Кіріспе
Биологиялық процесс, организмнің пішінін қалыптастыратын биологиялық процесс. Морфогенез (грекше morphê – пішін және genesis – жаратылыс, сөзбе-сөз "форманың пайда болуы") – бұл жасушаның, тіндердің немесе организмнің пішінін дамытуға жауапты биологиялық процесс. Ол даму биологиясының үш негізгі аспектісінің бірі болып табылады: тіндердің өсуін бақылау және жасушалық дифференциацияның үлгісін қалыптастыру. Бұл процесс организмнің эмбрионалды даму кезінде жасушалардың кеңістікте ұйымдасқан таралуын реттейді. Морфогенез ересек организмде де жүзеге асуы мүмкін, мысалы, тіндерді күтіп ұстау кезінде немесе зақымдалған тіндердің жаңаруында. Қатерлі ісік – бұл патологиялық және өте бұрмаланған тіндердің морфогенезінің мысалы. Морфогенез өмірлік циклында эмбрионалдық сатысы жоқ бір жасушалы ағзалардың дамуын да сипаттайды. Морфогенез жаңа формалардың эволюциясы үшін маңызды. Морфогенез – жасушалардың механикалық кернеуін, деформациясын және қозғалысын тудыратын күштерді қамтитын механикалық процесс, және ол тіндер ішіндегі жасушалардың кеңістіктік үлгісіне сәйкес генетикалық бағдарламалармен шақырылуы мүмкін. Аномальды морфогенез дисморфогенез деп аталады.
the biological process
Morphogenesis (from the Greek morphê shape and genesis creation, literally "the generation of form") is the biological process that causes a cell, tissue or organism to develop its shape. It is one of three fundamental aspects of developmental biology along with the control of tissue growth and patterning of cellular differentiation. The process controls the organized spatial distribution of cells during the embryonic development of an organism. Morphogenesis can take place also in a mature organism, such as in the normal maintenance of tissue by stem cells or in regeneration of tissues after damage. Cancer is an example of highly abnormal and pathological tissue morphogenesis. Morphogenesis also describes the development of unicellular life forms that do not have an embryonic stage in their life cycle. Morphogenesis is essential for the evolution of new forms. Morphogenesis is a mechanical process involving forces that generate mechanical stress, strain, and movement of cells, and can be induced by genetic programs according to the spatial patterning of cells within tissues. Abnormal morphogenesis is called dysmorphogenesis.
Тарих
Физикалық процестер мен шектеулер биологиялық өсуге қалай әсер ететіндігі туралы алғашқы идеялар мен математикалық сипаттамалардың кейбіреулерін, сондықтан филотаксистің спиральдары сияқты табиғи үлгілерді Д'Арси Вентворт Томпсон өзінің 1917 жылғы "Өсу және форма туралы" кітабында жазды. Томпсонның кітабы жиі келтіріледі. 349 беттен тұратын қысқартылған нұсқасы әлі де басылып шығарылған және оны оңай алуға болады. Сонымен қатар 1116 беттен тұратын толық нұсқасы жарияланды. және Алан Тьюрингтің " Морфогенездің химиялық негізі " (1952) еңбегінде . Томпсон жануарлардың дене пішіндерін әртүрлі бағыттағы өсудің әртүрлі жылдамдықтарымен жасалатынын түсіндірген, мысалы, шаянның спиральді қабығын жасау үшін, Тьюринг морфогенез механизмін, екі түрлі химиялық сигналдардың диффузиясын, бірі белсендіретін, екіншісі өсіп-өнуді сөндіретін, мұндай үлгілердің қалыптасуы байқалғанға дейін онжылдықтар бұрын даму үлгілерін құру үшін дұрыс болжаған. Нақты организмдердегі механизмдерді толық түсіну үшін 1953 жылы ДНҚ құрылымын ашу, молекулалық биология мен биохимияны дамыту қажет болды.
Генетикалық және молекулалық негіз
Морфогенезде молекулалардың бірнеше түрі маңызды. Морфогендер - концентрация градиенттері арқылы жасушалардың дифференциациясын бақылайтын сигналдарды таратып, тасымалдауға қабілетті ерімелі молекулалар. Морфогендер әдетте белгілі бір белок рецепторларына байланысу арқылы әрекет етеді. Морфогенезге қатысатын молекулалардың маңызды бір класы - ДНК-мен өзара әрекеттесу арқылы жасушалардың тағдырын анықтайтын транскрипция факторлары ақуыздары. Бұларды бас реттеуші гендер кодтай алады және басқа гендердің транскрипциясын белсендіру немесе өшіру мүмкін; өз кезегінде, бұл екінші ген өнімдері гендік реттеуші желілердің реттеуші каскадындағы басқа гендердің экспрессиясын реттей алады. Бұл каскадтың соңында жасушалардың көшіп-қонуы сияқты жасушалық мінез-құлықтарды немесе жалпы алғанда, олардың жасушалардың жабысуы немесе жасушалардың жиырылуы сияқты қасиеттерін басқаратын молекулалар кластары болады. Мысалы, гаструляция кезінде дің жасушаларының үйірмелерi өз жасушаларын жасушалардың жабысуына ауыстырады, көшіп-қонып жүреді және ұрық ішінде жаңа орындар алады, онда олар қайтадан белгілі бір жасушалардың жабысу ақуыздарын белсендіреді және жаңа тіндер мен органдарды құрайды. Морфогенезге қатысы бар даму сигналдарының жолдарына Wnt, Hedgehog және ephrins жатады.
Ұяшық негіздері
Тіндер деңгейінде, бақылау механизмдерін ескермей, морфогенез жасушалардың көбеюі мен жылжуы нәтижесінде пайда болады. Морфогенез жасуша құрылымының немесе жасушалардың тіндердегі өзара әрекеттесуінің өзгеруін де қамтиды. Бұл өзгерістер тіндердің созылуына, жұқаруына, бүктелуіне, тіндердің жеке қабаттарға енуіне немесе бөлінуіне алып келуі мүмкін. Соңғы жағдайда бұл жасушаларды сұрыптау деп аталады. Жасушалардың "сұрыпталуы" – бір типтегі жасушалардың арасындағы байланысты максималды деңгейге жеткізу үшін кластерлерге жиналуы үшін қозғалуынан тұрады. Жасушалардың мұндай қабілеті Малкольм Штайнбергтің дифференциалды жасуша адгезиясы гипотезасы арқылы туындайды деп саналады. Тіндердің бөлінуі эпителий жасушаларының мезенхималық жасушаларға айналуы (Эпителий-мезенхималық өтуге қараңыз) сияқты күрт жасушалық дифференциация оқиғалары арқылы да жүзеге асуы мүмкін. Мезенхималық жасушалар жасушалардың жабысу және жиырылу қасиеттерінің өзгеруі салдарынан эпителий тінінен шығады. Эпителий-мезенхималық өтуден кейін жасушалар эпителийден алыстап, жаңа орында басқа ұқсас жасушалармен байланыса алады. Өсімдіктерде жасушалық морфогенез жасуша қабырғасының химиялық құрамымен және механикалық қасиеттерімен тығыз байланысты.
Жасушадан жасушаға жабысу
Эмбриональды даму кезінде клеткалар әртүрлі қабаттарға өзгеше байланыстарға ие болуына байланысты бөлінеді. Бұл, мысалы, жасушалардың бірдей жасушалық адгезия молекулаларын бөлісуі арқылы жүзеге асуы мүмкін. Атап айтқанда, гомотиптік жасушалардың жабысуы әртүрлі жабысу молекулаларына ие жасушалар топтарының арасындағы шекараны сақтап тұруға көмектеседі. Сонымен қатар, жасушалар жасушалар арасындағы жабысу деңгейінің айырмашылығына сәйкес сұрыпталады, сондықтан бірдей жабысу молекуласының әртүрлі мөлшеріне ие екі жасуша популяциясы да бөліне алады. Жасуша мәдениетінде ең күшті жабысуға ие жасушалар аралас жасуша жиынтығының ортасына жиналады. Бұдан өзге, жасушалардың жасушалық жабысуы жасушаның жиырылуымен реттеледі, ол жасушалық байланыстарға күш түсіріп, бірдей жабысу молекуласының бірдей деңгейіне ие екі жасуша популяциясын бөліп шығаруы мүмкін. Жабысуға жауапты молекулалар жасушалық адгезия молекулалары (ЖАМ) деп аталады. Жасушалық адгезия молекулаларының бірнеше түрі белгілі, ал олардың маңызды класы – кадериндер. Әртүрлі жасуша түрлерінде экспрессияланатын ондаған түрлі кадериндер бар. Кадериндер ұқсас кадериндерге байланысады: E кадерин (көптеген эпителий жасушаларында кездеседі) басқа E кадерин молекулаларымен артықшылықпен байланысады. Мезенхималық жасушалар көбінесе N кадерин сияқты басқа кадерин түрлерін экспресс етеді.
Жасушадан тыс матрица
Жасушадан тыс матрица (ЖММ) тіндерді бөлек ұстауға, құрылымдық қолдау көрсетуге немесе жасушалардың қозғалуы үшін негіз құруға қатысады. Коллаген, ламинин және фибронектин – секрецияланып, жапырақшалар, талшықтар және гельдер түрінде құралатын маңызды ЖММ молекулалары. ЖММ-мен байланысу үшін интегралдар деп аталатын көпбөлімді трансмембраналық рецепторлар пайдаланылады. Интегриндер жасуша сыртында фибронектинге, ламининге немесе басқа ЖММ құралымдарына, ал жасуша ішінде микрофиламенттерді байланыстыратын α-актинин мен талинге байланысып, цитоскелетті сыртқы ортамен байланыстырады. Интегриндер ЖММ-мен байланысқанда сигналдарды жіберу тізбектерін іске қосатын рецепторлардың да қызметін атқарады. ЖММ-ге қатысты морфогенездің жақсы зерттелген мысалы – сүт безінің түтікшелерінің тармақтануы. Кейіннен бұл модель морфогенездің барлық түрлеріне қатысты қолданылды.
Жаңғақ морфогенезі
Өкпенің дамуы кезінде бронх бронхиолаларға тармақталып, тыныс алу ағашын құрайды. Бұл тармақтану әрбір бронхиолалық түтікшенің ұшы екіге бөлінуі нәтижесінде жүзеге асады, ал тармақтану морфогенезі процесі бронхтарды, бронхиолаларды және соңында альвеолаларды қалыптастырады. Тармақтану морфогенезі сүт безінің түтікшелі құрылымында да көрінеді. Бастапқы түтікшелердің қалыптасуы даму кезінде басталады, бірақ түтікше жүйесінің тармақтануы жасөспірім шақта эстрогенге жауап ретінде басталып, сүт безінің дамуымен байланысты одан әрі жетілдіріледі.
Қатерлі ісік морфогенезі
Қатерлі ісік қалыпты морфогенездің бұзылуынан туындауы мүмкін, оның ішінде ісік пайда болуы және ісік метастаздануы. Митохондриялық дисфункция бұзылған морфогендік сигнал беру салдарынан қатерлі ісік қаупін арттырады. Фаг Т4 кодтаған, вирион құрылымын анықтайтын ақуыздарға негізгі құрылымдық компоненттер, қосалқы құрылымдық компоненттер және морфогенез тізбегіндегі нақты қадамдарды катализдейтін құрылымдық емес ақуыздар жатады. Фаг T4 морфогенезі үш тәуелсіз жолға бөлінеді: бас, құйрық және ұзын құйрық талшықтары, Яп пен Россман сипаттағандай.
Компьютерлік модельдер
Компьютерлік ғылымдардағы немесе математикадағы модельдік морфогенезге қатысты көзқарас Алан Тьюрингтің 1952 жылғы «Морфогенездің химиялық негізі» атты мақаласына, қазір Тьюринг үлгісі деп танылатын модельге бастау алады. Тағы бір белгілі модель – 1960-шы жылдары жасалған «Француз туы» моделі. ХХІ ғасырда компьютерлік қуаттың артуы салыстырмалы түрде күрделі морфогенез модельдерін модельдеуге мүмкіндік берді. 2020 жылы жасушалардың өсуі мен дифференциациясы параметрленген ережелерге ие жасушалық автоматтың моделіне ұқсас модель ұсынылды. Ережелердің параметрлері туындыланатындықтан, оларды градиенттік төмен түсу әдісімен үйретуге болады, бұл техника соңғы жылдары машиналық оқытуда қолданылуының нәтижесінде жоғары деңгейде оңтайландырылды. Бұл модель бейнелерді жасаумен шектелгендіктен, екі өлшемді болып табылады. Жоғарыда сипатталған модельге ұқсас модель кейіннен үш өлшемді құрылымдарды жасау үшін кеңейтілді және Minecraft бейне ойынында көрсетілді, оның блоктарға негізделген құрылымы 3D жасушалық автоматтарды модельдеу үшін ерекше тиімді болды.