Modell des sich aufbauenden Konzentrationsgradienten; feine gelb-orange Umrisse stellen Zellgrenzen dar. [ 1 ]
Die Diffusion eines Morphogens in einem länglichen Kompartiment. Die drei Farben Blau, Weiß und Rot repräsentieren drei Konzentrationsbereiche des Ausgangsmorphogens, welches dann drei Gene differenziert aktivieren und somit den Ursprung dreier verschiedener Teile des Organismus bilden kann.

Das französische Flaggenmodell ist eine konzeptionelle Definition eines Morphogens , die Lewis Wolpert in den 1960er Jahren beschrieb . [ 2 ] [ 3 ] Ein Morphogen ist ein Signalmolekül , das direkt auf Zellen wirkt (nicht durch serielle Induktion ) und spezifische, von der Morphogenkonzentration abhängige Zellreaktionen hervorruft. In der frühen Entwicklung erzeugen Morphogengradienten verschiedene Zelltypen in einer bestimmten räumlichen Anordnung. Das französische Flaggenmuster tritt häufig in Kombination mit anderen Mustern auf: Die Gliedmaßenentwicklung von Wirbeltieren ist eines der vielen Beispiele für Phänotypen, bei denen sich das französische Flaggenmuster mit einem komplementären Muster (in diesem Fall dem Turing-Muster ) überlagert . [ 4 ]

Überblick

Im französischen Flaggenmodell wird die französische Flagge verwendet, um die Wirkung eines Morphogens auf die Zelldifferenzierung darzustellen: Ein Morphogen beeinflusst Zellzustände in Abhängigkeit von der Konzentration; diese Zustände werden durch die verschiedenen Farben der französischen Flagge repräsentiert: Hohe Konzentrationen aktivieren ein "blaues" Gen, niedrigere Konzentrationen aktivieren ein "weißes" Gen, wobei "rot" als Standardzustand in Zellen unterhalb der erforderlichen Konzentrationsschwelle dient.

Das französische Flaggenmodell wurde von dem führenden Drosophila- Biologen Peter Lawrence maßgeblich geprägt . Christiane Nüsslein-Volhard identifizierte das erste Morphogen, Bicoid , einen der Transkriptionsfaktoren, die im synzytialen Embryo von Drosophila in einem Konzentrationsgradienten vorliegen . Zwei Labore, das von Gary Struhl und das von Stephen Cohen , zeigten anschließend, dass das sezernierte Signalprotein Decapentaplegic (das Drosophila -Homolog des transformierenden Wachstumsfaktors beta ) in späteren Stadien der Drosophila -Entwicklung als Morphogen wirkt . Diese Substanz steuert das Muster der Gewebeentwicklung und insbesondere die Positionen der verschiedenen spezialisierten Zelltypen innerhalb eines Gewebes. Sie breitet sich von einer lokalen Quelle aus und bildet einen Konzentrationsgradienten im sich entwickelnden Gewebe.

Zu den bekannten Morphogenen gehören: Decapentaplegic / transformierender Wachstumsfaktor beta , Hedgehog / Sonic Hedgehog , Wingless / Wnt , epidermaler Wachstumsfaktor und Fibroblasten-Wachstumsfaktor .

Zu den frühesten und am besten untersuchten Morphogenen gehören Transkriptionsfaktoren , die in frühen Embryonen von Drosophila melanogaster (Fruchtfliege) diffundieren. Die meisten Morphogene sind jedoch sezernierte Proteine, die Signale zwischen Zellen vermitteln.

Morphogene werden konzeptionell, nicht chemisch definiert, daher können auch einfache Chemikalien wie Retinsäure als Morphogene wirken.

Schwierigkeiten

Das französische Flaggenmodell basiert auf der Annahme, dass ein Morphogen autonom einen Konzentrationsgradienten bildet, dessen Konzentration die einzelnen Zellen erfassen. Zellen reagieren dann auf einen bestimmten Konzentrationsgradienten mit einer spezifischen Differenzierung, die ihrer Position gemäß dem Gradienten entspricht. Obwohl es weithin als wichtiges Modell zum Verständnis der Morphogenese anerkannt ist , wird es nicht von allen Entwicklungsbiologen uneingeschränkt akzeptiert. Die Schwierigkeiten aller gradientenbasierten Morphogenesemodelle wurden von Natalie und Richard Gordon ausführlich erörtert und umfassen sieben [ 5 ] spezifische Punkte:

  1. Um einen Gradienten im stationären Zustand aufrechtzuerhalten, muss eine Senke vorhanden sein, d. h. ein Mechanismus, durch den diffundierende Moleküle auf ihrem Weg und/oder an bestimmten Grenzen zerstört oder entfernt werden. Senken werden bei der Anwendung des Gradientenmodells selten bis nie berücksichtigt.
  2. Für die Ausbildung eines Konzentrationsgradienten muss Diffusion in einem begrenzten Raum stattfinden. Viele Organismen, wie beispielsweise der Axolotl, entwickeln sich jedoch auch dann normal, wenn die Vitellinmembran und die Gallertschicht entfernt werden und die Entwicklung in fließendem Wasser erfolgt.
  3. Die Diffusion ist temperaturabhängig, dennoch kann die Entwicklung bei Tieren, deren Eier außerhalb des Mutterleibs heranreifen, über einen weiten Temperaturbereich normal verlaufen.
  4. Diffusionsgradienten lassen sich nicht gut skalieren, dennoch gibt es Embryonen in verschiedenen Größen.
  5. Diffusionsgradienten folgen dem Superpositionsprinzip. Das bedeutet, dass ein Gradient einer Substanz in einer Richtung und ein Gradient derselben Substanz in einer dazu senkrechten Richtung einen einzigen eindimensionalen Gradienten in diagonaler Richtung ergeben, keinen zweidimensionalen. Entwicklungsbiologen sprechen häufig von einem zweidimensionalen Gradienten, obwohl ein zweidimensionales Gradientensystem zwei Morphogengradienten mit zwei verschiedenen, annähernd senkrecht zueinander angeordneten Quellen und Senken erfordert.
  6. Schwankungen in den Konzentrationsgradienten treten immer auf, insbesondere bei den niedrigen Konzentrationen, die häufig während der Embryogenese vorkommen, was eine spezifische Reaktion einer einzelnen Zelle auf bestimmte Konzentrationsschwellenwerte problematisch macht.
  7. Jede Zelle muss die Morphogenkonzentration präzise „lesen“ können, sonst verschwimmen die Grenzen zwischen den Geweben. Solche verschwimmenden Grenzen sind jedoch während der Entwicklung selten.

Referenzen

  1. ^ Knabe, Johannes F.; Schilstra, Maria J.; Nehaniv, Chrystopher L. (2008). Evolution und Morphogenese differenzierter vielzelliger Organismen: Autonom generierte Diffusionsgradienten für Positionsinformationen (PDF) . Artificial Life XI: Proceedings of the Eleventh International Conference on the Simulation and Synthesis of Living Systems.Zusätzliches Material unter https://panmental.de/ALifeXIflag/ .
  2. ^ Wolpert, Lewis (Oktober 1969). „Positionsinformation und das räumliche Muster der Zelldifferenzierung“. J. Theor. Biol . 25 (1): 1–47 . Bibcode : 1969JThBi..25....1W . doi : 10.1016/S0022-5193(69)80016-0 . PMID 4390734 . 
  3. ^ Wolpert, Lewis; et al. (2007). Principles of development (3. Aufl.). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-927536-6Die
  4. ^ Sharpe, James; Green, Jeremy (2015). „Positionsinformation und Reaktionsdiffusion: Zwei zentrale Ideen der Entwicklungsbiologie vereint“ . Development . 142 (7): 1203–1211 . doi : 10.1242/dev.114991 . hdl : 10230/25028 . PMID 25804733 . 
  5. ^ Gordon, Natalie K.; Gordon, Richard (2016). „Das Differenzierungsorganell in Embryonen: Der Zellzustandsspalter“ . Theoretical Biology and Medical Modelling . 13 : 11. doi : 10.1186/s12976-016-0037-2 . PMC 4785624. PMID 26965444 .