Informatie

Wat is het totale aantal splitsingsronden tijdens de embryonale ontwikkeling van zoogdieren?


Dat voor kikker is 12, maar hoe zit het met embryo's van zoogdieren? Ik kan het exacte aantal nergens vinden.


Het is geen volledig te beantwoorden vraag, aangezien sommige soorten cellen zich vaker zullen delen dan andere. Maar neem voor een schatting als uitgangspunt dat er 1 biljoen cellen in het volwassen menselijk lichaam zijn. [1] Het gemiddelde gewicht van een mens is 62 kg. [2] Het gemiddelde geboortegewicht is ongeveer 3,4 kg. [3]

Dat betekent dus ongeveer (3,4/62)* 1 biljoen = 55 miljard cellen in een pasgeborene.

Je neemt dan de log-basis 2 van 55 miljard, wat je de exponent geeft die je aan 2 moet hangen om 55 miljard te krijgen, wat ongeveer 35 is. Voeg dan één toe voor die extra celdeling om van één naar twee cellen te komen = = 36 divisies.

Natuurlijk gebruik ik alleen wiskunde, geen biologie, dus je werkelijke realiteit kan variëren. Zeker, sommige cellen zullen zich vaker voortplanten dan andere, misschien groeien cellen daadwerkelijk in massa in plaats van te delen (d.w.z. babycellen kunnen minder massa hebben dan volwassen cellen), dus het aantal babycellen kan niet goed zijn, veel mogelijke bronnen van fouten.

[1] http://www.nichd.nih.gov/publications/pubs/fragileX/sub3.cfm

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Body_weight#Average_weight_around_the_world

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Infant#Weight


Splitsing (embryo)

In de ontwikkelingsbiologie, decollete is de celdeling in het vroege embryo. Het proces volgt op de bevruchting, waarbij de overdracht wordt geactiveerd door de activering van een cycline-afhankelijk kinasecomplex. [1] De zygoten van veel soorten ondergaan snelle celcycli zonder significante algemene groei, waardoor een cluster van cellen wordt geproduceerd die even groot zijn als de oorspronkelijke zygote. De verschillende cellen afgeleid van splitsing worden blastomeren genoemd en vormen een compacte massa die de morula wordt genoemd. De splitsing eindigt met de vorming van de blastula.

Afhankelijk van de concentratie van dooier in het ei, kan de splitsing zijn holoblastisch (totale of volledige decolleté) of meroblastisch (gedeeltelijke splitsing). De pool van het ei met de hoogste concentratie dooier wordt de plantaardige pool genoemd, terwijl de tegenovergestelde pool de dierlijke pool wordt genoemd.

Splitsing verschilt van andere vormen van celdeling doordat het het aantal cellen en de kernmassa verhoogt zonder de cytoplasmatische massa te vergroten. Dit betekent dat er bij elke opeenvolgende onderverdeling ongeveer de helft van het cytoplasma in elke dochtercel is dan vóór die deling, en dus neemt de verhouding van nucleair tot cytoplasmatisch materiaal toe. [2]


Wat is het totale aantal splitsingsronden tijdens de embryonale ontwikkeling van zoogdieren? - Biologie

Het product van bevruchting is een eencellig embryo met een diploïde complement van chromosomen. In de komende dagen ondergaat het zoogdierembryo een reeks celdelingen, wat uiteindelijk leidt tot de vorming van een holle bol van cellen die bekend staat als een blastocyst. Op een bepaald punt tussen bevruchting en blastocystvorming, beweegt het embryo uit de eileider, in het lumen van de baarmoeder.

De onderstaande afbeeldingen tonen belangrijke structuurovergangen tijdens vroege embryogenese bij runderen. Merk op dat in alle vroege stadia het embryo is ingekapseld in zijn zona pellucida. Embryo's van andere zoogdieren lijken erg op elkaar en de algemene volgorde van stadia wordt bij alle zoogdieren gezien.

Onbevruchte eicellen vullen doorgaans de hele ruimte in de zona pellucida, maar na de bevruchting is het eencellige embryo meestal enigszins teruggetrokken uit de zona pellucida eromheen. Hoewel niet zichtbaar op deze afbeelding, zijn vaak een of twee poollichamen zichtbaar in de perivitelline-ruimte, het gebied tussen het embryo en de zona pellucida.

Het ene celembryo ondergaat een reeks splitsingsdelingen, die zich door de stadia van 2 cellen, 4 cellen, 8 cellen en 16 cellen voortzetten. Een viercellig embryo wordt hier getoond. De cellen in embryo's in het splitsingsstadium staan ​​bekend als blastomeren. Merk op dat de blastomeren in dit embryo en het achtcellige embryo hieronder duidelijk rond zijn.

In het begin vinden splitsingsdelingen vrij synchroon plaats. Met andere woorden, beide blastomeren in een tweecellige ondergaan mitose en cytokinese bijna gelijktijdig. Om deze reden worden herstelde embryo's meestal waargenomen in het twee-, vier- of, en hier te zien, achtcellige stadium. Embryo's met een oneven aantal cellen (bijvoorbeeld 3, 5, 7) worden minder vaak waargenomen, simpelweg omdat die toestanden relatief kort duren.

Kort na de ontwikkeling van het 8-cellige of 16-cellige embryo (afhankelijk van de soort), beginnen de blastomeren nauwe verbindingen met elkaar te vormen, wat leidt tot vervorming van hun ronde vorm en de vorming van een moerbei-vormige massa cellen genaamd een morula. Deze vormverandering van het embryo wordt verdichting genoemd. Het is moeilijk om de cellen te tellen in een morula. Het hier getoonde embryo heeft waarschijnlijk tussen de 20 en 30 cellen.

Vorming van junctionele complexen tussen blastomeren geeft het embryo en de buitenkant en een binnenkant. De buitenste cellen van het embryo beginnen ook een verscheidenheid aan membraantransportmoleculen tot expressie te brengen, waaronder natriumpompen. Een resultaat van deze veranderingen is een ophoping van vocht in het embryo, wat de vorming van de blastocyst aangeeft. Rechts is een vroege blastocyst te zien, die een kleine hoeveelheid blastocoele vloeistof bevat.

Terwijl de blastocyst blastocoelvloeistof blijft ophopen, zet het uit om - je raadt het al - een geëxpandeerde blastocyst te vormen. Het blastocyststadium is ook een mijlpaal omdat dit de eerste keer is dat twee onderscheidende weefsels aanwezig zijn. Een blastocyst is samengesteld uit een holle bol van trofoblastcellen, waarbinnen zich een kleine cluster van cellen bevindt die de binnenste celmassa wordt genoemd. Trofoblast draagt ​​verder bij aan foetale membraansystemen, terwijl de binnenste celmassa grotendeels bestemd is om het embryo en de foetus te worden. In de hier getoonde geëxpandeerde blastocyst is de binnenste celmassa het dicht uitziende gebied aan de onderkant van het embryo.

Uiteindelijk ontwikkelt de uitgerekte zona pellucida een scheur en ontsnapt de blastocyst door een proces dat uitbroeden wordt genoemd. Dit laat een lege zona pellucida en een zona-vrije of uitgekomen blastocyst achter die in het lumen van de baarmoeder ligt. Afhankelijk van de soort ondergaat de blastocyst vervolgens implantatie of verlengt hij snel om het baarmoederlumen te vullen.

Zoals vermeld, is de hierboven beschreven ontwikkelingsprogressie voor runderembryo's in wezen identiek aan wat alle zoogdierembryo's doormaken, inclusief mensen. De afbeelding links toont bijvoorbeeld een geëxpandeerde blastocyst van een hond. Dit embryo werd gekleurd om de trofoblast en de binnenste celmassa te accentueren.

De tijd die nodig is voor pre-implantatie-ontwikkeling varieert enigszins, maar niet drastisch tussen soorten. De hierboven getoonde zona-intacte runderblastocysten werden 5-6 dagen na de bevruchting verzameld. Dezelfde stadia zouden worden gezien bij muizen ongeveer 3,5 dagen na de bevruchting.

Naast de morfologische veranderingen in het embryo die hier worden beschreven, wordt pre-implantatie-ontwikkeling geassocieerd met wat een ontwaken van het embryonale genoom zou kunnen worden genoemd. Er is bijvoorbeeld weinig transcriptie in de embryo's van de meeste soorten voorafgaand aan het 8-cellige stadium, maar naarmate embryo's zich ontwikkelen tot morulae en vervolgens tot blastocysten, wordt een groot aantal genen transcriptioneel actief en neemt het totale transcriptieniveau dramatisch toe.


Wat is het totale aantal splitsingsronden tijdens de embryonale ontwikkeling van zoogdieren? - Biologie

Decollete verwijst naar het stereotiepe patroon van vroege mitotische delingen dat het ei-cytoplasma met groot volume verdeelt. De vroege zygote is uniek omdat hij zo groot is. De meeste cellen ondergaan een groeiperiode tussen mitosecycli, maar dit geldt niet voor blastomeren in het vroege splitsingsstadium. Bij elke deling worden de cellen kleiner. Dit snelle patroon van celdeling zonder gelijktijdige groei stopt abrupt in het stadium dat de wordt genoemd mid-blastula overgang waar de zygotische kern de celcyclus overneemt.

Er zijn aanwijzingen dat een maternale factor, misschien een transcriptionele regulator, verantwoordelijk is voor dit vroege snelle patroon van splitsingsdelingen. Door de cytoplasmatische tot nucleaire DNA-verhouding kunstmatig te veranderen, kunt u de tijd van de midblastula-overgang veranderen. De midblastula-overgang verwijst naar het moment waarop de belangrijkste omschakeling van expressie van maternale naar zygotische genen plaatsvindt.

Bemesting bij sommige soorten leidt tot radicale cytoplasmatische bewegingen die essentieel zijn om ervoor te zorgen dat de cytoplasmatische determinanten zich op de juiste posities bevinden ten opzichte van daaropvolgende splitsingsgebeurtenissen.

PATRONEN VAN EMBRYONISCH DEKSEL
Patroon van embryonale splitsing wordt bepaald door zowel de positie van de mitotische spindels als door de hoeveelheid en verdeling van dooier. Dooier heeft de neiging de splitsing te remmen. Het vertraagt ​​het of voorkomt juist een volledige decolleté. Dooier is een aanpassing van die dieren die min of meer embryogenese doormaken, geïsoleerd uit elke voedselvoorziening. Sommige dieren, zoals zee-egels, hebben relatief weinig dooier omdat ze zich snel ontwikkelen tot een vrijzwemmende larvale vorm die voedingsstoffen uit hun omgeving haalt. Andere dieren zoals buideldieren worden te vroeg geboren, maar krijgen voedsel in een ouderlijk zakje. Placenta-zoogdieren ontwikkelen een gespecialiseerd orgaan waardoor het embryo gedurende de hele ontwikkeling wordt gevoed en hebben dus ook weinig dooier.

De soorten eieren op basis van dooierkenmerken worden beschreven als:
Isolecithal: dun, gelijkmatig verdeelde dooier, bijv. zee-egel, muis
mesolectaal: matige hoeveelheid dooier, vaak ongelijk verdeeld, bijv. kikker
Telolecithal: dichte dooier geconcentreerd aan één uiteinde, bijv. vogel, reptiel
Centrolecithal: dooier geconcentreerd in het midden van het ei, bijv. vlieg

Veel eieren zijn gepolariseerd met een dooierrijke pool, de plantaardige paal en een dooier arme paal genaamd de dieren paal, bijv. kikker. De zygotische kern is over het algemeen verplaatst naar de dierlijke pool. Zygoten met relatief weinig dooier (isolecithal en mesolecithal) splijten HOLOBLASTISCH. De splitsingsgroef loopt helemaal door het ei. Terwijl telolecithal en centrolecithal zygoten ondergaan: MEROBLASTIC splitsing waarbij het splitsingsvlak zich alleen uitstrekt tot aan de opgehoopte dooier. In centrolecithale eieren (veel insecteneieren) is de splitsing meroblastisch en oppervlakkig, terwijl in telolecithale eieren (vogels en vissen) splitsing is schijfvormig

Er zijn verschillende soorten splitsingssymmetrie die in de natuur worden gezien: radiaal (stekelhuidigen, amfibieën), spiraalvormig (weekdieren, ringwormen), bilateraal (ascidians, manteldieren), roterend (zoogdieren). De twee onderstaande figuren tonen voorbeelden van holoblastische en meroblastische splitsingssymmetrieën.

RADIAAL HOLOBLASTISCHE DEKSEL

Uitstekende film van de decolleté van zee-egels uit Rachel Fink's "A Dozen Eggs".

Zee-egels hebben ook radiale holoblastische splitsing, maar met enkele interessante verschillen. Eerste decolleté is meridionale. Tweede decollete is meridionale. Derde splitsing is equatoriaal De vierde splitsing is meridionale, maar terwijl de vier dierlijke poolcellen gelijkelijk splitsen om aanleiding te geven tot acht even grote dierlijke blastomeren genaamd MESOMER, delen de plantaardige cellen zich asymmetrisch langs het equatoriale vlak om 4 grote te geven MACROMEREN en 4 veel kleiner MICROMEREN aan de plantenpool. Vijfde divisie de MESOMERES verdelen equatoriaal om twee rijen van acht MESOMERES te geven an1 en an2 , de MACROMEREN delen meridionaal en vormen een rij van acht cellen onder an2, de MICROMEREN delen om een ​​cluster van cellen te geven onder de groenten1 laag. De zesde divisies zijn allemaal equatoriaal, wat een geeft vegetarisch laag. De zevende divisies zijn allemaal meridionale en geven een blastula met 128 cellen.

Wat bepaalt deze decolletépatronen? Zijn ze afhankelijk van de vorige splitsing en worden ze afgespeeld als een band of worden ze bepaald door een intrinsieke klok? In 1939 remde Horstadius een of twee van de eerste drie splitsingen en ontdekte dat het verschijnen van de micromeren op het juiste moment plaatsvond, ongeacht de geschiedenis van splitsingen

De conclusie uit deze experimenten is dat er een factor in de vegetatieve pool van het ei is die de vorming van de micromeren bepaalt en verder dat er een 'moleculaire klok'148 moet zijn die begint bij eiactivering. De klok is onafhankelijk van de feitelijke splitsingsgebeurtenis.

De 128-cellige blastula is een vrij losse bal van cellen die een holle blastocoel omgeeft. De bal is één cellaag dik met alle cellen in contact met de externe hyalinelaag en de interne vloeistof van de blastocoel. In dit ontwikkelingsstadium beginnen de cellen de tight junctions te vormen die kenmerkend zijn voor een epitheel. De centrale blastocoel is nu geïsoleerd van de externe omgeving. De blastomeren blijven zich delen met hun as evenwijdig aan de hyalinelaag en blijven een epitheel van één cel dik. De blastocoel wordt steeds groter.

Twee theorieën proberen het patroon van vergroting van de blastocyst te verklaren:
1. De osmotische theorie suggereert dat ionen en eiwitten door de blastomeren in de blastocoel worden uitgescheiden en dit resulteert in een drukopbouw als gevolg van de osmotische stroming van water. Deze druk zou dan verantwoordelijk zijn voor het uitlijnen van de asmitose van de blastomeren en de vergroting van de blastocoel.

2. De alternatieve theorie van Wolpert en zijn collega's suggereert dat het in feite de adhesieve interacties tussen de blastomeren en tussen de blastomeren en de hyalinelaag zijn die de mitotische assen op één lijn brengen. Dat wil zeggen dat de hechting aan de hyaline het grootst is, de hechting aan andere blastomeren de volgende is en tenslotte de interactie met de blastocoelwand het minst. De dominante hechting met de hyalinelaag dwingt de expansie van de blastocyst en blastocoel.

De cellen van de blastula groeien trilhaartjes op hun buitenoppervlak, scheiden een 'uitkomend enzym'148 (hyalinase) af en worden vrijzwemmend.


AMFIBIEN DEKSEL
De splitsing bij veel amfibieën is holoblastisch met radiale symmetrie, maar het grote volume dooier (zijn mesolecithale) interfereert met splitsing. Bij de dierlijke pool verloopt de eerste splitsing met ongeveer 1 mm/min, terwijl via de plantaardige pool 50-100 keer langzamer verloopt (.02 mm/min). Terwijl de eerste splitsing nog onvolledig is in het dooier-vegetale gebied van het ei, begint de tweede meridionale splitsing plaats te vinden.

De derde splitsing is equatoriaal, maar omdat de kernen en asters naar de dieren worden verplaatst, wordt het splitsingsvlak, hoewel loodrecht op de plantaardige as van het dier, ook verplaatst naar de dierenpool en verdeelt het de blastomeren niet gelijkmatig. Het resultaat is vier kleinere dierlijke blastomeren (genaamd MICROMEREN) en vier grote plantaardige paalblastomeren (genaamd MACROMEREN). Deze ongelijke holoblastische splitsing geeft aanleiding tot een sneller delende dierlijke pool die bestaat uit kleinere micromeren en een langzamer delende plantaardige pool die bestaat uit macromeren. De dierlijke pool bestaat al snel uit veel kleine micromeren en de plantaardige pool uit een paar dooier gevulde grote macromeren. Hoewel de vorming van de blastocoel begint met de eerste splitsing, wordt het pas duidelijk in het 128-celstadium.

WELKE FUNCTIE DIENT DE BLASTOCOEL?
De blastocel scheidt cellen ruimtelijk zodat ze elkaar niet raken. Cellen op het dak van de blastocoel worden normaal gesproken ectoderm. Als je cellen van het dak van de blastocoel transplanteert naast de dooiercellen aan de basis van de blastocoel, zullen ze differentiëren als mesoderm. Mesodermale derivaten worden normaal geproduceerd uit cellen die grenzen aan de endodermale voorlopers. Een mogelijkheid die we grondig zullen onderzoeken, is dat de plantaardige cellen via cel-celinteracties de aangrenzende cellen 'induceren' om mesodermaal te worden. De vorming van de blastocoel kan dus nodig zijn om ongepaste "inductieve" interacties tussen vroege cellen van de blastocyst te voorkomen. De tweede voor de hand liggende behoefte aan de blastocoel kan tijdens de volgende ontwikkelingsfase zijn, GASTRULATIE, waar cellen migreren naar het binnenste van de blastocoel.

MAMMALIAN DEKSEL
Het zoogdierei wordt vrijgelaten uit de eierstok in de eileider waar het wordt bevrucht. De eerste splitsing begint ongeveer een dag na de bevruchting in de eileider. In schril contrast met de meeste dieren, kan de splitsing bij zoogdieren erg traag zijn --- 1 per dag.

Bovendien verschillen de splijtvlakken enigszins van andere dieren. Eerste decolleté is meridionale net als zee-egels en kikker. De tweede splitsingsdeling ziet echter dat een van de blastomeren meridionaal en de andere equatoriaal deelt! Dit type decolleté heet ROTATIEVE HOLOBLASTIC SPLEVING.

Een ander uniek kenmerk van zoogdiersplitsing is dat de blastomeersplitsingen asynchroon zijn. (vergeleken met de synchronie van zee-egel en kikker tot de midblastula-overgang). De splitsing van het zoogdierembryo wordt vanaf het begin gereguleerd door de zyotische kern.

Door de derde splitsing vormen de blastomeren een bal van losjes verbonden cellen, net als de andere dieren die we hebben bestudeerd. Vóór de vierde splitsing veranderen de cellen van de blastula hun gedrag ten opzichte van elkaar drastisch. Ze proberen snel hun contacten met de andere blastomeren te maximaliseren en zorgen daarbij dat de blastula compact wordt.

Dit VERDICHTING komt gedeeltelijk voort uit de productie van een nieuw adhesiemolecuul UVOMORULINE (E-cadherine) en wordt gestabiliseerd door de vorming van nauwe verbindingen tussen de buitenste cellen die net als in de zee-egel de binnenkant van de blastula van de buitenkant afdichten. De cellen vormen onderling ook gap junctions die de doorgang van kleine moleculen mogelijk maken, zoals ionen en sommige second messenger-moleculen zoals Ca++ en C-AMP. De gecompacteerde 16-cellige morula bestaat uit een buitenste schil van cellen en enkele cellen (1-2) volledig inwendig. De meeste externe cellen geven aanleiding tot de TROBLASTISCHE OF TROPHECTODERMALE CELLEN. Deze cellen dragen niet bij aan het eigenlijke embryo, maar zijn in plaats daarvan nodig voor implantatie van het embryo in de baarmoederwand en vormen de weefsels van de CHORIAN, een essentieel onderdeel van de placenta waar we het later over zullen hebben.


De cellen van het embryo zijn afgeleid van de binnenste paar cellen van de 16 celstadium blastula. Deze cellen genereren de binnenste celmassa waaruit het hele embryo zich ontwikkelt. Bij de 6e splitsing, het 64-celstadium, zijn de binnenste celmassa en de trofoblastische laag volledig gescheiden. De trofoblasten scheiden intern vloeistof af om de blastocoel te creëren. Het embryo wordt nu een blastocyst genoemd.

VORMING VAN DE BINNENCELMASSA
Hoe worden deze binnenste celmassacellen gemaakt? Zijn er bepaalde blastomeren die door intrinsieke factoren voorbestemd zijn om voorlopers van de binnenste celmassa te worden? Het antwoord lijkt nee te zijn. Alle vroege blastomeren lijken totipotent te zijn en de bepaling van welke cellen zullen bijdragen aan de trofoblastische laag en welke aan de binnenste celmassa, is gewoon een kwestie van toeval.Cellen van een 4-cellig embryo, die normaal gesproken aanleiding zullen geven tot zowel binnenste celmassa als trophectodermcellen, getransplanteerd naar de buitenkant van een 32-cellig stadiumembryo, geven alleen aanleiding tot trophectoderm. Ze dragen niet bij aan het eigenlijke embryo. Onthoud uit de eerdere lezing over klonen dat fusie van twee muizenembryo's met 8 cellen resulteert in een normaal embryo, wat suggereert dat alle cellen in dat stadium totipotent zijn.

MEROBLASTIC DEKSEL
In telolecithale en centrolecithale eieren voorkomt de grote dichte dooier splitsing. Telolecithale-eieren zijn kenmerkend voor vogels, vissen en reptielen, terwijl centrolecithale-eieren kenmerkend zijn voor insecten. Telolecithale eieren resulteren in meroblastische schijfvormige splitsing. Splitsing is beperkt tot de blastodisc aan de dierlijke pool van het ei. Bij vroege splitsingen, omdat splitsing niet door de dooier kan gaan, zijn de blastomeren continu aan hun plantaardige randen.
Deze film over de ontwikkeling van zebravissen door Rolf Karlstrom is uitstekend. (Film door Paul Myers)

Pas bij de equatoriale splitsingen scheiden de cellen van het blastoderm zich van de dooier. Verdere equatoriale splitsingen creëren een meerlagig blastoderm van drie of vier cellen dik.

Bij vogels vormt zich een ruimte tussen het blastoderm en de dooier, de ONDERGERMINALE holte. Door de 16 deling (60.000 cellen) migreren de cellen van het blastoderm naar de ondergerminale holte om een ​​tweede laag te vormen. De twee lagen worden de buitenste EPIBLAST en de binnenste HYPOBLAST genoemd met de blastocoel ertussen. We zullen dit later in meer detail bestuderen wanneer we gastrulatie van vogels en zoogdieren bespreken

Centrolecital eieren van geleedpotigen ondergaan een OPPERVLAKTE splitsing. De grote centrale massa van dooier beperkt de splitsingen tot de cytoplasmatische rand van het ei.

Een interessante en informatieve variatie wordt gezien bij insecten. De zygotische kernen delen zich zonder splitsing. Dat wil zeggen dat de kernen karyokinese ondergaan ---- mitotische deling van de kern --- zonder cytokinese --- de deling van de cel. Deze naakte kernen worden ENERGIDS genoemd. De kernen delen zich met een verbazingwekkende snelheid --- elke 8 minuten (alle embryogenese duurt slechts 22 uur).

Na verschillende ronden van karyokinese migreren de naakte kernen naar de periferie van het ei. In dit stadium wordt het het SYNCYTILE BLASTODERM genoemd omdat alle kernen hetzelfde cytoplasma delen. Cellularisatie vindt plaats rond de 14e nucleaire deling om de CELLULAR BLASTODERM te creëren. Na deze tijd delen cellen asynchroon. Dit komt overeen met de midblastula-overgang van kikkers en zee-egels. (overgang van maternale naar voornamelijk zygotische genexpressie) Onthoud dat men dacht dat de midblastula-overgang werd veroorzaakt door de verhouding van chromatine tot cytoplasma. Bewijs voor dit mechanisme bij vliegen wordt gezien door mutante haploïde embryo's te onderzoeken. Deze embryo's ondergaan de midblastula-overgang en cellularisatie één deling later op de 15e. Bovendien kunt u de cellularisatie versnellen door het ei te ligeren en het volume van het cytoplasma te verminderen. Hoewel het syncytiële blastoderm-stadium suggereert dat alle kernen even krachtig zijn omdat er geen diffusiebarrières lijken te zijn voor cytoplasmatische determinanten, is het cytoplasma in feite erg geregionaliseerd en hebben de kernen sterk georganiseerde cytoplasmatische domeinen om hen heen.

MECHANISMEN VAN KLEUREN
Celcyclus

M-mitose
G1-pre-replicatiekloof
S- DNA-synthese
G2-premitotische kloof

In splitsingsstadium embryo's zoals kikkers en vliegen gaan de blastomeren direct van M naar S zonder tussenkomst van G1 of G2 stadia. Na de midblastula-overgang hebben cellen in beide dieren een G1 en G2. Elegante transplantatie-experimenten hebben aangetoond dat het het cytoplasma is dat zowel karyokinese als cytokinese reguleert. Als kernen van delende cellen in een eicel worden getransplanteerd, stoppen ze onmiddellijk met delen.

Omgekeerd, als kernen van niet-delende cellen in bevruchte ontkernde eieren worden geplaatst, beginnen ze te delen. Kunstmatig geactiveerde ontkernde eieren zonder centriolen zullen corticale contracties ondergaan die doen denken aan splitsing. Enkele van de cytoplasmatische factoren die de celdeling in het vroege embryo reguleren, zijn geïdentificeerd.

CYTOSTATISCHE FACTOR (CSF) is verhoogd na de eerste meiotische deling en stopt de eicel in de tweede meiotische metafase. Na bevruchting inactiveert de Ca CSF, is de meiose voltooid en fuseren de pronuclei.

MITOSE BEVORDERENDE FACTOR (MPF) zorgt ervoor dat cellen de M-fase ingaan. MPF-activering veroorzaakt: 1. chromosoomcondensatie door H1-histonfosforylering, 2. afbraak van de nucleaire envelop door hyperfosforylering van 3 nucleaire lamines, 3. remming van RNA-polymerase om transcriptie af te sluiten, 4. fosforylering van de regulerende subeenheid van myosine om cytokinese te remmen.

Voorgesteld model voor cyclische regulatie van celcyclus tijdens splitsingsstadia van embrogenese. MPF zorgt ervoor dat de cel van S naar M gaat. CSF bindt aan MPF ​​en voorkomt de inactivatie ervan. De cel blijft in M. Ca neemt toe en veroorzaakt de inactivatie van CSF, wat op zijn beurt leidt tot de inactivatie van MPF ​​en de cel gaat door M naar S en de cyclus wordt herhaald. MPF bestaat uit twee subeenheden, Cyclin B en cdc2. Het is cycline B dat een celcyclusspecifieke synthese en afbraak ondergaat die wordt gereguleerd door de celkern om de celcyclus in normale somatische cellen te regelen. Tijdens oögenese wordt het ei echter geladen met "regulatoren" van cycline B en cycline B-mRNA, zodat de synthese ervan wordt gereguleerd door maternale factoren die onafhankelijk zijn van de zygotische kern. Het is dus pas als de maternale componenten "opraken" dat de zygote kern het overneemt en een normale celcyclus (M, G1, S, G2) terugkeert.


BEPALING VAN HET LOT VAN DE CEL

Cytoplasmatische lokalisatie van DETERMINANTEN als een algemeen en basismechanisme voor vroege patroonvorming (voorbeelden manteldier en zee-egel). Een belangrijke vraag in de ontwikkelingsbiologie is wanneer en hoe het lot van de cel wordt bepaald tijdens de ontwikkeling. Dit hangt nauw samen met de vraag hoe patroonvorming plaatsvindt tijdens de ontwikkeling. Het embryo moet niet alleen het juiste aantal en het juiste type gedifferentieerde cellen genereren, maar ze moeten ook op de juiste manier zijn georganiseerd ten opzichte van alle andere cellen in het embryo om een ​​functioneel dier te vormen. We zullen twee mogelijkheden onderzoeken voor het bepalen van het lot van cellen en patroonvorming: 1. Het lot van de cel kan worden bepaald door intrinsieke factoren die tijdens de oögenese in het ei worden geplaatst en vervolgens worden verdeeld over specifieke blastomeren tijdens de splitsing, 2. Extrinsieke signalen die door de omgeving van het embryo worden geleverd de patrooninformatie om het lot van de cel te reguleren. Zoals we zullen zien, gebruiken de meeste complexe organismen een combinatie van intrinsieke en extrinische signalen om het lot van cellen en embryonale patroonvorming te reguleren.

Autonome specificatie van het lot van een cel door cytoplasmatische determinanten suggereert dat het lot van een cel volledig afhankelijk is van zijn afstamming, terwijl "regulatieve" ontwikkeling suggereert dat het lot van een cel wordt bepaald door externe signalen van andere cellen. Deze twee mechanismen van celspecificatie kunnen experimenteel worden onderscheiden door isolatie-, ablatie- en transplantatie-experimenten. Als een uit een embryo geïsoleerd blastmertje normaal differentieert (alsof het zich nog in zijn normale positie in het embryo bevindt), kunnen we zeggen dat het intrinsieke determinanten moet hebben die zijn lot bepalen. Als het echter abnormaal differentieert, kunnen we zeggen dat het lot van de cel afhankelijk is van externe signalen. Als we een blastomeer van een embryo wegnemen en het embryo ontwikkelt zich abnormaal, waarbij alle cellen die normaal uit het weggenomen blastomeer voortkomen, ontbreken, dan zeggen we dat de ontwikkeling autonoom en intrinsiek gespecificeerd is. Als het embryo zich echter normaal ontwikkelt, zeggen we dat de resterende blastomeren hun cellot kunnen reguleren om de ontbrekende cellen te compenseren. Als een getransplanteerde cel zijn lot behoudt op basis van zijn oorspronkelijke positie, zeggen we dat zijn lot is bepaald, als het een nieuw lot aanneemt op basis van zijn nieuw getransplanteerde positie, zeggen we dat zijn lot wordt gereguleerd door externe signalen van nabijgelegen cellen.

CYTOPLASMISCHE LOCALISATIE EN REGULERING IN HET TUNIKAATEI
Aan het einde van de oogenese heeft het manteldiertje een duidelijk te onderscheiden dierlijke en plantaardige pool. Er is een geel corticaal cytoplasma dat een grijs, dooierachtig binnencytoplasma omringt. De eicelkern wordt verplaatst naar de dierlijke pool. Het binnendringen van sperma in het plantaardige halfrond bevrucht het ei en initieert de ontwikkeling. Een dramatische herschikking van het cytoplasma van het ei vindt plaats na bevruchting, wat aanleiding geeft tot regionaal gekleurde cytoplasma's die lijken te correleren met het daaropvolgende lot van de blastomeer.

Let op de lotkaart correleert met de verschillende gekleurde cytoplasma's van het manteldierembryo. Laat u niet verwarren door de verschillende kleuren in twee figuren. Het "oranje" gele sikkelcytoplasma is gecorreleerd met het lot van de spieren en het Yolky (gele) cytoplasma is gecorreleerd met het endodermale lot. Het grijze (witte of blauwpaarse) cytoplasma boven de gele halve maan is gecorreleerd met het neurale ectoderm.

Deze afstammingskaart toont de invariante afstammingscorrelatie met blastomeren die bepaalde gekleurde cytoplasma's verkavelen door de invariante celsplitsingen. Invariante splitsingen en lijnen bewijzen echter niet noodzakelijk de specificatie van autonome cellen door cytoplasmatische determinanten.

Experimentele manipulaties zijn nodig om de regulatieve versus cel-autonome bepaling van het lot van de cel te testen. De klassieke isolatie-experimenten die in de volgende drie figuren worden getoond, proberen aan te tonen dat het lot van de cel wordt bepaald door cytoplasmatische determinanten die ze verwerven door stereotype splitsingen. Een glazen naald wordt gebruikt om het B4.1-paar blastomeren te scheiden van de rest van het embryo. De B4.1-blastomeren verwerven normaal gesproken het gele halvemaanvormige cytoplasma dat is gecorreleerd met het lot van de spiercel.

Hier kunnen we de resultaten van de isolatie-experimenten zien. In elk geval geven de geïsoleerde blastomeren alleen aanleiding tot die subset van celbestemmingen die ze normaal gesproken zouden produceren in het intacte embryo. De geïsoleerde blastomeren regelen hun lot niet om hun vermiste buren te compenseren. Dierlijke poolblastomeren, a4.2 en b4.2, geven alleen aanleiding tot ectodermale cellen. A4.1 geeft aanleiding tot notochord- en endodermale cellen, terwijl B4.1 aanleiding geeft tot spier- en endodermale cellen. Geen van de geïsoleerde blastomeren kan aanleiding geven tot alle celcomponenten van een normaal embryo.

Het volgende experiment hieronder gebruikt een naald om het equatoriale splitsingsvlak te manipuleren zodat het meer plantaardig is dan normaal en nu verwerven de dierlijke poolblastomeren, b4.2, wat van het "gele halve maan" cytoplasma. Wanneer deze blastomeren worden geïsoleerd, geven ze nu aanleiding tot enkele spiercellen. Dit toont mooi aan dat het "gele halve maan"-cytoplasma het lot van de spiercel kan bepalen en dit op een cel-autonome manier.

Een geleikanaal bepaalt de locatie van de dierenpool en weerspiegelt de vroege polariteit van het ei. Het vroege patroon van splitsingen is niet afhankelijk van de plaats van binnenkomst van het sperma, maar wordt bepaald door de intrinsieke polariteit/asymmetrie van het ei. Boveri (1901) beschreef een subequatoriale pigmentband die orthongonaal op de dier-vegetale as was gerangschikt. Deze korrels gaven ook de locatie aan van het cytoplasma dat later in de cellen van het archenteron wordt opgenomen. Horstadius (1928) scheidde dierlijke en plantaardige blastomeren en toonde aan dat alleen het plantaardige blastomeer aanleiding zou geven tot micromeren, gastrulate en een skelet zou vormen. Zijn conclusie was dat cytoplasmatische factoren in de plantaardige helft noodzakelijk zijn voor micromeren, gastrulatie en archenteronvorming en skeletvorming.
Denk aan het patroon van vroege decolletés. De micromeren ontstaan ​​tijdens de vierde splitsing (16 celstadium) uit een ongelijke equatoriale verdeling van de blastomeren van de vegetatieve pool.

Dit toont de lotkaart van de 64-cellige zee-egelblastula. Merk op dat de micromeren de primaire mesenchymcellen zijn en aanleiding geven tot het larvale skelet (de spicules in het pluteusstadium).

In het viercellige stadium, als de blastomeren van elkaar worden geïsoleerd, zijn ze in staat om hun lot te "reguleren" en aanleiding te geven tot 4 kleine larven in het pluteusstadium.

Daarentegen, als je in latere stadia dierlijke halve blastomeren isoleert, zul je ontdekken dat ze alleen een "geanimeerde" dauerblastula produceren die geen mesodermale of endodermale celbestemmingen uitdrukt. Geïsoleerde plantaardige halve blastomeren geven aanleiding tot larven die het lot van ectodermale, mesodermale en endodermale cellen tot expressie brengen, wat aantoont dat het lot van deze cellen kan worden gereguleerd. Geïsoleerde micromeren (primair mesenchym) ondergaan het juiste aantal celdelingen en geven ALTIJD op schema aanleiding tot spicules. Zo worden micromeren definitief gespecificeerd als de voorlopers van de skeletogene mesenchymcellen wanneer ze voor het eerst verschijnen in het 16-celstadium. De belangrijkste experimenten waren het samenvoegen van micromeren met dierlijke poolblastomeren en toonden aan dat hoewel het lot van micromeren "vastgelegd of bepaald" was op het moment van hun geboorte, micromeren in staat waren om nieuwe celloten te "induceren" in de dierlijke poolblastomeren. De micromeren waren in staat om endodermale en mesodermale lotgevallen in de dierlijke poolblastomeren te induceren! Het late experiment in "C" laat dus zien dat wanneer micromeren worden toegevoegd aan een dierlijke halve blastula, je nu de vorming kunt induceren van een herkenbare larve die endodermale, mesodermale en ectodermale lotgevallen tot expressie brengt.

De laatste reeks experimenten toont aan dat zelfs in een normaal embryo, als je micromeren transplanteert naar de dierlijke poolkap, je een secundair archenteron kunt induceren en de normale axiale patronen kunt veranderen. Dit argumenteert opnieuw dat de micromeren een cytoplasmatische deminant verwerven, de specifieke kenmerken van hun celbestemming en dat ze het inductieve signaal leveren dat de axiale structuren van het zee-oechinembryo vormt. Het lot van micromeren kan niet worden veranderd, maar signalen van de micromeren kunnen het lot van alle andere blastomeren veranderen.

Horstadius: (1928, 1935) toonde experimenteel aan dat in een 16 celstadium embryo alle lagen blastomeren behalve de micromeren een ander lot zullen aannemen wanneer ze worden getransplanteerd naar verschillende posities in chimere embryo's. Het archenteron zal zich ontwikkelen uit veg 1-blastomeren als veg 2-cellen worden verwijderd en de micromeren in contact worden gebracht met de veg 1-laag. Bij afwezigheid van micromeren geven veg 2 blastomeren aanleiding tot archenteron- en skeletstructuren. Klassiek is een duel dier-vegetale gradiënt ingeroepen om deze resultaten te verklaren. Deze resultaten geven echter alleen aan dat er beslissende inductieve interacties plaatsvinden tussen aangrenzende blastomeerlagen.

Geïmplanteerde individuele micromeren in de buurt van de dierlijke pool remmen de vorming van apicale plukjes en veroorzaken in sommige gevallen nieuwe embryonale assen. Veg 2-blastomeren zullen ook veranderingen induceren die vergelijkbaar zijn met micromeren wanneer ze worden getransplanteerd naast dierlijke poolblastomeren.

ALGEMEEN RESULTAAT VAN TRANSPLANTATIES: het lot van bepaalde blastomeren blijkt altijd te worden beïnvloed door de appositie van verschillende naburige cellen die eraan grenzen in normale embryo's.

HYPOTHESE: Gelokaliseerde maternale cytoplasmatische determinanten specificeren bepaalde cellen in het normale embryo, in het bijzonder de micromeren en de archenteron-precursoren nabij de vegetatieve pool. Deze cellen bepalen vervolgens inductief het lot van naburige blastomeren, die op hun beurt interageren met hun buren. Veel van de blastomeren behouden andere mogelijkheden dan die ze normaal tot uitdrukking brengen, en gedurende enige tijd zijn deze blastomeren alleen omkeerbaar gespecificeerd, zoals vereist voor een ontwikkelingssysteem dat in hoge mate afhankelijk is van inductie.


De volgende afbeelding is afkomstig uit een recent onderzoek '9110'93 met gebruikmaking van video en genetische analyse van in vitro menselijke ontwikkeling in week 1 na de bevruchting.

  • EGA - activering van het embryonale genoom
  • ESSP - embryonaal stadiumspecifiek patroon, vier unieke embryonale stadiumspecifieke patronen (1-4)

RESULTATEN

Oprichting van een geautomatiseerd kweeksysteem voor pre-implantatie ontwikkeling van muizen in de ruimte

We ontwikkelden een geautomatiseerde mini-incubator om vroege ontwikkeling van muizen in de ruimte mogelijk te maken, die was uitgerust met programmeerbare bedieningselementen voor temperatuur, automatische micrografie en fixatie van monsters, voor het kweken van muizenembryo's (Fig. 1A en Fig. S1A en B). We vroegen eerst of de groei van pre-implantatie muizenembryo's in deze mini-incubator haalbaar was onder afgesloten omstandigheden (Fig. S2). Om dit te doen, hebben we ingevroren-ontdooide 2-cellige embryo's gedurende 64 uur gekweekt onder conventionele cultuur (CC) in de microdruppel CO2 incubator of verzegelde cultuur (SC) in ontwikkelde geautomatiseerde mini-incubatoromstandigheden en vergeleken de experimentele resultaten. Onder de CC-omstandigheden bereikten de meeste van die 2-cellige embryo's het morula/blastocyst-stadium. Evenzo zorgden de SC-omstandigheden ervoor dat de 2-celembryo's een zeer vergelijkbaar ontwikkelingsresultaat bereikten (88,16% voor CC versus 85,09% voor SC) (Fig. S3A). Verder werden 130 blastocysten van SC-omstandigheden en 90 blastocysten van CC-omstandigheden overgebracht naar pseudo-zwangere muizen (9 tot 12 embryo's in één ontvangende vrouw) om het potentieel te observeren om zich te ontwikkelen tot voldragen nakomelingen (Fig. S3B). De ontvangers baarden respectievelijk 42 (SC) en 35 pups (CC). De snelheid van de productie van levende nakomelingen van SC-embryo's (32,31%), zij het iets lager dan die van CC-embryo's (38,89%), was niet significant verschillend (Fig. S3D). Bovendien waren het lichaamsgewicht (1,61 g vs. 1,58 g) en het geslacht van de pups (51% vs 47,6% vrouwelijk) vergelijkbaar tussen SC- en CC-groepen (Fig. S3E en F), terwijl alle pups in staat waren om opgroeien tot volwassenheid en het leveren van nesten. De geautomatiseerde mini-incubator maakt het dus mogelijk dat de pre-implantatie muisembryo's zich normaal ontwikkelen onder de SC-omstandigheden en is daarom geschikt voor daaropvolgende experimenten in ruimtevluchten. Er zijn twee geautomatiseerde mini-incubators ontwikkeld, één voor experimenten in de ruimte en één op aarde met een consistente samenstelling.

In vitro ontwikkeling van pre-implantatie-embryo's van muizen in de ruimte. (A) De incubator voor embryonale cultuur die wordt gebruikt in ruimte-experimenten. De incubator bestaat uit vier beeldvormende kweekkamers (aangegeven door de gele stippellijn en de nummers 1, 2, 3 en 4), twee groepen kweekfixatie-eenheden (gele stippellijnen), een microscoop (rode pijl) en twee modulereservoirs van fixatieve oplossingen (rode pijl). Dit experimentele apparaat zorgt voor temperatuurstabiliteit in de incubator, de mogelijkheid om kweekmedium te vervangen en automatische beeldacquisitie. (B) De beeldcultuurkamer was gevuld met met gas verzadigd medium en bestond uit een monstercultuurholte met een rode O-ring en een deksel met een venster. (C) De fixatiecultuureenheid is een cilindrische perfusiekamer met een bovenste deel van de kamer, het hoofdlichaam en het onderste deel van de kamer. (D) Tijdlijn van de SJ-10 satelliet-ruimtemissie met de tijdstippen voor het laden van embryo's, het overbrengen van de lading, de fixatie van embryo's, het terugwinnen van monsters en de aankomst in het laboratorium. (E) Representatieve time-lapse-beelden van embryonale ontwikkeling in beeldcultuurkamers tijdens ruimtevlucht, met gemarkeerde afbeeldingen die de belangrijkste stadia van pre-implantatie-ontwikkeling tonen. Schaalbalken, 100 m.

In vitro ontwikkeling van pre-implantatie-embryo's van muizen in de ruimte.(A) De incubator voor embryonale cultuur die wordt gebruikt in ruimte-experimenten. De incubator bestaat uit vier beeldvormende kweekkamers (aangegeven door de gele stippellijn en de nummers 1, 2, 3 en 4), twee groepen kweekfixatie-eenheden (gele stippellijnen), een microscoop (rode pijl) en twee modulereservoirs van fixatieve oplossingen (rode pijl). Dit experimentele apparaat zorgt voor temperatuurstabiliteit in de incubator, de mogelijkheid om kweekmedium te vervangen en automatische beeldacquisitie. (B) De beeldcultuurkamer was gevuld met met gas verzadigd medium en bestond uit een monstercultuurholte met een rode O-ring en een deksel met een venster. (C) De fixatiecultuureenheid is een cilindrische perfusiekamer met een bovenste deel van de kamer, het hoofdlichaam en het onderste deel van de kamer. (D) Tijdlijn van de SJ-10 satelliet-ruimtemissie met de tijdstippen voor het laden van embryo's, het overbrengen van de lading, de fixatie van embryo's, het terugwinnen van monsters en de aankomst in het laboratorium. (E) Representatieve time-lapse-beelden van embryonale ontwikkeling in beeldcultuurkamers tijdens ruimtevlucht, met gemarkeerde afbeeldingen die de belangrijkste stadia van pre-implantatie-ontwikkeling tonen. Schaalbalken, 100 m.

De herstelbare SJ-10-satelliet werd op 6 april 2016 gelanceerd. Hij had een baanstand van ∼252 km, een microzwaartekrachtniveau van 10 −4 −10 −6 g0 en een gemiddelde stralingsdosis van ∼0.15 mGy/dag [19]. Om de embryonale ontwikkeling van de muis tijdens de ruimtevlucht te beoordelen, werden 3400 morfologisch normale muizenembryo's in het 2-celstadium in respectievelijk vier beeldvormende kweekkamers (Fig. 1A en B) en zes cultuurfixatie-eenheden (Fig. 1A en C) geplaatst. uur voor de lancering van de satelliet. De embryo's in beeldvormende kweekkamers werden gecontroleerd met behulp van microscopie om de morfologie van levende embryo's elke 4 uur te observeren, terwijl de embryo's in kweekfixatie-eenheden ofwel werden gefixeerd met 4% paraformaldehyde (PFA) of behandeld met RNA-beschermingsreagentia na 64 uur kweken in baan (Fig. 1D). Time-lapse-beeldvorming toonde aan dat 2-celembryo's die in de ruimte waren gekweekt, belangrijke stadia van pre-implantatieontwikkeling bij zoogdieren ondergingen, waaronder splitsing, verdichting van blastomeren, cavitaties en vorming van geëxpandeerde blastocysten (Fig. 1E en film S1 tot film S4). Het ontwikkelingsdefect van het embryo werd echter significant waargenomen onder de verzegelde kweekomstandigheden in de ruimte (SS) in vergelijking met die onder de SC-omstandigheden op aarde (film S5 tot film S8).

De snelheid van blastocystvorming en blastocystkwaliteit worden aangetast in de ruimte

Een beperking van de time-lapse-beeldvormingsanalyse is het lage aantal waarneembare embryo's als gevolg van flotatie, aggregatie en een gebrek aan toegankelijkheid. Daarom hebben we de morfologie en ontwikkelingssnelheid van de embryo's in fixatiekweekeenheden die uit de ruimte zijn teruggekeerd, verder beoordeeld. Van de 1500 geladen embryo's werden 1184 teruggevonden en bestonden uit gecomprimeerde morula's en geëxpandeerde blastocysten (Fig. S4). Onder hen ontwikkelde de meerderheid (856/1184, of 72,3%) zich tot morula/blastocysten, maar de verhouding van het blastocyststadium (34,3%) was significant lager dan die van de CC (60,24%, P = 0,0023) en de SC-groep (56,87%, P = 0,0024) (Fig. 2A), wat wijst op een verminderd ontwikkelingsvermogen. Zo kunnen 2-cellige muizenembryo's zich in de ruimte ontwikkelen tot blastocysten, maar de verhouding van embryo's die zijn ontwikkeld tot het blastocyststadium wordt sterk aangetast.

Embryonale ontwikkeling en blastocystkwaliteit worden aangetast in de toestand van de ruimtecultuur. (A) Analyse van de embryonale ontwikkeling in de ruimte in fixatiecultuureenheden na terugkeer van de satelliet naar de aarde. Gegevens vertegenwoordigen gemiddelden van alle embryo's die zijn verkregen uit drie onafhankelijke eenheden fixeermiddel (1: geeft eenheid 1 aan: geeft eenheid 2 aan en 3: geeft eenheid 3 aan). CC: geeft conventionele cultuur aan, SC: geeft verzegelde cultuur aan en SS geeft ruimte verzegelde cultuur aan. (B) het totale aantal cellen in blastocysten onder CC-, SC- en SS-omstandigheden, berekend op basis van 3D-reconstructieanalyse. Tweezijdige studenten t-tests werden gebruikt voor statistische analyse. De SS-groep had significant minder cellen dan de CC (P = 0,047) en SC-groepen (P = 0,021). Elke stip vertegenwoordigt één embryo en zwarte balken geven het gemiddelde aantal cellen voor elke groep aan. (C) Representatieve 3D-beelden van Cdx2- en Oct4-immunofluorescentie in blastocysten (>64-celstadium) ontwikkeld onder CC-, SC- en SS-omstandigheden. Oct4 kleurt de ICM (groen), terwijl Cdx2 de TE (rood) kleurt. Kernen werden gekleurd met Hoechst33342 (blauw). Pijlpunten duiden colokalisatie van Oct4 en Cdx2 (geel) aan. Schaalbalk, 20 m. Het percentage Oct4-positieve cellen (D), Cdx2-positieve cellen (E) en dubbel-positieve cellen (F) in CC-, SC- en SS-embryo's in de 16-32 cel, 32-64 cel en >64 cel blastocyst stadia, respectievelijk. De resultaten worden weergegeven als de gemiddelden ± SEM. P waarden worden bepaald door Student's t-test (tweezijdig) (SS vs. CC en SS vs.SC). n.s., niet significant (P > 0,05).

Embryonale ontwikkeling en blastocystkwaliteit worden aangetast in de toestand van de ruimtecultuur. (A) Analyse van de embryonale ontwikkeling in de ruimte in fixatiecultuureenheden na terugkeer van de satelliet naar de aarde. Gegevens vertegenwoordigen gemiddelden van alle embryo's die zijn verkregen uit drie onafhankelijke eenheden fixeermiddel (1: geeft eenheid 1 aan: geeft eenheid 2 aan en 3: geeft eenheid 3 aan). CC: geeft conventionele cultuur aan, SC: geeft verzegelde cultuur aan en SS geeft ruimte verzegelde cultuur aan. (B) het totale aantal cellen in blastocysten onder CC-, SC- en SS-omstandigheden berekend op basis van 3D-reconstructieanalyse. Tweezijdige studenten t-tests werden gebruikt voor statistische analyse. De SS-groep had significant minder cellen dan de CC (P = 0,047) en SC-groepen (P = 0,021). Elke stip vertegenwoordigt één embryo en zwarte balken geven het gemiddelde aantal cellen voor elke groep aan. (C) Representatieve 3D-beelden van Cdx2- en Oct4-immunofluorescentie in blastocysten (>64-celstadium) ontwikkeld onder CC-, SC- en SS-omstandigheden. Oct4 kleurt de ICM (groen), terwijl Cdx2 de TE (rood) kleurt. Kernen werden gekleurd met Hoechst33342 (blauw). Pijlpunten duiden colokalisatie van Oct4 en Cdx2 (geel) aan. Schaalbalk, 20 m. Het percentage Oct4-positieve cellen (D), Cdx2-positieve cellen (E) en dubbel-positieve cellen (F) in CC-, SC- en SS-embryo's in de 16-32 cel, 32-64 cel en >64 cel blastocyst stadia, respectievelijk. De resultaten worden weergegeven als de gemiddelden ± SEM. P waarden worden bepaald door Student's t-test (tweezijdig) (SS vs. CC en SS vs.SC). n.s., niet significant (P > 0,05).

Na beoordeling van de ontwikkelingssnelheid, onderzochten we de kwaliteit van de blastocysten die zich in de ruimte ontwikkelden en ontdekten dat in overeenstemming met de verminderde snelheid van embryonale ontwikkeling, het totale aantal cellen in de blastocysten (41,5 cellen) ontwikkeld in de ruimte (dwz de SS-conditie) nam significant af in vergelijking met die van de CC (51,6 cellen) en de SC (53,9 cellen) toestand (Fig. 2B). We voerden immunokleuring uit van Cdx2 (een trofectodermale (TE) marker) [20, 21] en Oct4 (een innerlijke celmassa (ICM) marker) in embryo's in het blastocyststadium [22, 23], waardoor we een expressiepatroon in SS konden vinden. embryo's die sterk te onderscheiden zijn van die in de CC- of SC-embryo's (Fig. 2C). Tijdens de normale embryonale ontwikkeling van muizen werd Oct4 op grote schaal tot expressie gebracht in zowel de binnen- als buitenlagen van cellen in blastocysten met 16-32 cellen, terwijl Cdx2 + -cellen zich voornamelijk in de buitenste laag bevonden (Fig. S5A). In de blastocysten met 32-64 cellen was Oct4-expressie verminderd in een subset van TE-cellen, terwijl er nog enkele Oct4- en Cdx2-dubbelpositieve cellen bestonden (Fig. S5B). In blastocysten met >64-cellen was Oct4-expressie beperkt tot cellen in de ICM en was deze grotendeels afwezig in Cdx2+-trophectoderm-cellen (Fig. S5C). Met behulp van de Imaris-celbeeldvormingssoftware hebben we het aantal kernen (blauw), Oct4 + (groen), Cdx2 + (rood) en Oct4 + en Cdx2 + -cellen (geel) gekwantificeerd in blastocysten die zijn ontwikkeld onder de CC-, SC- en SS-omstandigheden . Opvallend was dat er een significante toename was in het percentage Oct4+-cellen in SS-embryo's in zowel de 32-64- als de >64-celstadia (Fig. 2D). Daarentegen was het percentage Cdx2+-cellen in deze stadia verlaagd in SS-embryo's (Fig. 2E). In overeenstemming met deze bevindingen was het percentage Cdx2+/Oct4+-cellen significant hoger in de SS-embryo's dan in de SC- en CC-embryo's (Fig. 2F).

De toename van ongedifferentieerde (dwz Oct4+) cellen en tijdelijke Oct4+/Cdx2+-cellen, en de gelijktijdige afname van afstammingsspecifieke Cdx2-cellen suggereren dat cellulaire differentiatie van de pluripotente toestand werd aangetast onder de SS-conditie, in overeenstemming met eerdere rapporten [17 ]. Om dit idee verder te bevestigen, hebben we de epiblast (EPI) en primitieve endoderm (PrE) -cel-specificatie in verschillende soorten embryo's in het blastocyststadium onderzocht met behulp van de EPI-marker Nanog en de PrE-marker Gata6. In normale embryo's onder de CC- en SC-omstandigheden werden Nanog en Gata6 samen tot expressie gebracht in de niet-gecommitteerde ICM in het stadium van <32-cellen (Fig. S6A), maar ze vertoonden een 'zout en peper'-patroon in het stadium van 32-64 cellen (Fig. S6B). Met name in de SS-embryo's brachten veel Nanog-positieve cellen Gata6 nog steeds tot expressie in uitkomende blastocysten (Fig. S6C). Samen suggereren deze resultaten dat, hoewel de omgeving in de ruimte de polarisatie en de oprichting van de ICM en TE niet beïnvloedt, de groei en cellulaire differentiatie ernstig worden aangetast in pre-implantatie muizenembryo's.

DNA-schade en DNA-methyloomveranderingen in muizenembryo's in de ruimte

Na het onthullen van de ontwikkelingsdefecten van SS-embryo's tijdens de ontwikkeling, hebben we de mogelijke onderliggende mechanismen onderzocht. Eerdere studies suggereerden dat straling in de ruimte de frequentie van DNA-schade in Drosophila Melanogaster en menselijke cellen tijdens ruimtevluchten [24–26]. We hebben daarom de vorming van γH2AX- en 53bp1-foci onderzocht door deze twee biomarkers te gebruiken voor dubbelstrengs breuken (DSB's) van DNA-reparatie [27, 28]. In scherp contrast met de op de grond gekweekte blastocysten, waren veel blastomeren van de SS-blastocysten positief voor γH2AX en 53bp1, met sterkere γH2AX- en 53bp1-signalen in de kernen (Fig. 3A en B). Bovendien toonden experimenten die werden uitgevoerd met XRCC1, een maker voor efficiënte reparatie van enkelstrengige DNA-breuken (SSB's) [29], aan dat XRCC1 was gelokaliseerd in de kernen van de SS-blastocysten (Fig. 3C). Naar verwachting bevestigde kwantificering van de fluorescentie-intensiteit een significante toename van de expressie van γH2AX, 53bp1 en XRCC1 in SS-blastocysten in vergelijking met de op de grond gekweekte embryo's (Fig. 3D-F). Deze resultaten geven aan dat de blootstelling van pre-implantatie-embryo's van zoogdieren aan de ruimteomgeving ernstige DNA-schade in de cellen veroorzaakt.

DNA-schade en DNA-methyloomveranderingen in muizenembryo's in de ruimte. (A–C) Representatieve afbeeldingen van CC-, SC- en SS-blastocysten gekleurd met respectievelijk γH2AX-, 53bp1- en XRCC1-antilichamen. Duidelijke kleurpatronen van cellen werden waargenomen in blastocysten die in de ruimte waren ontwikkeld (witte pijlpunten). Schaalbalken, 50 m. (D-F) Kwantificering van γH2AX (D), 53bp1 (E) en XRCC1 (F) immunofluorescentie-intensiteit genormaliseerd naar DNA-kleuring door Hoechst en geanalyseerd met ImageJ-software. Voor elk embryo werd één beeldvormingssectie geselecteerd voor kwantificering en de gepoolde gegevens van embryo's werden in de grafieken uitgezet. N = aantal embryo's. De resultaten worden weergegeven als de gemiddelden ± SEM. P waarden zijn van tweezijdige ongepaarde Student's t-toets. (G) De niveaus van genoombrede DNA-methylatie in CC-, SC- en SS-blastocysten worden getoond. Voor elke groep werden drie blastocysten gebruikt. Het resultaat wordt weergegeven als de gemiddelden ± SEM. Sterretjes geven het significantieniveau aan van P < 0,05 (t-toets). (H) Verdeling van DNA-methylatie in de CpG-context over verschillende regio's van genomische elementen, waaronder promotors, 5'UTR, exons, introns en 3'UTR's in CC-, SC- en SS-blastocysten. De cijfers geven de ID van specifieke blastocysten aan. (I) Het aantal differentieel gemethyleerde regio's (DMR's) in elke paarsgewijze vergelijking van groepen wordt weergegeven. Blauwe en rode balken geven het aandeel van gehypermethyleerde en gehypomethyleerde DMR's aan.

DNA-schade en DNA-methyloomveranderingen in muizenembryo's in de ruimte. (A–C) Representatieve afbeeldingen van CC-, SC- en SS-blastocysten gekleurd met respectievelijk γH2AX-, 53bp1- en XRCC1-antilichamen. Duidelijke kleurpatronen van cellen werden waargenomen in blastocysten die in de ruimte waren ontwikkeld (witte pijlpunten). Schaalbalken, 50 m. (D-F) Kwantificering van γH2AX (D), 53bp1 (E) en XRCC1 (F) immunofluorescentie-intensiteit genormaliseerd naar DNA-kleuring door Hoechst en geanalyseerd met ImageJ-software. Voor elk embryo werd één beeldvormingssectie geselecteerd voor kwantificering en de gepoolde gegevens van embryo's werden in de grafieken uitgezet. N = aantal embryo's. De resultaten worden weergegeven als de gemiddelden ± SEM. P waarden zijn van tweezijdige ongepaarde Student's t-toets. (G) De niveaus van genoombrede DNA-methylatie in CC-, SC- en SS-blastocysten worden getoond. Voor elke groep werden drie blastocysten gebruikt. Het resultaat wordt weergegeven als de gemiddelden ± SEM. Sterretjes geven het significantieniveau aan van P < 0,05 (t-toets). (H) Verdeling van DNA-methylatie in de CpG-context over verschillende regio's van genomische elementen, waaronder promotors, 5'UTR, exons, introns en 3'UTR's in CC-, SC- en SS-blastocysten. De cijfers geven de ID van specifieke blastocysten aan. (I) Het aantal differentieel gemethyleerde regio's (DMR's) in elke paarsgewijze vergelijking van groepen wordt weergegeven. Blauwe en rode balken geven het aandeel van gehypermethyleerde en gehypomethyleerde DMR's aan.

Epigenetische regulatie zoals DNA-methylatie speelt een vitale rol in de vroege embryonale ontwikkeling van zoogdieren [30]. De ontwikkelingsdefecten in SS-embryo's brachten ons ertoe te vragen of ze verband houden met veranderingen in DNA-methylatie tijdens de ontwikkeling vóór implantatie. We voerden genoombrede DNA-methylatieprofilering uit van individuele blastocysten met behulp van bisulfietsequencing (BS-seq) [31]. Drie geëxpandeerde blastocysten van elke groep werden verzameld en geanalyseerd (Fig. S7A). Methylome-analyse toonde aan dat het percentage globale cytosine-guanine (CG)-methylatie in SS-blastocysten (4,70% ± 0,2%) significant lager was dan in CC (7,77% ± 1,3%) en SC (7,82% ± 2,0%) embryo's ( Fig. 3G en Fig. S7B en C), en de afname ging gepaard met een vermindering van de methyleringsdichtheid (Fig. S8). Bovendien ontdekten we een hoge mate van hypomethylering voor DNA-elementen, waaronder promotors, niet-vertaalde regio's (UTR's), exons, introns en intergene regio's (Fig. 3H en Fig. S9A-F) in de SS-embryo's vergeleken met de CC en SC embryo's. We analyseerden verder DMR's, waardoor we 12 517 DMR's konden identificeren tussen de SS- en CC-omstandigheden en 11 498 DMR's tussen de SS- en SC-omstandigheden. Er waren minder DMR's met hoge methylering tussen SS en CC (N = 2730) en tussen SS en SC (N = 2996) dan tussen SC en CC (N = 7464), consistent met de globale methylering op laag niveau in SS-blastocysten (Fig. 3I en Fig. S7D). Vervolgens hebben we voor elke groep overlappende DMR's geannoteerd met hypermethylering of hypomethylering ('exclusieve' DMR's). Functionele verrijkingsanalyses gaven aan dat de exclusieve DMR's met lage methylering in de SS-blastocysten voornamelijk verband hielden met histonmodificaties, reacties op straling, regulering van chromosoomorganisatie, cytoskeletorganisatie en andere (Fig. S7E en F), terwijl exclusieve DMR's met hoge methylering voor CC-blastocysten waren geassocieerd met embryonale ontwikkeling, regulatie van RNA-metabolische processen en regulatie van intracellulair eiwittransport. Deze resultaten suggereren dat als reactie op de omgevingsfactoren in de ruimte de genen die verantwoordelijk zijn voor histonmodificaties en straling gehypomethyleerd worden, wat leidt tot hun activering en daaropvolgende reparatie van DNA-schade.

Effecten van grondstraling op de embryonale ontwikkeling

De pre-implantatie-embryo's van muizen in de ruimte worden blootgesteld aan twee belangrijke omgevingsfactoren: straling en microzwaartekracht. Om te vragen welke factoren de ontwikkelings-, genetische en epigenetische afwijkingen in de embryo's hebben veroorzaakt, gebruikten we op de grond een lage dosis straling om de omgeving in de SJ-10-satelliet na te bootsen (cumulatieve stralingsdosis: ∼ 0,15 mGy/dag) ( Afb. 4A). We ontdekten dat de meeste 2-celembryo's (66,01%) die gedurende 64 uur aan 0,1 mGy werden blootgesteld, zich kunnen ontwikkelen tot het blastocyststadium. Toen de dosis echter werd verhoogd tot 0,5 mGy (wat overeenkomt met de dosis in de satelliet), bereikte slechts 58,44% van de embryo's het blastocyststadium en het percentage daalde tot 45,69% toen de dosis werd verhoogd tot 2 mGy (Fig. 4B en Fig. S10). In overeenstemming met de ontwikkelingsdefecten, detecteerden we fluorescerende foci-positief voor γH2AX in embryo's die waren blootgesteld aan 0, 5 mGy of 2 mGy, waarbij de foci intenser waren met blootstelling aan 2 mGy (figuur 4C).

Effecten van op de grond gebaseerde straling op de embryonale ontwikkeling. (A) Om de reacties van muizenembryo's op de geaccumuleerde lage doses straling te onderzoeken, bestraalden we 2-celembryo's met Cs-137-gamma in doses van 0, 1 mGy, 0, 5 mGy en 2 mGy in experimenten op de grond. (B) Het percentage 2-celembryo's dat zich met succes heeft ontwikkeld tot het blastocyststadium tijdens in vitro teelt met blootstelling aan straling. Gegevens worden gepresenteerd als het gemiddelde ± SEM van vier onafhankelijke experimenten. * P < 0,05 ** P < 0,01 n.s., niet significant (P > 0,05). (C) Representatieve fluorescentiebeelden van γH2AX in blastocysten die zich ontwikkelden uit 2-celembryo's met of zonder blootstelling aan verschillende doses straling gedurende 64 uur. Schaalbalken, 50 m. (D) Het niveau van genoombrede DNA-methylatie in blastocysten die zijn blootgesteld aan 0, 0,1, 0,5 en 2 mGy-straling. De resultaten zijn weergegeven als het gemiddelde ± SEM. * P < 0,05 n.s., niet significant (P < 0,05) (t-toets). (E) Het aantal differentieel gemethyleerde regio's (DMR's) in elke paarsgewijze vergelijking van groepen wordt weergegeven. Blauwe en rode balken geven het aandeel van gehypermethyleerde en gehypomethyleerde DMR's aan.

Effecten van op de grond gebaseerde straling op de embryonale ontwikkeling. (A) Om de reacties van muizenembryo's op de geaccumuleerde lage doses straling te onderzoeken, bestraalden we 2-celembryo's met Cs-137-gamma in doses van 0, 1 mGy, 0, 5 mGy en 2 mGy in experimenten op de grond. (B) Het percentage 2-celembryo's dat zich met succes heeft ontwikkeld tot het blastocyststadium tijdens in vitro teelt met blootstelling aan straling. Gegevens worden gepresenteerd als het gemiddelde ± SEM van vier onafhankelijke experimenten. * P < 0,05 ** P < 0,01 n.s., niet significant (P > 0,05). (C) Representatieve fluorescentiebeelden van γH2AX in blastocysten die zich ontwikkelden uit 2-celembryo's met of zonder blootstelling aan verschillende doses straling gedurende 64 uur. Schaalbalken, 50 m. (D) Het niveau van genoombrede DNA-methylatie in blastocysten die zijn blootgesteld aan 0, 0,1, 0,5 en 2 mGy-straling. De resultaten zijn weergegeven als het gemiddelde ± SEM. * P < 0,05 n.s., niet significant (P < 0,05) (t-toets). (E) Het aantal differentieel gemethyleerde regio's (DMR's) in elke paarsgewijze vergelijking van groepen wordt weergegeven.Blauwe en rode balken geven het aandeel van gehypermethyleerde en gehypomethyleerde DMR's aan.

Vervolgens analyseerden we genoombrede DNA-methylatieprofilering in muizenembryo's met blootstelling aan straling (Fig. S11A en B), die, zoals verwacht, globale veranderingen in DNA-methylatie induceert. Er was een statistisch significante afname in genoombrede DNA-methylatie in embryo's met blootstelling aan 2 mGy in vergelijking met de controle (Fig. 4D en Fig. S11C), maar niet met de blootstelling van 0,1 of 0,5 mGy. Analyse van DNA-gemethyleerde genomische elementen onthulde ook hypomethylering na blootstelling van embryo's aan 2 mGy-straling (Fig. S11D), inclusief een vermindering van de methylering van genomische elementen (Fig. S12) en in de dichtheid van methylatiedistributie van CG (Fig. S13). We onderzochten ook DMR's tussen de controle en de embryo's met bestraling, waardoor we 5429 DMR's tussen de controle- en 2 mGy-groep konden identificeren, waarvan 4916 (90,5%) gehypomethyleerd, en 5365 DMR's tussen controle en de 0,5 mGy-groep, waarvan 2986 (55,7%) waren gehypomethyleerd (Fig. 4E en Fig. S11E).

Bovendien waren genen met differentiële methylering verrijkt in cellulaire processen zoals reacties op straling, reacties op stress en cytoskeletorganisatie, regulatie van histonmodificaties, regulatie van histonacetylering en regulatie van eiwit-ubiquitinatie (Fig. S11F en G). Verstoring van deze processen kan ontwikkelingsstoornissen van embryo's en verminderde geboorte van nakomelingen veroorzaken.

Om de langetermijngevolgen van straling te onderzoeken, hebben we bepaald of de embryo's met blootstelling aan straling zich konden ontwikkelen tot voldragen muizen. We brachten de bestraalde en controle-blastocysten over naar pseudozwangere vrouwtjes op dag drie (Fig. S14A) en vergeleken de geboortecijfers. Hoewel levende nakomelingen werden verkregen uit embryo's met blootstelling aan straling (Fig. S14B), waren de totale productiesnelheden van embryo's met 0,5 mGy (21,07%) en 2 mGy-blootstelling (7,45%) opvallend lager dan die van embryo's zonder blootstelling aan straling (32,61). %) (Fig. S14B tot D). Zo vertonen muizenembryo's overgevoeligheid voor extreem lage doses γ-straling tijdens pre-implantatie-ontwikkeling in vitro.

Effecten van microzwaartekrachtsimulatie op de grond op de embryonale ontwikkeling

Nadat we de rol van een lage dosis straling in de embryonale ontwikkeling van muizen hadden beoordeeld, vroegen we of microzwaartekracht ook defecten zou kunnen veroorzaken in pre-implantatie-embryo's. We kweekten 2-cellige muizenembryo's in een roterend celkweeksysteem (RCCS), dat door NASA was ontwikkeld met het oog op gesimuleerde microzwaartekracht (SMG), en onderzochten vervolgens de effecten (Fig. 5A). We ontdekten dat de meeste 2-celembryo's (65,4%) die gedurende 64 uur aan SMG werden blootgesteld, zich konden ontwikkelen tot het blastocyststadium, zonder statistisch significante verschillen (65,4% versus 72,9%) in vergelijking met normale zwaartekracht (NG) (Fig. 5B en Fig. S15). Verder hebben we geen verschillen in DNA-schade waargenomen tussen controleblastocysten en die ontwikkeld met SMG (Fig. 5C). We onderzochten ook genoombrede DNA-methylatieprofilering in muisblastocysten ontwikkeld met SMG-blootstelling (Fig. S16A). De heatmap van het percentage DNA-methylatie op differentieel gemethyleerde CpG-plaatsen voor elke blastocyst vertoonde een vergelijkbaar methyleringspatroon (Fig. S16B). Er werd geen statistisch significant verschil gevonden tussen blastocysten met SMG en met NG in het genoombrede DNA-methylatieniveau (Fig. 5D en Fig. S16C), inclusief de verdeling van DNA-methylatie in de CpG-context over verschillende DNA-elementen (Fig. S16D en Fig. S17) en in de dichtheid van methylatiedistributie van CG in chromosomen (Fig. S18). Intrigerend genoeg werden 6130 DMR's geïdentificeerd tussen de SMG- en de NG-groep en waren samengesteld uit 4563 DMR's met hypermethylering en 1567 DMR's met hypomethylering (Fig. 5E). Zo werd een lager aandeel gehypomethyleerde DMR's ontdekt.

Effecten van gesimuleerde microzwaartekracht op pre-implantatie embryonale ontwikkeling. (A) Een afbeelding van het experimentele apparaat, waarin de embryo's werden ingeënt in 10 ml van het kweekvat van RCCS voor de gesimuleerde microzwaartekrachtcultuur en statische cultuur in CO2 broedmachines. (B) de ontwikkelingssnelheden van embryo's tot de blastocyststadia onder normale zwaartekracht (NG) en gesimuleerde microzwaartekracht (SMG). Gegevens worden gepresenteerd als het gemiddelde ± SEM van vier onafhankelijke experimenten (geanalyseerde embryo's: N = 899 voor NG N = 886 voor SMG). (C) Representatieve fluorescentiebeelden van γH2AX in blastocysten die zijn ontwikkeld uit 2-celembryo's die gedurende 64 uur zijn blootgesteld aan NG- en SMG-omstandigheden. Schaalbalken, 50 m. (D) De niveaus van genoombrede DNA-methylatie in NG- en SMG-blastocysten worden getoond. Gegevens worden gepresenteerd als het gemiddelde ± SEM van vier blastocysten. (E) Het aantal differentieel gemethyleerde regio's (DMR's) tussen de SMG- en NG-groep wordt weergegeven. Blauwe en rode balken geven het aandeel van gehypermethyleerde en gehypomethyleerde DMR's aan. Overal, een student t-test (tweezijdig) werd gebruikt voor statistische analyse n.s., niet significant.

Effecten van gesimuleerde microzwaartekracht op pre-implantatie embryonale ontwikkeling. (A) Een afbeelding van het experimentele apparaat, waarin de embryo's werden ingeënt in 10 ml van het kweekvat van RCCS voor de gesimuleerde microzwaartekrachtcultuur en statische cultuur in CO2 broedmachines. (B) de ontwikkelingssnelheden van embryo's tot de blastocyststadia onder normale zwaartekracht (NG) en gesimuleerde microzwaartekracht (SMG). Gegevens worden gepresenteerd als het gemiddelde ± SEM van vier onafhankelijke experimenten (geanalyseerde embryo's: N = 899 voor NG N = 886 voor SMG). (C) Representatieve fluorescentiebeelden van γH2AX in blastocysten die zijn ontwikkeld uit 2-celembryo's die gedurende 64 uur zijn blootgesteld aan NG- en SMG-omstandigheden. Schaalbalken, 50 m. (D) De niveaus van genoombrede DNA-methylatie in NG- en SMG-blastocysten worden getoond. Gegevens worden gepresenteerd als het gemiddelde ± SEM van vier blastocysten. (E) Het aantal differentieel gemethyleerde regio's (DMR's) tussen de SMG- en NG-groep wordt weergegeven. Blauwe en rode balken geven het aandeel van gehypermethyleerde en gehypomethyleerde DMR's aan. Overal, een student t-test (tweezijdig) werd gebruikt voor statistische analyse n.s., niet significant.


Wat is het totale aantal splitsingsronden tijdens de embryonale ontwikkeling van zoogdieren? - Biologie

Invoering

Is het een jongen of een meisje? Het is een van de meest gestelde vragen aan zwangere vrouwen. De spanning rond het leren van het geslacht van de baby maakt familie en vrienden altijd enthousiast. Eeuwenlang hebben leden van de oudere generaties advies gegeven over hoe de uitkomst te voorspellen of zelfs te plannen&mdashBengel een naald over je buik aan een draad. Zwaait het heen en weer of in cirkels?

In de moderne wereld heeft het bungelen van de naald niet dezelfde geloofwaardigheid als technologische vooruitgang zoals echografie. Deze radiografische techniek wordt uitgevoerd door een sonde die hoogfrequente geluidsgolven uitzendt nabij het te onderzoeken weefsel te plaatsen. De sonde zet een beeld om op een computerscherm, dat kan worden gemeten om de zwangerschapsduur te bepalen, om te screenen op meerlingzwangerschappen of afwijkingen en om het geslacht van de baby te identificeren. Dus hoe vroeg kunnen we het geslacht van een baby bepalen? Alle embryo's beginnen standaard vrouwelijk en dat wil zeggen, voor een mannelijke foetus om zich te ontwikkelen, moet het niet alleen vermannelijking ondergaan via het genproduct van SRY, maar ook defeminisering. Deze processen vinden plaats (of niet) ongeveer zes tot acht weken na de bevruchting. Verwacht echter geen antwoorden voor 16 tot 17 weken, omdat echografie-apparatuur nog niet voldoende hoge resolutie heeft om onmiddellijke antwoorden te geven.

In dit hoofdstuk zullen we de discussie uit het vorige hoofdstuk voortzetten door te beginnen met bevruchting, de vorming van een diploïde zygote uit de vereniging van een zaadcel en een eicel. Vervolgens volgen we de ontwikkeling vanaf dit punt tot de geboorte van een autonoom ademende baby. We zullen onderzoeken hoe de cellen van een zich ontwikkelende mens zich delen en differentiëren. We zullen ook enkele specifieke systeemverschillen onderzoeken die bestaan ​​tussen zich ontwikkelende foetussen en volwassenen, terwijl we een overzicht geven van de stadia van zwangerschap en bevalling.

3.1 Vroege ontwikkelingsstadia

In deze eerste sectie onderzoeken we de ontwikkeling vanaf de vorming van een diploïde zygote tot neurulatie, of de vorming van de neurale buis die zal differentiëren in het zenuwstelsel.

Zoals besproken in hoofdstuk 2 van MCAT Biologie ReviewOp ongeveer dag 14 van de menstruatiecyclus wordt een secundaire oöcyt uit de follikel geovuleerd. De secundaire eicel reist naar de eileider, waar ze tot 24 uur na de eisprong kan worden bevrucht. Bevruchting, weergegeven in figuur 3.1, vindt meestal plaats in het breedste deel van de eileider, de ampul. Wanneer het sperma de secundaire eicel in de eileider ontmoet, bindt het zich aan de eicel en geeft het acrosomale enzymen vrij die de kop van het sperma in staat stellen door de corona radiata en zona pellucida te dringen. Zodra het eerste sperma in direct contact komt met het celmembraan van de secundaire eicel, vormt het een buisachtige structuur die bekend staat als de acrosomaal apparaat, die zich uitstrekt tot en doordringt in het celmembraan. De pronucleus kan dan vrij de eicel binnendringen zodra meiose II is voltooid. Na penetratie van het sperma door het celmembraan, corticale reactie, treedt een afgifte van calciumionen op. Deze calciumionen depolariseren het membraan van de eicel, wat twee doelen dient: depolarisatie voorkomt bevruchting van de eicel door meerdere zaadcellen, en de verhoogde calciumconcentratie verhoogt de stofwisseling van de nieuw gevormde diploïde zygoot. Het nu gedepolariseerde en ondoordringbare membraan wordt het bevruchtingsmembraan.

Figuur 3.1. Bevruchting

Tweelingen kunnen optreden door twee verschillende mechanismen. Dizygoot, of eiige tweelingen, vorm van bevruchting van twee verschillende eieren die tijdens één ovulatoire cyclus door twee verschillende spermacellen worden vrijgegeven. Elke zygote zal zich in de baarmoederwand implanteren en elk ontwikkelt zijn eigen placenta, chorion en amnion. Deze structuren worden later in het hoofdstuk besproken. Als de zygoten dicht bij elkaar implanteren, kunnen de placenta's samensmelten. Twee-eiige tweelingen lijken genetisch niet meer op elkaar dan enig ander paar broers en zussen.

monozygoot, of eeneiige tweeling, vormen wanneer een enkele zygote in tweeën splitst. Omdat het genetische materiaal identiek is, zullen de genomen van de nakomelingen dat ook zijn. Als de verdeling onvolledig is, Siamese tweeling kan resulteren, waarbij de twee nakomelingen op een bepaald moment fysiek aan elkaar zijn gehecht. Monozygote tweelingen kunnen worden geclassificeerd op basis van het aantal structuren dat ze delen. Monochoriale / monoamniotische tweelingen delen hetzelfde amnion en chorion. Monochorionische / diamniotische tweelingen hebben elk hun eigen amnion, maar delen hetzelfde chorion. Dichorionische / diamniotische tweelingen hebben elk hun eigen amnionen en chorions. Welk type twinning optreedt, hangt af van wanneer de scheiding plaatsvond. Naarmate er meer zwangerschapsstructuren worden gedeeld, zijn er meer risico's naarmate de foetussen groeien en zich ontwikkelen.

Na de bevruchting in de eileiders moet de zygote naar de baarmoeder reizen voor implantatie. Als het te laat komt, is er geen endometrium meer dat het embryo kan dragen. Tijdens het proces van verplaatsing naar de baarmoeder voor implantatie, ondergaat de zygote snelle mitotische celdelingen in een proces dat decollete. De eerste splitsing creëert officieel een embryo, omdat het een van de bepalende kenmerken van de zygote teniet doet: eencelligheid. Hoewel er verschillende rondes van mitose plaatsvinden, blijft de totale grootte van het embryo ongewijzigd tijdens de eerste paar delingen, zoals weergegeven in figuur 3.2. Door zich te verdelen in steeds kleinere cellen, verhogen de cellen twee verhoudingen: de nucleair-tot-cytoplasmatische (N:C)-verhouding en de oppervlakte-tot-volumeverhouding. Zo bereiken de cellen een groter oppervlak voor gas- en nutriëntenuitwisseling in verhouding tot het totale volume. Er zijn twee soorten decolleté: onbepaald en bepaald. Onbepaald decolleté resulteert in cellen die zich nog kunnen ontwikkelen tot complete organismen. In feite hebben monozygote tweelingen identieke genomen omdat ze allebei afkomstig zijn van onbepaald gesplitste cellen van hetzelfde embryo. Bepaal de decolleté resulteert in cellen met een lot dat, zoals de term al aangeeft, al is bepaald. Met andere woorden, deze cellen zijn toegewijd aan: differentiëren in een bepaald type cel.

Figuur 3.2. Een 8-cellig embryo Het embryo heeft op dit punt drie splitsingsgebeurtenissen ondergaan.

Verschillende delingen later wordt het embryo een vaste massa cellen die bekend staat als a morula, zoals weergegeven in figuur 3.3. Deze term komt van het Latijnse woord voor moerbei, wat ons zou kunnen helpen begrijpen hoe een embryo er in dit stadium uitziet.

Figuur 3.3. Morula De morula is een stevige bal van cellen.

Zodra de morula is gevormd, ondergaat deze blastulatie, die de vormt blastula, een holle bal van cellen met een met vloeistof gevulde binnenholte die bekend staat als a blastocoel. De zoogdierblastula staat bekend als a blastocyst en bestaat uit twee opmerkelijke celgroepen, zoals weergegeven in figuur 3.4: de trofoblast en de binnenste celmassa. De trofoblastcellen omringen de blastocoel en geven aanleiding tot het chorion en later de placenta, terwijl de binnenste celmassa steekt uit in de blastocoel en geeft aanleiding tot het organisme zelf.

Figuur 3.4. blastula De blastula bevat een met vloeistof gevulde holte, de blastocoel.

Onthoud dat een embryo met a ontploffinged-out holte is een ontploffingula.

implantatie

De blastula beweegt door de eileider naar de baarmoeder, waar het zich in het endometrium nestelt. De trofoblastcellen zijn gespecialiseerd om een ​​interface te creëren tussen de maternale bloedtoevoer en het zich ontwikkelende embryo. Deze trofoblastische cellen geven aanleiding tot de chorion, een extraembryonaal membraan dat zich ontwikkelt tot de placenta. De trofoblasten vormen chorionische villi, dit zijn microscopisch kleine vingerachtige uitsteeksels die het endometrium binnendringen. Terwijl deze chorionvlokken zich ontwikkelen tot de placenta, ondersteunen ze de maternale-foetale gasuitwisseling. Het embryo is verbonden met de placenta door de navelstreng, die bestaat uit twee slagaders en een ader die zijn ingekapseld in een gelatineuze substantie. De ader vervoert vers zuurstofrijk bloed dat rijk is aan voedingsstoffen van de placenta naar het embryo. De navelstrengslagaders vervoeren zuurstofarm bloed en afvalstoffen naar de placenta voor uitwisseling.

Soms implanteert de blastula zichzelf buiten de baarmoeder, een situatie die bekend staat als een buitenbaarmoederlijke zwangerschap. Meer dan 95% van de buitenbaarmoederlijke zwangerschappen vindt plaats in de eileider. Buitenbaarmoederlijke zwangerschappen zijn over het algemeen niet levensvatbaar omdat de smalle eileider geen omgeving is waarin een embryo goed kan groeien. Als het embryo niet spontaan aborteert, kan de buis scheuren en kan er een aanzienlijke hoeveelheid bloedingen optreden. In feite is een vermoedelijke buitenbaarmoederlijke zwangerschap vaak een chirurgische noodsituatie.

Totdat de placenta functioneel is, wordt het embryo ondersteund door de dooierzak. De dooierzak is ook de plaats van vroege ontwikkeling van bloedcellen. Er zijn nog twee extra-embryonale membranen die besproken moeten worden: de allantois en het amnion. De allantois is betrokken bij vroege vloeistofuitwisseling tussen het embryo en de dooierzak. Uiteindelijk wordt de navelstreng gevormd uit restanten van de dooierzak en de allantois. De allantois wordt omringd door de amnion, dat is een dun, taai membraan gevuld met vruchtwater. Deze vloeistof dient als schokdemper tijdens de zwangerschap, waardoor de impact van maternale beweging op het zich ontwikkelende embryo wordt verminderd. Naast het vormen van de placenta, vormt het chorion ook een buitenmembraan rond het amnion, wat een extra beschermingsniveau toevoegt. De anatomie van deze structuren is weergegeven in figuur 3.5.

Figuur 3.5. Anatomie van de zwangerschap

Vruchtwaterpunctie is het proces waarbij vruchtwater wordt opgezogen door een dunne naald in de vruchtzak te steken. Het vruchtwater bevat foetale cellen die zowel op chromosoomafwijkingen als op geslachtsbepaling kunnen worden onderzocht. Vruchtwaterpunctie wordt aanbevolen voor zwangere vrouwen ouder dan 35 als eerdere screeningstests (bloedonderzoek en echografie) wijzen op een grote kans op chromosomale afwijkingen bij de foetus. Vrouwen in deze leeftijdsgroep hebben een hogere mate van meiotische non-disjunctie, wat kan leiden tot genetische afwijkingen zoals het syndroom van Down.

Zodra de celmassa is geïmplanteerd, kan deze beginnen met verdere ontwikkelingsprocessen zoals: gastrulatie, het genereren van drie verschillende cellagen. De vroege ontwikkelingsprocessen tot nu toe zijn weergegeven in figuur 3.6. Veel van onze kennis over ontwikkeling komt voort uit de studie van andere organismen, die in verschillende mate vergelijkbaar zijn met de menselijke ontwikkeling. Bij zee-egels begint gastrulatie met een kleine invaginatie in de blastula. Cellen gaan verder naar de invaginatie, wat resulteert in eliminatie van de blastocoel. Om dit te visualiseren, stel je voor dat je een ballon opblaast en vervolgens met je vinger in een van de zijkanten prikt. Als je bleef duwen, zou uiteindelijk het rubber van de ene kant van de ballon in contact komen met de andere kant. Als de twee membranen zouden kunnen samenvloeien, zoals bij de ontwikkeling gebeurt, ontstaat er een buis door het midden van de ballon. In levende wezens wordt het resultaat van dit proces a gastrula. De membraaninvaginatie in de blastocoel wordt de archenteron, die zich later ontwikkelt tot de darm. De opening van het archenteron heet de blastopore. In deuterostomen, zoals mensen, ontwikkelt de blastopore zich tot de anus. In protostomen, ontwikkelt het zich in de mond.

Figuur 3.6. Vroege stadia van embryonale ontwikkeling

Hoe kunnen we ons het lot van de blastopore in protostomes herinneren? vs. deuterostomen? Denk na over hoe ouders praten met peuters & mdashdeuterostoom begint met deu, die eruitziet als duo, betekenis twee. Dus, deuterostomen ontwikkelen de anus en de opening geassocieerd met "nummer twee”&mdash van de blastopore. Protostomen moeten aan het andere uiteinde (de mond) beginnen.

Primaire kiemlagen

Uiteindelijk zullen sommige cellen ook migreren naar wat overblijft van de blastocoel. Dit zorgt voor drie lagen cellen genaamd primaire kiemlagen.

De buitenste laag heet de ectoderm en geeft aanleiding tot het omhulsel, inclusief de epidermis, het haar, de nagels en het epitheel van de neus, mond en het onderste anale kanaal. De lens van het oog, het zenuwstelsel (inclusief bijniermerg) en het binnenoor zijn ook afgeleid van ectoderm.

De middelste laag heet de mesoderm en ontwikkelt zich tot verschillende systemen, waaronder het bewegingsapparaat, de bloedsomloop en de meeste uitscheidingssystemen. Mesoderm geeft ook aanleiding tot de geslachtsklieren, evenals de spier- en bindweefsellagen van het spijsverterings- en ademhalingssysteem en de bijnierschors.

De binnenste laag heet de endoderm en vormt de epitheliale voeringen van het spijsverteringskanaal en de luchtwegen, inclusief de longen. De pancreas, schildklier, blaas en distale urinewegen, evenals delen van de lever, zijn afgeleid van endoderm.

·&emspEctoderm&mdash“attracto”derm (dingen die ons tot anderen aantrekken, zoals cosmetische eigenschappen en “smarts”)

·&emspMesoderm&mdash“betekent”oderm (de middelen om zich als organisme te verplaatsen, zoals botten en spieren de middelen om zich in het lichaam te verplaatsen, zoals de bloedsomloop rondkomen, zoals de geslachtsklieren)

·&emspEndoderm&mdashlinings van "endernale" organen (het spijsverteringskanaal en de luchtwegen, en hulporganen die aan deze systemen zijn bevestigd)

MCAT-EXPERTISE

De MCAT test graag op de dubbele embryonale oorsprong van de bijnieren. De bijnierschors is afgeleid van het mesoderm, maar de bijniermerg is afgeleid van het ectoderm (omdat de bijniermerg wat zenuwweefsel bevat).

Differentiatie

Dus hoe komt het dat cellen met dezelfde genen zich kunnen ontwikkelen tot zulke duidelijk verschillende celtypes met zeer gespecialiseerde functies? In de eerste plaats is het door selectieve transcriptie van het genoom. Met andere woorden, alleen de genen die nodig zijn voor dat specifieke celtype worden getranscribeerd. Dus in cellen van de pancreaseilandjes zijn de genen voor het produceren van specifieke hormonen (insuline, glucagon of somatostatine) ingeschakeld, terwijl dezelfde genen in andere celtypen zijn uitgeschakeld. Selectieve transcriptie is vaak gerelateerd aan het concept van inductie, het vermogen van een groep cellen om het lot van andere nabijgelegen cellen te beïnvloeden. Dit proces wordt gemedieerd door chemische stoffen genaamd inductoren, die diffunderen uit de cellen organiseren naar de responsieve cellen. Deze chemicaliën zijn verantwoordelijk voor processen zoals de geleiding van neuronale axonen. Dit proces zorgt ook voor de nabijheid van verschillende celtypes die samenwerken binnen een orgaan.

Zodra de drie kiemlagen zijn gevormd, neurulatie, of de ontwikkeling van het zenuwstelsel, kan beginnen. Onthoud dat het zenuwstelsel is afgeleid van het ectoderm. Hoe komen dan cellen die ontstaan ​​op het oppervlak van het embryo (ectoderm) in het uiteindelijke organisme terecht? Ten eerste, een staaf van mesodermale cellen die bekend staat als de notochord vormt zich langs de lange as van het organisme als een primitieve ruggengraat (in feite blijven kleine overblijfselen van notochord bestaan ​​in de tussenwervelschijven tussen de wervels). Het notochord zorgt ervoor dat een groep bovenliggende ectodermale cellen naar binnen glijdt om zich te vormen neurale plooien, die een omringen neurale groef, zoals weergegeven in figuur 3.7. De neurale plooien groeien naar elkaar toe totdat ze samensmelten tot een neurale buis, die aanleiding geeft tot het centrale zenuwstelsel. Aan het uiteinde van elke neurale vouw bevinden zich: neurale lijstcellen. Deze cellen migreren naar buiten om het perifere zenuwstelsel te vormen (inclusief de sensorische ganglia, autonome ganglia, bijniermerg en Schwann-cellen), evenals specifieke celtypen in andere weefsels (zoals calcitonine-producerende cellen van de schildklier, melanocyten in de huid , en anderen). Ten slotte zullen ectodermale cellen migreren over de neurale buis en toppen om het rudimentaire zenuwstelsel te bedekken.

Figuur 3.7. Vorming van de neurale buis

Als de neurale buis niet sluit, resulteert dit in spina bifida (waarbij een deel of het hele ruggenmerg kan worden blootgesteld aan de buitenwereld) of anencefalie (waarbij de hersenen zich niet ontwikkelen en de schedel open blijft). De ernst van de effecten van spina bifida varieert van geen significant lijden tot de dood, terwijl anencefalie universeel dodelijk is. Vrouwen die zwanger willen worden, worden aangemoedigd om foliumzuur (foliumzuur) te nemen om deze complicatie te voorkomen. Het wordt aanbevolen dat alle vrouwen in de vruchtbare leeftijd hun dieet aanvullen met foliumzuur voordat ze zwanger worden, omdat neurulatie vaak optreedt voordat zwangerschap wordt ontdekt.

PROBLEMEN IN VROEGE ONTWIKKELING

Vroege ontwikkeling is een zeer gevoelige tijd tijdens de ontwikkeling van een mens. Tijdens deze fase, terwijl de kiemlagen zich vormen en vervolgens de organogenese (de productie van organen) begint, kunnen teratogenen verstrekkende en zeer schadelijke effecten hebben. Teratogenen zijn stoffen die de ontwikkeling belemmeren, defecten of zelfs de dood van het zich ontwikkelende embryo veroorzaken. Niet elk teratogeen zal echter hetzelfde effect hebben op elk embryo of elke foetus. Er wordt aangenomen dat de genetica van het individuele embryo de effecten van het teratogeen beïnvloedt. Naast genetica zullen ook de blootstellingsroute, de duur van de blootstelling, de snelheid van de placentaire overdracht van het teratogeen en de exacte identiteit van het teratogeen de algehele uitkomst beïnvloeden. Enkele veel voorkomende teratogenen zijn alcohol, geneesmiddelen op recept, virussen, bacteriën en chemicaliën uit het milieu, waaronder polycyclische aromatische koolwaterstoffen.

Naast teratogenen kan de ontwikkeling ook worden beïnvloed door de gezondheid van de moeder. Bepaalde omstandigheden kunnen veranderingen in de algehele fysiologie van de moeder veroorzaken, wat kan leiden tot overmatige of ondermatige blootstelling van het embryo of de foetus aan bepaalde chemicaliën. Diabetische moeders met hyperglykemie (hoge bloedglucose) kunnen bijvoorbeeld slechte geboorte-uitkomsten hebben. Overmatige blootstelling aan suiker in de baarmoeder kan leiden tot een foetus die te groot is om te worden geboren en die kort na de geboorte aan hypoglykemie lijdt (vanwege de synthese van zeer hoge insulinespiegels ter compensatie). Maternale foliumzuurdeficiëntie kan volledige sluiting van de neurale buis voorkomen, resulterend in spina bifida of anencefalie, waarbij delen van het zenuwstelsel worden blootgesteld aan de buitenwereld of bedekt zijn met een dun membraan. Net als teratogenen kunnen gezondheidsproblemen van de moeder echter wisselende effecten hebben op de zich ontwikkelende foetus. Spina bifida kan zo ernstig zijn dat het leidt tot ernstige invaliditeit, of kan volledig asymptomatisch zijn en alleen worden gedetecteerd door een plukje haar dat over het gebied ligt. Over het algemeen kunnen tijdens de ontwikkeling zeker trends en associaties worden gevonden tussen verschillende omgevingsomstandigheden en genen, maar het is enigszins onvoorspelbaar en zeer variabel.

MCAT-conceptcontrole 3.1:

Beoordeel voordat je verder gaat met deze vragen je begrip van de stof.

1. Wat is het verschil tussen bepaalde en onbepaalde decolleté?

2. Wat zijn de verschillende ontwikkelingsstadia, van zygote tot gastrula?

3. In welke ontwikkelingsfase vindt implantatie plaats?

4. Wat zijn de primaire kiemlagen en welke organen worden uit elk gevormd?


Hoofdstuk één - Regulatie van de embryonale celcyclus tijdens pre-implantatieontwikkeling bij zoogdieren

De pre-implantatie ontwikkelingsfase van zoogdierembryogenese bestaat uit een reeks sterk geconserveerde, gereguleerde en voorspelbare celdelingen. Dit proces is essentieel om de snelle expansie en differentiatie van een eencellige zygote tot een meercellige blastocyst met cellen van meerdere ontwikkelingslijnen mogelijk te maken.

Deze periode van ontwikkeling, ook bekend als het kiemstadium, omvat verschillende belangrijke ontwikkelingsovergangen, die gepaard gaan met dramatische veranderingen in celcyclusprofielen en -dynamiek. Deze veranderingen worden voornamelijk gedreven door verschillen in de oprichting en handhaving van celcycluscontrolepunten, die moeten worden omzeild om de voltooiing van essentiële celcyclusgebeurtenissen te vergemakkelijken.

Veel van de huidige kennis op dit gebied is vergaard door de studie van knock-outmodellen bij muizen. Deze muismodellen zijn krachtige experimentele hulpmiddelen, die ons in staat hebben gesteld om de relatieve afhankelijkheid van de vroege embryonale celcycli van verschillende aspecten van de celcyclusmachinerie te ontleden en de mate van functionele redundantie tussen leden van dezelfde genfamilie te benadrukken.

Dit hoofdstuk onderzoekt de manieren waarop de celcyclusmachinerie, hun hulpeiwitten en hun stimuli werken tijdens pre-implantatie bij zoogdieren met behulp van muismodellen als referentie en hoe dit het mogelijk maakt om de gewoonlijk goed gedefinieerde stadia van de celcyclus te vormen en te transformeren. tijdens deze unieke en kritieke ontwikkelingsfase.


Ontwikkelingsbiologie. 6e editie.

De splitsing in de meeste kikker- en salamanderembryo's is radiaal symmetrisch en holoblastisch, net als stekelhuidige splitsing. Het amfibie-ei bevat echter veel meer dooier. Deze dooier, die geconcentreerd is op het plantaardige halfrond, belemmert de splitsing. De eerste deling begint dus bij de dierenpool en breidt zich langzaam uit tot in het vegetatieve gebied (Figuur 10.1, zie ook Figuren 2.2D en 8.4). In de axolotl-salamander strekt de splitsingsgroef zich uit door het halfrond van het dier met een snelheid van bijna 1 mm per minuut. De splitsingsgroef doorsnijdt de grijze halve maan en vertraagt ​​dan tot slechts 0,02𠄰.03 mm per minuut als het de vegetatieve pool nadert (Hara 1977).

Figuur 10.1

Splitsing van een kikkerei. Splitsingsgroeven, aangeduid met Romeinse cijfers, zijn genummerd in volgorde van voorkomen. (A, B) Omdat de plantaardige dooier de splitsing belemmert, begint de tweede deling in het dierlijke gebied van het ei voordat de eerste deling zich heeft gedeeld (meer.)

Figuur 10.2A is een scanning-elektronenmicrofoto die de eerste splitsing in een kikkerei toont. Men kan het verschil in de groef zien tussen de dierlijke en de plantaardige hemisferen. Figuur 10.2B laat zien dat terwijl de eerste splitsingsgroef nog het dooiercytoplasma van de plantaardige hemisfeer doorklieft, de tweede splitsing al is begonnen nabij de dierenpool. Deze splitsing staat haaks op de eerste en is ook meridionale. De derde splitsing is, zoals verwacht, equatoriaal. Vanwege de plantaardig geplaatste dooier bevindt deze splitsingsgroef zich in amfibie-eieren echter niet echt op de evenaar, maar wordt verplaatst naar de dierenpool. Het verdeelt het kikkerembryo in vier kleine dierlijke blastomeren (micromeren) en vier grote blastomeren (macromeren) in het vegetatieve gebied. Deze ongelijke holoblastische splitsing zorgt voor twee belangrijke embryonale regio's: een snel delende regio van micromeren nabij de dierlijke pool en een langzamer delende plantaardig macromeergebied (Figuur 10.2C Figuur 2.2E). Naarmate de splitsing vordert, raakt het dierlijke gebied vol met talrijke kleine cellen, terwijl het plantaardige gebied slechts een relatief klein aantal grote, met dooier beladen macromeren bevat.

Afbeelding 10.2

Scanning-elektronenmicrofoto's van de splitsing van een kikkerei. (A) Eerste decolleté. (B) Tweede splitsing (4 cellen). (C) Vierde splitsing (16 cellen), die het verschil in grootte tussen de dierlijke en plantaardige cellen laat zien na de derde deling. (A van Beams en (meer.)

Een amfibie-embryo dat 16 tot 64 cellen bevat, wordt gewoonlijk a morula (meervoud: morulae van het Latijn, “mulberry,” waarvan de vorm er vaag op lijkt). In het 128-cellige stadium wordt de blastocoel duidelijk en wordt het embryo als een blastula beschouwd. Eigenlijk is de vorming van de blastocoel terug te voeren tot de allereerste splitsingsgroef. Kalt (1971) toonde aan dat in de kikker Xenopus laevis, de eerste splitsingsgroef wordt breder in het halfrond van het dier om een ​​kleine intercellulaire holte te creëren die van buitenaf wordt afgesloten door nauwe intercellulaire verbindingen (Figuur 10.3). Deze holte zet uit tijdens daaropvolgende splitsingen om de blastocoel te worden.

Figuur 10.3

Vorming van de blastocoel in een kikkerei. (A) Eerste splitsingsgroef, met een kleine spleet, die zich later ontwikkelt tot de blastocoel. (B) 8-cellig embryo met een kleine blastocoel (pijl) op de kruising van de drie splitsingsgroeven. (Van Kalt 1971 (meer.)

De blastocoel heeft waarschijnlijk twee belangrijke functies in kikkerembryo's: (1) het maakt celmigratie mogelijk tijdens gastrulatie, en (2) het voorkomt dat de cellen eronder voortijdig interageren met de cellen erboven. Toen Nieuwkoop (1973) embryonale newtcellen van het dak van de blastocoel, in het dierlijke halfrond, nam en ze naast de dooierachtige plantaardige cellen van de basis van de blastocoel plaatste, differentieerden deze dierlijke cellen in mesodermaal weefsel in plaats van ectoderm. Omdat mesodermaal weefsel normaal wordt gevormd uit die dierlijke cellen die grenzen aan de plantaardige endodermale voorlopers, lijkt het aannemelijk dat de plantaardige cellen aangrenzende cellen beïnvloeden om te differentiëren tot mesodermale weefsels. Zo lijkt de blastocoel het contact te voorkomen van de plantaardige cellen die bestemd zijn om endoderm te worden met die cellen die bestemd zijn om aanleiding te geven tot de huid en zenuwen.

Terwijl deze cellen zich delen, houden talrijke celadhesiemoleculen de blastomeren bij elkaar. Een van de belangrijkste van deze moleculen is EP-cadherine. Het mRNA voor dit eiwit wordt geleverd in het cytoplasma van de eicel. Als deze boodschap wordt vernietigd (door het injecteren van antisense-oligonucleotiden die complementair zijn aan dit mRNA in de eicel), wordt de EP-cadherine niet gemaakt en wordt de adhesie tussen de blastomeren drastisch verminderd (Heasman et al. 1994a,b), wat resulteert in de vernietiging van de blastocoel (Figuur 10.4).

Afbeelding 10.4

Uitputting van EP-cadherine-mRNA in de Xenopus eicel resulteert in het verlies van adhesie tussen blastomeren en de vernietiging van de blastocoel. (A) controle-embryo (B) EP-cadherine-verarmd embryo. (Van Heasman et al. 1994b foto's met dank aan J. (meer.)


8 DISCUSSIE

We beginnen deze discussie met het begrip dat SCNT ongelooflijke vooruitgang heeft geboekt bij het begrijpen van totipotentie en epigenese van de vroege embryo SCNT-producten worden algemeen klonen genoemd en worden niet als synthetisch beschouwd, hoewel het relevant is om SES's te versterken hoog blijft. De reikwijdte van deze beoordeling is op gekweekte cellen die praktisch en technisch ver verwijderd zijn van echte embryonale oorsprong.

Met de opkomende SES'en zien we een overvloed aan kansen en een vruchtbare onderzoeksomgeving om te empoweren en te informeren. Recente paradigmaverschuivingen in verwante technologieën (cellen, culturen, materialen, omics, bio-informatica, enz.) hebben de weg geëffend om de huidige golf van SES's te zaaien die bijna gelijktijdig zijn ontstaan ​​ondanks een verscheidenheid aan inputs, om een ​​breed spectrum van embryo's te genereren -achtige uitgangen. Vanaf hier stimuleren deze SES's de gesprekken en ontdekkingen die we nodig hebben om onze menselijke dimensie te laten groeien. Van celpotenties, cel-celinteracties, moleculaire routes, patroonvorming, implantatie en post-implantatie-ontwikkeling, heeft zich een venster naar het onbekende gemanifesteerd. Ten slotte beginnen we met het gebruik van SES'en om onze interesses te wekken voor de oorsprong van het leven en geven we hieronder twee SES-voorbeelden.

8.1 Het corrigeren van menselijke differentiatie

Differentiëren van menselijke PSC's in vitro stimuleert aantrekkelijke toepassingen zoals regeneratieve geneeskunde en de ontwikkeling van geneesmiddelen. De meeste huidige gedifferentieerde cellen zijn echter veel minder functioneel dan de echte in vivo equivalent. Menselijke SES's die zich richten op post-implantatieontwikkeling kunnen cruciaal zijn om de juiste differentiatiepaden te begrijpen om te verbeteren in vitro differentiatieprotocollen van PSC's en de kwaliteit van de gedifferentieerde cellen. De menselijke gastruloïde onthulde bijvoorbeeld dat canonieke WNT-pathway-stimulatie door Chiron (CHIR) belangrijk was bij het initiëren van gastruloïde-vorming en ruimtelijk-temporele genexpressie, ondanks het feit dat noch WNT3A noch BMP4 dit konden doen (Moris et al., 2020). Belangrijk is dat BMP4 cruciaal is in PSC-patroonvorming SES's (Warmflash et al., 2014). Deze resultaten suggereren dat er een onbekende moleculaire determinant bestaat in de eerste stappen van differentiatie. Wij zijn van mening dat verder onderzoek met menselijke SES's de gevestigde PSC-technologieën en -toepassingen aanzienlijk zal verbeteren.

8.2 Symmetrie en polariteitsdynamiek

De eerste duidelijke breuk in de celsymmetrie vindt plaats in het morula-stadium wanneer de TE- en ICM-lijnen verschijnen. Deze gebeurtenis heeft de aandacht van veel ontwikkelingsbiologen getrokken voor onderzoek op moleculair niveau (bijv. Maitre et al., 2016 Rossant & Tam, 2009 )). Momenteel verklaren twee modellen het moleculaire mechanisme van deze specificatie, hoewel ze elkaar niet uitsluiten. Het ene model is het positionele model en het andere is het polariteitsmodel (Toyooka, 2020). Beide modellen concluderen dat de Hippo-Yap-as de twee geslachten scheidt (Nishioka et al., 2009). Vreemd genoeg hebben we dezelfde regulatie waargenomen in de Yap-lokalisatie in iBLC-pc's van muizen (Kime et al., 2019) als muizenembryo's (Nishioka et al., 2009). Het gebruik van SES met Yap-reporter en genetische manipulatie kan nieuw licht werpen op de eerste symmetrie-onderbrekingsgebeurtenis in embryogenese.

8.3 Slotopmerkingen - onderzoeksparadigma's in cultuur

Onderzoekers hebben voortdurend te maken gehad met de beperkingen van celsystemen en diermodellen om geconserveerde en onderscheidende aspecten van levenssystemen te vinden. Onze mentor Bruce Conklin zei ooit dat "de mens het nieuwe modelsysteem is" en wees overtuigend op de voortdurende ontdekking van kritische verschillen die onze soort scheiden van verschillen in diermodellen die zwaar wegen op de medische relevantie gekoppeld aan publieke financiering. Fundamentele onderzoekers en diermodellen hebben de overvloed aan onderzoek naar voren gebracht, vaak in opdracht van menselijke relevantie, maar de tijden zijn veranderd en het paradigma verschuift. Menselijke cellen worden steeds gemakkelijker om mee te werken. Op menselijke cellen gebaseerde SES'en kunnen de weg vrijmaken voor realistische gegevens om onze ontwikkeling, implantatie, zwangerschap, het lichaamsplan en regeneratieve geneeskunde te verbeteren. Omgekeerd gaan diermodellen nog steeds voorbij aan ethische bezwaren en leveren ze het meest substantiële bewijs in de vorm van levende dieren. Het samenspel is mogelijk zodanig verschoven dat we nu een onderzoek met menselijke cellen kunnen starten en later valideren in diermodellen. In tegenstelling tot de meeste menselijke biologie is de relevantie hier menselijke embryogenese en de ethiek heeft veel meer macht dan de feiten. We hebben misschien meer dan ooit menselijke relevantie nodig, maar het taboe van een ideaal menselijk SES-model zal lang duren. We verwachten dat belangrijke ontwerpen die de celpotentie beperken of de output beperken, een bepaald aspect van menselijke SES's in staat kunnen stellen brede acceptatie te vinden.


Bekijk de video: Filmpje: Wanneer is een dier een zoogdier? (December 2021).