Кіріспе

Морфоген – біркелкі емес таралу арқылы дамуды бағыттайтын биологиялық зат. Морфогенез немесе үлгі қалыптастыру процесінде тіндік дамудың үлгісін анықтайтын, даму биологиясының негізгі процестерінің бірі – тіндер ішіндегі әртүрлі мамандандырылған жасуша түрлерінің орналасуын белгілейді. Нақтырақ айтқанда, морфоген – бұл жасушаларға тікелей әсер етіп, жергілікті концентрациясына байланысты нақты жасушалық жауаптар тудыратын сигналдық молекула. Әдетте, морфогендер бастапқы жасушалармен өндіріледі және ерте даму кезінде эмбриондағы айналасындағы тіндерге таралып, концентрациялық градиенттер құрайды. Бұл градиенттер ерекшеленбеген дің жасушаларының әртүрлі жасуша түрлеріне дифференциациялану процесін қозғайды, нәтижесінде организмнің барлық тіндері мен мүшелері қалыптасады. Морфогенезді бақылау – эволюциялық даму биологиясының (evo devo) маңызды құралы болып табылады.

Тарих

Терминді Алан Тьюринг "Морфогенездің химиялық негізі" атты мақаласында енгізген, онда ол мұндай үлгілердің қалыптасуы дәлелденбегенге дейін ондаған жылдар бұрын биологиялық үлгілердің қалыптасуының химиялық механизмін болжаған. Морфоген түсінігінің даму биологиясындағы тарихы ұзақ, ол 20-ғасырдың басындағы пионер Drosophila (жеміс шыбығы) генетигі Томас Хант Морганның жұмысына дейін жетеді. Льюис Вольперт 1960 жылдары француз туы моделімен морфоген түсінігін жетілдірді, ол морфогеннің тінді әртүрлі мақсатты гендік экспрессия аймақтарына (француз туының түстеріне сәйкес) қалай бөлетінін сипаттайды. Бұл модельді жетекші Drosophila биологы Питер Лоуренс қолдады. Кристиан Нюсслейн-Вольхард морфогенді – Бикоидті, Drosophila-ның синцитиальды эмбрионындағы градиентте кездесетін транскрипциялық фактордың бірін – бірінші болып анықтады. Ол 1995 жылы жалпы жеміс шыбығының морфогенетикалық эмбриологиясын түсіндіргені үшін физиология және медицина саласындағы Нобель сыйлығымен марапатталды. Гари Струл және Стивен Коэн басқаратын топтар кейіннен секрецияланатын сигналдық ақуыз – декапентаплегияның (өсу факторы бетаның Drosophila гомологы) Drosophila дамуының кейінгі кезеңдерінде морфоген ретінде әрекет ететінін көрсетті.

Механизм

Ерте даму кезінде морфогендік градиенттер нақты кеңістіктік тәртіппен белгілі бір жасуша түрлерінің дифференциациялануына себеп болады. Морфоген концентрация градиентін қалыптастыру арқылы, әртүрлі мақсатты гендердің экспрессиясын әртүрлі концентрация шегінде индукциялау немесе сақтау арқылы жасушалар өрісін бөлетін кеңістіктік ақпаратты қамтамасыз етеді. Осылайша, морфоген көзінен алыс жасушалар морфогеннің төмен деңгейін қабылдайды және тек төменгі шекті мақсатты гендерді ғана экспресс етеді. Керісінше, морфоген көзіне жақын жасушалар морфогеннің жоғары деңгейін қабылдайды және төменгі де, жоғары да шекті мақсатты гендерді экспресс етеді. Нақты жасуша түрлері мақсатты гендердің экспрессиясының әртүрлі комбинациясы нәтижесінде пайда болады. Осылайша, жасушалар өрісі морфоген көзіне қатысты олардың орналасуына сәйкес әртүрлі типтерге бөлінеді. Бұл модель жануарлардың эмбрионалды дамуында жасуша түрлерінің әртүрлілігін қалыптастырудың жалпы механизмі деп есептеледі. Ең ерте және ең жақсы зерттелген морфогендердің кейбіреулері ерте Drosophila melanogaster (жеміс шыбыны) эмбриондарында таралатын транскрипция факторлары болып табылады. Дегенмен, көптеген морфогендер жасушалар арасында сигнал беретін секрецияланатын ақуыздар болып табылады.

Гендер мен сигналдар

Морфоген жергілікті көзден таралып, дамушы тіндерде концентрация градиентін қалыптастырады. Даму биологиясында "морфоген" термині морфоген концентрациясына байланысты нақты жасушалық жауаптар тудыру үшін жасушаларға тікелей әсер ететін (тізбектей индукция арқылы емес) сигналдық молекуланы білдіреді. Бұл анықтама нақты химиялық формулаға емес, механизмге қатысты, сондықтан ретино қышқылы (ретинолдың белсенді метаболиті немесе А витамині) сияқты қарапайым қосылыстар да морфогендер ретінде әрекет ете алады. Француз туы үлгісінде көрсетілген тіндерде градиент құрумен байланысты нақты мәселелер және кейінгі зерттеулер Drosophila эмбрионының морфогендік градиенті қарапайым градиент модельдегідей емес, күрделірек екенін көрсеткендіктен бұл модель әлемдік деңгейде толығымен қабылданбаған.

Мысалдар

Ұсынылған сүтқоректілер морфогендері ретино қышқылы, соник едік (SHH), трансформациялық өсу факторы бета (TGF β)/сүйек морфогенді ақуызы (BMP) және Wnt/бета-катенинді қамтиды. Дрозофиладағы морфогендерге декапентаплагикалық және едік жатады. Ретино қышқылы ретино қышқылы рецепторларына байланысады, олар Хокс гендерінің экспрессиясын реттеу үшін транскрипция факторлары ретінде әрекет етеді. Эмбриондардың экзогенді ретиноидтарға, әсіресе бірінші триместрде, ұшырауы туа біткен ақауларға әкеледі. Бұл механизм жасушаланған жүйелерде морфогенезге үлкен үлес қоспайды деп саналады. Адам эмбриондары немесе кейінгі дрозофила дамуы сияқты көптеген даму жүйелерінде синцитиялар сирек кездеседі (мысалы, қаңқа бұлшық еттерінде), ал морфогендер әдетте секрецияланатын сигналдық ақуыздар болып табылады. Бұл ақуыздар трансмембраналық рецептор ақуыздарының жасушадан тыс домендеріне байланысады, олар морфоген деңгейін ядроға жеткізу үшін сигналды трансляцияның күрделі процесін пайдаланады. Сигналды трансляция жолдарының ядролық мақсаттары әдетте транскрипция факторлары болып табылады, олардың белсенділігі жасуша бетінде алынған морфоген деңгейін көрсететіндей реттеледі. Осылайша, секрецияланатын морфогендер транскрипция факторларының белсенділігінің градиенттерін жасайды, дәл осылайша дрозофила эмбрионында жаралғандай. Нақты мақсатты гендер морфогендік белсенділіктің әртүрлі шегіне жауап береді. Мақсатты гендердің экспрессиясы ДНК сегменттерімен басқарылады, оларды «күштілендіргіштер» деп атайды, оларға транскрипция факторлары тікелей байланысады. Байланысқаннан кейін транскрипция факторы геннің транскрипциясын ынталандырады немесе тежейді, осылайша ген өнімінің (әдетте ақуыздың) экспрессия деңгейін басқарады. «Төмен шегі» бар мақсатты гендерге реттелу үшін тек морфогендік белсенділіктің төмен деңгейі ғана қажет, және олар транскрипция факторы үшін көптеген жоғары туыстық байланыс орындарын қамтитын күштілендіргіштерді қамтиды. «Жоғары шегі» бар мақсатты гендерде салыстырмалы түрде аз байланыс орындары немесе транскрипция факторының белсенділігін реттеу үшін әлдеқайда жоғары деңгейлерді қажет ететін төмен туыстық байланыс орындары бар. Морфогендік модельдің жұмыс істеу механизмі, градиентті құру және сақтау мүмкіндігі болғанда, тіндердің әртүрлі жасуша түрлерінің үлгілеріне бөлінуін түсіндіре алады. Алайда, морфогендік модель көбінесе ұлпаның өсуін бақылау немесе оның ішіндегі жасушалардың полярлығын бағдарлау сияқты қосымша функциялар үшін де қолданылады (мысалы, қолдың алдындағы шаштар бір бағытта өседі), бұл модельмен түсіндірілмейді.

Эпонимдер

Морфогендердің жануарлардың дамуы барысында атқаратын ұйымдастырушылық рөлі 2014 жылы жаңа қоңыз туысына, Морфогеняға, ат қойылғанда мойындалды. Типтік түрі, Morphogenia struhli, американдық даму биологы Гари Струлдың құрметіне аталған, ол Drosophila дамуы кезінде морфогендер қызметін атқаратын белоктарды кодтайтын декапентаплагиялық және қанатсыз гендердің рөлін анықтауда маңызды үлес қосты.