การสร้างแกนและการวางแผนผังร่างกาย

วิธีที่ตัวอ่อนสร้างแกนหัว-ท้าย, หลัง-ท้อง, และซ้าย-ขวา ซึ่งเป็นระบบพิกัดที่ใช้ในการสร้างแผนผังร่างกายทั้งหมด

Definition

การสร้างแกนคือการกำหนดพัฒนาการของแกนหลักของร่างกาย ได้แก่ แกนหน้า-หลัง, บน-ล่าง, และซ้าย-ขวา ซึ่งเป็นตัวกำหนดระบบพิกัดของตัวอ่อน; แผนผังร่างกายคือการจัดเรียงโดยรวมของแกนหลัก, ส่วนต่างๆ, และบริเวณที่อวัยวะจะพัฒนาขึ้น

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการกำหนดแกนหน้า-หลัง, บน-ล่าง, และซ้าย-ขวาของร่างกาย, บทบาทของศูนย์จัดระเบียบ (organizing centres) เช่น ตัวจัดระเบียบด้านหลังของสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ, ปัจจัยกำหนดจากมารดา (maternal determinants) และการไล่ระดับของสัญญาณ (signaling gradients) ที่เริ่มต้นการสร้างแกน, และวิธีที่ข้อมูลตามแกนชี้นำการสร้างรูปแบบเฉพาะส่วนในภายหลัง โดยเชื่อมโยงวิชาคัพภวิทยาการปลูกถ่ายแบบดั้งเดิมเข้ากับตรรกะระดับโมเลกุลของมอร์โฟเจน (morphogens) และปัจจัยการถอดรหัส (transcription factors)

Core questions

• แกนหัว-ท้ายถูกสร้างและวางแนวได้อย่างไร?
• ด้านหลังและด้านท้องของตัวอ่อนแตกต่างกันได้อย่างไร?
• ตัวจัดระเบียบคืออะไร และสามารถชักนำให้เกิดแกนร่างกายได้อย่างไร?
• ความไม่สมมาตรซ้าย-ขวาเกิดขึ้นได้อย่างไร เพื่อให้อวัยวะภายในถูกจัดวางอย่างถูกต้อง?

Key theories

ตัวจัดระเบียบของตัวอ่อน

บริเวณส่งสัญญาณที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งเป็นตัวอย่างโดยริมฝีปากด้านหลังของสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ สามารถชักนำเนื้อเยื่อรอบข้างให้สร้างแกนร่างกายทุติยภูมิที่สมบูรณ์ แสดงให้เห็นว่าแหล่งสัญญาณเฉพาะที่สามารถจัดระเบียบแผนผังร่างกายได้

ลำดับชั้นทางพันธุกรรมของการสร้างรูปแบบแกน

ในตัวอ่อนแมลงวัน การไล่ระดับจากมารดาจะกระตุ้นลำดับของยีน gap, pair-rule, และ segment-polarity ที่แบ่งแกนหน้า-หลังออกเป็นส่วนๆ อย่างต่อเนื่อง ซึ่งเป็นแบบอย่างว่ายีนสร้างแผนผังร่างกายได้อย่างไร

Mechanisms

แกนของร่างกายมักจะเริ่มต้นโดยปัจจัยกำหนดจากมารดาที่อยู่ไม่สมมาตร และโดยเหตุการณ์ที่ทำลายสมมาตร เช่น ตำแหน่งที่สเปิร์มเข้าหรือการจัดเรียงไซโตพลาสซึมใหม่ สัญญาณเหล่านี้จะสร้างศูนย์ส่งสัญญาณที่หลั่งมอร์โฟเจน ทำให้เกิดการไล่ระดับที่ถูกตีความว่าเป็นข้อมูลตำแหน่ง ในแกนหน้า-หลังของแมลงวัน การไล่ระดับจากมารดาจะกระตุ้นลำดับชั้นของยีน gap, pair-rule, segment-polarity, และ homeotic ที่ปรับแต่งรูปแบบให้ละเอียดขึ้นเรื่อยๆ การสร้างรูปแบบบน-ล่างถูกกำหนดโดยวิถีการส่งสัญญาณที่ตรงกันข้าม และความไม่สมมาตรซ้าย-ขวาเกิดจากกระบวนการของเซลล์ที่มีทิศทางซึ่งมีอิทธิพลต่อการแสดงออกของยีน laterality ทำให้มั่นใจได้ว่าอวัยวะภายในจะถูกจัดวางอย่างสอดคล้องกัน

Clinical relevance

ความบกพร่องในการกำหนดแกนและความไม่สมมาตรซ้าย-ขวาทำให้เกิดความผิดปกติของสมมาตรของร่างกายและการจัดวางอวัยวะ และวิถีการส่งสัญญาณหลายอย่างที่กล่าวถึงก็เกี่ยวข้องกับโรคเมื่อถูกกระตุ้นอย่างผิดปกติ ข้อมูลนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาเท่านั้น และไม่ได้มีเจตนาเป็นแนวทางทางการแพทย์

History

การทดลองตัวจัดระเบียบของ Spemann และ Mangold ในทศวรรษ 1920 แสดงให้เห็นว่าบริเวณเล็กๆ ของตัวอ่อนสามารถชักนำให้เกิดแกนร่างกายที่สมบูรณ์ได้ กรอบแนวคิดข้อมูลตำแหน่งของ Wolpert และการวิเคราะห์ทางพันธุกรรมอย่างเป็นระบบของการสร้างรูปแบบแกนใน Drosophila โดย Nüsslein-Volhard, Wieschaus, และ Lewis ได้เปิดเผยลำดับชั้นของยีนที่สร้างแผนผังร่างกาย

Key figures

• Hans Spemann
• Hilde Mangold
• Lewis Wolpert
• Christiane Nüsslein-Volhard
• Edward B. Lewis

Seminal works

• wolpert1969
• nussleinvolhard1980
• gilbert2016

Frequently asked questions

ตัวจัดระเบียบของตัวอ่อนคืออะไร?

เป็นบริเวณหนึ่งของตัวอ่อนระยะแรกที่เมื่อถูกปลูกถ่าย สามารถชักนำเซลล์ข้างเคียงให้สร้างแกนร่างกายที่สองได้ ซึ่งแสดงให้เห็นครั้งแรกในสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำโดย Spemann และ Mangold

ตัวอ่อนแยกแยะซ้ายจากขวาได้อย่างไร?

กระบวนการของเซลล์ที่มีทิศทางในช่วงต้นของการพัฒนาจะส่งผลต่อกิจกรรมของยีน laterality ในด้านใดด้านหนึ่ง ซึ่งจะกำหนดการจัดวางอวัยวะภายในอย่างสอดคล้องกัน เช่น หัวใจ