Введение

Гаструляция — это стадия раннего развития эмбриона у большинства животных, в ходе которой бластула (однослойная полая сфера клеток) или, у млекопитающих, бластоциста реорганизуется в двухслойный или трехслойный эмбрион, известный как гаструла. До гаструляции эмбрион представляет собой сплошной эпителиальный слой клеток; к концу гаструляции эмбрион начинает дифференцироваться, формируя различные клеточные линии, определяя основные оси тела (например, дорсально-вентральную, передне-заднюю) и внедряя внутрь один или несколько типов клеток, включая предшественники кишечника.

Гаструльные слои

У триплобластных организмов гаструла трехслойна (триламинарна). Эти три зародышевых листка – эктодерма (наружный слой), мезодерма (средний слой) и эндодерма (внутренний слой). У диплобластных организмов, таких как Cnidaria и Ctenophora, гаструла имеет только эктодерму и эндодерму. Эти два слоя также иногда называют гипобластом и эпибластом. Губки не проходят стадию гаструлы. Гаструляция происходит после дробления и формирования бластулы или бластоцисты. За гаструляцией следует органогенез, когда отдельные органы развиваются внутри вновь образованных зародышевых листков. Каждый листок дает начало определенным тканям и органам в развивающемся эмбрионе. Эктодерма дает начало эпидермису, нервной системе и нервному гребню у позвоночных. После гаструляции клетки организма организованы либо в слои соединенных клеток (как в эпителии), либо в виде сетки изолированных клеток, таких как мезенхима.

Этимология

Термины "гаструла" и "гаструляция" были введены Эрнстом Геккелем в его работе 1872 года "Биология известковых губок". Гаструла (буквально, "маленький животик") – неолатинское уменьшительное, образованное от древнегреческого γαστήρ (gastḗr) – "живот".

Важность

Льюис Вулперт, выдающийся пионер в области биологии развития, заметил: "Не рождение, не брак и не смерть, а гаструляция – вот истинно самое важное время в жизни".

Модельные системы

Гаструляция сильно варьируется в животном царстве, но имеет общие лежащие в основе сходства. Гаструляция изучалась на многих животных, однако некоторые модели используются дольше других. Кроме того, развитие легче изучать у животных, развивающихся вне организма матери. Модельные организмы, гаструляция которых наиболее подробно изучена, включают моллюсков, морских ежей, лягушек и цыплят. Гаструлоид является моделью для изучения развития человека.

Морские ежи

Морские ежи являются важными модельными организмами в биологии развития с XIX века. Их гаструляция часто рассматривается как архетип для беспозвоночных вторичноротых. Эксперименты, а также компьютерное моделирование использовались для получения знаний о гаструляции у морских ежей. Недавние моделирования показали, что планарная полярность клеток является достаточной для запуска гаструляции морского ежа.

Определение зародышевого слоя

У морских ежей наблюдаются высокостереотипные паттерны дробления и предопределенные клеточные судьбы. Материнские мРНК устанавливают организационный центр эмбриона морского ежа. Канонические сигнальные пути Wnt и Delta Notch последовательно сегментируют эндодерму и мезодерму.

Интернализация клеток

У морских ежей первыми клетками, подвергающимися интернализации, являются первичные мезенхимовые клетки (ПМК), имеющие скелетогенную судьбу и внедряющиеся во время стадии бластулы. Гаструляция – интернализация будущей эндодермы и нескелетогенной мезодермы – начинается вскоре после этого с инвагинацией и другими клеточными перестройками в области растительного полюса, которые вносят около 30% в конечную длину архентерона. Окончательная длина кишечника зависит от перестроек клеток внутри архентерона.

Амфибии

Род лягушек Xenopus использовался как модельный организм для изучения гаструляции.

Нарушение симметрии

Сперматозоид вносит один из двух митотических астеров, необходимых для завершения первого деления. Сперматозоид может проникнуть в любую область животной половины яйца, но точное место его проникновения нарушает радиальную симметрию яйца, организуя цитоскелет. Перед первым делением кортекс яйца вращается относительно внутренней цитоплазмы благодаря скоординированному действию микротрубочек, в процессе, известном как кортикальное вращение. Это смещение приводит к контакту материнских детерминант, определяющих судьбу клеток, из экваториальной цитоплазмы и вегетативной коры, и вместе эти детерминанты формируют организатор. Таким образом, область на вегетативной стороне, противоположная точке входа сперматозоида, станет организатором. Хильде Мангольд, работавшая в лаборатории Ганса Шпемана, показала, что этот особый "организатор" эмбриона необходим и достаточен для индукции гаструляции.

Определение зародышевого слоя

Спецификация эндодермы зависит от перестройки материнских детерминант, приводящей к нуклеаризации бета-катенина. Мезодерма индуцируется сигнализацией от презумптивной эндодермы к клеткам, которые в противном случае стали бы эктодермой. Сигнализация RA в данном организме может влиять на формирование эндодермы, и в зависимости от времени сигнализации, определять ее судьбу – панкреатическую, кишечную или респираторную. Другие сигналы, такие как Wnt и BMP, также играют роль в респираторной судьбе *Xenopus*, активируя трассеры клеточных линий. Формирование примитивной полоски зависит от нодальной сигнализации. Кроме того, Cer1 и Lefty1 ограничивают примитивную полоску соответствующим местоположением, антагонизируя нодальную сигнализацию. Область, определяемая как примитивная полоска, продолжает расти к дистальному концу. Для формирования полоски рептилии, птицы и млекопитающие располагают мезенхимальные клетки вдоль проспективной средней линии, устанавливая первую эмбриональную ось, а также место, где клетки будут ингрессировать и мигрировать в процессе гаструляции и формирования зародышевых листков. Примитивная полоска простирается вдоль этой средней линии, создавая передне-заднюю ось тела, становясь первым событием нарушения симметрии в эмбрионе и знаменуя начало гаструляции. Этот процесс включает ингрессию предшественников мезодермы и эндодермы и их миграцию к конечному месту назначения, где они дифференцируются в три зародышевых листка. Факторы роста фибробластов (FGF), канонический путь Wnt, костный морфогенетический белок (BMP) и ретиноевая кислота (RA) важны для формирования и развития эндодермы, а также 3D-культуры клеток (эмбриональных органоидов) с использованием эмбриональных стволовых клеток (ESC) или индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSC). Это связано с рядом очевидных преимуществ протоколов культивирования тканей, включая снижение стоимости сопутствующей работы *in vivo* (тем самым сокращая, заменяя и совершенствуя использование животных в экспериментах; 3R), а также возможность точного применения агонистов/антагонистов в пространственно-временном отношении.

Оплодотворение *in vitro* происходит в лаборатории. Процесс *in vitro* заключается в извлечении зрелых яйцеклеток из яичников и помещении их в культивируемую среду, где они оплодотворяются сперматозоидами. В культуре формируется эмбрион. Через 14 дней после оплодотворения формируется примитивная полоска. Формирование примитивной полоски в некоторых странах признается как "человеческая индивидуальность". Это означает, что эмбрион теперь является самостоятельным существом, собственной сущностью. Страны, придерживающиеся этой точки зрения, установили 14-дневное правило, согласно которому изучение или эксперименты с человеческим эмбрионом после 14-дневного периода *in vitro* незаконны. Исследования проводились в течение первых 14 дней развития эмбриона, но после 14 дней известных исследований не проводилось. В связи с этим правилом, эмбрионы мышей используются для изучения развития после 14 дней; однако существуют различия в развитии между мышами и людьми.