MORFOGENESIS

E. Suryadi

Definisi

• Morfogenesis: Perkembangan bentuk tubuh yang meliputi perkebangan sel, dan jaringan serta organ tubuh

• Evolusi dan perkembangan bentuk tubuh, seperti perkembangan bentuk organ atau bagian tubuh tertentu atau perkembangan yg dialami oleh individu yang mencapai jenis yang mendekati sebagian besar individu spesies

Perbedaan Morfogenesis dan Differensiasi

• Morfogenesis: proses perubahan bentuk sel, adesi, pergerakan, proliferasi atau kematian sel sehingga menghasilkan struktur 3 dimensi

• Differensiasi: proses dimana 1 atau lebih sel mengalami perubahan pola ekspresi gen tertentu sehingga dihasilkan suatu tipe sel atau jaringan yang berbeda

Konsep dalam Biologi perkembangan modern

• Induksi embrionik merupakan proses yang menentukan nasib dari daerah embrionik yang menerima sinyal dari bagian yang lain

• Perkembangan regulatif merupakan perkembangan yang ditentukan oleh struktur embrionik yang lain

• Perkembangan mosaik merupakan proses perkembangan berbagai yang tidak bergantung pada daerah yang lainnya.

• Perkembangan embrio dimulai dengan regulatif menjadi mosaik

Gastrulasi• Gastrulasi merupakan proses terbentuknya 3

lapisan germinal, yang merupakan prekursor semua jaringan embrionik dan orientasi axial ditetapkan pada embrio.

• Selama gastrulasi diskus embrionik bilaminar diubah menjadi trilaminar.

• Terjadi perubahan bentuk sel, rearrangement, pergerakan dan perubahan adhesive properties yang berkontribusi pada gastrulasi.

• Gastrulasi merupakan permulaan morfogenesis dan merupakan kejadian yang signifikan selama minggu ketiga.

Morfogen• Bone morphogenetic proteins dan molekul

signaling yang lain seperti FGFs and Wnts berperan penting pada proses ini.

• Tanda pertama morfologik dari gastrulasi dimulai dengan pembentukan primitive streak pada permukaan epiblast pada diskus embrionik.

• Pada periode ini, embrio disebut juga gastrula.

Perkembangan Jaringan Embryonal• Tiap lapisan germinal (ectoderm, mesoderm,

and endoderm) akan berubah menjadi jaringan atau organ yang spesifik:

- Embryonic ectoderm berkembang menjadi epidermis, sistem saraf sentral dan perifer, mata, telinga dalam, jaringan ikat pada kepala yang berasal dari sel krista neuralis

- Embryonic endoderm merupakan sumber epitel tractus respiratorius dan digastricus, termasuk glandula yang bermuara pada tractus digastricus dan sel glandula organ assosiasi (liver dan pancreas).

- Embryonic mesoderm berkembang menjadi semua otot skeletal, sel darah dan pembuluh darah, permukaan otot polos viseral, epitel serosa rongga-rongga tubuh, duktus dan organ reproduksi, sistem ekskresi, dan sebagian besar sistem kardiovaskuler. Pada tubuh merupakan asal dari semua jaringan ikat, termasuk kartilago, tulang, tendon, ligamen, dermis dan stroma organ-organ dalam.

Pelipatan• Pelipatan diskus embrionik trilaminar yang datar

menjadi silindris embrio akan menentukan bentuk tubuh secara keseluruhan.

• Pelipatan bidang median membentuk pelipatan kepala dan ekor dan menghasilkan hubungan dengan bagian yolk sac ke embrio dan membentuk foregut dan hindgut.

• Pelipatan embrio pada bidang horisontal akan menghasilkan pelipatan lateral dan ventral dari dinding tubuh. Bagian dari yolk sac yang berhubungan dengan embrio pada bidang ini akan menjadi midgut.

1. Intermediate mesoderm2. Yolk sac3. Gut4. Intraembryonic coeloem5. Notochord6. Neural tube

Penetapan aksis tubuh• Penetapan aksis tubuh berlangsung sebelum

periode gastrulasi, menjadi anteroposterior, dorsoventral, kanan-kiri.

• Aksis anteroposterior diberi sinyal dari sel pada margin anterior/cranial dari diskus embrionik.

• Area ini disebut anterior visceral endoderm (AVE), mengekspresikan gen penting untuk pembentukan kepala, termasuk faktor transkripsi OTX2, LIM1, dan HESX1 dan mensekresikan faktor cerberus.

• Gen ini ada di embrio bagian kranial sebelum gastrulasi.

Berbagai morfogen diawal perkembangan embryo

• Primitive streak diinisiasi dan dijaga oleh ekspresi Nodal, yang merupakan transforming growth factor β (TGF-β). Ketika sudah terbentuk maka sejumlah gen meregulasi formasi mesoderm dorsal dan ventral, serta struktur kepala dan ekor.

• TGF-β yang lain, bone morphogenetic protein-4 (BMP-4) disekresikan oleh seluruh diskus embrionik.

• Adanya BMP-4 dan fibroblast growth factor (FGF), mesoderm akan ke bagian ventral untuk berkontribusi ke ginjal (intermediate mesoderm), darah dan dinding tubuh mesoderm (lateral plate mesoderm).

• Seluruh mesoderm akan ke bagian ventral jika aktivitas BMP-4 tidak diblok oleh ekspresi gen lain di nodus.

• Maka nodus ini berfungsi sebagai organizer. Orang yang pertama mendiskripsikan aktivitas ini adalah Hans Spemann, yang mendeskripsikan pada dorsal lip blastopore, struktur yang merupakan analog nodus di embrio Xenopus.

• Chordin (yang diaktivasi oleh faktor transkripsi Goosecoid ), noggin, and follistatin merupakan antagonis aktivitas BMP-4. Sehingga, mesoderm kranial akan ke arah dorsal menjadi notochord, somites, dan somitomeres.

• Ketiga gen ini diekspresikan pada notochord dan penting pada induksi neural pada regio kranial.

• Nodal terlibat pada inisiasi dan maintenance primitive streak.• HNF-3β berfungsi menjaga nodus dan nantinya akan

berfungsi menginduksi spesifikasi regional pada area forebrain dan midbrain.

• Tanpa HNF-3β, embrio gagal untuk mengalami gastrulasi secara tepat dan kekurangan terjadi pada struktur forebrain and midbrain.

• Goosecoid mengaktivasi inhibitor BMP-4 dan berkontribusi dalam meregulasi perkembangan kepala.

• Over ekspresi atau under ekspresi dari gen ini menghasilkan malformasi yang parah pada regio kepala, termasuk kemampuan duplikasi.

• Regulasi formasi mesoderm dorsal pada regio mid dan kaudal dari embrio dikontrol oleh gen Brachyury (T).

• Formasi mesoderm pada regio ini tergantung pada produk gen ini, dan jika tidak ada akan menyebabkan pemendekan aksis embrionik (caudal dysgenesis)

• Derajat pemendekan tergantung pada waktu terjadinya defisiensi protein.

• Pembentukan sisi kanan-kiri juga ditetapkan pada perkembangan awal, diatur oleh cascade gen.

• Ketika primitive streak muncul, fibroblast growth factor 8 (FGF-8) disekresikan oleh sel di nodus dan primitive streak, serta menginduksi ekspresi Nodal tetapi hanya pada sisi kiri dari embrio.

• Pada saat neural plate diinduksi FGF-8 menjaga ekspresi Nodal expression pada lateral plate mesoderm, begitu juga dengan gen Lefty-2, dan kedua gen ini meregulasi PITX2, suatu faktor transkripsi yang bertanggung jawab untuk menjaga sisi kiri.

• Secara simultan, Lefty-1 diekspresikan pada sisi kiri dari floor plate neural tube dan beraksi sebagai barier untuk mencegah crossing over sinyal sisi kiri.

• Sonic hedgehog (SHH ) juga berfungsi pada kejadian ini, dengan berfungsi sebagai suatu repressor untuk ekspresi gen sisi kiri pada sisi kanan.

• Gen Brachyury(T), suatu faktor pertumbuhan yang disekresikan oleh notochord, juga penting untuk ekspresi Nodal, Lefty-1, and Lefty-2.

• Gen yang meregulasi perkembangan sisi kanan: faktor transkripsi NKX 3.2 terhambat pada sisi kanan lateral plate mesoderm dan kemungkinan meregulasi gen efektor yang bertanggung jawab untuk menjaga sisi kanan.