Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

25.8: Celdifferentiatie
INHOUDSOPGAVE

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
Determination
 
TRANSCRIPT

25.8: Determination

25.8: Celdifferentiatie

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.

Tijdens de embryogenese worden cellen geleidelijk aan verschillende lotgevallen door middel van een tweestaps proces: specificatie gevolgd door bepaling. Specificatie wordt aangetoond door een segment van een vroeg embryo te verwijderen, het weefsel in vitro ‘neutraal’ te kweken - bijvoorbeeld in een petrischaal met eenvoudig medium - en vervolgens de afgeleiden te observeren. Als het gekweekte gebied aanleiding geeft tot celtypen die het normaal in het embryo zou genereren, betekent dit dat het is gespecificeerd. Daarentegen vindt bepaling plaats als een gebied van het embryo wordt verwijderd en in een 'niet-neutrale' omgeving wordt geplaatst - zoals in een schaal met een complex medium aangevuld met een verscheidenheid aan eiwitten, of zelfs een ander gebied van het embryo zelf - en het genereert nog steeds de verwachte derivaten. Specificatie en bepaling zijn twee opeenvolgende stappen in het ontwikkelingspad van een cel, die voorafgaan aan het laatste stadium van differentiatie, waarin rijpe weefselsmet unieke morfologieën en functies worden geproduceerd.

In vitro demonstratie van specificatie

Om specificatie te bestuderen, moeten onderzoekers eerst de normale afgeleiden van verschillende regio's van een embryo begrijpen. Om dit te bereiken, worden vaak lotkaarten gebruikt, die worden gegenereerd door cellen vroeg in de embryonale ontwikkeling te verven of labelen, hele embryo's te kweken en te volgen waar de gemarkeerde cellen terechtkomen. Dergelijke technieken die bij de kip worden gebruikt, hebben bijvoorbeeld aangetoond dat verschillende gebieden die niet in het midden van het embryo zijn gelegen (op ongeveer de posities van 9 uur en 3 uur) aanleiding geven tot neurale kamcellen, die in staat zijn om te migreren en het genereren van het perifere zenuwstelsel.

Belangrijk is dat deze neurale crest-bestemde gebieden kunnen worden weggesneden tijdens de vroege stadia van gastrulatie (wanneer het embryo wordt getransformeerd in een drielaagse structuur) - voordat ze eiwitmarkers of andere onderscheidende kenmerken van the celtype. Wanneer enig onderliggend weefsel dat een bron van signaalfactoren kan zijn, wordt weggeschraapt, en deze explantaten worden gekweekt in collageendruppels in een eenvoudig medium, genereren ze cellen die typische neurale crest-transcriptiefactoren tot expressie brengen. Interessant is dat sommige cellen zelfs worden waargenomen die weg migreren van het lichaam van het weefselfragment, wat een ander kenmerk is van dit cel lot. Deze experimenten hebben aangetoond dat specificatie van de neurale top plaatsvindt in een vroeg stadium van de embryonale ontwikkeling, en hoewel veel van dit werk is verricht bij de kip, suggereert recenter bewijs een vergelijkbaar specificatiepatroon bij het konijn; beide organismen worden gebruikt als modellen voor menselijke embryonale ontwikkeling.

Inzicht in de signalering achter specificatie

Zodra de specificatie van een gebied van een embryo is aangetoond, zijn onderzoekers ook geïnteresseerd in het bepalen hoe eiwitsignalen - en de positie van het weefsel in het embryo zelf - resulteren ineen cel die een bepaald ontwikkelingspad volgt. Voor de neurale kam hebben onderzoekers vastgesteld dat een combinatie van eiwitten, waaronder morfogenetische boteiwitten en fibroblastgroeifactoren, afkomstig van weefsel dat grenst aan of onderliggend aan de toekomstige neurale kam, dit cellot induceert. Dergelijke signalen lokken op hun beurt de expressie uit van specificereiwitten in deze cellen, die ze lanceren in de neurale topbaan.


Aanbevolen Lectuur

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter