Epiteeli-invaginaation solujärjestelmät

Epiteeli-invaginaatio monisoluisena mekanismina

Eläinten kehityksessä kaikkein varhaisimmasta blastokysta- tai blastodermaattivaiheesta aina organogeneesin viimeisiin vaiheisiin asti alkiot järjestäytyvät epiteelikerroksiin. Epiteeli määritellään laajasti. Se voi olla kuutiomaisista, pylväsmäisistä tai levyepiteelisoluista koostuva levy, tai se voi sisältää eri korkuisten solumuotojen sekoitusta, joka antaa vaikutelman useista kerroksista (pseudostratifikaatio), tai se voi jopa koostua mistä tahansa edellä mainituista solumuodoista useissa kerroksissa ja olla aidosti kerrostunut. Kaikissa vaiheissa ja kaikissa epiteelityypeissä anatomian kehittyminen perustuu kuitenkin epiteelien kykyyn taittua itsestään poimuiksi, harjanteiksi, kuopiksi ja putkiksi. Morfogeneesin rakennusaineena epiteelien taipuminen synnyttää lähes kaikki elimet, aina alkukantaisesta suolistoputkesta, joka muodostaa kehon primaarisen akselin gastrulaation aikana, hienoimpiin huokosiin, jotka ovat ihon karvatupet. Epiteelin taipuminen on itsestään selvä monisoluinen prosessi, jossa useat toisiinsa yhteydessä olevat solut koordinoivat käyttäytymistään muuttaakseen kudoksen muotoa. Toisin sanoen epiteelin taipuminen on sellaisen solujärjestelmän emergentti ominaisuus, jonka toimintaa ei voida kuvata alemmilla tasoilla: geeniverkot ja klassinen (pitkälti subcellulaarinen) solubiologia eivät pysty täysin kuvaamaan epiteelin taipumisprosessia. Huomionarvoista on, että vaikka epiteelin taipuminen on hyvin laajalle levinnyt prosessi, yksityiskohtaiset kuvauksemme ja mekanistinen ymmärryksemme epiteelin taipumisesta rajoittuvat melko harvoihin tapauksiin ja tyyppeihin.

Epiteelin taipumisen näkökohtia, jotka johtavat sekä invaginaatioon (sisäänpäin taittumiseen) että evaginaatioon (ulospäin taittumiseen), on tarkasteltu aiemmin . Tässä katsauksessa keskitytään epiteelin invaginaatioon johtavaan taivutukseen solujen käyttäytymisen näkökulmasta. Aloitamme yhteenvedon melko hyvin kuvatusta apikaalisesta supistumisesta, apikaalisen kaapelin aiheuttaman taivutuksen, solun lyhenemisen muilla mekanismeilla ja basaalisen kiilauksen kautta apikaaliseen/basaaliseen niputukseen ja vertikaaliseen teleskooppiin sekä suhteellisen uuteen ja vähän luonnehdittuun suprabasaaliseen interkalaatioon. Tämä järjestys kuvastaa epiteelin monimutkaisuuden hierarkiaa monokerroksesta pseudostratifioituneeseen ja lopulta stratifioituneeseen rakenteeseen. Se heijastaa myös asiaan liittyvien soluprosessien monimutkaisuuden hierarkiaa.

Apikaalinen supistuminen

Apikaalinen supistuminen määritellään mekanismiksi, jossa epiteelisolut supistuvat apikaalisesti pitäen samalla tilavuuden enemmän tai vähemmän vakiona . Viime aikoina on julkaistu useita hyviä katsauksia apikaalisesta supistumisesta, ja lukijaa kehotetaan tutustumaan niihin kattavan analyysin saamiseksi. Tässä hahmotellaan joitakin keskeisiä piirteitä.

Varhaiset kaksiulotteiset fysikaaliset mallit, jotka on tehty terästangoilla ja kumiletkuilla, osoittivat, että epiteelisolujen apikaali- ja basaalipintojen välinen erilainen jännitys johtaisi taipuneisiin epiteeleihin edellyttäen, että solujen tilavuus ja korkeus säilyisivät . Lisäksi varhaiset havainnot epiteelin taipumisesta useissa eri elimissä ja organismeissa osoittivat, että taipuvan kudoksen soluilla, jotka ovat kiilamaisia, on pinnallinen geelikerros kaarevuuden koveralla puolella . Tämän supistuvan geelikerroksen havaittiin myöhemmin koostuvan aktiinifilamenteista , jotka toimivat yhdessä moottoriproteiini myosiini II:n kanssa epiteelin taivuttamiseksi (kuva 1). Apikaalisesta aktomyosiinirikastumisesta ja supistumiskyvystä on tullut apikaalisen supistumisen tunnusmerkkejä . Aktomyosiinisytoskeletin säätely on monimutkaista, mutta lukuisista säätelijöistä Rock ja Shroom edistävät erityisesti tämän supistumiskoneiston rekrytointia . Lisätutkimukset ovat osoittaneet, että vaikka Shroom on sekä välttämätön että riittävä aktomyosiinin supistumisverkoston apikaalisen jakautumisen kannalta, muut molekyylit toimivat hyvin usein koneiston eri komponenttien sijoittamisessa oikeaan paikkaan. Esimerkiksi Rho GTPaasia ja p120-kateniinia tarvitaan myosiini II:n lokalisointiin apikaalisesti solussa. BMP, joka vaikuttaa Rockin yläjuoksulla poikasen otic placode (neuroepiteelin) invaginaatiossa, näyttää olevan välttämätön aktiinin apikaaliseen lokalisaatioon riippumatta roolista solutyypin spesifikaatiossa .

Invaginoivien kudosten elävä kuvantaminen on antanut yhä kehittyneemmän kuvan siitä, miten apikaalinen supistuminen tapahtuu. Pitkään oletettiin esimerkiksi, että solujen apikaalinen supistuminen tapahtuu aktiinisäikeiden kukkaronnyörimäisellä supistumisella apikaalipinnan kehän ympärillä. Drosophilan gastrulaatiossa tapahtuva elävä kuvantaminen paljasti, että kehän ympärysmittaisten kuitujen sijasta apikaalisen alueen supistumisessa pääroolissa on itse asiassa vinoneliömäisistä kuiduista koostuva apikaalinen verkko (vaikka vastaavaa näyttöä selkärankaisista ei tällä hetkellä olekaan). Supistumisprosessi ei myöskään ole yhtä yksinkertainen kuin aiemmin luultiin. Tasaisen ja synkronisen supistumisen sijasta on hiljattain osoitettu, että yksittäiset solut kokevat ohimeneviä pulsseja, joissa ne supistuvat raksimaisesti ja epäsynkronisesti naapureidensa kanssa. Kun supistukset ovat alkaneet, supistunut tila vakiintuu pulssien välillä niin, että nettotuloksena on solun apikaalisen pään pinta-alan pieneneminen . Näiden yksittäisten supistusten aiheuttama jännitys välittyy luultavasti apikobasaalisesti sytoplasman siirtymisen kautta, kuten ainakin Drosophilan mesodermissä on havaittu ; samanaikaisesti jännitys välittyy kudoksen tasossa aktomyosiiniverkoston kautta, joka on koottu yksittäisiin soluihin ja kytketty solujen välille adherens-liitoksilla , taivuttaen koko kudosta.

Basaalinen relaksaatio

Jos solujen tilavuus halutaan säilyttää, apikaaliseen supistumiseen on liityttävä joko basaalinen laajeneminen tai korkeuden kasvu (tai molemmat). Korkeuden kasvua on havaittu henkitorven ja sylkirauhasen istukoissa ennen invaginaatiota kärpäsen alkioissa , ja sen, mitä kutsumme tässä ”basaaliseksi relaksaatioksi”, jossa basaalinen aktiini- tai myosiiniverkosto purkautuu aktiivisesti (kuva 2), on raportoitu olevan osallisena poikasen ulokeplokin invaginaatiossa ja Drosophilan ventraalisen uurteen muodostumisessa gastrulaatiossa . Kananpoikasen ulokepesäkkeessä basaalinen relaksaatio edeltää apikaalista supistumista ja riippuu basaalisesti esiintyvistä FGF-signaaleista , joten se ei näytä olevan välttämättä kytköksissä apikaalisiin tapahtumiin, mukaan lukien myöhempi supistuminen. Drosophilan gastrulaatiossa basaalisen myosiini-intensiteetin väheneminen ja sitä kautta basaalinen jäykkyys seuraa apikaalista supistumista ja laajentaa basaalista pintaa, mikä on vaihe, joka hyvin todennäköisesti käynnistää siirtymisen solujen pylväsmuodostuksesta solujen lyhenemiseen ja invaginaatioon . Lomakin et al. ovat hiljattain julkaisseet artikkelin, jossa ehdotetaan, että aktomyosiinin kertyminen solun yhteen osaan migraation aikana aiheuttaa tyhjenemisen toisessa osassa. Tämä voisi olla tapa, jolla basaalinen relaksaatio voisi laukaista tai olla välttämätön myöhemmälle apikaaliselle supistumiselle invaginaation aikana. Julkaisematon tietokonemallinnus epiteelin taittumisesta siipilevyn epiteelissä on viitannut siihen, että basaalinen relaksaatio voi tässä yhteydessä itse asiassa olla mekaanisesti tärkeämpää kuin apikaalinen supistuminen (Guillaume Salbreux 2016, henkilökohtainen tiedonanto).

Apikaalinen kaapeleiden aiheuttama poimuuntuminen

Epiteelin supistuminen

Epiteelin useissa yhteyksissä useiden solujen kontraktioliikennettä koordinoidaan aktiomyosiini-”kaapeleiden” avulla. Aktomyosiinikaapelit ovat yksittäisten solujen sisältämiä suprasellulaarisia rakenteita, jotka kohdistuvat vierekkäisten solujen välille ja ovat luultavasti yhteydessä toisiinsa spesifisten liitosten kautta, vaikka niiden molekyylitason kytkeytymistä ei vielä tunneta. Nämä suprasellulaariset rakenteet on havaittu paitsi invaginaation aikana , myös muissa prosesseissa , jotka koordinoivat supistumista.

Yksi esimerkki aktomyosiinikaapeleiden ohjaamasta invaginaatiosta on kanan hermostoputken sulkeutuminen, jossa mediolateraalisesti suuntautuneet myosiinikaapelit kulkevat usean solun pituisia matkoja edistäen solujen interkalaatiota mediolateraalisesti hermostoputken pidentämiseksi (konvergentti pidennys) ja hermoepiteelin taivuttamiseksi mediolateraalisesti . Tätä aktomyosiinikaapeleiden planaarisesti polarisoitunutta supistumista edistää ylävirtaan suuntautuva PCP-signalointi ja myös Celsr1:n ja ROCK:n polarisoitunut jakautuminen .

Kehittyvän Drosophilan epiteeli käyttää supistumista yhdistettynä solujen uudelleenjärjestäytymiseen ja solujen pyöristymiseen saavuttaakseen useiden trakeaalisten kuoppien invaginaation, jotka myöhemmin muodostavat trakeaalisen verkon, jonka kautta happi diffundoituu kohti kärpäsen kudoksia . Ennen invaginaation alkamista istukan solut siirtyvät mitoottiseen lepotilaan . Lyhyitä kehän suuntaisia aktomyosiinikaapeleita muodostuu ohimenevästi, kun muutaman solun ryhmät interkaloituvat (samoin kehän suuntaisesti) muodostuvan kuopan ympärille . Tätä seuraa istukan keskellä olevien solujen voimakas apikaalinen supistuminen ja välittömästi ympäröivien solujen vähemmän tiukasti supistuneet apikat, jolloin muodostuu matala trakeaalinen kuoppa . Keskellä olevat invaginoituvat solut käyvät läpi mitoottisen solujen pyöristymisen, joka nopeuttaa prosessia aiheuttamalla solujen korkeuden nopean laskun, jolloin invaginaatio päättyy nopeassa vaiheessa . Osoitettiin, että mitoottisten solujen pyöristyminen, mutta ei solunjakautuminen, ohjaa invaginaation nopeaa vaihetta. Voidaan olettaa, että pyöristyneet solut tekevät epiteelistä rakenteellisesti heikomman. Niillä on vähemmän jäykkä kortikaalinen sytoskeletti, vähemmän pylväsmäinen muoto (epiteelin oheneminen) ja mahdollisesti heikompi kiinnittyminen naapureihinsa. Näin ollen ne voivat toimia solmupisteinä, joissa epiteeli taipuu heikommin ympäröivien jakautumattomien solujen ympärillä olevien kehäkaapeleiden ylläpitämää jännitystä vastaan (kuva 3).

Solujen lyheneminen

Drosophilan sääri-epiteelin taittuminen segmenttien välisiä niveliä muodostaen edustaa toista solujen supistumisen variaatiota, joka tässä tapauksessa on koko solun kutistumista yhdistettynä apoptoosiin . Drosophilan sääriepiteelin morfogeneesin aikana apoptoosi on välttämätön mutta ei riittävä apikaalisen supistumisen aikaansaamiseksi, ja suhteellisen tuoreessa raportissa kuvataan apikobasaalinen aktiomyosiini-”vaijeri”, joka kulkee pystysuoraan solun keskikohdan läpi solun kokoontaittuvan placodin kohdalla (kuva 4) ja joka näyttäisi voivan käyttää alaspäin suuntautuvaa pystysuoraa vetovoimaa viereisten solujen apikaaliseen pintaan . Näitä pystysuoria ”kaapeleita” ei pidä sekoittaa kohdassa 4 mainittuihin aktomyosiinikaapeleiden tasomaisiin kaarteisiin, vaan ne ovat täysin uusia yksisoluisia rakenteita, joiden rakenne ja dynamiikka on vielä tutkimatta. Kuten mitoottisesti pyöristyvien solujen kohdalla, apoptoottinen solu olisi oletettavasti rakenteellisesti heikompi kuin sen ei-apoptoottiset naapurit ja voisi siksi toimia solmupisteenä; apikobasaalinen ”kaapeli” viittaa kuitenkin aktiivisempaan mekanismiin, samoin kuin se, että apoptoottinen solu ei puristu ulos. Näyttää todennäköiseltä, että aktomyosiinikaapelilla on aktiivinen rooli apoptoosin aiheuttamassa soljumisessa.

Solun lyhenemistä on havaittu myös muissa epiteelin invaginaatiotapauksissa. Ascidian gastrulaatiossa Sherrard ym. osoittivat, että endodermisolujen apikaalinen supistuminen ei itse asiassa johda invaginaatioprosessiin, vaan myosiinin basolateraalinen kertyminen johtaa solujen apikobasaaliseen lyhenemiseen ja käynnistää invaginaation. Toisen mekanismin mukaan Drosophilan varhaisen alkion dorsaalipoimut gastrulaation alkuvaiheessa käynnistyvät invaginoivien solujen adherens-liitosten basaalisesta siirtymisestä, mikä johtaa liitoskohdan sijainnin epäsuhtaan naapurisolujen kanssa, mikä edistää kudoksen vääntymistä. Vaikka on osoitettu, että adherens-liitosten asentoja säätelevät polariteettiproteiinit Par1 ja Bazooka, fysikaalinen mekanismi on vielä tutkimatta.

Basaalinen kiilaantuminen

Invaginoivassa kudoksessa solujen kiilamaiset solut ovat väistämätön seuraus kudosgeometriasta, eivätkä ne välttämättä osoita apikaalista supistumista. Neuraaliputken kehityksen aikana tulee esiin prosessi nimeltä basaalinen kiilaantuminen, jossa tapahtuu kiilaantumista, joka on aivan eri asia kuin apikaalinen supistuminen. Suurimman osan muodostuvan amnioottien hermostoputken keskiviivalla epiteeli taipuu jyrkästi muodostaen niin sanotun mediaalisen saranapisteen (MHP) . Näiden nivelten kohdalla olevat solut ovat lähes kaikki kiilamaisia, kun taas niiden naapurit ovat muodoltaan erilaisia, enimmäkseen karanmuotoisia, mikä kuvastaa tämän epiteelin pseudostratifioitunutta luonnetta (kuva 5). Tärkeää on, että solut ovat hyvin tiiviisti pakkautuneet epiteelin tasoon, ja ne ovat niin kapeita, että kukin solu pullistuu ytimensä ympärille. Saranapistesolujen kiilamainen muoto johtuu ainakin suurelta osin tyvitumakkeista. Tämä näyttää liittyvän interkineettiseen ytimen migraatioon, joka tarkoittaa ytimen siirtymistä apikobasaaliseen suuntaan solusyklin edetessä: solut jakautuvat apikaalisesti, ja kun solut ovat S-vaiheessa, tuma sijaitsee basaalisesti, ja tämän mukaisesti saranapisteen solut viettävät pidemmän ajan S-vaiheessa. Solunjakautumissykliä on pidetty vastaavalla tavalla osallisena näköhermokupin morfogeneesin taittumisessa . Avoimeksi kysymykseksi jää kuitenkin, onko solusyklin hallinta välttämätön tai ainoa apikobasaalisen ytimen asentoa ohjaava tekijä . Tärkeää on, että basaalinen kiilaaminen erotettiin kokeellisesti apikaalisesta supistumisesta havaitsemalla, että aktiinipolymerisaation estäminen, vaikka se sai aikaan sen, että suurin osa hermostoputkesta loksahti auki ja apikaaliset pinnat laajenivat koko hermolevyllä, ei onnistunut poistamaan taivutusta keskimmäisessä saranapisteessä. Tämä osoittaa myös, että mediaanisaranan taipuminen on luontaista, koska reunimmaisen epiteelin rentoutuminen irrottaa mediaanisaranan ulkoisista voimista ja että basaalinen kiilaaminen tapahtuu eri tavalla kuin apikaalinen supistuminen.

Pystysuuntainen teleskooppi ja apikaalinen/basaalinen niputus

Huomionarvoista on, että tietyillä hermostoputken anteroposteriorisilla alueilla on myös dorsolateraalisia saranapisteitä, joihin ei liity basaalista kiilautumista eikä (sytokalasiinille herkästi reagoivaa) apikaalista supistumista . Vaikka taivutusmekanismiksi on ehdotettu ekstodermista tulevaa ulkoista työntävää voimaa, uudemmat todisteet ovat vastustaneet sitä ja esittäneet, että hiiren hermostoputken solujen proliferaation ja translokaation synnyttämä solujen erilainen pakkautuminen johtaa rakenteen taittumiseen.

Tähän liittyen Jacobson, Oster ym. kuvasivat vuonna 1986 Xenopus-sammakoilla hermopoimun kohoamiseen (neurulaation lateraalinen alku) liittyvää käyttäytymistä (neurulaation lateraalinen alku), jota he nimesivät ”traktoriutumiseksi”. Termi ”tractoring” otettiin esiin ja sitä käytettiin uudelleen epiteelin taipumisen yhteydessä merisiilin gastrulaatiossa kahdessa muussa artikkelissa. Näissä kolmessa artikkelissa käsiteltyjä asioita kannattaa tarkastella yksityiskohtaisesti (ks. seuraava kohta). Valitettavasti termiä ”tractoring” käytettiin myös samassa vuonna 1986 julkaistussa artikkelissa kuvaamaan paitsi solujen käyttäytymistä sinänsä myös spekulatiivista subcellulaarista mekanismia, joka voisi ohjata sitä. Tässä spekulatiivisessa ”traktoreiden” käytössä solun kuori virtaa kuin lieron raide solun ympärillä siirtääkseen solua suhteessa naapureihinsa. On vaikea kuvitella, että solukortikaalinen traktorointi tapahtuisi epiteeleissä, joissa on tiukkoja liitoksia, jotka estäisivät solukortikaalisen liikkeen, eikä ajatusta ole koskaan tutkittu (vaikka alkion epiteeleissä, erityisesti nisäkkäiden alkioissa, ei useinkaan ole tiukkoja liitoksia, ja niiden adheesio voi olla häilyvämpi). Eräässä hiljattain julkaistussa artikkelissa on herätetty uudelleen henkiin ajatus kortikaalisesta traktoriutumisesta eristetyissä soluissa, jotka vaeltavat ahtaissa tiloissa. Sekaannusten välttämiseksi luovumme termistä ”traktorointi” kokonaan (paitsi lainausmerkeissä, joissa kyseiset kirjoittajat käyttivät sitä). Sen sijaan tarjoamme kaksi uutta termiä – sillä kyse on todellakin kahdesta solukäyttäytymisestä – nimittäin pystysuorasta teleskoopista ja basaalisesta (tai apikaalisesta) niputtamisesta.

Jacobsen et al. kuvasivat hermolevyjen taivutuksen aikana tapahtuvaksi vaikutukseksi sen, että solut liukuvat pystysuoraan toistensa ohi samalla tavalla kuin nousevien liukuportaiden askelmat luovat kaltevuuden tai mutkan. Toinen käyttökelpoinen tapa kuvata tätä on se, että epiteeli laajenee alaspäin pystysuuntaisen siirtymän, käytännössä leikkauksen, vaikutuksesta sen solujen välillä, jotka ovat järjestäytyneet invaginaation keskipisteen ympärille, samaan tapaan kuin teleskooppi laajenee osiensa liukumisen vaikutuksesta (kuva 6a). Ehdotamme tälle prosessille termiä ”pystysuora teleskooppi”, joka kuvaa paitsi pystysuoraa ”leikkausta” myös sen keskittynyttä järjestelyä. Todellinen leikkaus solujen välillä on epätodennäköistä: solujen pystysuuntainen liike muistuttaa paljon todennäköisemmin klassista solumigraatiota, jossa solut ryömivät tai rullaavat kiinteiden adheesiopisteiden yli, ja liike tapahtuu basaalisten tai apikaalisten ulokkeiden laajentumisen avulla (kuva 6b,c). Meillä on alustavia todisteita vertikaalisesta teleskoopista, jota esiintyy hampaiden morfogeneesissä ja sylkirauhasten invaginaatiossa (E. Panousopoulou, J.Li ja J.B.A. Green 2016, julkaisemattomat tiedot). Edellä mainitut havainnot hiiren lateraalisessa hermostoputkessa ovat sopusoinnussa tämäntyyppisen mekanismin kanssa, mutta vertikaalista leikkauksen kaltaista liikettä ei ole vielä havaittu suoraan.

Erolainen mekanismi, jota on kuvattu termillä ”traktoriutuminen”, esiintyy merisiilin gastrulaatiossa, ja se muodostuu siitä, että solujen apikaaliset ulokkeet ”raahautuvat” itseään sentripetaalisesti pakottaen solut sentripetaalisesti kallistuvaan orientaatioon ja taivuttaen näin epiteeliä (kuva 6d) . Tämä prosessi on mallinnettu selkeimmin supistuvina apikaalisina solupidennyksinä toisessa artikkelissa, jossa käytetään termiä ”tractoring”, ja tässä nimetään prosessi uudelleen ”apical bunchingiksi” (kuva 6d), ja sana ”bunching” ilmaisee ajatuksen (solujen latvojen) kokoamisesta yhteen (solujen latvojen) ulkopuolelta tulevan puristuksen avulla (viereisten solujen sivusuunnassa ulottuvien apikaalisten ulokkeiden avulla). Apikaalinen niputtaminen eroaa vertikaalisesta teleskooppimisesta siinä, että niputtaminen saa aikaan muodonmuutoksen ilman vertikaalista siirtymää, kun taas vertikaalinen teleskooppiminen määritellään päinvastoin vertikaaliseksi leikkaukseksi ilman muodonmuutosta. Nämä määritelmät ovat kuitenkin teoreettisia: käytännössä apikaalisten ulokkeiden lateraalinen ryömiminen voi samanaikaisesti sekä deformoida että painaa naapurisoluja (kuva 6d). Apikaalinen kuroutuminen eroaa apikaalisesta supistumisesta myös siksi, että kuroutumisessa voima on deformoituneeseen soluun nähden ulkoinen, kun taas supistumisessa se on sisäinen.

Jacobson ym. olivat myös esittäneet, että neuraalilevyn solujen tyvitumakkeet etenivät sivusuunnassa tyvilaminaattia pitkin ulottuen naapureidensa alapuolelle. Yksi tämän vaikutus näyttäisi olevan näiden solujen puristaminen sivusuunnassa niiden tyvestä, mikä ajaa neuraalilevyn evaginaatioon (luoden koveran invaginaation kaltaisen mutkan viereiseen neuraalilevyn osaan passiivisesti). Tätä voitaisiin kuvata ”basaaliseksi niputtamiseksi” toisin kuin apikaalista niputtamista, mutta tästä ilmiöstä ei ole vielä selkeitä eläviä havaintoja, jotka vahvistaisivat sen olemassaolon kokeellisesti.

Suprabasaalinen interkalaatio: monikerroksisen epiteelin taipuminen

Useimmat edellä mainituista mekanismeista koskevat joko monokerroksisia tai pseudostratifioituneita epiteeleitä; siksi yksi jäljellä oleva mysteeri on se, miten stratifioitunut epiteeli, jota esiintyy hyvin usein varhaisessa organogeneesissä, kuten hampaan plakodissa, hiusfollikkelissa ja maitorauhasessa, taipuu nupuksi tai putkenmuotoiseksi elimen alkuosaksi. Tuore tutkimus osoitti, että näissä taipuvissa epiteeleissä aktiini ja fosforyloidut myosiinit eivät rikastu apikaalisesti kiilamaisissa tyvikerroksen soluissa, eivätkä tumat sijaitse pääasiassa tyviosassa. Näin ollen apikaalinen supistuminen tai basaalinen kiilaaminen eivät näytä osallistuvan tähän prosessiin.

Teoreettisesti on ehdotettu, että tyvikerroksen yläpuolella olevien solujen paikallisesti kohonnut proliferaatio ja tarkemmin sanottuna kerrostuminen riittää ajamaan epiteelin ”alaspäin kasvua” (kuva 7) ; tosiaankin spindelin suuntautumisen tutkiminen molaarihampaassa, joka on yksi suurimmista epiteelielimen plokodeista, osoitti, että solujen jakautuminen plokodissa tapahtuu kohtisuoraan kudoksen tasoon nähden, jolloin syntyvät suprabasaaliset solut (kuva 7b) . A priori olisi kuitenkin odotettavissa, että kerrostuminen paksuntaa epiteeliä sekä ylös- että alaspäin tai jopa vain ylöspäin, jos alla oleva (mesenkymaalinen) kudos olisi jäykkä. Lisäksi samassa työssä havaittiin kokeellisesti, että pelkkä kerrostuminen ei yksinään riitä edistämään invaginaatiota ja että proliferaation estäminen ei estä invaginaatiota. Toisin sanoen ”alaspäin kasvaminen” on riittämätön kuvaus varhaisen istukan invaginaatiosta. Sen sijaan suprabasaalisten solujen havaittiin tuottavan välttämättömän taivutusjännityksen, mikä käy ilmi aktiini- ja fosfomyosiinipitoisuuksien kohoamisesta, solujen interkalaatioliikkeistä ja fyysisen leikkaamisen yhteydessä tapahtuvasta takaisinkytkeytymisestä . Suprabasaalikerroksen solujen interkalaation suprabasaalikerroksessa synnyttämän planaarisen jännityksen osoitettiin välittyvän basaalilaminaatioon basaalikerroksen solujen välityksellä, jotka ovat ankkuroituneet basaalisesti, mutta jotka samanaikaisesti laajentavat sentripetaalisesti suuntautuneita apikaalisia ulokkeita, jotka osallistuvat interkalaatioon (kuva 7c) . Basaalikerros vastustaa lateraalista puristusta, joten sen on taivuttava vastauksena suprabasaaliseen supistumiseen. Topologisesti suprabasaaliset solut ektodermiplakodeissa ottavat apikaalisten aktomyosiinikaapelien roolin, mutta paljon suuremmassa mittakaavassa.

Johtopäätös

Kuten 1 §:ssä täsmennettiin, olemme tässä pyrkineet antamaan lyhyen ja ajantasaisen yhteenvedon tärkeimmistä mekanismeista, joiden ajatellaan vaikuttavan epiteelin invaginaatioon. On syytä mainita, että tässä käsitellyt eri mekanismit eivät välttämättä sulje toisiaan pois. Esimerkiksi proliferaatio on välttämätön edellytys suprabasaaliselle interkalaatiolle kerrostuneessa epiteelissä, basaalinen relaksaatio edeltää yleensä apikaalista supistumista, ja apikaalinen tai basaalinen niputtaminen voi toimia yhdessä apikaalisen supistumisen tai basaalisen kiilaamisen kanssa. Käsiteltyjen mekanismien hierarkia edustaa myös tietämyksemme rajoituksia. Apikaalinen supistuminen oletetaan ehkä yleiseksi lähinnä sen perusteella, että se on ilmeistä laboratoriomalliorganismien varhaiskehityksessä. Muita mekanismeja arvostetaan asteittain vähemmän, mutta niitä on syytä tarkastella tasavertaisemmin, koska ne voivat olla yleisempiä ja tärkeämpiä myöhemmässä kehityksessä ja eri lajeissa kuin tähän asti on arvioitu. Invaginaatio on vain yksi epiteelin taipumisen tyyppi. Olemme tilasyistä jättäneet käsittelemättä ilmeisimmin siihen liittyvää morfogeneettistä prosessia, nimittäin evaginaatiota, esimerkiksi basaalista supistumista, joka johtaa kudoksen taittumiseen ulospäin. Olemme myös rajoittaneet tätä katsausta keskittymällä taivutukseen, jota ohjaavat luontaiset voimat. Sisäisillä voimilla tarkoitamme epiteelissä itsessään syntyviä voimia (vaikkakaan ei välttämättä vain taivutuskohdassa, kuten esimerkiksi kaapelin aiheuttama taipuminen). Sisäisten voimien lisäksi suolen tai sydämen kaltaisten putkien taipumista voivat ohjata epiteelin ulkopuoliset voimat, kuten vastusvoimat, jotka syntyvät kiinnittyneessä tai ympäröivässä joustamattomassa kudoksessa epiteelin kasvaessa.

Sen sijaan, että keskityttäisiin esimerkiksi epiteelin taipumisen biomekaanisiin näkökohtiin tai tarkasteltaisiin kattavasti epiteelin morfogeneesiä kokonaisuutena , olemme esittäneet luonnoksen erilaisista solujärjestelmistä, jotka koordinoidulla kokonaiskäyttäytymisellä luovat tarvittavan anatomian. Joidenkin näistä systeemeistä molekyylimekanismeja ymmärretään jonkin verran, mutta useimpien kohdalla yhteys subcellulaaristen molekyyliprosessien ja supracellulaaristen kudostason tulosten välillä on edelleen karkea. On kuitenkin selvää, että on valaisevaa tarkastella mekanismia suprasellulaarisessa tai monisoluisessa mittakaavassa. Tarkastelemalla epiteeli-invaginaatioita tällä tavoin solujärjestelminä kehitystapahtumien häikäisevä moninaisuus voidaan pelkistää pieneen määrään käsiteltäviä motiiveja. Näiden motiivien tunnistamisesta ja luonnehtimisesta (jopa variaatioineen) tulee siten toteuttamiskelpoinen ohjelma sekä kokeelliselle että teoreettiselle edistykselle.

Tekijöiden panos

Kaikki kirjoittajat osallistuivat käsikirjoituksen ideointiin, laatimiseen, lukujen laatimiseen ja muokkaamiseen.

Kilpailevat etunäkökohdat

Meillä ei ole kilpailevia etunäkökohtia.

Rahoituksesta

Työ rahoitettiin apurahalla, joka myönnettiin BBSRC grant no. BB/L002965/1 to J.B.A.G.

Footnotes

One contribution of 13 to a theme issue ’Systems morphodynamics: understanding the development of tissue hardware’.