การเกิดเอ็มบริโอและการสร้างแบบแผนในระยะแรก
การที่ไข่ที่ได้รับการปฏิสนธิกลายเป็นเอ็มบริโอหลายเซลล์ที่มีการจัดระเบียบจากหัวจรดหางและจากหลังจรดท้องที่ชัดเจน ผ่านกระบวนการปฏิสนธิ การแบ่งตัว การเกิดแกสตรูเลชัน และการวางแนวแกนของร่างกาย
Definition
การเกิดเอ็มบริโอในระยะแรกคือลำดับของเหตุการณ์การพัฒนาตั้งแต่การปฏิสนธิจนถึงแกสตรูเลชัน ซึ่งไซโกตเซลล์เดียวถูกเปลี่ยนให้เป็นเอ็มบริโอที่มีชั้นและมีการจัดระเบียบตามแนวแกน; การสร้างแบบแผนคือการกำหนดเอกลักษณ์ของเซลล์ที่มีการควบคุมเชิงพื้นที่ซึ่งสร้างแกนของร่างกายและตำแหน่งของอวัยวะในอนาคต
Scope
ขอบเขตนี้ครอบคลุมเหตุการณ์แรกสุดของการพัฒนาสัตว์: การรวมตัวของไข่และอสุจิ การแบ่งตัวอย่างรวดเร็วที่แบ่งไซโทพลาสซึมของไซโกต การก่อตัวของบลาสตูลา และแกสตรูเลชัน ซึ่งสร้างเนื้อเยื่อต้นกำเนิดทั้งสามชั้นและแผนผังร่างกายพื้นฐาน โดยจะกล่าวถึงสัญญาณโมเลกุลและเกรเดียนต์ของมอร์โฟเจนที่กำหนดค่าตำแหน่งให้กับเซลล์ตามแนวแกนของเอ็มบริโอ โดยอ้างอิงจากระบบแบบจำลองคลาสสิก (เม่นทะเล กบ แมลงวัน ไก่ หนู ปลาซีบราฟิช) มิติทางระบบสืบพันธุ์และทางคลินิกถูกนำเสนอในฐานะความสำคัญ ไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์
Sub-topics
Core questions
- การปฏิสนธิกระตุ้นไข่และรวมสองจีโนมเพื่อเริ่มต้นการพัฒนาได้อย่างไร?
- การแบ่งเซลล์ในระยะแรกและการก่อตัวของบลาสตูลาจัดเตรียมเซลล์ที่จะสร้างเอ็มบริโอได้อย่างไร?
- แกสตรูเลชันจัดเรียงเซลล์ใหม่ให้เป็นเนื้อเยื่อต้นกำเนิดสามชั้นและสร้างแผนผังร่างกายได้อย่างไร?
- แกนหน้า-หลัง และแกนหลัง-ท้อง ถูกกำหนดอย่างไร และเซลล์ได้รับข้อมูลตำแหน่งได้อย่างไร?
Key theories
- ข้อมูลตำแหน่ง
- เซลล์ได้รับ 'ค่าตำแหน่ง' ตามตำแหน่งของมันภายในระบบพิกัด — ซึ่งมักจะอ่านจากความเข้มข้นของมอร์โฟเจนที่แพร่กระจายได้ — แล้วตีความค่านั้นเพื่อแยกแยะความแตกต่างอย่างเหมาะสม ดังที่ได้กำหนดเป็นแบบจำลองธงฝรั่งเศสของ Wolpert
- เกรเดียนต์ของมอร์โฟเจนและการตอบสนองแบบเกณฑ์
- การกระจายแบบไล่ระดับของโมเลกุลส่งสัญญาณสร้างแบบแผนของกลุ่มเซลล์โดยการกระตุ้นการตอบสนองของการแสดงออกของยีนที่แตกต่างกันเหนือเกณฑ์ความเข้มข้นที่กำหนด เปลี่ยนเกรเดียนต์ที่ราบรื่นให้เป็นอาณาเขตของเอกลักษณ์ที่แยกจากกัน
Mechanisms
หลังจากการรวมตัวของอสุจิ-ไข่และการกระตุ้นไข่ ไซโกตจะเกิดการแบ่งตัว (cleavage) ซึ่งเป็นชุดของการแบ่งเซลล์โดยไม่มีการเจริญเติบโตที่แบ่งไซโทพลาสซึมย่อย และในหลายสปีชีส์จะกระจายปัจจัยกำหนดจากแม่แบบไม่สมมาตร บลาสตูลาที่เกิดขึ้นจะมีช่องว่างและประชากรเซลล์ที่แตกต่างกัน ในระหว่างแกสตรูเลชัน การเคลื่อนที่ของเซลล์ที่ประสานกัน (การม้วนตัวเข้าด้านใน, การม้วนตัวเข้า, การเคลื่อนที่เข้า, การแผ่คลุม) จะนำเอนโดเดิร์มและเมโซเดิร์มในอนาคตเข้าสู่ภายใน และสร้างเอ็กโทเดิร์มที่พื้นผิว ทำให้เกิดเนื้อเยื่อต้นกำเนิดทั้งสามชั้น การสร้างแกนถูกขับเคลื่อนโดยปัจจัยจากแม่แบบที่อยู่เฉพาะที่และโดยศูนย์ส่งสัญญาณ (เช่น ตัวจัดระเบียบด้านหลังของสัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ) ที่หลั่งมอร์โฟเจน; เซลล์จะตีความสัญญาณแบบไล่ระดับและรหัสปัจจัยการถอดรหัสแบบผสมผสานเพื่อรับเอกลักษณ์เฉพาะภูมิภาคตามแนวแกนของร่างกาย
Clinical relevance
ข้อผิดพลาดในการสร้างแบบแผนและการเกิดแกสตรูเลชันในระยะแรกเป็นสาเหตุของความผิดปกติทางโครงสร้างแต่กำเนิดหลายอย่างและการแท้งบุตรในระยะแรก และเส้นทางการสร้างแกนเดียวกันนี้มักถูกนำกลับมาใช้ซ้ำในโรค การทำความเข้าใจเหตุการณ์เหล่านี้ยังให้ข้อมูลเกี่ยวกับการช่วยการเจริญพันธุ์และแบบจำลองเอ็มบริโอที่ใช้เซลล์ต้นกำเนิด ข้อมูลนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาและไม่ได้ให้คำแนะนำทางการแพทย์เกี่ยวกับการวินิจฉัยหรือการเจริญพันธุ์
History
การศึกษาเชิงทดลองเกี่ยวกับการพัฒนาในระยะแรกเริ่มต้นขึ้นโดยนักคัพภวิทยาในศตวรรษที่ 19 และต้นศตวรรษที่ 20; การปลูกถ่ายตัวจัดระเบียบของ Spemann และ Mangold ในปี 1924 แสดงให้เห็นว่าบริเวณหนึ่งของเอ็มบริโอสามารถชักนำให้เกิดแกนของร่างกายในอีกบริเวณหนึ่งได้ แนวคิดข้อมูลตำแหน่งของ Wolpert ในปี 1969 ได้ให้กรอบการทำงานทั่วไปสำหรับการสร้างแบบแผน และการคัดกรองทางพันธุกรรมของ Nüsslein-Volhard และ Wieschaus ใน Drosophila ได้ระบุลำดับชั้นของยีนที่สร้างแบบแผนของเอ็มบริโอในระยะแรก ซึ่งเป็นผลงานที่ได้รับการยอมรับด้วยรางวัลโนเบล
Key figures
- Lewis Wolpert
- Hans Spemann
- Hilde Mangold
- Christiane Nüsslein-Volhard
- Eric Wieschaus
Related topics
Seminal works
- wolpert1969
- nussleinvolhard1980
- gilbert2016
Frequently asked questions
- แกสตรูเลชันคืออะไร?
- แกสตรูเลชันคือชุดของการเคลื่อนที่ของเซลล์ที่ประสานกันซึ่งเปลี่ยนเอ็มบริโอในระยะแรกให้เป็นโครงสร้างที่มีชั้นและมีเนื้อเยื่อต้นกำเนิดสามชั้น — เอ็กโทเดิร์ม เมโซเดิร์ม และเอนโดเดิร์ม — ซึ่งเนื้อเยื่อทั้งหมดจะก่อตัวขึ้นในภายหลัง
- มอร์โฟเจนคืออะไร?
- มอร์โฟเจนคือโมเลกุลส่งสัญญาณที่แพร่กระจายผ่านเนื้อเยื่อเพื่อสร้างเกรเดียนต์ความเข้มข้น; เซลล์จะอ่านความเข้มข้นเฉพาะที่ว่าเป็นข้อมูลตำแหน่งและกำหนดชะตากรรมที่แตกต่างกันที่เกณฑ์ที่แตกต่างกัน