Gastrulatie en vorming van de kiemlagen
Gastrulatie is het fundamentele morfogenetische proces dat de blastula omzet in een gelaagde gastrula door middel van sterk gecoördineerde cellulaire hergroeperingen die het embryonale bouwplan vaststellen en de kiemblaadvorming initiëren. Over metazoën verspreid maakt gastrula gebruik van evolutionair geconserveerde combinaties van morfogenetische bewegingen, waaronder epibolie, invaginatie, involutie, ingresserende bewegingen, delaminatie en, bij veel bilateraal symmetrische dieren, convergente extensie, die embryonale cellen herpositioneren terwijl ze geleidelijk ectoderm, mesoderm en endoderm toewijzen. Hoewel de precieze morfogenetische strategieën tussen soorten variëren, zijn de onderliggende cellulaire en moleculaire principes evolutionair 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 kiembladen wordt bestuurd door wederzijdse interacties tussen morfoogeen-signaleringsroutes, genregulerende netwerken en contextafhankelijk celgedrag. De Nodal-signaleringsroute, een lid van de TGF-β-superfamilie, levert essentiële morfoogeen-afhankelijke positionele informatie die het mesodermale en endodermale lot specificeert door transcriptionele programma's te activeren die de mesendodermale identiteit vaststellen. Tegelijkertijd draagt de Wnt/β-catenine-route bij aan de vorming van de embryonale as en reguleert deze de competentie voor mesodermale en endodermale specificatie door interacties met Nodal-afhankelijke transcriptienetwerken. BMP-signalering, gemoduleerd door organisator-afgeleide antagonisten zoals Chordin en Noggin bij gewervelde dieren, brengt gegradueerde signaleringsomgevingen tot stand die de ektodermale differentiatie en mesodermale patroonvorming reguleren. De FGF-signaleringsroute coördineert de lijnspecificatie met de morfogenese door celmotiliteit, proliferatie en differentiatie te reguleren, terwijl deze intensief samenweekt met Nodal-, Wnt- en BMP-signaleringsnetwerken.
De uitvoering van gastrulatie vereist nauwkeurig gecoördineerd celgedrag. Bij soorten waar gastrulatie gepaard gaat met een epitheliale-mesenchymale transitie (EMT), verminderen epitheelcellen hun apicaal-basale polariteit, hermodelleren ze intercellulaire verbindingen, verwerven ze migrerende eigenschappen en internaliseren ze in het embryo. Deze mesenchymale populaties ondergaan vervolgens gerichte migratie geleid door extracellulaire matrixsignalen, chemotactische signalen en mechanische interacties op weefselniveau, terwijl ze dynamisch gereguleerde adhesieve contacten behouden. Celintercalatie drijft convergente extensie aan, wat resulteert in een mediolaterale weefselvernauwing gekoppeld aan axiale verlenging die bijdraagt aan de vorming van de lichaamsas. Deze gepolariseerde hergroepering wordt voornamelijk gereguleerd via de evolutionair geconserveerde signaleringsroute van de planaire celpolariteit, die de organisatie van het cytoskelet en het gerichte celgedrag binnen het vlak van embryonale weefsels oriënteert.
Het hermodelleren van de extracellulaire matrix biedt een essentieel mechanisch en biochemisch kader voor deze morfogenetische gebeurtenissen. De dynamische regulatie van fibronectinerijke extracellulaire matrices, de organisatie van laminine, integrine-gemedieerde adhesie, de activiteit van matrix-metalloproteïnasen en de matrixsamenstelling remodelleert de weefselarchitectuur, vergemakkelijkt gecoördineerde celmigratie en reguleert krachtoverdracht tijdens grootschalige embryonale hermodellering. Gezamenlijk integreren inductieve signaleringsroutes, transcriptionele genregulerende netwerken, de dynamiek van de extracellulaire matrix en mechanisch gecoördineerd celgedrag om de drie primaire kiembladen te vormen en tegelijkertijd een robuuste embryonale patroonvorming te waarborgen. Deze breed geconserveerde cellulaire en moleculaire principes liggen ten grondslag aan gastrulatie bij gewervelde dieren en vele ongewervelde lijnen en blijven een centraal paradigma vormen voor het begrijpen van vroege embryonale ontwikkeling, lijnspecificatie en weefselmorfogenese.
