Zelluläre Systeme für die epitheliale Einstülpung

Epitheliale Einstülpung als multizellulärer Mechanismus

In der tierischen Entwicklung von den frühesten Blastozysten- oder Blastodermstadien bis zu den allerletzten Stadien der Organogenese organisieren sich die Embryonen in epitheliale Schichten. Der Begriff Epithel ist weit gefasst. Es kann ein Blatt aus quaderförmigen, säulenförmigen oder schuppenförmigen (abgeflachten) Zellen sein oder eine Mischung von Zellformen unterschiedlicher Höhe enthalten, die den Anschein mehrerer Schichten erwecken (Pseudostratifikation), oder sogar aus einer der oben genannten Formen in mehreren Schichten bestehen und wirklich geschichtet sein. In allen Stadien und bei allen Epitheltypen hängt die Entwicklung der Anatomie jedoch von der Fähigkeit der Epithelien ab, sich selbst zu Falten, Graten, Gruben und Röhren zu biegen. Als Baustein der Morphogenese ist die Biegung des Epithels der Grundstein für fast jedes Organ, vom primitiven Darmrohr, das während der Gastrulation die primäre Körperachse bildet, bis hin zu den feinsten Poren, die die Haarfollikel der Haut darstellen. Die Biegung des Epithels ist selbstverständlich ein multizellulärer Prozess, bei dem mehrere miteinander verbundene Zellen ihr Verhalten koordinieren, um die Form des Gewebes zu verändern. Anders ausgedrückt: Epitheliales Biegen ist eine emergente Eigenschaft eines Systems von Zellen, deren Handlungen nicht auf niedrigeren Ebenen beschrieben werden können: Gennetzwerke und die klassische (weitgehend subzelluläre) Zellbiologie können den Prozess des epithelialen Biegens nicht vollständig erfassen. Obwohl es sich um einen weit verbreiteten Prozess handelt, sind unsere detaillierten Beschreibungen und unser mechanistisches Verständnis der epithelialen Biegung bemerkenswerterweise auf wenige Fälle und Typen beschränkt.

Aspekte der epithelialen Biegung, die sowohl zur Invagination (Faltung nach innen) als auch zur Evagination (Faltung nach außen) führen, wurden bereits früher besprochen. Diese Übersicht konzentriert sich auf die Biegung, die zu einer Invagination des Epithels führt, und zwar unter dem Gesichtspunkt des Zellverhaltens. Wir beginnen unsere Zusammenfassung mit der recht gut beschriebenen apikalen Einschnürung, über die apikale kabelgetriebene Knickung, die Zellverkürzung durch andere Mechanismen und die basale Verkeilung, die apikale/basale Bündelung und das vertikale Teleskopieren bis hin zur relativ neuen und wenig charakterisierten suprabasalen Interkalation. Diese Reihenfolge spiegelt die Hierarchie der epithelialen Komplexität wider, die von einer Monolage über eine pseudostratifizierte bis hin zu einer geschichteten Struktur reicht. Sie spiegelt auch eine Hierarchie der Komplexität der beteiligten zellulären Prozesse wider.

Apikale Konstriktion

Apikale Konstriktion ist definiert als ein Mechanismus, bei dem Epithelzellen eine apikale Schrumpfung erfahren, während sie ein mehr oder weniger konstantes Volumen behalten. Über die apikale Konstriktion sind in letzter Zeit mehrere gute Übersichtsarbeiten veröffentlicht worden, auf die der Leser für eine umfassende Analyse verwiesen wird. Hier werden wir einige hervorstechende Merkmale skizzieren.

Frühe zweidimensionale physikalische Modelle, die mit Stahlstäben und Gummischläuchen hergestellt wurden, zeigten, dass unterschiedliche Spannungen zwischen der apikalen und der basalen Oberfläche von Epithelzellen zu gekrümmten Epithelien führen, vorausgesetzt, das Zellvolumen und die Höhe werden beibehalten. Darüber hinaus zeigten frühe Beobachtungen der Biegung von Epithelien in einer Reihe von Organen und Organismen, dass die Zellen im gebogenen Gewebe, die keilförmig sind, eine oberflächliche Gelschicht auf der konkaven Seite der Krümmung aufweisen. Später entdeckte man, dass diese sich zusammenziehende Gelschicht aus Aktinfilamenten besteht, die im Zusammenspiel mit dem Motorprotein Myosin II die Biegung des Epithels bewirken (Abbildung 1). Die Anreicherung von Aktomyosin im apikalen Bereich und die Kontraktilität sind zu den bestimmenden Merkmalen der apikalen Konstriktion geworden. Die Regulierung des Aktomyosin-Zytoskeletts ist komplex, aber unter den zahlreichen Regulatoren wird die Rekrutierung dieser kontraktilen Maschinerie vor allem durch Rock und Shroom gefördert. Weitere Studien haben gezeigt, dass Shroom für die apikale Verteilung des kontraktilen Aktomyosin-Netzwerks sowohl notwendig als auch ausreichend ist, während andere Moleküle sehr oft für die Positionierung verschiedener Komponenten der Maschinerie an der richtigen Stelle verantwortlich sind. So sind beispielsweise Rho GTPase und p120 Catenin für die apikale Lokalisierung von Myosin II in der Zelle erforderlich. BMP, das bei der Einnistung in die Otoplakie (Neuroepithel) von Küken stromaufwärts von Rock wirkt, scheint für die apikale Lokalisierung von Aktin unabhängig von einer Rolle bei der Zelltypspezifikation erforderlich zu sein.

Die Live-Bildgebung von invaginierendem Gewebe hat ein immer differenzierteres Bild davon geliefert, wie die apikale Konstriktion stattfindet. So wurde beispielsweise lange Zeit angenommen, dass die apikale Konstriktion von Zellen durch eine seilzugartige Kontraktion von Aktinfasern um den Umfang der apikalen Oberfläche erfolgt. Live-Aufnahmen bei der Gastrulation von Drosophila haben gezeigt, dass anstelle von Umfangsfasern tatsächlich ein apikales Geflecht aus diametralen Fasern die Hauptrolle bei der Verengung des apikalen Bereichs spielt (obwohl es derzeit keine entsprechenden Beweise bei Wirbeltieren gibt). Auch der Prozess der Kontraktion ist nicht so einfach, wie einst angenommen. Statt einer gleichmäßigen und synchronen Kontraktion wurde kürzlich nachgewiesen, dass einzelne Zellen vorübergehende Impulse einer ratschenartigen Verengung asynchron zu ihren Nachbarn durchlaufen. Nachdem die Kontraktionen eingeleitet wurden, wird der kontrahierte Zustand zwischen den Impulsen stabilisiert, so dass das Nettoergebnis eine Verringerung der Fläche des apikalen Endes der Zelle ist. Die Spannung aus diesen einzelnen Kontraktionen wird wahrscheinlich apikobasal durch zytoplasmatische Verschiebung übertragen, zumindest wie im Mesoderm von Drosophila zu sehen ist; gleichzeitig wird die Spannung in der Ebene des Gewebes über das Aktomyosin-Netzwerk übertragen, das in einzelnen Zellen aufgebaut und interzellulär durch Adherens Junctions verbunden ist, um das gesamte Gewebe zu biegen.

Basale Entspannung

Wenn das Zellvolumen erhalten bleiben soll, muss die apikale Verengung entweder mit einer basalen Ausdehnung oder einer Höhenzunahme (oder beidem) einhergehen. Eine Höhenzunahme wurde in Tracheen- und Speicheldrüsen-Plakoden vor der Einstülpung in Fliegenembryonen beobachtet, und das, was wir hier als „basale Relaxation“ bezeichnen, bei der das basale Aktin- oder Myosin-Netzwerk aktiv abgebaut wird (Abbildung 2), ist Berichten zufolge an der Einstülpung der Oticus-Plakode von Küken und der Bildung der ventralen Furche bei Drosophila während der Gastrulation beteiligt. In der Hühnerohrblase geht die basale Entspannung der apikalen Konstriktion voraus und hängt von basal präsentierten FGF-Signalen ab, so dass sie nicht notwendigerweise mit apikalen Ereignissen, einschließlich der nachfolgenden Konstriktion, gekoppelt zu sein scheint. In der Gastrulation von Drosophila hingegen geht die Verringerung der basalen Myosinintensität und damit der basalen Steifigkeit mit der apikalen Konstriktion einher und vergrößert die basale Oberfläche, eine Phase, die sehr wahrscheinlich den Übergang von der Zellsäulenbildung zur Zellverkürzung und Invagination einleitet. Eine kürzlich erschienene Arbeit von Lomakin et al. legt nahe, dass die Anhäufung von Aktomyosin in einem Teil der Zelle während der Migration eine Verarmung in einem anderen Teil verursacht. Dies könnte ein Weg sein, auf dem die basale Entspannung die anschließende apikale Verengung während der Einstülpung auslösen oder dafür notwendig sein könnte. Eine unveröffentlichte Computermodellierung der epithelialen Faltung im Epithel der Flügelscheibe hat nahegelegt, dass die basale Relaxation in diesem Zusammenhang tatsächlich mechanisch wichtiger sein könnte als die apikale Konstriktion (Guillaume Salbreux 2016, persönliche Mitteilung).

Apical cable-driven buckling

In einer Reihe von Zusammenhängen wird die Kontraktilität mehrerer Zellen über Aktomyosin-‚Kabel‘ koordiniert. Aktomyosinkabel sind suprazelluläre Strukturen innerhalb einzelner Zellen, die sich zwischen benachbarten Zellen ausrichten und wahrscheinlich über spezifische Verbindungsstellen miteinander verbunden sind, obwohl noch nicht bekannt ist, wie sie auf molekularer Ebene verbunden sind. Diese suprazellulären Strukturen wurden nicht nur bei der Einstülpung, sondern auch bei anderen Prozessen beobachtet, um die Kontraktion zu koordinieren.

Ein Beispiel für eine durch Aktomyosinkabel angetriebene Einstülpung ist der Neuralrohrschluss beim Huhn, bei dem mediolateral orientierte Myosinkabel über mehrere Zelllängen verlaufen und die mediolaterale Interkalation der Zellen fördern, um das Neuralrohr zu verlängern (konvergente Verlängerung) und das Neuroepithel mediolateral zu biegen. Diese planar-polarisierte Kontraktion der Aktomyosinkabel wird durch vorgelagerte PCP-Signale und die polarisierte Verteilung von Celsr1 und ROCK gefördert.

Das Epithel der sich entwickelnden Drosophila nutzt die Konstriktion in Verbindung mit einer zellulären Umlagerung und Zellrundung, um die Einstülpung mehrerer Luftröhrengruben zu erreichen, die später das Luftröhrennetz bilden, durch das Sauerstoff in das Fliegengewebe diffundiert. Vor dem Beginn der Einstülpung gehen die Zellen in der Plakode in mitotische Ruhe über. Kurze, in Umfangsrichtung ausgerichtete Bögen von Aktomyosinkabeln bilden sich vorübergehend, wenn Gruppen von einigen wenigen Zellen (ebenfalls in Umfangsrichtung) um die sich bildende Grube herum interkalieren. Danach kommt es zu einer starken apikalen Einschnürung der Zellen im Zentrum der Plakode und zu einer weniger starken Einschnürung der Apizes der unmittelbar umliegenden Zellen, wodurch eine flache Tracheengrube entsteht. Die invaginierenden Zellen im Zentrum durchlaufen eine mitotische Zellrundung, die den Prozess beschleunigt, indem sie einen raschen Abfall der Zellhöhe verursacht und die Invagination in einer schnellen Phase beendet. Es wurde gezeigt, dass die Rundung der mitotischen Zellen und nicht die Zellteilung für die schnelle Phase der Invagination verantwortlich ist. Man kann spekulieren, dass abgerundete Zellen das Epithel strukturell schwächer machen. Sie haben ein weniger steifes kortikales Zytoskelett, eine weniger säulenartige Form (Ausdünnung des Epithels) und möglicherweise schwächere Verbindungen zu ihren Nachbarn. Sie könnten daher als Knickstellen fungieren, an denen sich das Epithel mit geringerem Widerstand gegen die Spannung biegt, die von den umlaufenden Kabeln in den umgebenden, sich nicht teilenden Zellen aufrechterhalten wird (Abbildung 3).

Zellverkürzung

Die Faltung des Drosophila-Beinepithels zur Bildung von Verbindungen zwischen den Segmenten stellt eine weitere Variante der zellulären Einschnürung dar, die in diesem Fall eine Schrumpfung der gesamten Zelle in Verbindung mit Apoptose ist. Während der Morphogenese des Drosophila-Beinepithels ist Apoptose notwendig, aber nicht ausreichend, damit eine apikale Verengung auftritt, und in einem relativ neuen Bericht wird ein apikobasales Aktomyosin-„Kabel“ beschrieben, das vertikal durch das Zentrum der Zelle an der Faltungsplakode verläuft (Abbildung 4) und den Anschein erweckt, als ob es eine vertikale Zugkraft nach unten auf die apikale Oberfläche der benachbarten Zellen ausüben könnte. Diese vertikalen „Kabel“ sind nicht zu verwechseln mit den in § 4 erwähnten planaren Bögen von Aktomyosin-Kabeln und sind völlig neuartige einzellige Strukturen, deren Struktur und Dynamik noch untersucht werden müssen. Wie bei mitotisch sich rundenden Zellen wäre eine apoptotische Zelle vermutlich strukturell schwächer als ihre nicht-apoptotischen Nachbarn und könnte daher als Knickpunkt dienen; das apikobasale „Kabel“ deutet jedoch auf einen aktiveren Mechanismus hin, ebenso wie die Tatsache, dass die apoptotische Zelle nicht extrudiert wird. Es scheint wahrscheinlich, dass das Aktomyosin-Kabel eine aktive Rolle beim apoptosegetriebenen Knicken spielt.

Eine Zellverkürzung wurde auch in anderen Fällen epithelialer Einstülpung beobachtet. Bei der Gastrulation von Aszidien haben Sherrard et al. gezeigt, dass die apikale Einschnürung der endodermalen Zellen den Einstülpungsprozess nicht wirklich vorantreibt; vielmehr führt eine basolaterale Anhäufung von Myosin zu einer apikobasalen Verkürzung der Zellen und initiiert die Einstülpung. Ein weiterer Mechanismus besteht darin, dass die Dorsalfalten im frühen Drosophila-Embryo zu Beginn der Gastrulation durch eine basale Verschiebung der Adhärens-Verbindungen der invaginierenden Zellen ausgelöst werden, was zu einer Fehlanpassung der Positionierung der Verbindungen zu den benachbarten Zellen führt, was wiederum die Gewebewölbung fördert. Obwohl gezeigt wurde, dass die Position der Adhärensverbindungen durch die Polaritätsproteine Par1 und Bazooka reguliert wird, muss der physikalische Mechanismus noch untersucht werden.

Basale Verkeilung

Keilförmige Zellen in einem invaginierenden Gewebe sind eine unvermeidliche Folge der Gewebegeometrie und weisen nicht unbedingt auf eine apikale Verengung hin. Während der Entwicklung des Neuralrohrs kommt ein Prozess ins Spiel, der als basale Verkeilung bezeichnet wird und bei dem es zu einer Verkeilung kommt, die sich von der apikalen Verengung deutlich unterscheidet. An der Mittellinie eines Großteils des sich bildenden Neuralrohrs der Amnioten biegt sich das Epithel scharf ab und bildet den so genannten medianen Gelenkpunkt (MHP). Die Zellen an diesen Scharnierpositionen sind fast alle keilförmig, während ihre Nachbarn eine Mischung aus verschiedenen Formen haben, meist spindelförmig, was die pseudostratifizierte Natur dieses Epithels widerspiegelt (Abbildung 5). Wichtig ist, dass die Zellen in der Ebene des Epithels sehr dicht gepackt sind und so schmal sind, dass sich jede Zelle um ihren Kern herum auswölbt. Die Keilform der Scharnierpunktzellen ist zumindest im Wesentlichen eine Folge der basal gelegenen Zellkerne. Dies scheint mit der interkinetischen Kernwanderung zusammenzuhängen, d. h. der apikobasalen Bewegung des Zellkerns im Verlauf des Zellzyklus: Die Zellen teilen sich apikal, und wenn sie sich in der S-Phase befinden, liegt der Zellkern basal, so dass die Zellen am Scharnierpunkt länger in der S-Phase verweilen. Der Zellteilungszyklus wurde in ähnlicher Weise in die Biegemorphogenese des Sehnervenkopfes einbezogen. Es bleibt jedoch eine offene Frage, ob die Kontrolle des Zellzyklus die notwendige oder einzige Ursache für die apikobasale Kernposition ist. Wichtig ist, dass die basale Verkeilung experimentell von der apikalen Verengung unterschieden werden konnte, indem festgestellt wurde, dass die Hemmung der Aktinpolymerisation zwar dazu führte, dass sich der größte Teil des Neuralrohrs öffnete und sich die apikalen Oberflächen über die gesamte Neuralplatte ausdehnten, die Biegung am medianen Scharnierpunkt jedoch nicht aufhob. Dies zeigt auch, dass die Biegung des medianen Scharniers intrinsisch ist, da die Entspannung des flankierenden Epithels das mediane Scharnier von extrinsischen Kräften abkoppelt, und dass die basale Verkeilung anders als die apikale Einschnürung erfolgt.

Vertikale Teleskopierung und apikale/basale Einschnürung

Interessanterweise gibt es in bestimmten anteroposterioren Regionen des Neuralrohrs auch dorsolaterale Scharnierpunkte, die weder basale Einschnürung noch (Cytochalasin-empfindliche) apikale Einschnürung beinhalten. Obwohl eine extrinsische Schubkraft aus dem flankierenden Ektoderm als Biegemechanismus vorgeschlagen wurde, haben neuere Erkenntnisse dagegen gesprochen und nahegelegt, dass eine unterschiedliche Zellpackung, die durch Zellproliferation und -translokation im Neuralrohr der Maus erzeugt wird, zur Faltung der Struktur führt.

In diesem Zusammenhang beschrieben Jacobson, Oster et al. 1986 in Xenopus-Fröschen ein zelluläres Verhalten für die Anhebung der Neuralfalte (den seitlichen Beginn der Neurulation), das sie „Traktoring“ nannten. Der Begriff „Tractoring“ wurde in zwei weiteren Arbeiten im Zusammenhang mit der Epithelbiegung bei der Seeigelgastrulation wieder aufgegriffen und verwendet. Was in diesen drei Arbeiten behandelt wird, ist es wert, im Detail betrachtet zu werden (siehe nächster Absatz). Leider wurde der Begriff „Tractoring“ in derselben Arbeit von 1986 nicht nur zur Beschreibung des Zellverhaltens an sich verwendet, sondern auch für einen spekulativen subzellulären Mechanismus, der dieses Verhalten antreiben könnte. Bei dieser spekulativen Verwendung des Begriffs „Tractoring“ fließt die Zellrinde wie eine Raupenbahn um die Zelle herum, um die Zelle relativ zu ihren Nachbarn zu bewegen. Es ist schwer vorstellbar, dass sich die Zellrinde in Epithelien mit engen Verbindungsstellen bewegt, die eine Bewegung der Zellrinde verhindern würden, und die Idee wurde nie weiterverfolgt (obwohl es in embryonalen Epithelien, insbesondere in Säugetierembryonen, oft keine engen Verbindungsstellen gibt und die Adhäsion möglicherweise labiler ist). In einer kürzlich erschienenen Arbeit wurde die Idee des kortikalen Traktorismus für isolierte Zellen, die sich auf engem Raum bewegen, wiederbelebt. Um Verwirrung zu vermeiden, verzichten wir auf den Begriff „Traktoring“ (außer in Anführungszeichen, wo er von den Autoren verwendet wurde). Stattdessen bieten wir zwei neue Begriffe an – denn in der Tat sind zwei Zellverhaltensweisen involviert: vertikales Teleskopieren und basales (oder apikales) Bündeln.

Ein von Jacobsen et al. beschriebener Effekt, der beim Biegen der neuronalen Platte auftritt, ist, dass die Zellen vertikal aneinander vorbeigleiten, ähnlich wie die Stufen einer ansteigenden Rolltreppe, um eine Neigung oder Biegung zu erzeugen. Eine andere nützliche Beschreibung ist, dass sich das Epithel durch vertikale Verschiebung, d. h. durch Scherung, zwischen den Zellen, die um das Zentrum der Einstülpung angeordnet sind, nach unten ausdehnt, ähnlich wie sich ein Teleskop durch das Gleiten seiner Teile ausdehnt (Abbildung 6a). Wir schlagen „vertikales Teleskopieren“ als Bezeichnung für diesen Prozess vor, um nicht nur die Idee der vertikalen „Scherung“, sondern auch die konzentrische Anordnung zu erfassen. Eine tatsächliche Scherung zwischen den Zellen ist unwahrscheinlich: Die vertikale Zellbewegung ähnelt eher der klassischen Zellmigration, bei der Zellen über feste Adhäsionspunkte kriechen oder rollen, wobei die Bewegung durch die Ausdehnung von basalen oder apikalen Vorsprüngen erfolgt (Abbildung 6b,c). Wir haben erste Hinweise darauf, dass vertikales Teleskopieren bei der Morphogenese der Zähne und der Speicheldrüseninvagination auftritt (E. Panousopoulou, J. Li und J.B.A. Green 2016, unveröffentlichte Daten). Die oben erwähnten Beobachtungen im lateralen Neuralrohr der Maus stimmen mit dieser Art von Mechanismus überein, aber die vertikale scherenartige Bewegung muss noch direkt beobachtet werden.

Ein anderer Mechanismus, der mit dem Begriff „Tractoring“ beschrieben wurde, kommt bei der Gastrulation des Seeigels vor und besteht darin, dass apikale Zellvorsprünge sich selbst zentripetal „ziehen“, wodurch die Zellen in eine zentripetal geneigte Ausrichtung gezwungen werden und das Epithel folglich gebogen wird (Abbildung 6d) . Dieser Prozess wird in einer zweiten Arbeit, in der der Begriff „Tractoring“ verwendet wird, explizit als kontraktile apikale Zellextensionen modelliert, und wir benennen diesen Prozess hier in „apical bunching“ um (Abbildung 6d), wobei das Wort „bunching“ die Idee des Zusammenschlusses (von Zellspitzen) durch Quetschen von außen (durch seitlich verlängerte apikale Vorsprünge benachbarter Zellen) vermittelt. Das apikale Bunching unterscheidet sich vom vertikalen Teleskopieren dadurch, dass das Bunching eine Formänderung ohne vertikale Verschiebung bewirkt, während das vertikale Teleskopieren umgekehrt als vertikale Scherung ohne Formänderung definiert wird. Diese Definitionen sind jedoch theoretischer Natur: In der Praxis könnte das seitliche Kriechen der apikalen Ausstülpungen gleichzeitig benachbarte Zellen verformen und niederdrücken (Abbildung 6d). Das apikale Bunching unterscheidet sich auch von der apikalen Konstriktion, da die Kraft beim Bunching extrinsisch auf die deformierte Zelle wirkt, während sie bei der Konstriktion intrinsisch ist.

Jacobson et al. hatten auch vorgeschlagen, dass basale Zellvorsprünge in der Neuralplatte seitlich entlang der Basallamina vorstoßen und unter ihre Nachbarn reichen. Ein Effekt davon scheint zu sein, dass diese Zellen an ihrer Basis seitlich zusammengedrückt werden, was die Neuralfalte dazu bringt, sich zu evaginieren (was passiv eine konkave, invaginationsähnliche Biegung im angrenzenden Teil der Neuralplatte erzeugt). Dies könnte als „basale Bündelung“ im Gegensatz zur apikalen Bündelung bezeichnet werden, doch gibt es noch keine eindeutigen Live-Beobachtungen dieses Phänomens, die seine Existenz experimentell bestätigen würden.

Suprabasale Interkalation: Biegung eines mehrschichtigen Epithels

Die meisten der oben genannten Mechanismen betreffen entweder Monoschichten oder pseudostratifizierte Epithelien; daher bleibt ein Rätsel, wie ein geschichtetes Epithel, das sehr oft in der frühen Organogenese auftritt, wie z. B. in der Zahnplakode, im Haarfollikel und in der Brustdrüse, sich zu einer Knospe oder einem röhrenförmigen Organprimordium biegt. Eine kürzlich durchgeführte Studie hat gezeigt, dass in diesen gebogenen Epithelien Aktin und phosphoryliertes Myosin nicht apikal in den keilförmigen Zellen der Basalschicht angereichert sind und die Zellkerne nicht überwiegend basal liegen. Daher scheinen weder apikale Einschnürung noch basale Verkeilung an diesem Prozess beteiligt zu sein.

Theoretisch wird angenommen, dass eine lokal erhöhte Proliferation und insbesondere eine Stratifizierung der Zellen oberhalb der Basalschicht ausreicht, um das „Abwärtswachstum“ eines Epithels anzutreiben (Abbildung 7); tatsächlich hat die Untersuchung der Spindelausrichtung im Backenzahn, einer der größten epithelialen Organplakoden, gezeigt, dass die Zellteilung in der Plakode senkrecht zur Gewebeebene erfolgt und die suprabasalen Zellen entstehen (Abbildung 7b) . A priori würde man jedoch erwarten, dass die Schichtung ein Epithel sowohl nach oben als auch nach unten verdickt, oder sogar nur nach oben, wenn das darunter liegende (mesenchymale) Gewebe steif ist. Darüber hinaus wurde in derselben Arbeit experimentell festgestellt, dass die Stratifizierung allein nicht ausreicht, um die Einstülpung voranzutreiben, und dass die Hemmung der Proliferation die Einstülpung nicht verhindert. Mit anderen Worten: „Abwärtswachstum“ ist eine unzureichende Beschreibung für die frühe Plakodeinvagination. Stattdessen wurde festgestellt, dass die suprabasalen Zellen die notwendige Biegespannung erzeugen, wie die Beobachtung von erhöhtem Aktin und Phosphomyosin, von Zellinterkalationsbewegungen und von Rückstößen beim physikalischen Schneiden zeigt. Die planare Spannung, die in den suprabasalen Schichten durch die Interkalation der planaren Zellen erzeugt wird, wird nachweislich durch Zellen der Basalschicht, die basal verankert sind, aber gleichzeitig zentripetal orientierte apikale Vorsprünge ausbilden, die an der Interkalation beteiligt sind, auf die Basalschicht übertragen (Abbildung 7c). Die Basalschicht widersteht einer seitlichen Kompression und muss sich daher als Reaktion auf die suprabasale Kontraktion biegen. Topologisch gesehen übernehmen die suprabasalen Zellen in den ektodermalen Plakoden die Rolle der apikalen Aktomyosinkabel, allerdings in einem viel größeren Maßstab.

Schlussfolgerung

Wie in §1 beschrieben, haben wir hier versucht, eine kurze, aktuelle Zusammenfassung der wichtigsten Mechanismen zu geben, von denen man annimmt, dass sie an der epithelialen Invagination beteiligt sind. Es ist erwähnenswert, dass die verschiedenen hier diskutierten Mechanismen sich nicht unbedingt gegenseitig ausschließen. So ist beispielsweise die Proliferation eine notwendige Bedingung für die suprabasale Interkalation in geschichtetem Epithel, die basale Entspannung geht normalerweise der apikalen Konstriktion voraus, und die apikale oder basale Bündelung kann mit der apikalen Konstriktion oder der basalen Verkeilung zusammenwirken. Die Hierarchie der diskutierten Mechanismen spiegelt auch die Grenzen unseres Wissens wider. Die apikale Einschnürung wird vielleicht vor allem aufgrund ihrer Offensichtlichkeit in der frühen Entwicklung von Modellorganismen im Labor als allgemein üblich angenommen. Die anderen Mechanismen werden zunehmend weniger geschätzt, verdienen es aber, gleichberechtigt betrachtet zu werden, da sie in der späteren Entwicklung und bei verschiedenen Arten häufiger und wichtiger sein könnten als bisher angenommen. Die Invagination ist nur eine Art der epithelialen Biegung. Aus Platzgründen haben wir die Diskussion des offensichtlichsten verwandten morphogenetischen Prozesses ausgelassen, nämlich die Evagination, z. B. durch basale Einschnürung, die zu einer Faltung des Gewebes nach außen führt. Außerdem haben wir uns in dieser Übersicht auf Biegungen konzentriert, die durch intrinsische Kräfte angetrieben werden. Mit „intrinsischen“ Kräften meinen wir Kräfte, die innerhalb eines Epithels selbst erzeugt werden (wenn auch nicht unbedingt nur an der Biegestelle, wie das Beispiel des kabelgetriebenen Knickens zeigt). Neben den intrinsischen Kräften kann die Biegung von Röhren wie dem Darm oder dem Herzen auch durch Kräfte angetrieben werden, die außerhalb des Epithels auftreten, z. B. durch Widerstandskräfte, die im anhaftenden oder umschließenden unelastischen Gewebe entstehen, wenn das Epithel selbst wächst.

Anstatt sich beispielsweise auf die biomechanischen Aspekte der Epithelbiegung zu konzentrieren oder die epitheliale Morphogenese als Ganzes umfassend zu untersuchen, haben wir eine Reihe von Zellsystemen skizziert, die durch koordiniertes Gesamtverhalten die erforderliche Anatomie erzeugen. Für einige von ihnen gibt es ein gewisses Verständnis der molekularen Mechanismen, aber für die meisten bleibt die Verbindung zwischen subzellulären molekularen Prozessen und suprazellulären Ergebnissen auf Gewebeebene grob. Klar ist jedoch, dass es aufschlussreich ist, den Mechanismus auf suprazellulärer oder multizellulärer Ebene zu betrachten. Wenn man die epithelialen Einstülpungen auf diese Weise als Zellsysteme betrachtet, lässt sich die schillernde Vielfalt der Entwicklungsereignisse möglicherweise auf eine kleine Anzahl von nachvollziehbaren Motiven reduzieren. Die Identifizierung und Charakterisierung dieser Motive (auch mit Variationen) wird so zu einem realisierbaren Ziel für den experimentellen und theoretischen Fortschritt.

Beiträge der Autoren

Alle Autoren trugen zur Konzeption, zum Entwurf, zu den Zahlen und zur Bearbeitung des Manuskripts bei.

Konkurrierende Interessen

Wir haben keine konkurrierenden Interessen.

Finanzierung

Diese Arbeit wurde finanziert durch den BBSRC Grant Nr. BB/L002965/1 an J.B.A.G.

Fußnoten

Ein Beitrag von 13 zu einem Themenheft ‚Systems morphodynamics: understanding the development of tissue hardware‘.