Gastrulazione e formazione dei foglietti embrionali
La gastrulazione è il processo morfogenetico fondamentale che trasforma la blastula in una gastrula multistrato attraverso riarrangiamenti cellulari altamente coordinati che stabiliscono il piano corporeo embrionale e iniziano la formazione dei foglietti embrionali. In tutti i metazoi, la gastrulazione impiega combinazioni evolutivamente conservate di movimenti morfogenetici, tra cui epibolia, invaginazione, involuzione, immigrazione, delaminazione e, in molti bilateri, estensione convergente, che riposizionano le cellule embrionali allocando progressivamente ectoderma, mesoderma ed endoderma. Sebbene le precise strategie morfogenetiche varino tra le specie, i principi cellulari e molecolari sottostanti sono evolutivamente conservati e dipendono dall'integrazione di segnalazione induttiva, reti regolatorie geniche, comportamenti cellulari dinamici e meccanica tissutale.
I modelli attuali di gastrulazione dimostrano che l'allocazione dei foglietti embrionali è governata da interazioni reciproche tra segnalazione di morfogeni, reti regolatorie geniche e comportamenti cellulari dipendenti dal contesto. La via di segnalazione Nodal, un membro della superfamiglia TGF-β, fornisce informazioni posizionali essenziali dipendenti dai morfogeni che specificano i destini mesodermici ed endodermici attivando programmi trascrizionali che stabiliscono l'identità mesendodermica. Contemporaneamente, la via Wnt/β-catenin contribuisce alla formazione dell'asse embrionale e regola la competenza per la specificazione mesodermica ed endodermica attraverso interazioni con reti trascrizionali dipendenti da Nodal. La segnalazione BMP, modulata da antagonisti derivati dall'organizzatore tra cui Chordin e Noggin nei vertebrati, stabilisce ambienti di segnalazione graduati che regolano la differenziazione ectodermica e la strutturazione mesodermica. La segnalazione FGF coordina la specificazione del lignaggio con la morfogenesi regolando la motilità cellulare, la proliferazione e la differenziazione, cooperando al contempo ampiamente con le reti di segnalazione Nodal, Wnt e BMP.
L'esecuzione della gastrulazione richiede comportamenti cellulari precisamente coordinati. Nelle specie in cui la gastrulazione prevede una transizione epiteliale-mesenchimale (EMT), le cellule epiteliali riducono la polarità apico-basale, rimodellano le giunzioni intercellulari, acquisiscono proprietà migratorie e si internalizzano nell'embrione. Queste popolazioni mesenchimali subiscono successivamente una migrazione diretta guidata da segnali della matrice extracellulare, segnali chemiotattici e interazioni meccaniche a livello tissutale, mantenendo contatti adesivi regolati dinamicamente. L'intercalazione cellulare guida l'estensione convergente, producendo un restringimento tissutale mediolaterale accoppiato a un allungamento assiale che contribuisce alla formazione dell'asse corporeo. Questo riarrangiamento polarizzato è regolato prevalentemente attraverso la via di segnalazione della polarità cellulare planare, evolutivamente conservata, che orienta l'organizzazione del citoscheletro e i comportamenti cellulari direzionali all'interno del piano dei tessuti embrionali.
Il rimodellamento della matrice extracellulare fornisce un quadro meccanico e biochimico essenziale per questi eventi morfogenetici. La regolazione dinamica di matrici extracellulari ricche di fibronectina, l'organizzazione della laminina, l'adesione mediata da integrine, l'attività delle metalloproteinasi di matrice e la composizione della matrice rimodellano l'architettura tissutale, facilitano la migrazione cellulare coordinata e regolano la trasmissione della forza durante il rimodellamento embrionale su larga scala. Nel complesso, vie di segnalazione induttive, reti regolatorie geniche trascrizionali, dinamica della matrice extracellulare e comportamenti cellulari meccanicamente coordinati si integrano per stabilire i tre foglietti embrionali primari, garantendo al contempo una robusta strutturazione embrionale. Questi principi cellulari e molecolari ampiamente conservati sono alla base della gastrulazione nei vertebrati e in molti lignaggi di invertebrati e continuano a fornire un paradigma centrale per la comprensione dello sviluppo embrionale precoce, della specificazione del lignaggio e della morfogenesi tissutale.
