Введение
Морфоген – это биологическое вещество, неравномерное распределение которого направляет развитие тканей в процессе морфогенеза или формирования структуры, являющегося одним из ключевых процессов биологии развития, определяющим положение различных специализированных типов клеток в ткани. Более конкретно, морфоген – это сигнальная молекула, которая непосредственно воздействует на клетки, вызывая специфические клеточные реакции в зависимости от её локальной концентрации. Как правило, морфогены производятся клетками-источниками и диффундируют через окружающие ткани эмбриона на ранних стадиях развития, формируя градиенты концентрации. Эти градиенты стимулируют процесс дифференцировки неспециализированных стволовых клеток в различные типы клеток, в конечном итоге формируя все ткани и органы организма. Контроль морфогенеза является центральным элементом в эволюционной биологии развития (evo devo).
A morphogen is a substance whose non uniform distribution governs the pattern of tissue development in the process of morphogenesis or pattern formation, one of the core processes of developmental biology, establishing positions of the various specialized cell types within a tissue. More specifically, a morphogen is a signaling molecule that acts directly on cells to produce specific cellular responses depending on its local concentration. Typically, morphogens are produced by source cells and diffuse through surrounding tissues in an embryo during early development, such that concentration gradients are set up. These gradients drive the process of differentiation of unspecialised stem cells into different cell types, ultimately forming all the tissues and organs of the body. The control of morphogenesis is a central element in evolutionary developmental biology (evo devo).
История
Термин был предложен Аланом Тьюрингом в статье "Химическая основа морфогенеза", где он предсказал химический механизм формирования биологических паттернов за десятилетия до того, как образование таких паттернов было продемонстрировано. Концепция морфогена имеет долгую историю в биологии развития, восходящую к работам пионера-генетика *Drosophila* (дрозофилы, фруктовой мушки) Томаса Ханта Моргана в начале XX века. Льюис Вольперт уточнил концепцию морфогена в 1960-х годах, предложив модель "французского флага", которая описывала, как морфоген может разделять ткань на области с различной экспрессией генов-мишеней (соответствующие цветам французского флага). Эта модель получила поддержку со стороны ведущего биолога, изучающего *Drosophila*, Питера Лоуренса. Кристиан Нюсслейн-Фольхард первой идентифицировала морфоген – бикоид, один из факторов транскрипции, присутствующий в градиенте в синцитиальном эмбрионе *Drosophila*. В 1995 году она была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине за работы, объясняющие морфогенную эмбриологию обычной плодовой мушки. Группы под руководством Гэри Струля и Стивена Коэна впоследствии показали, что секретируемый сигнальный белок декапентаплегик (гомолог дрозофилы трансформирующего фактора роста β) действует как морфоген на поздних стадиях развития *Drosophila*.
Механизм
Во время раннего развития морфогенные градиенты приводят к дифференцировке специфических типов клеток в определенном пространственном порядке. Морфоген предоставляет пространственную информацию, формируя градиент концентрации, который подразделяет поле клеток, индуцируя или поддерживая экспрессию различных генов-мишеней при различных концентрационных порогах. Таким образом, клетки, расположенные далеко от источника морфогена, будут получать низкие уровни морфогена и экспрессировать только гены-мишени с низким порогом. В отличие от этого, клетки, находящиеся близко к источнику морфогена, будут получать высокие уровни морфогена и экспрессировать как гены-мишени с низким, так и с высоким порогом. Различные типы клеток возникают как следствие различных комбинаций экспрессии генов-мишеней. Таким образом, поле клеток подразделяется на различные типы в зависимости от их положения относительно источника морфогена. Эта модель считается общим механизмом, посредством которого может формироваться разнообразие клеточных типов в эмбриональном развитии животных. Некоторые из самых ранних и наиболее изученных морфогенов – это факторы транскрипции, которые диффундируют в ранних эмбрионах Drosophila melanogaster (дрозофилы). Однако большинство морфогенов – это секретируемые белки, осуществляющие сигналинг между клетками.
Гены и сигналы
Морфоген распространяется из локализованного источника и формирует градиент концентрации в развивающейся ткани. В биологии развития термин "морфоген" строго используется для обозначения сигнальной молекулы, которая действует непосредственно на клетки (а не посредством последовательной индукции) и вызывает специфические клеточные реакции, зависящие от концентрации морфогена. Это определение относится к механизму, а не к какой-либо конкретной химической формуле, поэтому простые соединения, такие как ретиновая кислота (активный метаболит ретинола или витамина А), также могут выступать в роли морфогенов. Данная модель не является общепринятой из-за специфических проблем, связанных с формированием градиента в ткани, как это описано в модели "французского флага", и последующих исследований, показавших, что морфогенный градиент эмбриона дрозофилы сложнее, чем предполагает простая модель градиента.
Примеры
Предлагаемые морфогены для млекопитающих включают ретиновую кислоту, сонический ёж (SHH), трансформирующий фактор роста бета (TGF β)/костный морфогенный белок (BMP) и Wnt/бета-катенин. Морфогены у *Drosophila* включают decapentaplegic и hedgehog. Ретиновая кислота связывается с рецепторами ретиновой кислоты, которые действуют как факторы транскрипции для регуляции экспрессии генов Hox. Воздействие на эмбрионы экзогенных ретиноидов, особенно в первом триместре, приводит к врожденным дефектам развития. Считается, что этот механизм не вносит существенного вклада в морфогенез в клеточных системах. В большинстве систем развития, таких как эмбрионы человека или более поздние стадии развития *Drosophila*, синцитии встречаются редко (например, в скелетных мышцах), и морфогены обычно представляют собой секретируемые сигнальные белки. Эти белки связываются с внеклеточными доменами трансмембранных рецепторных белков, которые используют сложный процесс передачи сигнала для передачи уровня морфогена в ядро. Ядерными мишенями путей передачи сигнала обычно являются факторы транскрипции, чья активность регулируется таким образом, чтобы отражать уровень морфогена, полученного на поверхности клетки. Таким образом, секретируемые морфогены генерируют градиенты активности факторов транскрипции, аналогичные тем, что формируются в синцитиальном эмбрионе *Drosophila*. Дискретные гены-мишени реагируют на различные пороговые значения активности морфогена. Экспрессия генов-мишеней контролируется сегментами ДНК, называемыми "энхансерами", к которым факторы транскрипции связываются непосредственно. После связывания фактор транскрипции стимулирует или ингибирует транскрипцию гена, тем самым контролируя уровень экспрессии продукта гена (обычно белка). Гены-мишени "низкого порога" требуют для регуляции лишь низких уровней активности морфогена и характеризуются энхансерами, содержащими множество сайтов связывания с высокой аффинностью для фактора транскрипции. Гены-мишени "высокого порога" имеют относительно меньше сайтов связывания или сайты связывания с низкой аффинностью, для регуляции которых требуются гораздо более высокие уровни активности фактора транскрипции. Общий механизм действия морфогенной модели может объяснить подразделение тканей на паттерны различных типов клеток, при условии возможности создания и поддержания градиента. Однако морфогенная модель часто используется для объяснения дополнительных функций, таких как контроль роста ткани или ориентация полярности клеток внутри нее (например, направление роста волос на предплечье), которые не могут быть объяснены данной моделью.
Эпонимы
Организационная роль, которую морфогены играют в развитии животных, была отмечена в 2014 году при присвоении названия новому роду жуков – Morphogenia. Типовой вид, Morphogenia struhli, был назван в честь Гари Струля, американского биолога развития, который внес значительный вклад в доказательство того, что гены decapentaplegic и wingless кодируют белки, функционирующие как морфогены в процессе развития дрозофилы.