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 avviano la formazione dei foglietti embrionali. La gastrula impiega combinazioni di movimenti morfogenetici, tra cui epibolia, invaginazione, involuzione, ingressione, delaminazione e, in molti bilaterateri, estensione convergente, che riposizionano le cellule embrionali mentre allocano progressivamente ectoderma, mesoderma ed endoderma. Sebbene le strategie morfogenetiche precise varino tra le specie, i principi cellulari e molecolari sottostanti sono conservati e dipendono dall'integrazione di segnalazione induttiva, reti di regolazione genica, 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 di regolazione genica e comportamenti cellulari dipendenti dal contesto. La via di segnalazione di Nodal, un membro della superfamiglia del 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-cateninica 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 di BMP, modulata da antagonisti derivati dall'organizzatore tra cui Chordin e Noggin nei vertebrati, stabilisce ambienti di segnalazione graduali che regolano la differenziazione ectodermica e la strutturazione mesodermica. La segnalazione di FGF coordina la specificazione del lignaggio con la morfogenesi regolando la motilità cellulare, la proliferazione e la differenziazione, cooperando ampiamente con le reti di segnalazione di Nodal, Wnt e BMP.
L'esecuzione della gastrulation richiede comportamenti cellulari precisamente coordinati. Nelle specie in cui la gastrulazione prevede la transizione epitelio-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 extracelulare, segnali chemiotattici e interazioni meccaniche a livello tissutale, mantenendo contatti adesivi dinamicamente regolati. 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 extracelulare 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, le vie di segnalazione induttiva, le reti di regolazione genica trascrizionale, la dinamica della matrice extracelulare e i 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 in tutti i vertebrati e in molte linee di invertebrati e continuano a fornire un paradigma centrale per comprendere lo sviluppo embrionale precoce, la specificazione del lignaggio e la morfogenesi tissutale.
