fortsætter vækst af domænerne dels med sådanne signaler – der er en række direkte indikationer i artiklen under drøftelse ).

Fra mig selv vil jeg tilføje, at oplevelsen af ​​computermodellering af ontogenese (se: Selvorganiseringsprocesser i ontogeni af multicellulære dem: oplevelsen af ​​simuleringsmodellering) hjælper med at forstå logikken i en sådan tofase regulering. Det er let, bekvemt og effektivt at markere embryoet fra hinanden ved hjælp af graderinger af morfogener. Men for at få den ønskede voksne fænotype (og ikke noget formløst med arme og ben, der stikker ud i alle retninger), uden at deaktivere cellefølsomheden for morfogen i tide og uden at skifte kroppsafsnit til "selvregulering", er det meget svært. Efterhånden som embryoet vokser, skifter arrangørerne uundgåeligt, afviger i rummet, gradienterne "flyder", og efter dem flyder kroppsafsnittets grænser og hele strukturplanen. Dynamisk regulering af produktionen af ​​morfogener og følsomheden af ​​celler til dem, der tilpasser sig de skiftende proportioner af kropsdele, er i princippet muligt, men dette er en meget vanskelig programmeringsopgave.Derfor, når vi modellerer ontogenet af komplekse multicellulære strukturer, bruger vi normalt kun en sådan tofaset reguleringsordning, som forfatterne af artiklen under drøftelse opdagede i udviklingen af ​​neuralrøret.

Kilde: Anna Kicheva, Tobias Bollenbach, Ana Ribeiro, Helena Pérez Valle, Robin Lovell-Badge, Vasso Episkopou, James Briscoe. Akkord rygmarv Videnskab. 2014. V. 345 P. 1577.

Se også morfogenernes rolle i udvikling:
1) Alan Turing's ideer bidrog til at forstå mekanismen for udvikling af fingre hos hvirveldyr, "Elements", 12/18/2012.
2) Proteinregulator for individuel udvikling styrer bevægelsen af ​​kræftceller, "Elements", 04/18/2008.
3) Mekanismen, hvorved lemmerne udvikler sig i kyllingembryoen, Elements, er afklaret, 06/14/2011.
4) Tempoet på fingerreduktion i arkhosaurusen afhænger af generne der regulerer embryonisk udvikling, "Elements", 10/17/2013.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: