1. Primitivstreifen und Gastrulation
Menschliche Gastrulation und experimentelle Modelle
Die direkte Analyse menschlicher Embryonen hat transkriptionell distincte Populationen identifiziert, die mit dem Primitivstreifen und der frühen Keimblattbildung assoziiert sind, einschließlich Zellen, die TBXT (Brachyury), EOMES und andere mesendodermale Regulatoren exprimieren. Diese Daten liefern Belege für die räumliche und transkriptionelle Organisation der frühen menschlichen Gastrulation, obwohl die Markerexpression und die Linienbeziehungen stadiumabhängig sind. Da der experimentelle Zugang zu menschlichen Embryonen kausale genetische Manipulationen einschränkt, wurden viele molekulare und zelluläre Mechanismen der Primitivstreifenbildung, des epithelial-mesenchymalen Übergangs (EMT), der Ingression, der Keimblattspezifikation und der Gewebemorphogenese hauptsächlich in Maus- und Hühnerembryonen definiert.
Signalnetzwerke zur Etablierung des Primitivstreifens
Bei der Maus hängen die Musterbildung der posterioren embryonalen Achse und die Primitivstreifenbildung von einer koordinierten Nodal-, Wnt-, BMP- und FGF-Signalisierung ab, wobei jeder Signalweg unterschiedliche Funktionen hat. Wnt3 ist essenziell für die Primitivstreifenbildung, während die kanonische Wnt-Signalisierung über CTNNB1/β-Catenin und TCF/LEF-abhängige Transkription die mit dem Primitivstreifen assoziierte Genexpression reguliert. Die Nodal-Signalisierung ist für die Musterbildung des posterioren Epiblasten und die Mesendodermspezifikation erforderlich. Nodal wird als Vorläufer synthetisiert und erfährt eine proteolytische Aktivierung, an der Furin und PACE4 beteiligt sind; seine Aktivität wird ferner durch Antagonisten wie Lefty1 und Lefty2 reguliert.
Extraembryonale Gewebe tragen zur räumlichen Musterbildung bei. Das anteriore viszerale Endoderm exprimiert Antagonisten wie Cer1 und Dkk1, wodurch posteriorisierende Aktivitäten von anterioren embryonalen Regionen ferngehalten werden. BMP4 aus dem extraembryonalen Ektoderm ist an dem Regulierungsnetzwerk beteiligt, das die posteriore Epiblastensignalisierung und die Streifenbildung steuert. Die FGF-Signalisierung trägt zu EMT, Zellmigration und Mesodermmorphogenese bei.
EMT, Ingression und Keimblattbildung
Am Primitivstreifen durchlaufen Epiblastzellen ein epitheliales Remodeling und eine Ingression, was Veränderungen der Zelladhesion und -polarität, ein Remodeling der Basalmembran, Delamination und den Erwerb migratorischer Eigenschaften beinhaltet. Snai1 trägt zur Regulation der epithelialen Adhäsion bei, einschließlich der Repression von Cdh1/E-Cadherin. Eomes ist in mit dem Primitivstreifen assoziierten Progenitoren während der definitiven Endodermspezifikation und der Generierung bestimmter mesodermaler Populationen funktionell aktiv.
Die Gastrulation etabliert alle drei primären Keimblätter. Zellen, die in den Primitivstreifen eintreten, erzeugen mesodermale und definitive endodermale Progenitoren, während Epiblastzellen, die außerhalb des Streifens verbleiben, keine Ingression durchlaufen und überwiegend zum Ektoderm beitragen. Die Primitivstreifenbildung trennt daher Populationen, die eine mesendodermale Spezifikation durchlaufen, räumlich von Epithelzellen, die ihr ektodermales Potenzial behalten; nachfolgende Signalwechselwirkungen strukturieren das neurale und nicht-neurale Ektoderm weiter.
Progenitorschicksal und Gewebemorphogenese
TBXT und EOMES haben unterschiedliche Entwicklungsfunktionen. TBXT wird für die normale Entwicklung des posterioren Mesoderms und die axiale Morphogenese benötigt, während Eomes für die definitive Endodermspezifikation essenziell ist und zu spezifischen mesodermalen Progenitorpopulationen beiträgt. Schicksalskartierung und zeitliche Analysen zeigen, dass Progenitorschicksale während der Passage durch den Streifen in charakteristischen räumlichen und zeitlichen Mustern entstehen, was mit unterschiedlichen Signalreaktionsfähigkeiten, transkriptionellen Zuständen und der Progenitorhistorie vereinbar ist.
In Hühnerembryonen haben Schicksalskartierung, Transplantation, Elektroporation und Lebendzell-Bildgebung die Zellingression und die mediolateralen Umlagerungen aufgelöst. Die Wnt-abhängige planare Zellpolaritätssignalisierung trägt zu orientierten Zellverhaltensweisen, Interkalation und konvergenter Extension bei.
Experimentelle Ansätze
Diese Mechanismen wurden mithilfe von Gen-Disruption, chimären Embryonen, Linienverfolgung (Lineage Tracing), In-situ-Hybridisierung, Immunfärbung, Reporterallelen und quantitativer Lebendzell-Bildgebung untersucht. Einzelzell-RNA-Sequenzierung und räumliche Transkriptomik dehnen diese Analysen auf menschliche und andere Wirbeltierembryonen aus. Mikrostrukturierte menschliche pluripotente Stammzellkolonien und Gastruloids ermöglichen eine kontrollierte Pertubation unter Verwendung von CHIR-99021, XAV939, LDN-193189, WNT3A, BMP4, Activin A und FGF-Liganden. Diese Modelle reproduzieren definierte Aspekte der mit dem Primitivstreifen assoziierten Signalisierung und Keimblattspezifikation, ergänzen jedoch die direkte Analyse der embryonalen Primitivstreifenbildung und Gastrulation, anstatt diese zu ersetzen.