Informatie

Ontwikkeling - Biologie


Ontwikkeling beschrijft de veranderingen in een organisme vanaf het prille begin tot volwassenheid.

Afbeelding (PageIndex{1}). (CC BY-NC-SA; N. Tarwe)

Bevruchting

Bevruchting is de eerste gebeurtenis in de ontwikkeling van seksuele voortplanting.

  • Unie van mannelijke en vrouwelijke gameten.
  • Recombinatie van vaderlijke en moederlijke genen.
  • Restauratie van de diploïde getal (twee sets chromosomen).

Zygoot

De diploïde cel die ontstaat door de bevruchting heet nu a zygoot.

Afbeelding (PageIndex{2}). ontwikkeling in de zeester (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

Decollete

Decollete– snelle celdelingen na bevruchting. Er vindt zeer weinig groei plaats terwijl de cellen zich delen. Elke cel genaamd a blastomeer.

Afbeelding (PageIndex{3}). ontwikkeling in de zeester (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

Deze video toont decolleté in een kikkerembryo:

Morula

Morula- de naam die wordt gegeven aan de stevige bal van cellen die het gevolg is van splitsing. Eerste 5-7 divisies.

Afbeelding (PageIndex{4}). ontwikkeling in de zeester (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

blastula

Terwijl de delingen doorgaan, ontstaat er een met vloeistof gevulde holte, de blastocoel, vormt zich in het embryo. De resulterende holle bal van cellen heet nu a blastula.

Afbeelding (PageIndex{5}). ontwikkeling in de zeester (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

gastrulatie

Het morfogenetische proces genaamd gastrulatie herschikt de cellen van een blastula in een drielaagse (triploblastisch) embryo, genaamd a gastrula, die een primitieve darm heeft (archenteron).

Afbeelding (PageIndex{6}). ontwikkeling in de zeester (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

De Blastopore

De blastopore is de eerste opening in het embryo - het punt van invaginatie tijdens gastrulatie. De blastopore zal uiteindelijk de mond of de anus worden. Het ene uiteinde van de darmbuis of het andere. De ruimte die zich in deze tijd vormt, is de primitieve darm, de archenteron.

Afbeelding (PageIndex{7}). ontwikkeling in de zeester (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

gastrulatie

De drie weefsellagen die door gastrulatie worden geproduceerd, worden embryonaal genoemd kiemlagen. De ectoderm vormt de buitenste laag van de gastrula. Buitenoppervlakken, neuraal weefsel

De endoderm lijnen het embryonale spijsverteringskanaal. De mesoderm vult gedeeltelijk de ruimte tussen het endoderm en het ectoderm. Spieren, voortplantingssysteem

Gastrulatie – Zee-egel

Gastrulatie in een zee-egel produceert een embryo met een primitieve darm (archenteron) en drie kiemlagen.

Gastrulatie - Chick

Gastrulatie bij het kuiken wordt beïnvloed door de grote hoeveelheden dooier in het ei. Embryo zit in wezen bovenop een grote massa dooier.

primitieve streep– een groef op het oppervlak langs de toekomstige anterior-posterior as.

  • Functioneel gelijk aan blastopore lip in kikker.

Gastrulatie - Zoogdier

Bij zoogdieren wordt de blastula a . genoemd blastocyst. binnenste cel massa- zal het embryo worden terwijl trofoblast wordt onderdeel van de placenta.

Afbeelding (PageIndex{8}). blastocyst. (CC BY-NC-SA; Wikipedia)

Gastrulatie bij zoogdieren omvat de binnenste celmassa en is vergelijkbaar met die van het kuiken vanwege het feit dat de voorouders van zoogdieren en vroege zoogdieren eieren legden. De grote massa dooier is misschien verdwenen, maar het ontwikkelingspatroon blijft.

Suites van ontwikkelingskarakters

Twee grote groepen triploblastische dieren:

  • Protostomen omvatten platwormen, ringwormen en weekdieren.
  • Deuterostomen omvatten stekelhuidigen en chordaten.

Protostomen & Deuterostomen

Protostomen en deuterostomen worden onderscheiden door:

  • Spiraal versus radiale splitsing
  • Mozaïek versus regulerende splitsing
  • Blastopore wordt mond versus anus
  • Schizocoelousvs. enterocoelous coelomvorming.

Spiraal versus radiale splitsing

Spiraal decolleté- komt voor in de meeste protostomen. Sommige ecdysozoa vertonen radiale of oppervlakkige (insecten) splitsing.

Afbeelding (PageIndex{9}). (CC BY-NC-SA; N. Tarwe)

Radiaal decollete- komt voor in de meeste deuterostomen. Manteldieren en zoogdieren hebben gespecialiseerde splitsingspatronen.

Afbeelding (PageIndex{10}). (CC BY-NC-SA; N. Tarwe)

Mozaïek versus regelgevende ontwikkeling

Mozaïek ontwikkeling- het lot van de cel wordt bepaald door de componenten van het cytoplasma die in elke blastomeer worden aangetroffen. Een geïsoleerde blastomeer kan zich niet ontwikkelen. Protostomen

Regelgevende ontwikkeling- het lot van een cel hangt af van zijn interacties met buren, niet van welk stuk cytoplasma het heeft. Een blastomeer dat vroeg in de splitsing wordt geïsoleerd, kan van een heel individu (bijvoorbeeld een tweeling). Deuterostomen

Het lot van de Blastopore

Protostome betekent "eerste mond". Blastopore wordt de mond. De tweede opening wordt de anus.

Deuterostome betekent "tweede mond". De blastopore wordt de anus en de mond ontwikkelt zich als de tweede opening.

Afbeelding (PageIndex{11}). ontwikkeling in de zeester (Phylum Echinodermata). (CC BY-NC-SA; K. Wynne)

Coelom-formatie

De coelom is een lichaamsholte die wordt aangetroffen in veel triploblastische organismen die volledig is omgeven door mesoderm. Niet alle protostomen hebben een echt coeloom. pseudocoelomaten hebben een lichaamsholte tussen mesoderm en endoderm. acoelomaten hebben helemaal geen lichaamsholte behalve de darm.

In protostomen met een coeloom vormt zich een mesodermale weefselband voordat het coeloom wordt gevormd. In het proces van coelomvorming genaamd schizofreen, dit mesoderm splitst om een ​​coeloom te vormen.

In enterocoely, vormt het coeloom als uitsteeksel van de darm. Typische deuterostomen hebben coelomen die zich ontwikkelen door enterocoely. Gewervelde dieren gebruiken een aangepaste versie van schizocoely.



Deze tutorial is gefinancierd door de titel V-STEM Grant # P031S090007.


Ontwikkelingsbiologie

De xenobots zetten sommige conventionele opvattingen in de ontwikkelingsbiologie op hun kop.

Voor zijn onvermoeibare aanval op de evolutionaire biologie en het verkleinen van de godheid om in de wetenschap te passen, geef ik Meyer de tweede plaats.

Complementariteit zoals conservatieve katholieken de term gebruiken, is echter meer dan biologie.

Maar over het algemeen bespreek ik dezelfde dingen voor elke ontwikkelingsfase.

Jean Piaget, de beroemdste ontwikkelingspsycholoog van de 20e eeuw, benadrukt dit in een klassiek onderzoek.

"Op de lange termijn maak ik me meer zorgen over de biologie", vertelde hij aan The Telegraph.

De ruggengraat ervan zou de studie van de biologie moeten zijn en de inhoud ervan zou het dorsen van de brandende vragen van onze tijd moeten zijn.

"Plantkunde is die tak van de biologie die het plantenleven behandelt" bevat dezelfde fout.

'Biologie' wordt niet zo goed begrepen als 'plantkunde', hoewel het een meer algemene term is.

Hieruit volgt dat biologie het fundament is in plaats van het huis, als we zo'n grof getal mogen gebruiken.

Het is tijd om af te stappen van het idee dat de biologie tot in detail voorschrijft hoe we de samenleving zullen besturen.


Wetenschappelijke grenzen in ontwikkelingstoxicologie en risicobeoordeling (2000)

Het ontbreken van een scherp begrip van de werking van toxische stoffen op de ontwikkeling is grotendeels toe te schrijven aan het ontbreken van begrip van de ontwikkeling zelf. Tot een paar jaar geleden was er geen begrip van een "ontwikkelingsmechanisme" op moleculair niveau, hoewel er verklaringen waren op cellulair en weefselniveau, zoals "gastrulatie is het mechanisme waarmee de organisatie van het ei wordt omgezet in de organisatie van het embryo .&rdquo Recente ontwikkelingen in de ontwikkelingsbiologie zijn substantieel genoeg geweest voor wetenschappers om er voor het eerst zeker van te zijn dat sommige aspecten van ontwikkeling in sommige organismen op moleculair niveau worden begrepen. Eiwitcomponenten zijn geïdentificeerd, hun functies in ontwikkelingsprocessen zijn bekend en de tijd en plaats in het embryo van expressie van de genen die ervoor coderen zijn bekend. Deze kennis komt ten goede aan het ophelderen van de mechanismen van ontwikkelingstoxiciteit.

In dit hoofdstuk evalueert de commissie, naar aanleiding van haar opdracht, de stand van de wetenschap voor het ophelderen van mechanismen van ontwikkelingstoxiciteit en presenteert zij inzichten in de ontwikkelingsbiologie. Het zal de belofte van het onderwerp in het komende decennium tonen voor het begrijpen van de werking van ontwikkelingstoxische stoffen.

EEN KORTE GESCHIEDENIS VAN ONTWIKKELINGSBIOLOGIE

Waarnemingen van embryo's en embryonale stadia werden gedaan en vastgelegd in de oudheid (bijv. Aristoteles, vierde eeuw voor Christus) en met toenemende aandacht in de afgelopen eeuwen (bijv. Malphigi in de jaren 1600, Wolff in de jaren 1700 en von Baer in de vroege jaren 1800). Het was echter pas aan het eind van de negentiende eeuw dat wetenschappers een gedetailleerde beschrijving van de embryonale stadia van een verscheidenheid aan verte-

braten en ongewervelde dieren, geholpen door de toen recente verbeteringen in lichtmicroscopie en kleuringsmethoden en gestimuleerd door Darwins voorstellen dat de studie van ontogenie (d.w.z. de embryonale ontwikkeling van het dier) aanwijzingen bevat voor fylogenie (d.w.z. de evolutionaire oorsprong ervan). Een van de hoogtepunten in de periode 1880-1940 waren de gedetailleerde anatomische beschrijvingen van ontwikkelingsstadia van embryo's, waaronder de eerste atlas van menselijke embryo's, gereconstrueerd uit microscopische secties, gepubliceerd door W. His, Sr., in 1880-1885. In de embryologie van gewervelde dieren onthulden deze beschrijvingen de organogenese van het hart, de nieren, de ledematen, het centrale zenuwstelsel (CZS) en de ogen. Onderzoek naar het in kaart brengen van het lot van de ontwikkeling onthulde de embryonale plaatsen van de oorsprong van cellen van de organen en de herschikkingen van groepen cellen in morfogenese. De ontwikkelingsstadia bleken, in omgekeerde volgorde, cytodifferentiatie, organogenese, morfogenese (gastrulatie en neurulatie), snelle splitsing, bevruchting en gametogenese te omvatten. Tegen de jaren veertig werden anatomische beschrijvingen van de embryo's van verwante dieren geïntegreerd in coherente evolutionaire schema's, onderwezen in vergelijkende embryologieklassen, waarbij bijvoorbeeld de wijziging van de kieuwspleten van kaakloze vissen in de kaak van kaakloze vissen werd onthuld en verdere modificatie van de middenoor van zoogdieren. Ook was tegen die tijd het al te vereenvoudigde schema van Haeckel verlaten, namelijk dat ontogenie slechts de fylogenie recapituleert.

Experimentele embryologie begon ook in de late jaren 1800. In experimentele studies, waarbij vooral technieken van cel- en weefseltransplantatie en verwijdering betrokken waren, werd de centrale rol van cytoplasmatische lokalisaties en cellijn-beperkte ontwikkelingsbestemmingen erkend in de ontwikkeling van bepaalde ongewervelde dieren tegen het begin van de 20e eeuw. In de ontwikkeling van gewervelde dieren werd het belang van inducties (ook wel weefselinteracties genoemd) in de jaren 1920 erkend, na de verbluffende transplantatie-experimenten van Spemann en Mangold (1924) op newt-embryo's. In de jaren vijftig waren er inducties gevonden in elk stadium en op elke plaats in het embryo van gewervelde dieren, bijvoorbeeld in alle soorten organogenese. De ontwikkeling van gewervelde dieren, waaronder die van zoogdieren, was begrijpelijk geworden als een vertakkende opeenvolging van inductieve interacties tussen naburige leden van een steeds groter aantal verschillende celgroepen van het embryo.

Ontwikkelingsmechanismen, zoals ze zelfs in de jaren zeventig werden begrepen, waren beschrijvingen van de bewegingen en interacties van cellen of groepen cellen. Het waren mechanismen op cel- of weefselniveau. De allerbelangrijkste "inductoren" waren materialen van onbekende samenstelling die door de ene celgroep werden afgegeven en door een andere groep werden ontvangen. Dientengevolge volgden de ontvangende cellen een ander ontwikkelingspad dan het pad dat zou zijn gevolgd als ze niet waren blootgesteld. De voortgang of het momentum van ontwikkeling werd ook erkend: dat de individuele gebeurtenissen van interacties en reacties tijdkritisch zijn, en dat bepaalde daaropvolgende aspecten van ontwikkeling nooit plaatsvinden als één gebeurtenis wordt voorkomen.

Moleculaire mechanismen werden op dat moment echter niet begrepen. Embryologen kwamen in de periode 1940-1970 de grenzen van het veld tegen, toen ze probeerden de chemische aard van inductoren en de reacties van cellen daarop te ontdekken.

De basisinformatie en methoden van biochemie, moleculaire biologie, celbiologie en genetica waren nog niet beschikbaar om celcelsignalering en transcriptionele regulatie in embryo's te analyseren. In het licht van ontmoedigende resultaten waren sommige embryologen van mening dat het concept van de organisator defect was en dat inductoren een experimenteel artefact waren (zie de latere bespreking voor recente successen bij het begrijpen van inducties). Hoewel Morgan en andere vroege genetici hadden voorgesteld dat inductoren en cytoplasmatische lokalisaties specifieke genexpressie uitlokken en dat ontwikkeling voor een groot deel een probleem was van steeds veranderende patronen van genexpressie (Morgan 1934), waren de middelen niet voorhanden om die inzichten na te streven. Roux, Spemann en Harrison hadden in het begin van de twintigste eeuw plausibele onderzoekslijnen naar determinatie en morfogenese geschetst, maar de middelen waren op dat moment ook niet beschikbaar om die vragen te onderzoeken.

Voor veel wetenschappers in de periode 1940-1970 leek de studie van ontwikkeling rommelig en onhandelbaar. Onderzoekers wendden zich tot meer informatieve onderwerpen zoals de nieuwe moleculaire genetica van bacteriën en fagen (virussen die bacteriën infecteren). Uit die onderzoeken kwamen in de periode 1950-1965 nieuwe inzichten voort over de aard van het gen en de code en de processen van replicatie, transcriptie, translatie, enzyminductie en enzymrepressie. Het was bijvoorbeeld pas in 1961 dat Monod en Jacob genregulatie in bacteriën beschreven in termen van promotors, operators en repressor-eiwitten (Monod en Jacob 1961). Die auteurs zagen meteen de relevantie voor de ontwikkeling van dieren in. Al hun inzichten maakten de uitvinding mogelijk van technieken voor genisolatie en amplificatie, voor in vitro expressie van genen, voor genoomanalyse en, daarna, voor de nieuwe ontwikkelingsbiologie.

Met zo weinig moleculaire informatie over ontwikkelingsprocessen was er nauwelijks enig begrip van de werking van ontwikkelingstoxische stoffen. Bijvoorbeeld Wilson (1973) in zijn boek Milieu en aangeboren afwijkingen kon alleen de volgende mogelijkheden voor verbanden tussen inducties en ontwikkelingsdefecten naar voren brengen:

Het is al lang geaccepteerd dat celinteracties (inductie) een belangrijk onderdeel zijn van normale embryogenese, ondanks het feit dat specifieke &ldquo-inducerende substanties&rdquo niet zijn geïdentificeerd. [Mislukten] van normale interacties die kunnen leiden tot afwijkingen in de ontwikkeling zijn bijvoorbeeld gebrek aan normaal contact of nabijheid, zoals van optische vesikel met vermoedelijk lens-ectoderm of de incompetentie van doelweefsel om te worden geactiveerd ondanks zijn gebruikelijke relatie met activator weefsel, zoals bij bepaalde defecten aan gemuteerde ledematen of de verkeerde timing van de onderlinge relatie, ook al zijn alle delen potentieel competent. Dat de aard van cel-tot-cel contacten en de manier van hun adhesie belangrijke determinanten zijn in zowel normale als abnormale ontwikkeling is aangetoond & hellip. Onvoldoende of ongepaste cellulaire interacties resulteren gewoonlijk in een gestopte of afwijkende ontwikkeling in het weefsel dat gewoonlijk wordt geïnduceerd of geactiveerd door de interactie.

Deze commissie zal later beweren dat het inzicht van Wilson goed gericht was en nu klaar is om nagestreefd te worden.

VORDERINGEN IN ONTWIKKELINGSBIOLOGIE

In de afgelopen 15 jaar is de ontwikkelingsbiologie opmerkelijk vooruitgegaan, misschien als nooit tevoren in de geschiedenis van het veld. Het is nu bekend dat de biljoenen cellen van een groot dier, zoals een zoogdier, hetzelfde genotype hebben, dat hetzelfde is als dat van de eencellige zygote (de bevruchte eicel) waaruit het dier zich ontwikkelt. Dat wil zeggen, de genetische inhoud van somatische cellen verandert niet tijdens de ontwikkeling van de meeste dieren. De recente klonen van Dolly het lam (Wilmut et al. 1997), de Cumulina-muisfamilie (Wakayama et al. 1998) en een niet-menselijke primaat (Chan et al. 2000) bevestigen het feit dat een gespecialiseerde cel, zoals een borstklier of cumuluscel, draagt ​​de genen voor alle andere soorten cellen van het dier. De wetenschappelijke vooruitgang die tot deze klonen leidde, was gebaseerd op eerdere successen met nucleaire transplantatie bij kikkers, eerst door Briggs en King (1952), maar vooral door Gurdon (1960), die tot soortgelijke conclusies hadden geleid voor een niet-zoogdierachtig gewerveld dier. Ondanks dezelfde genen, verschillen de cellen binnen het individuele organisme sterk in hun uiterlijk en functies, wat betekent dat ze hetzelfde genotype en verschillende fenotypes hebben. De celtypen verschillen sterk in de ribonucleïnezuren (RNA's) en eiwitten die ze bevatten. Ze verschillen in welke subset van genen ze tot expressie brengen van hun totale genomische repertoire. Bij mensen worden ten minste 300 celtypen herkend (bijvoorbeeld rode bloedcellen, Purkinje-zenuwcellen en gladde of dwarsgestreepte spiercellen). Het aantal celsubtypes is veel groter, misschien wel tienduizenden, wanneer rekening wordt gehouden met verdere verschillen met betrekking tot het ontwikkelingsstadium van de cel en de locatie in het lichaam, zoals de afgelopen jaren is ontdekt. Ontwikkeling kan worden gezien als het bekronende voorbeeld van evolutie van complexe genregulatie. Uit het enkele genoom moeten duizenden verschillende gencombinaties op specifieke tijden en plaatsen in het zich ontwikkelende organisme tot expressie worden gebracht, en uit het zich ontwikkelende ei moet de informatie voor het selectief gebruik van combinaties worden gegenereerd.

Een belangrijke factor bij deze regulering is de overdracht van chemische informatie (d.w.z. signalen) tussen cellen tijdens de ontwikkeling. Uit recent onderzoek, dat voortbouwt op eerdere bevindingen, wordt nu het volgende gerealiseerd:

Embryonale cellen van geleedpotigen en nematoden maken veel van hun ontwikkelingsbeslissingen op basis van de chemische signalen die ze van andere cellen ontvangen, net als embryonale cellen van gewervelde dieren. Later zullen de embryonale cellen van al deze organismen op basis van andere signalen verdere beslissingen nemen. De cycli van signaleren en reageren worden keer op keer herhaald naarmate de ontwikkeling vordert. Met dat in gedachten en het feit dat één genotype honderden of duizenden cellulaire fenotypes ondersteunt, kan men zeggen dat ontwikkeling berust op &ldquogenotype-omgevingsinteracties, waarbij de lokale omgeving van elke cel wordt gegenereerd door naburige groepen cellen. Het genotype en de eerdere ontwikkelingsbeslissingen van de cel bepalen de opties voor reacties op de signalen die momenteel aanwezig zijn (Wolpert 1969).

Van de signaalroutes die betrokken zijn bij deze informatieoverdracht is bekend dat ze van 17 typen zijn (er kunnen er nog een paar onontdekt blijven). Ze worden herhaaldelijk gebruikt

op verschillende tijdstippen en plaatsen in het embryo, vanaf de vroegste stadia via organogenese en cytodifferentiatie, en zelfs in de verschillende prolifererende en vernieuwende weefsels van de juveniele en volwassen (zie Bijlage C).

De signaalroutes zijn sterk geconserveerd in een breed scala van diersoorten (van akkoorden tot geleedpotigen tot rondwormen), vermoedelijk omdat ze aanwezig waren en al functioneel waren in de pre-Cambrische gemeenschappelijke voorouder van die dieren.

Veel van de soorten celreacties op signalen zijn ook geconserveerd (bijvoorbeeld reacties van selectieve genexpressie, secretie, celproliferatie of celmigratie). De respons van zich ontwikkelende cellen op signalen omvat activering of onderdrukking van de expressie van specifieke genen door transcriptiefactoren die zich in genetische regulerende circuits bevinden. Signaalroutes beïnvloeden vaak de activiteit van die factoren. Veel van de transcriptiefactoren en circuits zijn geconserveerd over een breed scala van diersoorten.

Een effectieve en algemene benadering van de experimentele analyse van ontwikkelingsprocessen in alle stadia was dus om te informeren naar de signaalroutes en transcriptionele regulerende circuits die werken in het specifieke geval van ontwikkeling dat wordt bestudeerd. Verschillende organismen, die verschillen in aspecten van hun ontwikkeling, gebruiken niettemin dezelfde geconserveerde signaalroutes en regulerende circuits, maar in verschillende combinaties, tijden en plaatsen, en hebben verschillende genen als doelwit van hun transcriptionele regulerende circuits. Ontwikkelingsprocessen, die wetenschappers slechts een paar jaar geleden met oneindige complexiteit en verscheidenheid leken te confronteren, lijken nu te interpreteren als samenstellingen van een klein aantal geconserveerde elementaire processen, namelijk die van intercellulaire signalering, intracellulaire regulerende circuits en een beperkte verscheidenheid aan gerichte reacties. Deze conclusies, die werden getrokken door de analyse van de ontwikkeling bij dieren die zo ver verwijderd zijn als muizen, vliegen en nematoden, geven grote geldigheid aan het gebruik van modelorganismen bij het bestuderen van de ontwikkeling van zoogdieren, inclusief die van mensen, en in de toekomstige analyse van de actie van ontwikkelingstoxische stoffen en bij de detectie ervan.

Hoewel de signaalresponsroutes in hoge mate geconserveerd zijn, heeft evolutie geleid tot een toenemende complexiteit van de "gemeenschap" van routes bij gewervelde dieren. Deze complexiteit is duidelijk zowel in het toegenomen aantal nauw verwante routecomponenten (gediversifieerde eiwitfamilieleden) als in de toegenomen mogelijkheden voor overspraak tussen routes. De overtollige functie van nauw verwante componenten werd duidelijk gemaakt door het bestaan ​​van talrijke gerichte gen-knock-out-mutaties in de muis die weinig of geen identificeerbare fenotypes produceerden, dat wil zeggen dat de muizen normaal of bijna normaal zijn onder laboratoriumomstandigheden (zie tabel 6-5, verderop in dit hoofdstuk). Er moet echter worden benadrukt dat functionele redundantie twee voordelen biedt. Het beschermt het organisme door ervoor te zorgen dat een fundamenteel proces kan doorgaan, zelfs in de afwezigheid of verminderde aanwezigheid van een kritische genactiviteit. Op evolutionaire schaal is de veelheid van overlap-

ping-functies biedt een basis voor het genereren van diversiteit zonder essentiële functionaliteit te verliezen.

De Drosophila Doorbraak

Het recente moleculaire begrip van ontwikkelingsprocessen en componenten werd verkregen uit de experimentele analyse van enkele modelorganismen zoals: Drosophila melanogaster (de fruitvlieg), Caenorhabditis elegans (een vrijlevende nematode), Danio rerio (de zebravis), Xenopus laevis (een kikker), het kuiken en de muis (zie hoofdstuk 7 voor voorstellen over hun gebruik bij de beoordeling van ontwikkelingstoxiciteiten). D. melanogaster en C. elegans werden door onderzoekers gekozen vanwege hun vatbaarheid voor genetische analyse, geboden door hun kleine omvang (vandaar grote populaties) en korte levenscyclus (vandaar vele generaties). Nümlsslein-Volhard en Wieschaus (1980) begonnen een systematische zoektocht naar ontwikkelingsmutanten van Drosophila midden jaren zeventig. Ze onderwierpen volwassenen aan hoogfrequente chemische mutagenese en inspecteerden vervolgens grote populaties nakomelingen op gemuteerde individuen met sterke en vroege ontwikkelingsdefecten (vóór het uitkomen) op discrete locaties en discrete stadia in het embryo. Ze verwierpen mutanten met zwakke of pleiotrope effecten omdat ze in het begin te moeilijk waren om te analyseren. Ze onderzochten gemutageniseerde vliegen totdat dezelfde soorten mutanten herhaaldelijk in hun collecties begonnen te verschijnen. De herhaling was het bewijs dat ze alle verschillende soorten zygotische mutanten hadden verkregen (die zijn aangetast in genen die na bevruchting zijn getranscribeerd) die gemutageniseerde vliegen konden opleveren onder de inspectieomstandigheden. Deze procedure wordt "verzadigingsmutagenese" genoemd, waarbij wordt aangenomen dat alle vatbare genen waarvan de gecodeerde producten belangrijk zijn in de ontwikkeling, worden onthuld. Verschillende laboratoria, waaronder die van Nümlsslein-Volhard en Wieschaus, waren ook bezig met het verzamelen van mutanten met een maternale werking (die zijn aangetast in genen die vóór de bevruchting in vrouwelijke geslachtscellen zijn getranscribeerd) en hebben deze zoektocht tot verzadiging voortgezet.

De Drosophila mutanten werden gecategoriseerd op fenotype en complementatiegedrag (twee mutaties samenvoegen in een heterozygoot om te zien of ze gelijk of verschillend zijn) om het aantal verschillende genen vast te stellen waarvan de mutaties hetzelfde fenotypische ontwikkelingsdefect geven. Hun categorieën omvatten die embryo's die het voorste of achterste uiteinde, oneven of even segmenten, dorsale of ventrale delen, mesoderm, endoderm of zenuwstelsel niet ontwikkelden. Verdere combinaties van mutanten werden gemaakt om epistase vast te stellen (de interactie van verschillende genproducten, weerspiegeld in de dominantie van het ene mutantdefect over het andere) en om plausibele ontwikkelingsroutes af te leiden waarin de acties van de gecodeerde genproducten gerelateerd en geordend konden worden. Tegen het einde van de jaren tachtig was er een solide basis van waarnemingen van Drosophila mutante fenotypen en genlocaties waren gebouwd en geordende functiepaden op basis van de mutante interacties waren voorgesteld. Deze informatie diende als basis voor toekomstige moleculair genetische analyse. Het onderzoek was de eerste systematische en uitputtende benadering van onder-

de ontwikkeling van een organisme en het identificeren van componenten van ontwikkelingsprocessen.

Synergie met onderzoeksvooruitgang op andere gebieden

Ondertussen boekten andere onderzoekers over de hele wereld vooruitgang op het gebied van biochemie, moleculaire biologie, celbiologie en genetica. Ze leerden enorm veel over de functie van eiwitten bij replicatie, transcriptie, translatie, secretie, opname, membraantransport, celmotiliteit, celdeling, de celcyclus, celadhesie en apoptose (geprogrammeerde celdood), om er maar een paar te noemen. van de cellulaire processen. Onderzoekers verbeterden de methoden om genen te isoleren, ze te sequencen, sequenties te manipuleren, transcripten in vitro te maken, boodschapper (m)RNA's in cellen te detecteren door in situ hybridisatie, RNA's in vitro naar eiwitten te vertalen en antilichamen tegen eiwitten te maken. In situ hybridisatie, die grafisch de tijd en plaats van expressie van specifieke genen in het embryo aan het licht bracht, zou van bijzonder belang blijken te zijn voor het verbinden van de nieuwe moleculaire analyse met de oudere ontwikkelingsanatomie. Veel van het werk werd aanvankelijk gedaan met eencellige organismen: bacteriën, gisten of dierlijke cellen in kweek. Enkele inzichten en technieken kwamen voort uit de studie van kankercellen in de zoektocht naar oncogenen.

In de loop van dat werk bleken veel van de processen, eiwitfuncties en eiwitsequenties sterk geconserveerd te zijn bij organismen die zo divers zijn als gist en mensen of zelfs bacteriën en mensen. Verschillende eiwitten van verschillende organismen, en ook binnen hetzelfde organisme, deelden "volgordemotieven" waarmee het eiwit kon worden herkend als een lid van een eiwitfamilie met een bepaalde functie en afstammen van een gemeenschappelijke voorouder van de sequentie. Nieuw ontdekte eiwitten zouden een functie kunnen krijgen alleen al door hun bezit van een bepaald motief. Naarmate er meer motieven werden gevonden, zal het gemakkelijker zijn om nieuw ontdekte eiwitten te categoriseren. Receptortyrosinekinasen waren bijvoorbeeld herkenbaar aan hun transmembraan hydrofobe motieven en adenosinetrifosfaat (ATP)-bindende domeinen. G-eiwit-gekoppelde receptoren konden worden onderscheiden door een zeven-pass (serpentine) transmembraanmotief. Transcriptiefactoren zouden kunnen worden herkend aan de sequentiemotieven van hun deoxyribnucleïnezuur (DNA)-bindende domeinen (bijvoorbeeld zinkvinger-, basische helix-lus-helix-, homeodomein- of leucine-zipperdomeinen). Van de recentelijk gesequenced genomen van gist en C. elegansongeveer 40% van de open leesramen (ORF's) is bijvoorbeeld herkenbaar aan bekende motieven (Chervitz et al. 1998). Aan de producten van die genen kan, althans voorlopig, een functie worden toegekend. Er zijn plannen om de functie van de ontbrekende ORF's van gist te definiëren en de functies van alle eiwitten toewijsbaar te maken vanuit de sequentie. Tegelijkertijd zijn er plannen om een ​​groot aantal eiwitbindende sequenties in de regulerende regio's van genen te identificeren om de expressiecondities van genen beter te kunnen voorspellen. Deze plannen behoren tot de doelstellingen van "functionele genomica", zoals beschreven in hoofdstuk 5. Alle informatie over sequenties, motieven en functie is opgeslagen in beschikbare databases.

voor onderzoekers over de hele wereld (bijv. de Basic Local Alignment Search Tool (BLAST) <http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/>).

Drosophila Ontwikkeling op moleculair genetisch niveau

Tegen de tijd dat de Drosophila mutanten werden gekarakteriseerd in het midden van de jaren tachtig, waren technieken zeer geschikt voor moleculair genetische analyse van aangetaste genen en genproducten. Dit deel van het werk ging snel, dankzij technieken voor het klonen van genen, achtergrondinformatie over gensequentiemotieven en eiwitfunctie, en databases die beschikbaar zijn voor onderzoekers over de hele wereld. De succesvolle isolatie van een gen dat verantwoordelijk is voor een ontwikkelingsfenotype (wanneer het gen gemuteerd was) kon worden gevalideerd door de redding van het mutante fenotype door transformatie met het wildtype gen (meestal als DNA dat is opgenomen in een P-element transposon). In situ hybridisatie, gekoppeld aan kleurvlekken, onthulde gemakkelijk de normale tijd en plaats van expressie van de specifieke genen waarvan de mutaties waren geïsoleerd. Met betrekking tot de functie van deze ontwikkelingsgenen werd gevonden dat velen coderen voor eiwitten met bekende motieven, zoals die voor receptortyrosinekinasen of verschillende transcriptiefactoren. In feite bleek een verrassend groot aantal transcriptionele regulatoren te zijn. Functie kon snel worden geconcludeerd uit sequentiegegevens. Ander Drosophila genen codeerden voor eiwitten waarvan de specifieke functies onbekend waren, maar ze waren over het algemeen herkenbaar als uitgescheiden eiwitten door hun signaalsequenties of als nieuwe transcriptiefactoren door het feit dat ze zich ophoopten in kernen en aan DNA konden binden. In de loop van deze analyse werden nieuwe intercellulaire signaalroutes ontdekt, zoals die met de Decapentaplegic (DPP), Hedgehog (HH), Wingless (WG) en Notch/Delta-liganden. (De grillige namen zijn die welke door onderzoekers aan mutanten zijn gegeven op basis van de fenotypes.)

Honderden laboratoria over de hele wereld werkten mee aan Drosophila mutanten, en het beeld van vroege ontwikkeling kreeg een bevredigende samenhang en duidelijkheid, vooral de stappen van het genereren van segmentatie en van de algehele lichaamsorganisatie in de anteroposterieure en dorsoventrale dimensies. Deze stappen van vroege ontwikkeling staan ​​gezamenlijk bekend als 'specificatie'. Het volgende is een korte samenvatting van dat beeld om de volledigheid ervan op moleculair niveau te illustreren. De stappen zijn fase-specifieke mechanismen van ontwikkeling. De mechanismen worden nu beter begrepen in Drosophila dan in enig ander organisme. Het is het soort informatie dat wetenschappers zouden willen hebben, maar nog niet hebben, voor de ontwikkeling van zoogdieren.

Aan het begin van Drosophila ontwikkeling, wordt de eicel voorzien van honderden maternale genproducten die tijdens de oögenese gelijkmatig in het ei worden verdeeld. Vier genproducten zijn echter ruimtelijk gelokaliseerd in het ei en ze zorgen voor de initiële asymmetrieën waarop de gehele anteroposterior en dorsoventrale organisatie van het embryo stapsgewijs in ontwikkeling is gebouwd na de bevruchting. De vier genproducten omvatten het volgende:

Een mRNA dat zich intern aan het voorste uiteinde bevindt (codeert voor een transcriptiefactor, Bicoid genaamd).

Een mRNA dat zich intern aan het achterste uiteinde bevindt (codeert voor een remmer van de translatie van het mRNA voor een transcriptiefactor, Nanos genaamd).

Een extern eiwit dat aan beide uiteinden van het ei aan de eischaal is verankerd (betrokken bij de productie van een ligand van een receptortyrosinekinase in het eicelplasmamembraan).

Een extern eiwit dat ook aan de eischaal is verankerd, maar aan de toekomstige ventrale zijde (betrokken bij de productie van een signaalligand van de Toll-receptor in het eicelplasmamembraan).

To exemplify the steps of use of those gene products, only one of the dimensions, the anteroposterior, will be described. The two mRNAs are initially at opposite ends of the egg. They are translated after fertilization, and the encoded proteins diffuse from the ends to form opposing gradients reaching to the middle of the egg. These proteins will act in concert to generate a gradient, high at the anterior end and low at the posterior end, of another transcription factor. The nuclear number increases rapidly in the uncleaved cytoplasm. The graded transcription factors, called members of the &ldquocoordinate class&rdquo or &ldquoegg-polarity class&rdquo of gene products, activate at least eight gap genes in nuclei along the egg&rsquos length at different positions, each position unique in terms of the local quantity of transcription factors of the coordinate class. (The terms &ldquocoordinate,&rdquo &ldquoegg polarity,&rdquo and &ldquogap&rdquo also derive from mutant phenotypes.) The encoded gap proteins, which are all transcription factors themselves, accumulate in a pattern of eight broad and partially overlapping stripes along the egg&rsquos length. The proliferating nuclei are not yet separated by cell membranes&mdashthat comes later. These proteins in turn activate at least eight pair-rule genes, all of which also encode transcription factors. Complex cis-regulatory regions of the various pair-rule genes define their expression responses to the spatially distributed gap proteins. The pair-rule proteins then activate at least 12 segment-polarity genes, some of which encode transcription factors and some of which encode secreted protein signals. The pair-rule and gap proteins together also activate eight homeobox (Hox) genes to be expressed in broad stripes, as discussed in the next section. Thus, the early steps of development involve cascades of transcription factors distributed in space according to the initial gradients of a few agents and to the expression rules contained in the complex cis-regulatory regions of genes for yet other transcription factors. These key steps are accomplished in the first 3 hours of development, mostly before cell membranes are formed and gastrulation begins, although the final elaboration of the segment-polarity and Hox genes occurs after cells form.

Once the segment-polarity genes and Hox genes are activated, they maintain their expression in cells by an auto-activating circuitry, in some cases by the encoded transcription factor activating expression of its own gene. The coordi-

nate, gap, and pair-rule proteins are then no longer needed. Their products disappear, and the genes are no longer expressed.

Similar conclusions apply to the development of the termini and the dorsoventral dimension, which also rely on initially asymmetric signals. The developmental mechanisms of the termini and dorsoventral dimension are of additional interest, because the signals bind to transmembrane receptors and activate signal transduction pathways, eventually leading to the activation of transcription factors and new gene expression. These inductions are the first to occur in the developing Drosophila egg. Approximately 100 genes and encoded gene products have been identified as necessary to establish the organization of the early gastrula. Hundreds more participate in the accomplishment of these events, but they are less well described at present. In most cases, these genes probably encode proteins required in numerous developmental processes and, hence, were not recovered under the conditions of the mutant inspections used here.

As shown in Figure 6-1A-D, a coherent scheme of early development was proposed and well supported by 1992, the first of such complexity and completeness at the molecular level for any organism.

FIGURE 6-1A Outline of anteroposterior development in Drosophila and the steps of regulated gene expression (Ingham 1989). Heavy dashed arrows indicate the activation of specific gene expression by transcription factors. Thin solid arrows indicate transcription and translation. Let daar op Hox genes are activated by both pair-rule and gap proteins, whereas segment-polarity genes are activated by pair-rule proteins alone. In the anteroposterior dimension, segments and HOX domains are formed. Further explanation is given in Figure 6-1B.

FIGURE 6-1B Anteroposterior development in Drosophila (Nüsslein-Volhard 1991). Figure 6-1B is shown diagrammatically here, for segment formation and HOX compartment formation. The coordinate proteins Bicoid, Nanos, and Cad are translated from mRNAs localized at the two poles of the egg during oogenesis. Translation generates gradients of proteins. Bicoid and Cad are transcription factors, whereas Nanos protein inhibits the translation of another translation factor (Hunchback) in the posterior half of the egg. The graded transcription factors activate eight gap genes, and different factor concentrations activate different gap genes. The gap proteins are also transcription factors. Each diffuses locally and inhibits other gap genes, setting up eight partially overlapping stripes of gap protein along the egg&rsquos length. The gap proteins activate eight pair-rule genes, each of which has a complex cis-regulatory region and is activated by seven combinations of gap proteins, each making seven evenly spaced stripes of protein. Thus, there are 8 × 7 or 56 stripes of pair rules along the egg&rsquos length, arranged in 7-fold repeats. The pair-rule proteins are all transcription factors. These activate eight segment-polarity genes, each of which has a complex cis-regulatory region activated by at least two combinations of pair-rule proteins, to give 14 stripes of expression each. Thus, there are 14 × 8 or 104 stripes of segment-polarity proteins. The 14-fold repeat is the basis for 14 segments of the posterior head, thorax, and abdomen. The pair-rule and gap proteins together activate Hox genes in eight domains in the posterior head, thorax, and abdomen. Cell outlines are not shown, but cells are present in the two lowest panels.

FIGURE 6-1C Dorsoventral development in Drosophila (Nüsslein-Volhard 1991). The egg shell contains Pipe protein on the future ventral side, deposited there during oogenesis. After fertilization, the egg secretes several proteins into the space between the egg shell and plasma membrane. Pipe activates one of the proteins, which then sets off others in a protease cascade, the last member of which cleaves the Spätzle protein, releasing a ligand that binds to the Toll transmembrane receptor, which is uniformly distributed over the egg surface but ligand-activated only on one side. The activated receptor, via several intracellular steps, activates the Dorsal protein, a transcription factor, which enters local nuclei and activates two genes, Twist en Snail, which also encode transcription factors. Those activate other genes for gastrulation and for mesoderm formation on the ventral side. Thus, the Pipe protein is involved in a kind of mesoderm induction. Active Dorsal protein also represses the Zen en Dpp genes on the ventral side. On the dorsal side, Dorsal protein remains inactive and the Zen en Dpp genes are expressed. Laterally, there is enough active Dorsal protein to repress Zen en Dpp but not enough to activate Twist en Snail. Here, the Sog gene is permissively expressed and not repressed, preparatory to neurogenic ectoderm formation. Thus, the dorsoventral dimension of the egg is divided into three domains of gene expression. Later, the Sog protein is secreted and diffuses to the Zen, Dpp region, inhibiting Dpp signaling and allowing the division of that region into two subregions the prospective amnioserosa and prospective dorsal ectoderm.

FIGURE 6-1D The development of termini in Drosophila (Nüsslein-Volhard 1991). The Torso-like protein is present in the egg shell at the two ends of the egg, deposited there during oogenesis. After fertilization, the egg secretes several proteins into the space between the plasma membrane and egg shell. The proteins include proteases that are locally activated at the end by the Torso-like protein and release a ligand that binds locally to the transmembrane Torso receptor, a member of the RTK signal transduction family. The activated receptor locally activates Raf and MAPK, which phosphorylate a transcription factor locally, inhibiting its repression of genes and allowing local expression of the Tailless (Tll) en Huckebein (Hkb) genes involved in formation of the endoderm, terminal ectoderm, and gut involution during gastrulation. Thus, the Torso-like protein is involved in endoderm induction.

Hox Genes and the Drosophila Connection to Vertebrate Development

Even though researchers in other areas widely appreciated the breakthroughs in Drosophila development, they questioned the relevance of the information to vertebrate development. Vertebrates, as chordates, were thought to have branched from arthropods long ago and last shared a very simple common ancestor in the pre-Cambrian era (about 540 million years ago). The two groups were thought to have evolved their segmentation and heads independently. One of the first significant similarities between vertebrate and fly development came from work on homeotic genes, now called Hox genes. As mentioned before, the Hox genes are expressed in eight broad bands or spatial compartments in the anteroposterior dimension of the body shortly after gastrulation but prior to organogenesis and cytodifferentiation. Their encoded products make each spatial compartment different from the others.

The study of the eight Hox genes of Drosophila was primarily pioneered by E. Lewis from 1940 to 1970. For his work in that area, he shared the Nobel Prize

with Nüsslein-Volhard and Wieschaus in 1995. Lewis selected Drosophila mutants that exhibited mislocated body parts (e.g., wings in place of halteres (balancing organs) and legs in place of antennae). The term &ldquohomeotic&rdquo connotes such mislocation without distortion. In the homeotic mutant, the anteroposterior dimension of the animal has fewer anatomical differences along its length. For example, the Ubx mutant has an extra mesothorax located at the normal metathorax position but lacks a metathorax. It has four wings but no halteres, whereas normal Drosophila have two wings and two halteres. When the first two Hox genes (Ubx en Antp) were isolated, their sequences were compared (McGinnis et al. 1984a,b Weiner et al. 1984), and a shared 60-base sequence was found, the homeobox. The sequence is the same in both genes except for a few bases. That sequence encodes the DNA-binding motif of the encoded proteins, which are members of a large and ancient family of transcription factors. The other six Hox genes were soon isolated from Drosophila, and those too had closely related homeobox sequences. Then the eight genes were shown to exist in a contiguous cluster (actually two subclusters in D. melanogaster but one in another arthropod, Tribolium), probably all tandemly duplicated and diverged from a few founder sequences in an ancestor of arthropods. Furthermore, the members are expressed in stripes in the anteroposterior dimension of the body, in an order identical to their gene order on the chromosome (a correspondence referred to as &ldquocolinearity&rdquo of gene order and expression).

In the mid-1980s frogs and mice were found to contain similar sequences, also arranged in contiguous gene clusters. Interestingly, their expression in mice showed the same anteroposterior colinearity as that in Drosophila. As an evolutionary explanation, the common ancestor of arthropods and chordates must have had a complex Hox cluster already functioning in its development. Vertebrates, however, differ from arthropods in having at least four multi-member clusters instead of one (Krumlauf 1994). A comparison of gene arrangements and domains of expression in Drosophila and mammalian (mouse) Hox clusters is shown in Figure 6-2.

Such genes are called selector genes because their encoded products, which are transcription factors, select which other genes will be expressed in that spatial compartment of the body. The thousands of target genes of a selector-gene product encode proteins involved in subsequent local development, including the many kinds of organogenesis of different parts of the body. Hox genes have a central role in development. Because of them, the coordinate, gap, and pair-rule proteins of early development do not have to directly activate those thousands of target genes in a region-specific way but activate only the Hox genes, whose encoded proteins then do the job of regulating sets of genes in their respective regions. Methods for the directed knockout of genes in mice were invented by the mid-1980s as a way to test gene function, and the Hox genes of mice were found to control aspects of local development in their compartments, especially in vertebrae, neural tube, and neural crest derivatives. Their selector role was similar to

FIGURE 6-2 This figure illustrates the striking similarities of gene organization and expression of Hox clusters in Drosophila and mammalian (mouse) embryos. At the top is a 10-hour Drosophila embryo showing expression zones of individual Hox genes in thoracic (T1-3) and abdominal (A1-9) segments and parts of the head (Lab, labrum Mx, maxillary Ma, mandible Int, intercalary segment). Note the colinearity of Hox gene expression sites along the anterior-posterior body axis to their 3&prime to 5&prime location along the chromosome. The greatly expanded vertebrate Hox gene family is shown in the middle. These genes are arranged in four clusters (labeled A, B, C, D), each on a separate chromosome. Having arisen by duplications early in chordate evolution, Hox genes in paralogous groups (e.g., A4, B4, C4, D4 shown enclosed in dashed boxes) are more closely related than are adjacent genes (e.g., B3 vs. B4 vs. B5). The four most 5&prime paralogous groups have no close equivalent in arthropods these are expressed in the tail and fins or limbs. Lines extending from each paralogous group to the schematic brain and cranial spinal cord show the rostral limits of expression of members on each group. Note, again, the colinearity between expression sites and relative chromosomal position of most Hox genes. The same is generally true for somites and, in the proximo-distal orientation, for limbs.

that in Drosophila (Behringer et al. 1993). However, many of the target genes of Hox proteins in mice and flies are clearly different.

De Hox clusters of Drosophila and chordates are under intense study. It is now known that genes of four mouse clusters are coordinated in an elaborate circuitry of auto- and cross-activation and repression, in which the genes near the 5&prime end of the DNA sequence tend to repress genes near the 3&prime end when both are initially expressed in same cell. Equivalent paralogs in different clusters tend to overlap in the target genes they activate and repress, but each has some unique targets, as shown by the phenotypes of single-Hox knockout mutants of the mouse. As a whole, the Hox genes operate as a complex genetic regulatory system rather than as independent members.

More recently, the Hox-like Ems en Otd genes have been discovered in Drosophila as expressed in the head in regions anterior to the expression compartments of the Hox genes. Homologs of these genes (called Emx en Otx) have been found expressed in the head of the frog and mouse anterior to the Hox gene domains of the posterior head, thorax, and trunk. This was a surprise, because evolutionary biologists had thought that the vertebrate head is unique to that group and has little in common with the head of a common ancestor of vertebrates and arthropods. However, even that complexity of body organization, like HOX compartments, must predate the branching of arthropods and chordates.

The Emergence of Caenorhabditis elegans

The free-living nematode Caenorhabditis elegans emerged as an important model system in the 1970s, as the result of pioneering work on its genetics by S. Brenner (1974). Chosen for its short life cycle (3 days) and general amenability for genetic analysis, small size (1-mm length), transparency, and simplicity (only 959 somatic cells), C. elegans quickly attracted a following among developmental biologists and geneticists. In particular, J. Sulston was primarily responsible for first describing the complete cell lineage from fertilization to adulthood (Sulston and Horvitz 1977 Sulston et al. 1983) and then spearheading the physical mapping and DNA sequencing of the genome. C. elegans recently became the first metazoan organism whose genome is completely sequenced (C.elegans Sequencing Consortium 1998). In the meantime, researchers from many laboratories isolated mutants and identified many important genes controlling development, the result being that C. elegans is now the most completely described and one of the best understood models for development (see Chapter 7). In some ways, the development of vertebrates is more similar to that of C. elegans than of Drosophila (e.g., having a cellular rather than a syncyctial early embryo), and in other ways less similar (e.g., having a highly invariant cell lineage and a fixed small number of cells, no Sonic Hedgehog signaling pathway, and few HOX genes). These two model animals complement each other usefully for research into fundamental mechanisms of metazoan development.

Conserved Developmental Processes

Researchers increasingly suspected similarities of development between fruit flies and mice and began to look systematically for homologs of Drosophila developmental genes in mice, frogs, and chicks. In the late 1980s, this was a new research approach. Its success has favored the impression that at a gross level, nematodes, flies, and mice are &ldquoall the same organism&rdquo and that what is learned about one will have relevance to the others. In a genetically tractable organism, such as Drosophila of C. elegans, a gene is isolated by using a screen for a particular kind of developmental failure, and then the role of its encoded product in development is efficiently deciphered in that organism. Homologs of &ldquodevelopmentally interesting&rdquo genes are then sought in vertebrates, such as mice or frogs, in which mutant searches are still daunting due to the comparatively small populations and slow development. The homolog&rsquos function is thereafter studied in the vertebrate, for which the Drosophila of C. elegans information is used as a guide. The mouse is attractive for such studies, because the homologous gene can be knocked out and the phenotype of the null mutant examined to learn about the function of the encoded product.

A surprising array of developmental components and processes is shared between Drosophila and vertebrates (i.e., between arthropods and chordates). In addition to the EMX, OTX, en HOX organization of the body plan, they share the compartments of the dorsoventral dimension (which are thought to be inverted in orientation in one group relative to the other) the presence and mode of organogenesis of limbs (appendages), eyes, heart, visceral mesoderm, and gut the steps of cytodifferentiation during neurogenesis and myogenesis and even segmentation. Although the anatomical structures themselves are very different between arthropods and chordates, a number of the underlying steps of development are the same. These are listed in more detail in Table 6-1. The last common ancestor of chordates and arthropods was, it seems, a pre-Cambrian animal of much greater complexity than previously realized. Divergent groups of metazoa (members of the animal kingdom) can be treated as &ldquothe same organism&rdquo in the experimental analysis of many fundamentals of development. From all of those similarities, the value of model systems for gaining an understanding of difficult basic problems in mammalian development, including that of humans, is undeniable. Humans, flies, and even roundworms are less different than widely thought just 10 years ago.

Signaling Pathways in Development

An important realization to come from the Drosophila research concerns the pervasive use of cell-cell signaling in most aspects of development, starting with the termini and dorsoventral dimension (see Figures 6-1A-D) and extending to organogenesis of many kinds. Inductive signaling was thought to be important in vertebrate development, as mentioned above, but insects and other invertebrates

TABLE 6-1 Similarities of Arthropods and Chordates

Organisms That Share Process

Hox gene complex: similar order of genes in the cluster and similar order of expression domains in the posterior head and trunk (thorax and abdomen)

Anterior head organization

Ems-Otd (Emx-Otx) selector genes: similar nesting expression domains in the anterior head

Sog-Dpp-Tolloid (Chordin-BMP2,4-xolloid): similar gene expression domains, similar protein interactions in the neural versus epidermal regions similar gene expression domains in the visceral mesoderm and heart. Was the chordate dorsoventral axis formed by inverting the axis of an arthropod ancestor?

Engrailed en HH-SHH expression domains are similar in posterior half of segment or somite Hairy gene expression in alternate segments or somites

Drosophila, amphioxus, and zebrafish

Appendage or limb patterning

Similar domains of WG-HH-DPP (WNT-SHH-BMP) signaling and expression of En, Ap (En, Lmx) selector genes

Drosophila, chick, and mouse

Similar domains of expression of Eyeless-Pax6 en Sine oculis-eye selector genes

Drosophila, mouse, and human

Note: Although the organisms of these two phyla seem very different (e.g.,insects and crustaceans versus fish and mammals), they share many developmental processes at the level of their use of combinations of signaling pathways and genetic regulatory circuits. In italics are various similar conserved genes used in the conserved processes. These similarities serve as evidence that the pre-Cambrian common ancestor of chordates and arthropods was already complex in its anteroposterior and dorsoventral organization and perhaps segmented. Many aspects of cytodifferentiation are also similar (e.g., the use of MyoD in muscle and Achaete-Scute in nerve cells).

had been assumed to develop as composites of independent lineages of cells (&ldquomosaic&rdquo development). This is not at all the case. Six signaling pathways are used repeatedly in early Drosophila development: the Hedgehog, Wingless-Int (Wnt), transforming growth factor &beta (TGF&beta), Notch, receptor tyrosine kinase (RTK), and cytokine receptor (cytoplasmic tyrosine kinase) pathways. Comparative studies soon showed that these pathways exist in vertebrates as well, and most also exist in nematodes (except the Hedgehog pathway). Four other conserved pathways in addition to those six are used heavily in later development, mainly in organogenesis, and seven others come into use in the physiological functioning of the organism&rsquos differentiated cell types. The number of known pathways has now reached 17. Each pathway is distinguished by its unique set of transduction protein intermediates. The 17 pathways are listed in Table 6-2. Details of the components and steps of the individual pathways are given in Appendix C.

As a generalization, most of the pathways involve transmembrane receptor proteins that bind ligands at the extracellular face, as diagramed in Figure 6-3. Ligands arrive in some cases by free diffusion after secretion from distant neighbor cells. Others diffuse only short distances or remain attached to the surface of the cell of origin, reaching only the contacting cells. Activated receptors of the recipient cell activate the first intracellular component of a signal transduction pathway, and this then activates a subsequent component, and so on. Some pathways are long, with 7-10 intermediates. Others have one or two. The nuclear hormone receptor pathway is the shortest, having only one step. In this case, hydrophobic ligands penetrate the cell membrane on their own and bind to a receptor protein, which also functions as a transcription factor. In the longer pathways, a change of activity is passed along a series of on-off switches, which constitutes an information relay pathway, or signal transduction pathway. Ultimately, in some pathways, a protein kinase is activated at the end of the series, and that enzyme phosphorylates numerous target proteins, which change their activity (activated or inhibited) because of the phosphate addition. The target proteins are components of various basic cell processes, such as transcription, the cell cycle, motility, or secretion. Hence, these processes are turned on or off, and the change of function constitutes the cell&rsquos response to a signal. In many other pathways, a specific transcription factor is activated at the end of the pathway, and this factor is a pathway component. In development, the most frequent target of signaling pathways is indeed transcription. The pathways used in early development tend to have transcription as the only target. That is, particular transcription factors are phosphorylated or proteolyzed as a signal transduction step of the pathway, changing their activity in activating or repressing particular genes.

The pathways are used repeatedly at different times and places of development in Drosophila, nematode, and vertebrates, as listed in Table 6-3. Drosophila null mutants are usually lethal if they lack a step in any of those pathways. Lethality is an indication of the essentiality of those signaling functions. However, in the mouse (and probably all vertebrates), a null mutant for a step of a


The scope of development

All organisms, including the very simplest, consist of two components, distinguished by a German biologist, August Weismann, at the end of the 19th century, as the “ germ plasm” and the “ soma.” The germ plasm consists of the essential elements, or genes, passed on from one generation to the next, and the soma consists of the body that may be produced as the organism develops. In more modern terms, Weismann’s germ plasm is identified with DNA ( deoxyribonucleic acid), which carries, encoded in the complex structure of its molecule, the instructions necessary for the synthesis of the other compounds of the organism and their assembly into the appropriate structures. It is this whole collection of other compounds (proteins, fats, carbohydrates, and others) and their arrangement as a metabolically functioning organism that constitutes the soma. Biological development encompasses, therefore, all the processes concerned with implementing the instructions contained in the DNA. Those instructions can only be carried out by an appropriate executive machinery, the first phase of which is provided by the cell that carries the DNA into the next generation: in animals and plants by the fertilized egg cell in viruses by the cell infected. In life histories that have more than a minimal degree of complexity, the executive machinery itself becomes modified as the genetic instructions are gradually put into operation, and new mechanisms of protein synthesis are brought into functional condition. The fundamental problem of developmental biology is to understand the interplay between the genetic instructions and the mechanisms by which those instructions are carried out.


Developmental Biology

Scott F. Gilbert 
Developmental Biology.
10th Edition. 2014. Sinauer Associates: Sunderland, MA. ISBN: (Hardcover) 978-0878939787. US $114. 719 p.

At the core of biology is the study of development. How do organisms from all modes of life grow from one single cell to a complete and functional body? How do we know to establish “right” from “left,” or know to form a certain number of fingers and toes? Why can some organisms regenerate organs, while others must do without if they are lost? What processes occur as a tadpole becomes a frog? As the author states in the preface, “Metamorphic change is in the nature of science.”

Since the first edition of this textbook was written in 1985, the field of Developmental Biology has undergone a revolutionary metamorphosis from experimental embryology to developmental genetics and now integrates anatomy and genomics and systems theory to try and provide a comprehensive understanding of the developmental transitions that occur as organisms grow. This textbook seeks to describe developmental processes from all of these perspectives and is extremely successful at doing so.

Written primarily for the undergraduate student, Gilbert’s 10th edition starts at the beginning: the cycle of life. It quickly moves on to differential gene expression, a topic that most certainly has been expanded upon since the editions of previous years. The majority of the text focuses on the ever-popular stem cell: specification and cell commitment, organogenesis, embryonic development. One thing that this text does superbly well is incorporate the developmental paradigms of numerous species, including, but not limited to, drosophila, tunicates, zebrafish, frogs, birds, and, of course, humans. The text takes classic experiments dating back to the 1700s and successfully brings them up to date with fantastic fluorescent images and high resolution microscopy techniques. The diagrams that are found on nearly every page are clear and helpful, especially as a supplement for the photos. The final section of the book is on Systems Biology, or the expansion of developmental biology to medicine, ecology, and evolution. This final section, while the shortest set of chapters, will surely be expanded upon in the upcoming years.

Overall, the text is all encompassing, but if the reader wants to learn more, the 10th edition also comes with a registration code for the DevBio online laboratory. This extensive website companion to the text contains additional information on many of the subjects of the text, as well as historical and ethical perspectives on issues in developmental biology today. For the student, the videos, technique instruction, and study questions found on the site may be incredibly helpful.


Developmental Biology Center

The DBC is a group of some 50 faculty who share an interest in the processes that create the form and function of the biological world around us. At the heart of developmental biology lies a search for the mechanisms that specify cell fates, control patterning in complex tissues, and organize collections of diverse cells into organs. Deciphering these mechanisms requires many approaches, including cell biology, genetics, molecular biology, biochemistry, and neurobiology. These areas are reflected in the interests and research efforts of our faculty.

We employ a wide range of organisms and systems, and are fortunate to occupy new facilities on both the Minneapolis and St. Paul campuses. Developmental biology examines the function and interplay of genes in the context of an intact organism, and for this reason developmental biology continues to provide key insights into the functions of genes that have a huge impact on human disease. The DBC therefore provides a forum for interaction between basic research and clinical faculty, and a place for faculty from many departments to mix and exchange ideas. There are several scientific venues organized by the DBC, including weekly research talks where members share their latest results and our annual Developmental Biology Symposium. The Symposium invites top researchers from around the world to present their work in selected areas of developmental biology research and to interact extensively with our faculty, postdocs, and students.

We invite you to peruse our web site, see the breadth and depth of our research, and participate in our activities. It is a wonderful time to be a developmental biologist and at the University of Minnesota we are working hard to realize the promise that our new understanding of development can offer society.


Major contributions

Throughout its history the department has made major discoveries, including pioneering Nobel electrophysiological experiments, which identified classes of nerve fibers leading to the understanding of pain. These studies were the forerunner to today’s field of electrophysiology. And they tie in to the revolutionary pain treatment with a new class of non-steroidal anti-inflammatory therapeutics discovered here.

Experiments elucidating the mechanism of action of penicillin and commonly used antifungal agents also were first described in the department.

Recently a recombinant human therapeutic to facilitate assisted reproduction was invented here and represents the first marketable clinical agent developed at Washington University.

These findings, in addition to major contributions in fundamental biochemistry and neurophysiology, were the hallmarks of the department.


Your browser needs to have JavaScript enabled to view this timeline

As a result of the significant disruption that is being caused by the COVID-19 pandemic we are very aware that many researchers will have difficulty in meeting the timelines associated with our peer review process during normal times. Please do let us know if you need additional time. Our systems will continue to remind you of the original timelines but we intend to be highly flexible at this time.

Follow

Annual Journal Metrics

Speed
45 days to first decision for reviewed manuscripts only
40 days to first decision for all manuscripts
152 days from submission to acceptance
27 days from acceptance to publication

Usage
304,685 Downloads
91 Altmetric Mentions


Developmental Biology Conferences 2021/2022/2023

Developmental Biology Conferences 2021/2022/2023 is an indexed listing of upcoming meetings, seminars, congresses, workshops, programs, continuing CME courses, trainings, summits, and weekly, annual or monthly symposiums.

Developmental Biology Conferences 2021/2022/2023 lists relevant events for national/international researchers, scientists, scholars, professionals, engineers, exhibitors, sponsors, academic, scientific and university practitioners to attend and present their research activities.

Developmental Biology Conferences 2021/2022/2023 will bring speakers from Asia, Africa, North America, South America, Antarctica, Europe, and Australia.

Developmental Biology conference listings are indexed in scientific databases like Google Scholar, Semantic Scholar, Zenedo, OpenAIRE, EBSCO, BASE, WorldCAT, Sherpa/RoMEO, Compendex, Elsevier, Scopus, Thomson Reuters (Web of Science), RCSI Library, UGC Approved Journals, ACM, CAS, ACTA, CASSI, ISI, SCI, ESCI, SCIE, Springer, Wiley, Taylor Francis, and The Science Citation Index (SCI).


Developmental Biology

The Department of Developmental Biology encompasses the clinical specialties of pediatric dentistry and orthodontics, as well as scientists focused on basic research. Members of the department teach and mentor postdoctoral fellows, orthodontics fellows, pediatric dental residents, students enrolled in the DMD program, MD and PhD candidates at Harvard Medical School, and undergraduate students at Harvard University.

Full-time clinical faculty practice dentistry in the Harvard Dental Center's Faculty Group Practice , the Department of Dentistry at Boston Children’s Hospital, and at Massachusetts General Hospital part-time clinical faculty maintain private dental practices.

Full time faculty with labs at HSDM conduct research in early embryonic development, skeletal and vascular morphogenesis, the regulation of tissue growth and repair, osteoarthritis, fibrosis and osteoporosis.

This department also includes faculty at the affiliated Forsyth Institute.


Bekijk de video: - Vroege embryonale ontwikkeling (Januari- 2022).