Morfogenese

Morfogenese is die reeks gebeurtenisse in die ontwikkeling van ʼn embrio waartydens die embrio ʼn spesifieke vorm kry as gevolg van seldifferensiasie, die vorming van weefsels (histogenese) en die vorming van organe (organogenese). Die vorming word deur die erflike genetiese materiaal en deur sekere omgewingsfaktore bepaal. In die proses word 'n enkele sel, die bevrugte eiersel, stap vir stap opgebou tot 'n volwaardige organisme.

Die morfogenese as studieveld is 'n afdeling van die biologiese wetenskap waarin talle biochemici, fisioloë en genetici intens navorsing doen oor al die vraagstukke rondom die verskynsel. Talle vraagstukke bly egter onopgelos. Die ontwikkeling van enige organisme begin met 'n bevrugte eiersel, die sigoot. Dit was lank onbekend hoe een sel oorsprong kan gee aan 'n organisme wat uit etlike miljoene selle bestaan en waarvan baie selle radikaal van mekaar verskil.

Die rede lê deels daarin opgesluit dat die sigoot die erflike eienskappe van albe; ouers en dus die inligting bevat van hoe die organisme uiteindelik gaan lyk. Die groot vraagstukke wat nog opgelos moet word, is hoe daar bepaal word watter instruksies wanneer gehoorsaam moet word en hoe daar aan die opdragte uiting gegee moet word. Die ontwikkeling van 'n individu begin met die eiersel se eerste deling en word voortgesit deur ʼn groot aantal opeenvolgende delings, totdat daar uiteindelik ʼn plaat selle, die blastodisk, gevorm is.

Tydens die proses kan 3 hoofsoorte selle onderskei word. Gastrulasie, dit wil sê 'n reeks selmigrasies, vind dan plaas, gevolg deur 'n toenemende mate van spesialisasie in die seltipes. Uit die verskillende seltipes ontstaan verskillende weefseltipes, 'n proses bekend as histogenese. Die verskillende weefsels word saamgegroepeer en vorm organe, ʼn proses wat organogenese genoem word. Die begrip morfogenese omvat dus al die prosesse wat onder beheer van genetiese programmering ontstaan.

Die morfogenetiese vorming van weefseltipes en organe word deur ʼn aantal meganismes bewerkstellig, naamlik: migrasie (verplasing van selle, wat veral tydens gastrulasie geskied); die konsentrasie van selle op kenmerkende plekke, waardeur selmassas, -bundels en –Iae ontstaan; plaaslike groei van wee die vergroting van selle of die insnoering daarvan; selsamesmelting, soos met die vorming van spierselle; seldeling, waardeur een laag selle in 'n aantal lae omgesit word; die vorming van holtes en die vertakking van selbundels; plooiing, waardeur insinking en uitstulping ontstaan; en laastens kromming, wat saam met plooiing die resultaat is van ongelyke groei.

By die vorming van die weefseltipes kry die selle waaruit die weefsels opgebou word, ook hul toekomstige funksie en vorm. Tydens histogenese word die selle "blaste" genoem en toekomstige senuweeselle dus neuroblaste, toekomstige been selle osteoblaste en toekomstige spierselle mioblaste. Die selle het 'n duidelike identiteit nadat hulle gedifferensieer het. Tydens gastrulasie het daar reeds 3 hoofsoorte selle ontstaan, naamlik die ektodermale, mesodermale en endodermale sellaag.

Senuweeselle ontstaan byvoorbeeld uit sekere ektodermale selle, terwyl bloed-, been- en spierselle van mesodermale oorsprong is. Die gedifferensieerde blaste het ʼn duidelike identiteit, dit wil sê daar kan nie 'n oorgangstadium van byvoorbeeld senuweeselle tot spierselle onderskei word nie, aangesien hulle van verskillende selsoorte afkomstig is. Wanneer laasgenoemde stelling in ag geneem word, is dit duidelik waarom dit moeilik is om te verklaar hoe die selle ontstaan, aangesien hulle uit slegs een sel, die bevrugte eiersel ontwikkel. Elke sel bevat dieselfde genetiese samestelling, want elke dogtersel ontvang tydens elke seldeling 'n identiese stel chromosome van die ouersel.

'n Verdere waarneming is dat indien selle eers gedifferensieer het, die ontwikkelingsproses nie verander kan word nie omdat 'n sel nie van 'n bepaalde ontwikkelingsrigting kan afwyk nie. 'n Spiersel, byvoorbeeld, sal dus nie in 'n senuweesel kan verander nie. Onder sekere omstandighede kan ʼn gedifferensieerde sel terugkeer tot sy oorspronklike, nie-gedifferensieerde status, maar is dan tog duidelik herkenbaar as een van sy soort. Die toe stand ontstaan byvoorbeeld by herstel na beskadiging, soos byvoorbeeld wanneer 'n gebreekte been gesond word of 'n sny toegroei.

Sodra die skade herstel is, keer die sel terug na sy gedifferensieerde toestand. Die uiteindelike resultaat van histogenese is die ontstaan van ʼn verskeidenheid weefsels. Weefsels is selversamelings met 'n spesiale vorm en funksie. Vier hoofsoorte weefsels word onderskei: epiteelweefsel, wat organismes en hul organe bedek, senuweeweefsel, spierweefsel en bindweefsel. Die weefsels wat gevorm is, groepeer hulself totdat hulle verskillende organe vorm.

Navorsing kon tot dusver nog net verskeie moontlikhede voorstel vir die wyse waarop organogenese geskied. Behalwe die chemiese veranderinge in die sitoplasma is daar ook fisieke veranderinge, soos selmigrasie. 'n Groot deel van die struktuuropbouing vind plaas in die embrio se morfogenetiese sones, waar die weefselmassas uiteindelik hul eie struktuur kry.

Seldifferensiasie

Omdat die bevrugte sigoot sy genetiese inligting van die ouers gekry het, hel die sel reeds al die inligting wat nodig is om chemiese en strukturele verskeidenheid aan selle te verskaf. Die proses waardeur selle chemiese en strukturele verskeidenheid verkry, word seldifferensiasie genoem, maar die proses se juiste meganisme is nog nie bekend nie. Seldifferensiasie is van groot belang vir histogenese en die daaropvolgende organogenese omdat die spesifieke seltipes wat tydens differensiasie gevorm word, weefselvorming moontlik maak.

Die vernaamste vraagstuk in die studie van seldifferensiasie is hoe die selle "weet" watter weefselsoort op watter tydstip gevorm moet word. Omdat al die reaksies onder beheer van die genoom (ʼn organisme se funksionele gene) staan en daar in 'n set bale meer gene is as wat nodig is, moet slegs die instruksies gehoorsaam word wat op 'n spesifieke differensiasieproses van toepassing is. Met ander woorde, net 'n spesifieke deel van die genetiese inligting moet gemobiliseer word.

Die onnodige inligting moet onaktief gehou word. Verdere navorsing oor differensiasie sal vir die mensdom van groot belang wees omdat die oplossings vir hierdie probleme ook talle ander fundamentele vraagstukke in die biologie en verwante wetenskappe (soos kankernavorsing en immunologie) sal verklaar. Uit navorsing wat op amfibieë gedoen is, blyk dit dat die eerste paar delings in die sigoot reeds oorsprong gee aan differensiasie en spesialisasie, want dit veroorsaak die ontstaan van mikromere (klein selle aan die bokant of animale pool van die blastula) en makromere (groot selle aan die onderkant of vegetale pool van die blastula). Iets wat ook reeds in 'n vroeë stadium opgemerk word, is dat die vervaardigde proteïene van seltipe tot seltipe verskil.

Spierselle bevat byvoorbeeld miosien en aktien, terwyl sommige spysverteringselle die ensimatiese proteïen amilase bevat. Omdat 'n spesifieke geen die kode vir die sintese van 'n bepaalde proteïen bevat, dui die verskillende proteïene daarop dat verskillende dele van die DNS-kode in die onderskeie seltipes geaktiveer is. Intensiewe navorsing het aanleiding gegee tot 'n aantal teorieë oor die beheer van die uiting van gene. Sommige navorsers beweer dat die uiting van genetiese inligting grotendeels bepaal word deur die uitwendige omstandighede waaraan 'n sel of sellyn gedurende ontogenese (die ontwikkeling van die eier tot individu) blootgestel is.

Die aanraking met buurselle en die ontvangs van bepaalde eksterne stimuli, soos hormone of medisyne, beïnvloed ook die genetiese aksie. Behalwe teorieë oor die faktore wat die uiting van gene beïnvloed, is daar ook 'n aantal teorieë oor die seleksie van die gene wat geaktiveer moet word. 'n Moontlikheid is dat ʼn bepaalde deel van 'n chromosoomstruktuur in die liggaamselle (somatiese selle) verlore gaan, wat beteken dat al die onnodige inligting saam daarmee verdwyn.

Dit is negatiewe seleksie en mag nooit in geslagselle (die gonade) gebeur nie, omdat die selle juis al die genetiese inligting ongeskonde na die volgende geslag oordra. Daar is 'n tweede seleksiemetode wat vir enige organisme aanvaarbaarder is omdat dit die strawwe gevolge en die groot energie vermorsing van die vorige metode uitskakel. Hierdie seleksiemetode hou in die eerste plek verband met proteïensintese. Dit is waarskynlik dat proteïensintese op twee vlakke gereguleer word.

Die eerste vlak van beheer is by die transkripsie van die DNS-kode. Die oordrag van die DNS-kode (vir die sintese van ʼn proteïen) op die RNS word beheer of deur die gene te blokkeer en so te verhinder dat hul kode getranskribeer word, of deur dit moontlik te maak om die kode op die RNS oor te dra omdat 'n blokkasie verwyder is. Die tweede vlak van beheer is op die gebied van translasie, waar die kode vir proteïensintese van die boodskapper- RNS deur die ribosoom en oordrag-RNS gelees of ontsyfer word.

Hier kan die boodskapper-RNS self geblokkeer word, of daar kan 'n blokkasie ontstaan by die ribosome, waar proteïene vervaardig word. Hierdie soort seleksie kan dus op enige aspek van die reeks reaksies van toe passing wees.  Buiten die seleksie en keuring van genetiese inligting, wat bale belangrik is vir die ontogenese van 'n organisme, is daar nog 'n tweede fase van beheer. Die korrekte inligting moet op die juiste tydstip aan die ontwikkelende organisme verskaf word.

Behalwe dat die regte gene dus aangeskakel moet word, moet hulle ook begin funksioneer juis op die tydstip wanneer ʼn bepaalde struktuur moet ontstaan. Gene wat byvoorbeeld die differensiasie van die hart kodeer, kan eers geaktiveer word nadat die hartspierweefsel gevorm is, en bloed kan eers gevorm word wanneer daar bloedvate is om dit te vervoer. Inmenging in die prosesse kan veroorsaak dat 'n embrio erg misvorm word. 'n Voorbeeld hiervan is die sowat 3 000 babas in Wes-Duitsland en Brittanje wat sonder ledemate, of met erg misvormde ledemate, gebore is weens die uitwerking van talidomied, 'n middel wat tussen 1959 en 1962 deur swanger vroue teen naarheid gedrink is.

Selektiewe regulasie  

Die beheer van gene is van groot belang en gevolglik is daar intensiewe navorsing gedoen oor die chromosoomkompleks om meer daaroor en oor die werking daarvan te wete te kom. Die navorsing het die bestaan van 'n aantal verskillende proteïene in die chromatien van 'n eukariotiese selkern aan die lig gebring. ʼn Eukariotiese sel het 'n membraangebonde kern en 'n aantal organelle, ook met membrane, in die sitoplasma. Chromatien kan gedefinieer word as die deel van ʼn kern wat deur 'n basiese kleurstof, Feulgen, gekleur word en gedurende mitose en meiose chromosome vorm.

'n Belangrike klas basiese proteïene, die histone, word in noue assosiasie met die DNS aangetref. 'n Ander klas nie-basiese proteïene word ook in die kern, vermoedelik in die kernsap, aangetref. Navorsing het getoon dat histone waarskynlik fungeer om DNS-materiaal tot chromosome saam te bind tydens die profase van die seldelingprosesse. Hulle funksie is om die DNS op te rol en te buig tot 'n superkompakte eenheid, die chromosoom. Wanneer die DNS so dig gepak is, kan dit nie deur die RNS getranskribeer word nie.

Nadat seldeling plaasgevind het, disassosieer die eenheid en in hierdie periode, die interfase van 'n sel se lewensiklus, word die DNS selektief getranskribeer. Voorheen is vermoed dat die histone behalwe as verpakkingseenheid deels ook funksioneer om dele van ons te blokkeer sodat dit nie getranskribeer kan word nie. Die nie-basiese proteïene kan vermoedelik fungeer om met die histone te verbind en 'n konformasieverandering ('n struktuurverandering in die histone) te bewerkstellig.

Dit veroorsaak dat die ons op die plek van die verbinding oopvou, sodat die vir die boodskapper-RNS bereikbaar is en getranskribeer kan word. Die transkripsie van gene is dus moontlik ʼn resultaat van die verwydering van die histoonblokkasie deur die nie-basiese proteïene. Die beheer van die werking van die nie-basiese proteïene is ook 'n vraagstuk. Hoewel bogenoemde teorie baie aantreklik is, is daar gevind dat daar te min nie-basiese proteïene is om die werking van alle gene te reguleer.

Geenwerking en geenseleksie moet dus ook onder die invloed van ander meganismes staan. 'n Aanvaarbare model is deur twee wetenskaplikes ontwerp en staan bekend as die Britten-Davidson- model. Die model verklaar onder andere hoe hormoon werking die regulasie van gene kan beïnvloed, maar dit bied nog nie 'n oplossing vir al die probleme in die studieveld nie. Die studieveld van die morfogenese help om 'n insig te gee in die funksionering van die basiese en belangrike prosesse wat inherent aan alle lewende organismes is.

Omdat die kennis wat deur navorsing verkry word, vir feitlik al die aspekte van die biologiese en mediese wetenskappe verreikende gevolge kan hê, sal hierdie dissipline in die toekoms geweldig uitbrei om vir al die kennis ruimte te maak.

Bronnelys

• Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409605, volume 19, bl. 160