Morfogeneze (z řeckého tvaru morphê a vzniku geneze) je jedním ze tří základních aspektů vývojové biologie spolu s kontrolou buněčného růstu a buněčné diferenciace. Morfogeneze se zabývá tvary tkání, orgánů a celých organismů a pozicemi různých specializovaných buněčných typů. Růst a diferenciace buněk může probíhat v buněčné kultuře nebo uvnitř nádorových buněčných mas bez normální morfogeneze, která je vidět v neporušeném organismu. Studium morfogeneze zahrnuje pokus pochopit procesy, které řídí organizované prostorové rozložení buněk, které vznikají během embryonálního vývoje organismu a které dávají vzniknout charakteristickým formám tkání, orgánů a celkové tělesné anatomie. V lidském embryu je změna ze shluku téměř identických buněk ve stadiu blastuly na post-gastrulační embryo se strukturovanými tkáněmi a orgány řízena genetickým „programem“ a může být modifikována faktory prostředí.
Některé z prvních myšlenek o tom, jak fyzikální a matematické procesy a omezení ovlivňují biologický růst, napsali D’Arcy Wentworth Thompson a Alan Turing. Tyto práce postulovaly přítomnost chemických signálů a fyzikálně-chemických procesů, jako je difúze, aktivace a deaktivace v buněčném a organismálním růstu. Plnější pochopení mechanismů zapojených do skutečných organismů vyžadovalo objev DNA a rozvoj molekulární biologie a biochemie.
Během morfogeneze je obzvláště důležité několik typů molekul. Morfogeny jsou rozpustné molekuly, které mohou difúzně šířit a přenášet signály, které kontrolují rozhodování o diferenciaci buněk v závislosti na koncentraci. Morfogeny obvykle působí prostřednictvím vazby na specifické proteinové receptory. Důležitou třídou molekul zapojených do morfogeneze jsou proteiny transkripčního faktoru, které určují osud buněk interakcí s DNA. Ty mohou být zakódovány pomocí hlavních regulačních genů a buď aktivují nebo deaktivují transkripci jiných genů a tyto sekundární genové produkty zase mohou regulovat expresi ještě dalších genů v regulační kaskádě. Další třídou molekul zapojených do morfogeneze jsou molekuly, které kontrolují adhezi buněk. Například během gastrulace shluky kmenových buněk vypnou svou buněčnou adhezi, stanou se stěhovavými a zaujmou nové pozice s embryem, kde opět aktivují specifické buněčné adhezní proteiny a vytvoří nové tkáně a orgány. Několik příkladů, které ilustrují role morfogenů, transkripčních faktorů a buněčných adhezních molekul v morfogenezi, je popsáno níže.
Přední-zadní osy vzorování v Drosophila
Jedním z nejlépe pochopených morfogenetických systémů je vzorování podél budoucí osy hlava-ocas (antero-zadní) octomilky Drosophila melanogaster. Vývoj Drosophily je obzvláště dobře studován a je představitelem jedné hlavní třídy hmyzu, zvané hmyz. Jiné mnohobuněčné organismy někdy používají podobné mechanismy pro tvorbu os, i když relativní význam přenosu signálu mezi nejranějšími buňkami mnoha vyvíjejících se organismů je větší než v příkladu popsaném zde.
Stavební bloky předozadní osy vzorování v Drosophile jsou rozloženy během tvorby vajíček (oogeneze), dlouho před oplodněním a uložením vajíčka. Vyvíjející se vajíčko (oozyt) je polarizováno diferenciálně lokalizovanými molekulami mRNA.
Geny, které kódují tyto mRNA, nazývané geny mateřského účinku, kódují bílkoviny, které se po oplodnění přenesou do vajíčka, aby se vytvořily koncentrační gradienty, které pokrývají vajíčko. Bikoid a hrbáč jsou geny mateřského účinku, které jsou nejdůležitější pro vzorování předních částí (hlavy a hrudníku) zárodku Drosophila. Nanos a Caudal jsou geny mateřského účinku, které jsou důležité pro tvorbu více zadních břišních segmentů zárodku Drosophila.
Cytoskeletální prvky, jako jsou mikrotubuly, jsou polarizovány uvnitř oocytu a mohou být použity k umožnění lokalizace mRNA molekul do specifických částí buňky. Mateřsky syntetizované bicoidní mRNA se vážou na mikrotubuly a jsou koncentrovány na předních koncích tvořících se vajíček Drosophila.
Nanos mRNA se také vážou na vaječný cytoskelet, ale koncentrují se na zadních koncích vajíček.
Hrbáčovité a kaudální mRNA postrádají speciální systémy kontroly polohy a jsou poměrně rovnoměrně rozloženy po celém vnitřku vaječných buněk.
Když jsou mRNA z genů s mateřským účinkem přeloženy do proteinů, vytvoří se na předním konci vajíčka bikoidní proteinový gradient. Nanosový protein vytvoří gradient na zadním konci. Bikoidní protein blokuje translaci kaudální mRNA, takže kadální protein vzniká pouze v zadní části buňky. Nanosový protein se váže na hrbatou mRNA a blokuje její translaci na zadním konci embryí rodu Drosophila.
Bicoid, Hunchback a Caudal proteiny jsou transkripční faktory. Bicoid má homeodomain vázající DNA, který váže DNA i nanos mRNA. Bicoid váže specifickou sekvenci RNA v 3′ nepřeložené oblasti kaudální mRNA a blokuje překlad.
Hladiny hrbatého proteinu v raném embryu jsou významně zvýšeny transkripcí nového hrbatého genu a translací výsledné zygoticky produkované mRNA. Během rané Drosophila embryogeneze dochází k nukleárnímu dělení bez buněčného dělení. Mnoho jader, která jsou produkována, se distribuuje po obvodu buněčné cytoplazmy. Genová exprese v těchto jádrech je regulována Bicoidovými, Hrbáčovými a Caudalovými proteiny. Například Bicoid působí jako transkripční aktivátor transkripce hrbatého genu.
Další důležitá funkce gradientů bílkovin Bicoid, Hunchback a Caudal spočívá v transkripční regulaci dalších zygoticky exprimovaných bílkovin. Mnohé z nich jsou proteinové produkty odvozené od členů rodiny „gap“ genů pro kontrolu vývoje. Hrbáč, krüppel, obr, bezocasý a nožovitý jsou všechny geny pro mezeru. Jejich expresní vzorce v raném embryu jsou určeny genovými produkty pro mateřský efekt a znázorněny v diagramech na pravé straně této stránky. Geny pro mezeru jsou součástí větší rodiny, která se nazývá segmentační geny. Tyto geny vytvářejí segmentovaný tělesný plán embrya podél přední a zadní osy. Geny pro segmentaci specifikují 14 „parasegmentů“, které jsou blízce příbuzné konečným anatomickým segmentům. Geny pro mezeru jsou první vrstvou hierarchické kaskády genů pro kontrolu segmentace.
Proteiny jako Bicoid mohou být popsány jako morfogeny, které působí v syncytiálním blastodermu časného zárodku Drosophila. Tyto intracelulární morfogeny vstupují do jader a působí jako transkripční faktory pro kontrolu exprese mezních genů.
Ve stadiu blastodermu Drosophila morphogenesis lze rozlišit čtyři typy jaderné specifikace:
Další segmentační geny
Dvě další třídy segmentačních genů jsou exprimovány po produktech mezních genů. Geny pro párová pravidla jsou exprimovány v pruhovaných vzorcích o sedmi pásmech kolmých na přední a zadní osu (viz příklad, i-vynecháno). Tyto vzorce exprese jsou stanoveny v syncytiálním blastodermu. Po těchto počátečních událostech vzorování se kolem jader syncytiálního blastodermu vytvoří buněčné membrány, které jej převedou na buněčný blastoderm.
Expresní vzorce poslední třídy segmentačních genů, segmentových polaritních genů, jsou pak doladěny interakcemi mezi buňkami sousedních parasegmentů (viz příklad, engrailed, vpravo). Engrailed protein je transkripční faktor (žlutý na obrázku vlevo), který je vyjádřen v jedné řadě buněk na okraji každého parasegmentu. Tento expresní vzorec je iniciován geny pro párová pravidla (jako i-skipped), že kód pro transkripční faktory, které regulují transkripci engrailed genu v syncytiálním blastodermu.
Buňky, které tvoří Engrailed, mohou vytvořit signalizační protein Hedgehog (zelený na obrázku vlevo). Hedgehog se nemůže volně pohybovat příliš daleko a aktivuje tenký pruh buněk sousedících s buňkami vyjadřujícími Engrailed. Pouze buňky na jedné straně buněk vyjadřujících Engrailed jsou kompetentní reagovat na Hedgehog, protože vyjadřují receptorový protein Patched (modrý na obrázku vlevo). Buňky s aktivovaným Patch receptorem tvoří Wingless protein (červený na obrázku). Wingless protein působí jako extracelulární morfogen a formuje přilehlé řady buněk aktivací svého buněčného povrchového receptoru, Frizzled způsobem závislým na koncentraci.
Wingless také působí na Engrailed-exprimující buňky, aby stabilizoval Engrailed expresi po buněčných blastodermových formách. Vzájemná signalizace od Hedgehoga a Winglesse stabilizuje hranici mezi jednotlivými segmenty. Protein Wingless se nazývá „wingless“ kvůli fenotypu některých wingless mutantů. Wingless také fungoval během metamorfózy pro koordinaci formace křídel.
Transkripční faktory, které jsou kódovány segmentačními geny, regulují ještě další skupinu vývojových kontrolních genů, geny homeotického selektoru. Tyto geny existují ve dvou uspořádaných skupinách na chromozomu Drosophila 3. Pořadí genů na chromozomu odráží pořadí, ve kterém jsou vyjádřeny podél přední a zadní osy vyvíjejícího se embrya. Skupina Antennapedia homeotického selektoru genů zahrnuje labiální, anténopedii, pohlavní hřebeny redukované, deformované a proboscipedii. Labiální a Deformované proteiny jsou vyjádřeny v hlavových segmentech, kde aktivují geny, které definují rysy hlavy. Sex-combs-reduced a Antennapedia specifikují vlastnosti hrudních segmentů. Skupina bithorax homeotického selektoru genů řídí specializace třetího hrudního segmentu a břišních segmentů.
V roce 1995 byla Nobelova cena za fyziologii nebo medicínu udělena za studie týkající se genetické kontroly raného embryonálního vývoje Christiane Nüsslein-Volhardové, Edwardu B. Lewisovi a Ericu Wieschausovi. Jejich výzkumy genetického vyšetření embryonálních vzorových mutantů odhalily roli, kterou v raném embryologickém vývoji hrají geny Hox jako bicoid. Příkladem homeotické mutace je tzv. anténní mutace. U Drosophily jsou antény a nohy vytvořeny stejným základním „programem“, liší se pouze v jednom transkripčním faktoru. Pokud je tento transkripční faktor poškozen, mouše narostou místo antén nohy na hlavě. Podívejte se na obrázky tohoto „anténního“ mutanta a dalších, na FlyBase.
Termín morfogeneze lze také použít pro popis vývoje jednobuněčných životních forem, které nemají embryonální stadium ve svém životním cyklu, nebo pro označení vývoje struktury těla v rámci taxonomické skupiny. Morfogenetické reakce mohou být v organismech vyvolány hormony nebo chemickými látkami v životním prostředí od látek produkovaných jinými organismy až po toxické chemikálie nebo radionuklidy uvolňované jako znečišťující látky.