1. La striscia primitiva e la gastrulazione
Gastrulazione umana e modelli sperimentali
L'analisi diretta degli embrioni umani ha identificato popolazioni trascrizionalmente distinte associate alla linea primitiva e alla formazione precoce dei foglietti embrionali, comprese le cellule che esprimono TBXT (Brachyury), EOMES e altri regolatori mesendodermici. Questi dati forniscono prove dell'organizzazione spaziale e trascrizionale della gastrulazione umana precoce, sebbene l'espressione dei marker e le relazioni di lignaggio siano dipendenti dallo stadio. Poiché l'accesso sperimentale agli embrioni umani limita la manipolazione genetica causale, molti meccanismi molecolari e cellulari della formazione della linea primitiva, della transizione epitelio-mesenchimale (EMT), dell'ingressione, della specificazione dei foglietti embrionali e della morfogenesi tissutale sono stati definiti principalmente in embrioni di topo e di pollo.
Reti di segnalazione che stabiliscono la linea primitiva
Nel topo, la strutturazione dell'asse embrionale posteriore e la formazione della linea primitiva dipendono da una segnalazione coordinata di Nodal, Wnt, BMP e FGF, con funzioni distinte per ciascuna via. Wnt3 è essenziale per la formazione della linea primitiva, mentre la segnalazione canonica di Wnt attraverso CTNNB1/β-catenina e la trascrizione dipendente da TCF/LEF regola l'espressione genica associata alla linea primitiva. La segnalazione di Nodal è richiesta per la strutturazione dell'epiblasto posteriore e la specificazione del mesendoderma. Nodal viene sintetizzato come precursore e subisce un'attivazione proteolitica che coinvolge Furin e PACE4; la sua attività è ulteriormente regolata da antagonisti tra cui Lefty1 e Lefty2.
I tessuti extraembrionali contribuiscono alla strutturazione spaziale. L'endoderma viscerale anteriore esprime antagonisti tra cui Cer1 e Dkk1, limitando le attività posteriorizzanti dalle regioni embrionali anteriori. BMP4 proveniente dall'ectoderma extraembrionale partecipa alla rete regolatrice che controlla la segnalazione dell'epiblasto posteriore e la formazione della linea. La segnalazione di FGF contribuisce all'EMT, alla migrazione cellulare e alla morfogenesi del mesoderma.
EMT, ingressione e formazione dei foglietti embrionali
In corrispondenza della linea primitiva, le cellule dell'epiblasto subiscono un rimodellamento epiteliale e un'ingressione, che comportano cambiamenti nell'adesione e nella polarità cellulare, il rimodellamento della membrana basale, la delaminazione e l'acquisizione di proprietà migratorie. Snai1 contribuisce alla regolazione dell'adesione epiteliale, compresa la repressione di Cdh1/E-caderina. Eomes funziona nei progenitori associati alla linea primitiva durante la specificazione dell'endoderma definitivo e la generazione di particolari popolazioni mesodermiche.
La gastrulazione stabilisce tutti e tre i foglietti embrionali primari. Le cellule che entrano nella linea primitiva generano progenitori mesodermici ed endodermici definitivi, mentre le cellule dell'epiblasto che rimangono al di fuori della linea non subiscono l'ingressione e contribuiscono prevalentemente all'ectoderma. La formazione della linea primitiva separa quindi spazialmente le popolazioni che subiscono la specificazione mesendodermica dalle cellule epiteliali che mantengono il potenziale ectodermico; le successive interazioni di segnalazione strutturano ulteriormente l'ectoderma neurale e non neurale.
Destino dei progenitori e morfogenesi tissutale
TBXT e EOMES hanno funzioni di sviluppo distinte. TBXT è richiesto per il normale sviluppo del mesoderma posteriore e la morfogenesi assiale, mentre Eomes è essenziale per la specificazione dell'endoderma definitivo e contribuisce a specifiche popolazioni di progenitori mesodermici. La mappatura dei fati e le analisi temporali mostrano che i fati dei progenitori emergono in pattern spaziali e temporali caratteristici durante il passaggio attraverso la linea, coerentemente con la responsività differenziale alla segnalazione, gli stati trascrizionali e la storia dei progenitori.
Negli embrioni di pollo, la mappatura dei fati, gli innesti, l'elettroporazione e l'imaging in vivo hanno risolto l'ingressione cellulare e i riarrangiamenti mediolaterali. La segnalazione della polarità cellulare planare dipendente da Wnt contribuisce ai comportamenti cellulari orientati, all'intercalazione e all'estensione convergente.
Approcci sperimentali
Questi meccanismi sono stati indagati utilizzando la disruzione genica, embrioni chimerici, tracciamento del lignaggio, ibridazione in situ, immunocolorazione, alleli reporter e imaging in vivo quantitativo. La sequenziamento dell'RNA a singola cellula e la transcriptomica spaziale estendono queste analisi agli embrioni umani e di altri vertebrati. Colonie di cellule staminali pluripotenti umane micropatternate e gastruloidi consentono una perturbazione controllata mediante l'uso di CHIR-99021, XAV939, LDN-193189, WNT3A, BMP4, Activin A e ligandi FGF. Questi modelli riproducono aspetti definiti della segnalazione associata alla linea primitiva e della specificazione dei foglietti embrionali, ma completano anziché sostituire l'analisi diretta della formazione della linea primitiva e della gastrulatione embrionaria.