Ранний эмбриогенез и паттернинг

Как оплодотворенная яйцеклетка превращается в многоклеточный эмбрион с определенной организацией по осям «голова-хвост» и «спина-живот» посредством оплодотворения, дробления, гаструляции и закладки осей тела.

Definition

Ранний эмбриогенез — это последовательность событий развития от оплодотворения до гаструляции, в ходе которой одноклеточная зигота превращается в слоистый, аксиально организованный эмбрион; паттернинг — это пространственно регулируемое присвоение клеточных идентичностей, которое устанавливает оси тела и положения будущих органов.

Scope

Эта область охватывает самые ранние события развития животных: слияние яйцеклетки и сперматозоида, быстрые деления дробления, которые разделяют зиготу, формирование бластулы и гаструляцию, которая генерирует три зародышевых листка и основной план строения тела. В ней рассматриваются молекулярные сигналы и градиенты морфогенов, которые присваивают позиционные значения клеткам вдоль эмбриональных осей, опираясь на классические модельные системы (морской еж, лягушка, дрозофила, цыпленок, мышь, данио-рерио). Репродуктивные и клинические аспекты рассматриваются как значимость, а не как медицинские рекомендации.

Sub-topics

• Axis Formation and Body Plan
• Cleavage and Blastula Formation
• Fertilization and Egg Activation
• Gastrulation and Germ Layers

Core questions

• Как оплодотворение активирует яйцеклетку и объединяет два генома для начала развития?
• Как ранние деления дробления и формирование бластулы подготавливают клетки, которые будут строить эмбрион?
• Как гаструляция перестраивает клетки в три зародышевых листка и устанавливает план строения тела?
• Как определяются передне-задняя и дорсально-вентральная оси, и как клетки получают позиционную информацию?

Key theories

Позиционная информация

Клетки приобретают «позиционное значение» в соответствии со своим местоположением в системе координат — часто считываемое по концентрации диффундирующего морфогена — а затем интерпретируют это значение для соответствующей дифференцировки, как это формализовано в модели французского флага Вольперта.

Градиенты морфогенов и пороговые реакции

Градиентные распределения сигнальных молекул формируют поля клеток, вызывая различные реакции экспрессии генов выше определенных пороговых концентраций, превращая плавный градиент в дискретные области идентичности.

Mechanisms

После слияния сперматозоида и яйцеклетки и активации яйцеклетки зигота подвергается дроблению — серии делений без роста, которые подразделяют цитоплазму и, у многих видов, асимметрично распределяют материнские детерминанты. Образующаяся бластула содержит полость и различные клеточные популяции. Во время гаструляции скоординированные клеточные движения (инвагинация, инволюция, ингрессия, эпиболия) интернализуют будущие энтодерму и мезодерму и устанавливают эктодерму на поверхности, образуя три зародышевых листка. Формирование осей обусловлено локализованными материнскими факторами и сигнальными центрами (такими как дорсальный организатор амфибий), которые секретируют морфогены; клетки интерпретируют градиентные сигналы и комбинаторные коды транскрипционных факторов для приобретения регион-специфических идентичностей вдоль осей тела.

Clinical relevance

Ошибки в раннем паттернинге и гаструляции лежат в основе многих врожденных структурных аномалий и ранних потерь беременности, и те же пути формирования осей многократно используются при заболеваниях. Понимание этих событий также способствует развитию вспомогательных репродуктивных технологий и эмбриональных моделей на основе стволовых клеток. Данная статья носит образовательный характер и не содержит диагностических или репродуктивных медицинских рекомендаций.

History

Экспериментальное изучение раннего развития началось с эмбриологов XIX и начала XX веков; трансплантация организатора Шпемана и Мангольда в 1924 году показала, что одна область эмбриона может индуцировать ось тела в другой. Концепция позиционной информации Вольперта 1969 года дала общую основу для паттернинга, а генетические скрининги Нюсляйн-Фольхард и Вишаус на дрозофиле выявили генные иерархии, которые определяют паттерн раннего эмбриона, работа, отмеченная Нобелевской премией.

Key figures

• Lewis Wolpert
• Hans Spemann
• Hilde Mangold
• Christiane Nüsslein-Volhard
• Eric Wieschaus

Seminal works

• wolpert1969
• nussleinvolhard1980
• gilbert2016

Frequently asked questions

Что такое гаструляция?

Гаструляция — это совокупность скоординированных клеточных движений, которые превращают ранний эмбрион в слоистую структуру с тремя зародышевыми листками — эктодермой, мезодермой и энтодермой, — из которых впоследствии формируются все ткани.

Что такое морфоген?

Морфоген — это сигнальная молекула, которая распространяется по ткани, образуя градиент концентрации; клетки считывают локальную концентрацию как позиционную информацию и принимают различные судьбы при разных пороговых значениях.