Bahagian pembangunan saraf tunjang pertama dikawal secara terpusat, dan kemudian dipindahkan ke kerajaan sendiri • Alexander Markov • Berita Sains mengenai "Unsur" • Biologi Pengembangan, Genetika, Embriologi

Bahagian pembangunan saraf tunjang pertama dikawal secara terpusat dan kemudian dipindahkan ke kerajaan sendiri.

Rajah. 1. Peraturan fasa dua tanda dorso-ventral tiub saraf (saraf tunjang masa depan). Bahagian salur tiub saraf ditunjukkan pada tiga peringkat pembangunan. Awal pada (1st fasa. Gradien yang bergantung kepada Morphogen protein isyarat – morphogens BMP dan SHH (ditunjukkan di sebelah kiri) – mengawal pemisahan sel progenitor (prekursor neuron) ke beberapa lapisan – domain, dari mana pelbagai jenis neuron akan dibentuk. Warna merah jambu rantau prekursor neuron motor (motorneurons (prekursor)) ditunjukkan, dalam warna biru – neuron antara dorsal (interneurons dorsal). Selanjutnya, pembezaan bermula – transformasi sel progenitor menjadi neuron yang terhenti membahagikan dan berpindah ke pinggir (ditunjukkan penetasan serong), dan neuron progenitor kekal berhampiran neurotsel (jurang menegak di tengah setiap keping). Pada peringkat ini, gred BMP dan SHH tidak lagi menjejaskan perkadaran dan kedudukan sempadan domain, yang kini dikawal di luar talian dan ditentukan oleh ciri untuk setiap kadar domain sel progenitor beralih ke neuron. Sinopsis kepada artikel yang dibincangkan

Seperti semasa perkembangan embrio, perkadaran bahagian yang semakin berkembang itu dikawal selia – salah satu isu biologi perkembangan yang paling mendesak.Menggunakan contoh dorso-ventral (tulang belakang-perut) organisasi tiub saraf pada tikus dan ayam, satu pasukan penyelidik antarabangsa telah menunjukkan bahawa mod peraturan boleh berubah apabila organ tumbuh. Pembahagian utama tiub saraf ke dalam kawasan dengan pelbagai jenis sel progenitor, dari mana jenis neuron yang berbeza dibentuk, ditentukan oleh kecerunan protein isyarat – morphogens Shh, BMP dan Wnt. Walau bagaimanapun, kemudian, apabila sel-sel progenitor mula membezakan (berubah menjadi neuron), pengaruh morfogens berkurangan secara mendadak. Peraturan otonom datang ke depan, berdasarkan tingkat karakteristik pembezaan dari setiap jenis sel progenitor. Nisbah halaju ini dan organisasi dorso-ventral saraf tunjang yang ditentukan oleh mereka sama dengan tetikus dan ayam, iaitu konservatif secara evolusioner. Kajian ini menunjukkan betapa optimum bahagian organisme dapat dikekalkan apabila saiznya berubah semasa evolusi.

Kecerunan kepekatan protein isyarat – morphogens, seperti Wnt, Shh, atau BMP, memainkan peranan penting dalam "menandakan" embrio yang sedang berkembang (dan bahagiannya masing-masing) ke kawasan-kawasan diskret,sel-sel yang kemudian akan bertindak secara berbeza, membentuk tisu, organ dan bahagian tubuh yang berbeza (lihat: Bagaimana sel-sel memahami bahawa ada yang harus menjadi rambut, tulang lain, otak yang ketiga, dan lain-lain?). Morphogens sering dihasilkan oleh kumpulan-kumpulan khas sel (mereka kadang-kadang dipanggil "penganjur", lihat Induksi Fetal), dari mana mereka tersebar melalui penyebaran atau memulakan pengeluaran mereka sendiri di sel-sel tetangga, dan kepekatan morfogen berkurangan dengan jarak dari penganjur.

Kepekatan morfogen di ruang ekstraselular bergantung kepada set pengawal selia peringkat seterusnya – faktor transkripsi – diaktifkan di dalam sel-sel. Faktor transkripsi, sebaliknya, mengawal ekspresi banyak gen, yang kerja akhirnya menentukan nasib sel.

Gradien morfogenik yang menentukan pengaktifan faktor transkripsi bukanlah satu-satunya mekanisme pemodelan embrio yang sedang berkembang (lihat: Idea Alan Turing membantu memahami mekanisme perkembangan jari-jari vertebrata, Elemen, 18 Disember 2012). Kebanyakan mekanisme ini tidak jelas. Sebagai contoh, tidak begitu jelas bagaimana perkadaran bahagian embrio yang cepat berkembang.Lagipun, pertumbuhan tidak dapat dielakkan membawa kepada perubahan kepekatan morfogen dalam tisu-tisu membangun. Oleh itu, sempadan bahagian-bahagian tidak "terapung", anda mestilah sama-sama mengubah tahap pengeluaran morphogens, menyesuaikan diri dengan saiz yang berubah-ubah asas yang terkawal, atau menggunakan peraturan lain. Masalah ini tidak hanya berlaku untuk pertumbuhan embrio, tetapi juga perubahan saiz badan semasa evolusi. Dalam sesetengah kes, seperti yang telah diketahui, penyesuaian kecerunan morphogen berlaku (lihat: T. Gregor et al., 2005) Penyebaran dan skala semasa pembentukan corak embrio awal). Tetapi adakah ia selalu berlaku?

Satu kajian ahli biologi British dan Austria, hasilnya diterbitkan dalam terbitan jurnal terkini Sains, memberikan jawapan negatif kepada soalan ini.

Penulis menyiasat peraturan penandaan dorso-ventral tetesan saraf embrio tetikus. Tahap-tahap awal proses telah dipelajari secara terperinci. Skim yang sangat mudah ditunjukkan di rajah. 1, sedikit lebih terperinci – dalam Rajah. 2

Rajah. 2 Pembezaan tikus embrio sel-sel tiub saraf. Bahagian salur tiub neural ditunjukkan di kawasan tali pinggang masa hadapan kaki hadapan (umur embrio adalah 10.5 hari). Pada foto sel-sel yang berwarna berbeza bergantung kepada gen yang dinyatakan di dalamnya. Dalam foto yang betul sempadan domain dilampirkan (kawasan prekursor motoneurons, pMN (nenek moyang neuron), – yang ketiga dari bahagian bawah, sel hijau di luarnya – neuron berpindah ke pinggir). NC (notochord) – kord, FP (floorplate) – plat bawah, RP (bumbung) – plat siling. Garisan skala panjang 50 mikron. Imej dari artikel dalam perbincangan Sains

Tanda ini dikawal oleh kecerunan bertentangan dua morfologi: "ventral" dan "dorsal". Di bahagian bawah ventral (bawah, perut) tiub saraf, di dalam plat bawah (plat lantai), dan di dalam kord yang terletak terus di bawah tiub saraf, protein Sonic hedgehog (Shh) disintesis – morphogen yang terlibat dalam susunan banyak bahagian badan. Di bahagian bawah saraf (dorsal) tiub saraf, di dalam plat siling (plat bumbung), satu lagi morphogen pelbagai fungsi, BMP, disintesis (di sini, mungkin sekali lagi sesuai dengan apa-apa keterangan, terutamanya yang popular, proses biologi kompleks yang sedemikian adalah penyederhanaan yang kuat , walaupun primitivisasi: pada hakikatnya, semuanya adalah, seperti biasa, lebih rumit).

Oleh itu, dua gradien bertentangan dibuat dalam tiub neural: kepekatan Shh meningkat dari atas ke bawah, dan kesan BMP meningkat dari bahagian bawah ke bahagian atas. Bergantung kepada gabungan kepekatan ini, sel-sel progenitor dari tiub saraf (prekursor sel tisu saraf) memilih nasib mereka (nasib sel): mereka berubah dari kemungkinan pelopor pelbagai jenis "dewasa" sel menjadi pendahulu hanya satu jenis sel. Contohnya, neuron motor atau interkal. Transformasi ini terdiri daripada fakta bahawa satu atau satu set faktor transkripsi mula menyatakan dalam sel. Akibatnya, tiub saraf terbahagi kepada arah dorz-ventral ke 13 domain (zon), masing-masing mempunyai kombinasi faktor transkripsi. Secara khususnya, faktor transkripsi Olig2 dinyatakan dalam domain ketiga, sel-sel yang akan ditransformasikan semula ke neuron motor saraf tunjang, dan enam domain dorsal yang menimbulkan neuron interkalari dapat dikenal pasti dengan ungkapan faktor transkripsi Pax3.

Sel progenitor membahagikan, dan kemudian pada satu ketika, beberapa dari mereka mula mengubah (membezakan) ke dalam neuron satu jenis atau yang lain.Pada masa yang sama, sel-sel progenitor kekal di pusat, mengekalkan hubungan dengan neurocell (saluran tulang belakang), dan terus membahagikan, dan neuron berpindah ke pinggir dan tidak lagi membahagikan.

Penulis berminat bagaimana proporsi domain progenitor berubah apabila embrio berkembang dan apakah mekanisme peraturan perkadaran ini. Peringkat pertama adalah lebih kurang jelas: subdivisi utama ke dalam domain dikawal oleh kecerunan morphogen, tetapi apa yang akan berlaku seterusnya?

Sebagai permulaan, penulis yakin bahawa pertumbuhan domain adalah allometric secara mendadak, iaitu saiz relatif mereka sangat berbeza dengan pertumbuhan tiub saraf. Sebagai contoh, domain pMN (wilayah prekursor motoneuron) pada mulanya mempunyai saiz relatif yang agak besar, tetapi pada hari kesembilan perkembangan embrio, ia mula berkurang dengan cepat berbanding dengan domain lain (dalam Rajah 2 di sebelah kanan, ia telah menurun). Penulis menunjukkan bahawa saiz domain dengan tepat mencerminkan jumlah sel progenitor di dalamnya. Perkara yang paling menarik adalah bahawa saiz relatif domain berubah dengan cara yang sama dalam tikus normal dan tikus mutan kerdil, dan juga dalam embrio ayam.Ini bermakna bahawa dinamik proporsi domain adalah konservatif evolusi – mereka berubah sedikit dalam perjalanan evolusi. Dari sini, ia juga mengikuti bahawa dinamika ini dan (atau) faktor-faktor yang secara langsung atau tidak langsung mengawalnya adalah sangat penting bagi organisma yang sedang membangun.

Apakah faktor-faktor ini? Penulis berpendapat bahawa bilangan sel progenitor dalam domain boleh berubah untuk empat sebab: 1) percambahan – pembahagian sel; 2) apoptosis – kematian sel yang diprogramkan; 3) pembezaan, iaitu, transformasi sel progenitor ke dalam neuron yang meninggalkan domain, dengan itu mengurangkan saiznya; 4) perubahan identiti selular, iaitu, transformasi sel satu domain ke dalam sel domain lain (untuk ini, beberapa faktor transkripsi mesti dimatikan dan lain-lain harus dimasukkan).

Menggunakan senjata besar kaedah moden kejuruteraan genetik, pewarnaan dan penandaan sel bergantung kepada keadaan mereka (kehadiran protein tertentu, keamatan sintesis DNA, dan lain-lain), penulis dapat menganggarkan kadar semua empat proses pada peringkat yang berlainan dalam perkembangan tiub saraf.

Kadar pembahagian sel dalam semua domain hampir sama (kecuali plat bawah, di mana sel-sel membahagi kurang kerap).Apabila ia tumbuh, ia berkurangan sedikit, dan ini berlaku serentak dalam semua domain. Ini bermakna proporsi domain tidak ditentukan oleh kadar percambahan.

Kadar apoptosis boleh diabaikan berbanding dengan kadar pembahagian sel. Oleh itu, apoptosis juga tidak sesuai untuk peranan pengatur perkadaran. Ia lebih aktif dalam tikus mutan kerdil – oleh itu, saraf tunjang mereka lebih kurus, tetapi proporsi domain ditentukan dalam hal ini oleh sesuatu yang lain.

Kadar pembezaan berbeza untuk domain yang berlainan, dan ketika ia tumbuh, ia juga berubah dengan cara yang berbeza. Para pendahulu motoneuron mula membezakan lebih awal daripada yang lain. Kelajuan maksimum pembezaan di dalamnya juga dijangkakan lebih awal (60 jam hhh, tahap kepala pasca jam – 60 jam selepas peringkat lipat kepala, dalam tikus itu adalah 10 hari dari permulaan pembangunan). Pada masa yang sama, saiz relatif domain pMN mula berkurang dengan cepat. Dalam domain dorsal, kadar pembezaan mencapai maksimum 40 jam kemudian (100 hph).

Ujian dan pengiraan selanjutnya mengesahkan bahawa perbezaan dalam kadar pertumbuhan domain (dan oleh itu dinamika perkadaran mereka) di peringkat kemudian (bermula dari 40 hph) dijelaskan oleh kadar perbezaan yang berlainan, yang setiap domain mempunyai sendiri.Mereka domain di mana pembezaan berjalan lebih cepat berkembang dengan lebih perlahan (saiz relatif mereka menurun), dan sebaliknya.

Sedangkan untuk peringkat awal (<40 hph), pada masa ini perbezaan dalam kadar pembezaan tidak dapat memainkan peranan penting – hanya kerana pembezaan belum bermula. Untuk memahami apa yang berlaku dalam tempoh ini, penulis perlu mengukur kadar keempat proses di atas, perubahan identiti sel. Untuk tujuan ini, kaedah yang bijak digunakan, yang membolehkan mengira sel-sel yang digunakan untuk menghasilkan faktor transkripsi tertentu, dan kemudian berhenti melakukannya. Tikus diubahsuai secara genetik dibuat di mana, selepas pengenalan bahan tertentu, sel-sel di mana faktor transkripsi Olig2 dinyatakan (ini ciri khas sel-sel domain pMN, prekursor motoneuron), mula menghasilkan protein neon hijau. Sekiranya sel kemudian tidak menghasilkan Olig2 (iaitu, menjadi sel dari domain lain), ia masih bersinar hijau. Kehadiran protein Olig2 dalam sel boleh ditentukan dengan mengotorkan antibodi pendarfluor (lihat Immunostaining).Oleh itu, sel-sel pMN akan menerima dua label serentak, dan ex sel pMN – hanya satu.

Ternyata kadar perubahan identiti selular – pemindahan sel dari satu domain ke yang lain dengan mematikan beberapa faktor transkripsi dan kemasukan orang lain – tinggi pada tahap awal (<40 hph) dan menurun secara mendadak di peringkat kemudian.

Seperti yang kita ingat, kemasukan faktor transkripsi yang menandakan domain dikawal oleh kecerunan morphogen. Oleh itu, fakta ini adalah petunjuk telus yang sehingga 40 hph nasib domain dan sempadannya ditentukan oleh morfologi. Di masa depan, pengaruh morfogen dikurangkan, dan satu lagi mekanisme pengawalseliaan pertumbuhan domain dimainkan, dikaitkan dengan kadar pembezaan.

Untuk akhirnya mengesahkan ini, penulis telah menjalankan beberapa eksperimen di mana mereka secara buas melemahkan operasi litar isyarat Shh dalam semua domain pada masa yang sama. Ini dilakukan dengan memperkenalkan perencat, siklopamin (bahan diberi nama ini kerana, menekan kerja Shh, ia boleh menyebabkan cyclopia: selepas semua, Shh memainkan peranan penting dalam pembahagian muka yang betul menjadi dua bahagian simetri). Ternyata penindasan Shh sangat mempengaruhi kadar pertumbuhan dan kedudukan sempadan domain sehingga 40 hph, dan pada tahap selanjutnya kesannya berkurang tajam.

Kesemua hasil ini (serta beberapa yang lain, yang kita ketinggalan untuk keringkasan, termasuk eksperimen pada embrio ayam, yang menunjukkan bahawa semua proses ini sangat mirip dengan burung dan mamalia) mencadangkan pertumbuhan domain diatur dalam dua tahap. Pada peringkat pertama, peranan utama dimainkan oleh kecerunan morphogens Shh dan BMP. Kemudian, sensitiviti sel progenitor untuk morfologi berkurangan, dan pertumbuhan domain bertukar kepada "mod autonomi" (regulasi diri): kini kadar pertumbuhan dan perkadaran domain ditentukan oleh ciri-ciri kadar pembezaan bagi setiap domain. Apa kadar ini bergantung kepada isu penting yang akan datang untuk diselesaikan pada masa akan datang.

Kajian ini adalah langkah kecil tetapi penting untuk menyelesaikan masalah biologi yang paling mendesak: pemahaman bagaimana maklumat genetik, melalui pengantaraan proses-proses yang kompleks dalam organisasi sendiri semasa ontogenesis, termaktub dalam fenotip. Di sebalik butiran khusus proses spesifik yang diselesaikan oleh saintis, prinsip am secara beransur-ansur muncul. Dalam kes ini, menunjukkan peralihan dari kawalan "seluruh sistem" ke tempatan, autonomi. Penanda awal dikawal oleh isyarat sistem – kecerunan bahan-bahan yang tumpah pada ruang intercellular yang dihasilkan oleh pusat penganjur tertentu.Tetapi kemudian bidang-bidang yang jelas dari organ yang sedang membangun terus menjadi kerajaan sendiri (walaupun, tentu saja, ia bukan mengenai kemerdekaan lengkap dari tisu-tisu di sekitarnya dan isyarat-isyarat luaran; di peringkat akhir perkembangan tiub neural, pertumbuhan domain terus dikawal sebahagiannya oleh isyarat-isyarat itu – terdapat beberapa tanda langsung dalam artikel yang sedang dibincangkan ).

Daripada diri saya, saya akan menambah bahawa pengalaman pemodelan komputer ontogenesis (lihat: Proses penyusunan diri dalam ontogeny yang multiselular: pengalaman pemodelan simulasi) membantu memahami logik peraturan dua fasa sedemikian. Ia mudah, mudah dan berkesan untuk menandakan embrio selain menggunakan kecerunan morfogen. Tetapi untuk mendapatkan fenotip dewasa yang dikehendaki (dan bukan sesuatu yang tidak berbentuk dengan lengan dan kaki yang melekat di semua arah), tanpa melumpuhkan kepekaan sel kepada morfogen tepat pada masanya dan tanpa mengalihkan bahagian tubuh kepada "peraturan diri", sangat sukar. Apabila embrio berkembang, pihak penganjur tidak dapat dielakkan, menyimpang dalam ruang, kecerunan "terapung", dan selepasnya sempadan bahagian tubuh dan pelan struktur keseluruhan terapung. Secara dinamik mengawal pengeluaran morphogens dan sensitiviti sel kepada mereka, menyesuaikan diri dengan perubahan bahagian bahagian badan, mungkin pada dasarnya, tetapi ini adalah tugas programmer yang sangat sukar.Oleh itu, apabila memodelkan ontogeny struktur multicellular kompleks, kita biasanya menggunakan skim regulasi dua fasa, yang mana pengarang artikel yang dibincangkan dalam perkembangan tiub saraf.

Sumber: Anna Kicheva, Tobias Bollenbach, Ana Ribeiro, Helena Pérez Valle, Robin Lovell-Badge, Vasso Episkopou, James Briscoe. Kord tulang belakang Sains. 2014. V. 345 P. 1577.

Lihat juga peranan morfogen dalam pembangunan:
1) Idea Alan Turing membantu memahami mekanisme perkembangan jari-jari vertebrata, "Unsur", 12/18/2012.
2) Protein-pengatur perkembangan individu mengawal pergerakan sel kanser, "Unsur", 04/18/2008.
3) Mekanisme di mana anggota badan berkembang dalam embrio ayam, Elemen, dijelaskan, 06/14/2011.
4) Masa pengurangan jari di Arkhosaurus bergantung kepada gen yang mengawal perkembangan embrio, "Elements", 10/17/2013.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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