Utviklingsbiologi

mini|Visninger av et foster i livmoren, Leonardo da Vinci, cirka 1510-1512. Fosterutviklingen er hovedområde for forskning i utviklingsbiologi.

Utviklingsbiologi er studiet av prosessen der dyr og planter vokser og utvikle seg, deres ontogenese. Utviklingsbiologien omfatter også prosessene ved regenerering, aseksuell reproduksjon og morfogenese. I planter foregår utvikling i embryo under vegetativ reproduksjon, og i normal utvekst av røtter, skudd og blomster. Hos dyr foregår utviklingen hovedsakelig i fosterutviklingen og eventuelt larvestadie, med en mer eller mindre tydelig overgang til voksne individer. Utvikling kan også foregå som regenerering og aseksuell reproduksjon. Vanligvis vil utvikling drives ved vekst og differensiering av stamceller i voksne organismer.

Perspektiver Regional differensiering De viktigste prosessene som styrer fosterutviklingen hos dyr er regional spesifisering, morfogenese, celledifferensiering og cellevekst. Den overordnede kontrollen av disse prosessene foregår gjennom styringen av når prosessene starter og stopper. Selv små forskyvninger av start- og stopptidspunkter kan gi store endringer i den voksne organismen, og er en viktig mekanisme i makroevolusjon. Studier av denne typen kontrollmekanismer kalles evolusjonær utviklingsbiologi.

Den viktigste prosessen som former fosteret er regional differensiering. I den tidlige fosterdannelsen er fosteret en ball eller plate med mer eller mindre like celler. En serie små molekyler kalt cytoplasmatiske determinanter utvikles fra forskjellige sentre i fosteret og påvirker de omkringliggende cellene i forskjellig grad. Både konsentrasjonen av disse stoffene i den enkelte celle og kombinasjonen av stoffer påvirker cellene til å vokse, krympe eller dele seg, slik at mønstrene som danner strukturene i den nye organismen blir skapt.

Morfogenese Dannelsen av formene som utgjør det nye individet kalles morfogenese. De tidlige stadier av regional spesifisering fører ikke til celledifferensiering der cellene utvikler seg til forskjellige celletyper som muskelceller eller blodceller, men grupper av celler blir bestemt til å utvikle seg til en spesifikk del av organismen. Disse delene defineres ved at cellene som uttrykker spesifikke kombinasjoner av transkripsjonsfaktorer.

Morfogenese er relatert til dannelsen av tredimensjonale former. Det innebærer i hovedsak samordnede bevegelser i celleplater og i enkeltceller. Morfogenese er viktig for å skape de tre kimlagene i det tidlige fosteret (disse er ektoderm, mesoderm og endoderm), og for å bygge opp komplekse strukturer under organutvikling.

Styring av cellevekst Celledifferensiering omfatter dannelsen av celletyper med forskjellige funksjoner, slik som nerve-, muskel-, kjertelceller og så videre. Differensierte celler kjennetegnes ved at de inneholder store mengder av enkelte proteiner som er forbundet med cellens funksjon. Den relative størrelsen på de forskjellige delene av fosteret styres av cellevekst. Vekst skjer for det meste gjennom celledeling, men også ved endring av cellestørrelse og avsetning av materiale utenfor selve cellen, slik som beinvev. Kontroll med tidsstyringen av hendelser og integreringen av de forskjellige prosesser med hverandre er den minste forståtte delen av faget. Det er fortsatt uklart om animalske embryoer inneholde en overordnet klokkemekanisme eller ikke.

Utviklingen av planter medfører lignende prosesser som i dyr. Imidlertid er planteceller for det meste immotile slik at morfogenese er oppnådd ved differensiell vekst uten cellebevegelser. Også de induktive signalene og gener som er involvert i planteutvikling er forskjellige fra de som styrer dyrs utvikling.

Utviklingsprosesser Celledifferensiering

mini|The Notch-deltaet system i nevrogenese (Slack Essential Dev Biol Fig 14.12a)

Celledifferensiering er prosessen der forskjellige celletyper med spesifikke funksjoner oppstår under utviklingen, for eksempel er nerveceller, muskelfibre og leverceller. Differensierte celler produserer vanligvis store mengder av enkelte proteiner som er nødvendig for deres spesifikke funksjon. Dette gir cellene deres karakteristiske utseende som gjør dem i stand til å bli gjenkjent under lysmikroskop.

Genene som koder disse proteinene er meget aktive. Vanligvis er deres kromatinstruktur svært åpen, slik at det er lett tilgang for transkripsjon. Spesifikke transkripsjonsfaktorer binder seg til regulatorsekvenser i DNAet for å aktivere transkripsjonen. For eksempel er NeuroD nøkkeltranskripsjonsfaktor for dannelse av nerveceller, myogenin for dannelse av muskler og HNF4 for dannelse av leverceller.

Celledifferensiering er vanligvis den siste fasen av utviklingen og innledes med flere forstadier av differensiering i cellene. Disse forstadiene er ikke alltid synlige. Hver enkelt type vev er dannet av en enkelt type av stamceller, men består av flere differensierte celletyper. Kontroll av deres differensiering innebærer ofte påvirkning mellom celler, der dannelsen av en celletype vil føre til at cellen ved siden av tar på seg en annen rolle.

Regenerering

Regenerering betyr at en ny del av en organisme vokser ut og erstatter en del som har gått tapt. Det best kjente og brukte eksemplet er regenerering av ny hale hos firfisler.Carlson, B.M. (2007) Principles of Regenerative Biology. Academic Press, Burlington MA. Regenerasjon er særlig utbredt blant planter og dyr som viser kontinuerlig vekst, slik som kolonidyr som koraller og sekkdyr. Det er slike evner hos frittlevende dyr som er best studert. Hydra kan regenerere enhver del av polyppen fra et lite fragment og flatormer kan regenerere både hode og hale, og danne to nye individer om de deles i to.

Regenerering av lemmer er godt studert hos hemimetabole insekter og salamandere. Særlig regenerering hos amfibier er mye studert. Siden amfibier er virveldyr som mennesker, er det et vist håp om at kunnskapen også skal kunne ha medisinsk relevans.Slack, J.M.W. (2013) Essential Developmental Biology. Chapter 20. Wiley-Blackwell, Oxford.

Fosterutvikling hos dyr

mini|left|Generalisert ordning med embryonal utvikling. Slack "Essential Developmental Biology" Fig.2.8 mini|De innledende stadier for et menneskelig embryo. Fra zygote til foster Et dyrs utvikling starter i det en sædcelle smelter sammen med egget og danner et befruktet egg, også kalt zygote. Zygoten går gjennom en periode med cellekløyving til det dannes en «ball» eller «plate» av celler som kalles en blastula. Hos dyregrupper med stor eggeplomme og hos de fleste pattedyr dannes det en flat struktur som kalles en blastoderm som nærmest er en blastula klemt ut over overflaten av plommen. Hos pattedyr som mangler plomme dannes likevel en blastoderm utover et tomrom der plommen ville ha vært.

Celledelingene skjer raskt og uten at cellene vokser, slik at blastulaen har omtrent samme masse som egget i utgangspunktet hadde. Bevegelser i cellemassen danner de tre kimlagene. Først gir gastrulasjon opphav til ectoderm (hud) og endoderm (slimhinner). Ytterligere prosesser skaper det tredje laget mesoderm, som hos høyere dyr utgjør mesteparten av den ferdige organismen. Allerede på dette stadiet er prosessene som gir delene av fosteret identitet som spesifikke deler av det ferdige dyret i virksomhet. I tillegg til dannelsen av de tre kimlagene skaper disse prosessene de extraembryoniske strukturene, slik som egghinnen og pattedyrs morkake.Steven, D.H. (ed.) (1975) Comparative Placentation. Academic Press, London

Signalsentere og dannelse av regioner Formingen av fosteret fra en klump med mer eller mindre identiske celler til en begynnelde individ med overside, underside, forende og bakende styres av såkalte cytoplasmatiske determinanter. Den viktigste determinanten er til stede allerede i eggcellen og gjør at fosteret allerede i de tidlige stadiene har en animalsk pol (overside) og en vegetativ pol (underside). Hos radiærsymmetriske dyr som svamper og nesledyr, som bare har en enkel symmetriakse, vil denne determinanten gi dyret dens grunnlegende anatomi. Hos tosidig symmetriske dyr vil det også være nødvendig med determinanter som skaper en lengdeakse (foran-bak) i dyrets kropp.

Fra cellene som inneholder determinanter blir et signaleringssenter som produserer signalstoffer som diffunderer ut i fosteret. Fordi signalstoffene bare produseres ett sted, diffunderer bort og nedbrytes, danner den en gradient med høy konsentrasjon av signalstoffer nær kildecellene og lavere konsentrasjon lenger unna. De andre cellene i fosteret vil regulere forskjellige kontollgener avhengig av konsentrasjonen av signalstoffer. Dette resulterer i en serie med soner med aktivitet i forskjellige kontrollgener, ordnet etter avstand fra signaleringssenteret.

Hvordan signalstoffene virker I hver sone vil en bestemt kombinasjon av gener styrer når videre utvikling skal begynne å virke. Disse genene koder for transkripsjonsfaktorer som styrer hvor ofte de øvrige genene i genomet blir avlest og oversatt til proteiner. En av funksjonene til transkripsjonsfaktorene er å fremme eller undertrykke gener som gir proteiner som binder celler sammen, eller gjør cellene mer mobile i de celler hvor de er aktive. Disse proteinene gir vevet i regionene forskjellige egenskaper.

På grunn av disse forskjellene vil cellene i hver av kimlagene forme fosteret slik at ektoderm ender opp på utsiden, mesoderm i midten, og endoderm på innsiden. Bevegelsene i fosterets cellemasse endrer ikke bare form og struktur av embryoet, men ved å bringe cellegrupper til nye steder i fosteret med andre konsentrasjoner av signalstoffer skaper de nye kombinasjoner og nye og responser hos cellene.

Genetisk kontroll i forskjellige dyregrupper Menneskets utvikling i embryoer er for det meste selvstyrt.O'Farrell, P. H. (2003). How metazoans reach their full size: the natural history of bigness. In Cell Growth: Control of Cell Size, (ed. M. N. Hall, Raff, M., and Thomas, G. (eds)), pp. 1-21: Cold Spring Harbor Laboratory Press For hvert område av celler styres veksthastigheten ved en kombinasjon av gener som er aktive. Frittlevende embryoer vokser ikke i masse siden de ikke har ekstern matforsyning. Men embryoer matet av en morkake eller extraembryotisk forsyningen fra en plomme kan vokse veldig fort, og endringer i relativ vekst mellom deler i disse organismene bidra til å gi den endelige samlede anatomien. Hele prosessen må koordineres i tid og hvordan dette styres er ikke fullt ut forstått. Det kan være en overordnet «klokke-mekanisme» som er i stand til å kommunisere med alle deler av embryo som styrer hendelsesforløpet, eller tidsstyringen kan avhenge bare på lokale årsakssekvenser av hendelser.

Metamorfose

Utviklingsprosesser er svært tydelig i prosessen med metamorfose. Dette skjer i forskjellige typer dyr. Velkjent eksempel er frosk, som vanligvis klekkes som et rumpetroll og som via strukturendringer utvikles til en voksen frosk. Et annet eksempel er holometabole insekter som klekkes som larver og deretter bli omdannet til sin voksne form i et puppestadium. Alle de utviklingsprosesser som er nevnt ovenfor oppstår i metamorfose. Eksempler som er spesielt godt studert inkluderer tap av hale og andre endringer i rumpetroll hos frosken Xenopus. og de små cellegruppene som danner voksen kroppsdeler som bein og vinger hos fluen Drosophila melanogaster.Cohen, S.M. (1993) Imaginal Disc Development. In Bate and Martinez-Arias (eds.), The Development of Drosophila melanogaster, Cold Spring Harbor Press

Plantevekst