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25.8: Bestimmung
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PROTOKOLLE

25.8: Determination

25.8: Bestimmung

During embryogenesis, cells become progressively committed to different fates through a two-step process: specification followed by determination. Specification is demonstrated by removing a segment of an early embryo, “neutrally” culturing the tissue in vitro—for example, in a petri dish with simple medium—and then observing the derivatives. If the cultured region gives rise to cell types that it would normally generate in the embryo, this means that it is specified. In contrast, determination occurs if a region of the embryo is removed and placed in a “non-neutral” environment—such as in a dish containing complex medium supplemented with a variety of proteins, or even a different area of the embryo itself—and it still generates the expected derivatives. Specification and determination are two sequential steps in the developmental pathway of a cell, which precede the final stage of differentiation, during which mature tissues with unique morphologies and functions are produced.

In Vitro Demonstration of Specification

To study specification, researchers must first understand the normal derivatives of different regions of an embryo. To accomplish this, fate maps are often used, which are generated by dyeing or labeling cells early in embryonic development, culturing whole embryos and monitoring where the marked cells end up. For example, such techniques employed in the chicken have demonstrated that distinct regions located off-center in the embryo (at approximately the 9’ o’clock and 3 o’clock positions) give rise to neural crest cells, which are capable of migrating and generating the peripheral nervous system.

Importantly, these neural crest-destined areas can be excised during the early stages of gastrulation (when the embryo is transformed into a three-layered structure)—before they begin to express protein markers or any distinct features of the cell type. When any underlying tissue that may be a source of signaling factors is scraped away, and these explants are cultured within collagen drops in a simple medium, they generate cells expressing typical neural crest transcription factors. Interestingly, some cells are even observed migrating away from the body of the tissue fragment, which is another feature of this cell fate. These experiments have demonstrated that specification of the neural crest occurs early during embryonic development, and while much of this work has been performed in the chicken, more recent evidence suggests a similar pattern of specification in the rabbit; both of these organisms are used as models for human embryonic development.

Understanding the Signaling Behind Specification

Once specification of a region of an embryo has been demonstrated, researchers are also interested in determining how protein signals—and the position of the tissue in the embryo itself—result in a cell being sent down a particular developmental pathway. For the neural crest, researchers have determined that a combination of proteins, among them bone morphogenetic proteins and fibroblast growth factors, emanating from tissue abutting or underlying the prospective neural crest induce this cell fate. Such signals, in turn, elicit the expression of specifier proteins in these cells, which launch them into the neural crest pathway.

Im Laufe der Embryogenese werden die Zellen nach und nach in einem zweistufigen Prozess an verschiedene Schicksale gebunden: Spezifizierung, gefolgt von Bestimmung. Die Spezifizierung wird durch die Entnahme eines Segments eines frühen Embryos, neutral die Kultivierung des Gewebes in vitrozum Beispiel in einer Petrischale mit einfachem Mediumund die anschließende Beobachtung der Derivate demonstriert. Wenn die kultivierte Region Zelltypen hervorbringt, die normalerweise im Embryo entstehen würden, bedeutet dies, dass sie spezifiziert ist. Im Gegensatz dazu erfolgt die Bestimmung, wenn eine Region des Embryos entfernt und in a nicht-neutrale Umgebungenwie in einer Schale mit komplexem Medium, das mit einer Vielzahl von Proteinen ergänzt wird, oder sogar in einem anderen Bereich des Embryos selbst, und es dennoch die erwarteten Ableitungen erzeugt. Spezifikation und Bestimmung sind zwei aufeinanderfolgende Schritte im Entwicklungsweg einer Zelle, die dem letzten Stadium der Differenzierung vorausgehen, in dem reife Gewebe mit einzigartigen Morphologien und Funktionen produziert werden.

In Vitro Demonstration der Spezifikation

Um die Spezifikation der Studie zu studieren, müssen Wissenschaftler zunächst die normalen Ableitungen der verschiedenen Regionen eines Embryos verstehen. Dazu werden oft "Schicksalskarten" verwendet, die durch Färbung oder Markierung von Zellen in der frühen Embryonalentwicklung entstehen. Sie entstehen durch die Kultivierung ganzer Embryonen und durch die Überwachung, davon, wo die markierten Zellen landen. Zum Beispiel haben solche Techniken, die beim Huhn eingesetzt werden, gezeigt, dass bestimmte Regionen, die sich außermittig im Embryo befinden (ungefähr an den Positionen 9 Uhr und 3 Uhr), zu Nervenkammzellen führen, die in der Lage sind, sich zu bewegen und das periphere Nervensystem zu erzeugen.

Wichtig ist, dass diese für den Nervengipfel bestimmten Bereiche in den frühen Stadien der Gastrulation (wenn der Embryo in eine dreischichtige Struktur umgewandelt wird) exzidiert werden können bevor sie anfangen, Proteinmarker oder andere Merkmale des Zelltyps zu exprimieren. Wenn jegliches darunter liegende Gewebe, das eine Quelle von Signalfaktoren sein könnte, entfernt wird und diese Explantate in Kollagentropfen in einem einfachen Medium kultiviert werden, erzeugen sie Zellen, die typische Transkriptionsfaktoren der Nervenkammregion exprimieren. Es ist interessant, dass einige Zellen sogar dabei beobachtet werden können, wie sie aus dem Körper des Gewebefragments wegwandern, was ein weiteres Merkmal dieses Zellschicksals ist. Diese Experimente haben gezeigt, dass die Spezifizierung der Neuralleiste früh während der Embryonalentwicklung erfolgt. Obwohl ein Großteil dieser Arbeit beim Huhn durchgeführt wurde, deuten neuere Erkenntnisse auf ein ähnliches Muster der Spezifizierung beim Kaninchen hin; beide Organismen werden als Modelle für die menschliche Embryonalentwicklung verwendet.

Die Signalisierung hinter der Spezifikation verstehen

Sobald die Spezifizierung einer Region eines Embryos nachgewiesen ist, sind die Forscher auch daran interessiert, zu bestimmen, wie die Proteinsignale und die Position des Gewebes im Embryo selbst dazu führen, dass eine Zelle einen bestimmten Entwicklungsweg annimmt. Für die Nervenwurzel haben die Forscher festgestellt, dass eine Kombination von Proteinen, unter anderem knochenmorphogenetische Proteine und Fibroblastenwachstumsfaktoren, die aus dem an die zukünftige Nervenwurzel angrenzenden oder darunter liegenden Gewebe stammen, dieses Zellschicksal induzieren. Solche Signale wiederum lösen in diesen Zellen die Expression von Spezifizierungsproteinen aus, die sie in den Neuralkämmenweg einschleusen.


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