Gastrulatie en vorming van de kiemlagen
Gastrulatie is het fundamentele morfogenetische proces dat de blastula omvormt tot een meerlagige gastrula door middel van hooggegroeide, gecoördineerde cellulaire herschikkingen die het embryonale lichaamsplan vaststellen en de vorming van de kiemlagen initiëren. Gastrulatie maakt gebruik van combinaties van morfogenetische bewegingen, waaronder epibolie, invaginatie, involutie, ingressie, delaminatie en, bij veel bilateriae, convergente extensie, die embryonale cellen herpositioneren terwijl ze achtereenvolgens het ectoderm, mesoderm en endoderm toewijzen. Hoewel de exacte morfogenetische strategieën per soort verschillen, zijn de onderliggende cellulaire en moleculaire principes geconserveerd en afhankelijk van de integratie van inductieve signalering, genregulerende netwerken, dynamisch celgedrag en weefselmechanica.
Huidige modellen van gastrulatie tonen aan dat de toewijzing van kiemlagen wordt gestuurd door wederzijdse interacties tussen morfogeen-signalering, genregulerende netwerken en contextafhankelijk celgedrag. De Nodal-signaleringsweg, een lid van de TGF-β-superfamilie, levert essentiële morfogeen-afhankelijke positionele informatie die mesodermale en endodermale loten specifiesseert door transcriptionele programma's te activeren die de mesendodermale identiteit vaststellen. Tegelijkertijd draagt de Wnt/β-catenine-weg bij aan de vorming van de embryonale as en reguleert deze de competentie voor mesodermale en endodermale specificatie via interacties met Nodal-afhankelijke transcriptionele netwerken. BMP-signalering, gemoduleerd door uit de organisator afkomstige antagonisten, waaronder Chordin en Noggin bij gewervelden, stelt gegradueerde signaalomgevingen vast die ectodermale differentiatie en mesodermale patroonvorming reguleren. FGF-signalering coördineert linienspecificatie met morfogenese door celmotiliteit, proliferatie en differentiatie te reguleren en tegelijkertijd intensief samen te werken met Nodal-, Wnt- en BMP-signaleringsnetwerken.
De uitvoering van gastrulatie vereist precies gecoördineerd celgedrag. Bij soorten waarbij gastrulatie gepaard gaat met een epitheliale-mesenchymale overgang (EMT), verminderen epitheelcellen de apico-basale polariteit, remodelleren ze intercellulaire verbindingen, verwerven ze migrerende eigenschappen en internaliseren ze in het embryo. Deze mesenchymale populaties ondergaan vervolgens gerichte migratie onder geleiding van signalen uit de extracellulaire matrix, chemotactische signalen en mechanische interacties op weefselniveau, terwijl ze dynamisch gereguleerde adhesieve contacten handhaven. Celintercalatie drijft convergente extensie aan, wat resulteert in mediolaterale weefselvernauwing gekoppeld aan axiale verlenging die bijdraagt aan de vorming van de lichaamsas. Deze gepolariseerde herschikking wordt voornamelijk gereguleerd via de evolutionair geconserveerde signaleringsweg voor planair celpolariteit, die de cytoskeletorganisatie en directioneel celgedrag oriënteert binnen het vlak van embryonale weefsels.
Het hermodelleren van de extracellulaire matrix biedt een essentieel mechanisch en biochemisch kader voor deze morfogenetische gebeurtenissen. Dynamische regulatie van fibronectinerijke extracellulaire matrices, laminine-organisatie, integrine-gemedieerde adhesie, matrix-metalloproteïnase-activiteit en matrixsamenstelling remodelleert de weefselarchitectuur, vergemakkelijkt gecoördineerde celmigratie en reguleert krachtoverdracht tijdens grootschalige embryonale hermodellering. Gezamenlijk integreren inductieve signaleringswegen, transcriptionele genregulerende netwerken, de dynamiek van de extracellulaire matrix en mechanisch gecoördineerd celgedrag om de drie primaire kiemlagen vast te stellen en tegelijkertijd een robuuste embryonale patroonvorming te waarborgen. Deze breed geconserveerde cellulaire en moleculaire principes liggen ten grondslag aan gastrulatie bij gewervelden en vele ongewervelde afstammingslijnen en blijven een centraal paradigma vormen voor het begrijpen van vroege embryonale ontwikkeling, linienspecificatie en weefselmorfogenese.
