1. De primitieve streep en gastrulatie
Menselijke Gastrulatie en Experimentele Modellen
Directe analyse van humane embryo's heeft transcriptioneel distincte celpopulaties geïdentificeerd die geassocieerd zijn met de primitieve streep en de vroege kiemlaagvorming, waaronder cellen die TBXT (Brachyury), EOMES en andere mesendodermale regulatoren tot expressie brengen. Deze gegevens leveren bewijs voor de ruimtelijke en transcriptionele organisatie van vroege humane gastrulatie, hoewel de markerexpressie en de afstammingsrelaties stadiumafhankelijk zijn. Omdat experimentele toegang tot humane embryo's causale genetische manipulatie beperkt, zijn veel moleculaire en cellulaire mechanismen van primitivestreepvorming, epitheliale-naar-mesenchymale overgang (EMT), ingressie, kiemlaagspecificatie en weefselmorfogenese voornamelijk gedefinieerd in muizen- en kippenembryo's.
Signaleringsnetwerken die de Primitieve Streep Vormen
Bij de muis zijn de patroonvorming van de posterieure embryonale as en de vorming van de primitieve streep afhankelijk van gecoördineerde Nodal-, Wnt-, BMP- en FGF-signalering, met verschillende functies voor elke route. Wnt3 is essentieel voor de vorming van de primitieve streep, terwijl canonieke Wnt-signalering via CTNNB1/β-catenine en TCF/LEF-afhankelijke transcriptie de genexpressie reguleert die geassocieerd is met de primitieve streep. Nodal-signalering is vereist voor de patroonvorming van de posterieure epiblast en mesodermspecificatie. Nodal wordt gesynthetiseerd als een precursor en ondergaat proteolytische activering waarbij Furin en PACE4 betrokken zijn; de activiteit ervan wordt verder gereguleerd door antagonisten waaronder Lefty1 en Lefty2.
Extra-embryonale weefsels dragen bij aan de ruimtelijke patroonvorming. Het anterieure viscerale endoderm tot expressie brengende antagonisten waaronder Cer1 en Dkk1, beperkt posteriooriserende activiteiten uit anterieure embryonale regio's. BMP4 uit het extra-embryonale ectoderm neemt deel aan het regulerende netwerk dat de posterieure epiblastsignalering en streepvorming aanstuurt. FGF-signalering draagt bij aan EMT, celmigratie en mesodermmorfogenese.
EMT, Ingressie en Kiemlaagvorming
Ter hoogte van de primitieve streep ondergaan epiblastcellen epitheliale hermodellering en ingressie, gepaard gaande met veranderingen in celadhesie en -polariteit, basale-membraanremodellering, delaminatie en de verwerving van migrerende eigenschappen. Snai1 draagt bij aan de regulatie van epitheliale adhesie, waaronder de onderdrukking van Cdh1/E-cadherine. Eomes is functioneel in aan de primitieve streep gerelateerde progenitoren tijdens definitieve endodermspecificatie en de generatie van specifieke mesodermale populaties.
Gastrulatie brengt alle drie de primaire kiemlagen tot stand. Cellen die de primitieve streep binnentreden genereren mesodermale en definitieve endodermale progenitoren, terwijl epiblastcellen die buiten de streep achterblijven geen ingressie ondergaan en overwegend bijdragen aan het ectoderm. De vorming van de primitieve streep scheidt zodoende ruimtelijk populaties die mesendodermale specificatie ondergaan af van epitheliale cellen die hun ectodermale potentieel behouden; daaropvolgende signaleringsinteracties zorgen voor verdere patroonvorming van het neurale en niet-neurale ectoderm.
Progenitorlot en Weefselmorfogenese
TBXT en EOMES hebben verschillende ontwikkelingsfuncties. TBXT is vereist voor normale posterieure mesodermontwikkeling en axiale morfogenese, terwijl Eomes essentieel is voor definitieve endodermspecificatie en bijdraagt aan specifieke mesodermale progenitorpopulaties. Lotsmapping en temporele analyses tonen aan dat progenitorloten ontstaan in karakteristieke ruimtelijke en temporele patronen tijdens de doorgang door de streep, consistent met differentiële signaleringsgevoeligheid, transcriptionele toestanden en de geschiedenis van de progenitor.
In kippenembryo's hebben lotsmapping, transplantatie, electroporatie en live-cell imaging cellulaire ingressie en mediolaterale herschikkingen opgehelderd. Wnt-afhankelijke planair-celpolariteitssignalering draagt bij aan georiënteerd celgedrag, intercalatie en convergente extensie.
Experimentele Benaderingen
Deze mechanismen zijn onderzocht met behulp van gen-disruptie, chimère embryo's, afstammingsregistratie (lineage tracing), in-situ-hybridisatie, immunokleuring, reporterallelen en kwantitatieve live-cell imaging. Enkelcellige RNA-sequencing en ruimtelijke transcriptomica breiden deze analyses uit naar humane en andere gewervelde embryo's. Gepatroneerde humane pluripotente stamcelkoloniën en gastruloïden maken gecontroleerde perturbatie mogelijk met behulp van CHIR-99021, XAV939, LDN-193189, WNT3A, BMP4, Activin A en FGF-liganden. Deze modellen reproduceren gedefinieerde aspecten van aan de primitieve streep gerelateerde signalering en kiemlaagspecificatie, maar vormen een aanvulling op, in plaats van een vervanging van, de directe analyse van embryonale primitivestreepvorming en gastrulatie.