Gastrulatsioon

Gastrulatsioon ehk lootelehtede moodustumine on protsess embrüonaalses arengus, mille tagajärjel moodustub karikloode ehk gastrula. Gastrulatsioonile eelneb lõigustumine ja järgneb organogenees. Gastrulatsiooni alguseks on embrüo saavutanud blastula staadiumi. Gastrulatsioon hõlmab blastula rakkude liikumist ja ümberpaigutamist, mille tulemuseks on lootelehtede moodustumine ja kehatelgede väljakujunemine. Gastrulatsiooni käigus moodustuvateks lootelehtedeks on ektoderm ehk välisleht, entoderm ehk siseleht ja mesoderm ehk keskleht. Kõikidel lootelehtedel on embrüo edasises arengus oma kindel saatus. Rakkude ümberpaigutumisi gastrulatsiooni staadiumis nimetatakse morfogeneetilisteks liikumisteks.

Lootelehed

Gastrulatsiooni käigus moodustuvad kolm lootelehte – ektoderm, entoderm ja mesoderm. Ektoderm on embrüo välimine looteleht, millest arenevad aju, närvisüsteem ja naha epidermis. Entoderm on embrüo sisemine looteleht, millest arenevad söögitoru epiteel ning söögitoruga seotud organid, kaasa arvatud kopsud. Mesoderm asetseb ektodermi ja endodermi vahel ning sellest arenevad süda, neerud, sugunäärmed, luud, lihased, veri ja sidekoed.

Kehatelgede väljakujunemine

Gastrulatsiooni käigus kujunevad embrüol välja kolm põhilist kehatelge, milleks on anterioposterioorne telg, dorsaal-ventraalne telg ja parem-vasak telg. Anterioposterioorne telg kulgeb peast sabani. Nendel organismidel, kellel puudub pea või saba, vaadeldakse anterioposterioorse telje kulgu suust kuni seedetrakti lõpuni. Anterioposterioorse teljega risti paikneb dorsaal-ventraalne telg, mis kulgeb seljast kõhuni. Parem-vasak telg paikneb samuti anterioposterioorse teljega risti ning eristab vasaku ja parema kehapoole.

Kahepaiksete gastrulatsioon

Kahepaiksete munaraku viljastumine toimub animaalsel poolusel ning oluline on spermi sisenemise asukoht, kuna see on aluseks kehatelgede moodustumisel. Teine oluline sündmus gastrulatsiooni toimumiseks on halli sirbi moodustumine, mis toimub tänu munaraku pindmise kihi roteerumisele sisemuse suhtes. Hall sirp on poolkuukujuline piirkond, mis moodustub spermi sisenemise vastaspoolel. Blastotsööli moodustumine animaalsel poolusel võimaldab rakkude migratsiooni gastrulatsiooni käigus. Lisaks sellele on gastrulatsiooniks oluline embrüo genoomi aktiveerimine.
Gastrulatsioon algab marginaaltsoonist, kus rakud alustavad invaginatsiooni ehk sissesopistumist. Marginaaltsoon on ala, kus animaalne ja vegetatiivne poolus kohtuvad. Esmase sissesopistumise koha peale tekib blastopoori ülahuul. Neid rakke, mis alustasid invaginatsiooni, nimetatakse pudelrakkudeks, kuna nad omandavad selle protsessi käigus omapärase kuju. Pudelrakud on olulised arhenteroni ja blastopoori moodustamisel ning nende spetsiifiline kuju on vajalik gastrulatsiooni initsiatsiooniks. Pärast seda, kui blastopoori ülahuul on moodustunud, algab arhenteroni lae sisserullumine mööda blastopoori lae sisemist pinda. Sisserulluvad rakud on pärit marginaaltsoonist ning liiguvad blastotsööli lage mööda blastotsööli sisemusse, vedades enda järel ülejäänud arhenteroni. Moodustuv arhenteron paigutab blastotsööli ümber ja animaalse pooluse rakkude epiboolia katab vegetatiivse pooluse. Lõpuks tekivad blastopoori alahuul ja rebukork.

Hiire gastrulatsioon

Hiire blastotsüsti implantatsioon toimub 4,5 embrüonaalset päeva pärast (E4,5) munaraku viljastumist. Implanteerunud blastotsüst on vesikulaarne struktuur, mis koosneb sisemisest rakkude massist ja teda ümbritsevast trofektodermist. Trofektodermist moodustuvad ekstraembrüonaalne ektoderm ja ektoplatsentaalkoonus. Sisemine rakumass muutub juba enne blastotsüsti implantatsiooni olemuselt mosaiikseks, sisaldades kahte tüüpi rakke. Ühed rakud ekspresseerivad transkriptsioonifaktorit Nanog ja teised rakud transkriptsioonifaktorit Gata6. Sellest sõltuvalt segregeeruvad sisemise rakumassi rakud pärast implantatsiooni kaheks rakkude populatsiooniks. Need rakud, mis sisaldavad Nanogi transkriptsioonifaktorit, moodustavad epiblasti, samal ajal kui need rakud, mis ekspresseerivad Gata6 transkriptsioonifaktorit, moodustavad primitiivse endodermi ehk hüpoblasti. Primitiivsest endodermist arenevad parietaalne ja vistseraalne endoderm. Parietaalne endoderm katab trofektodermi luumenipoolse sisemuse ning vistseraalne endoderm ääristab ekstraembrüonaalse ektodermi ja epiblasti välispinna. Viiendaks arengupäevaks pärast viljastumist koosneb embrüo proksimaalsest ekstraembrüonaalsest ektodermist, sisemise rakkude massi päritolu distaalsest epiblastist ja epiteliaalsest vistseraalsest endodermist ning on võtnud iseloomuliku munasilindrilise kuju. Järgneva poole päeva jooksul omandab epiblast epiteliaalse morfoloogia ning välja kujuneb proksimaal-distaalse kehatelje moodustumiseks oluline preamniootiline õõs. Lisaks sellele spetsialiseerub vistseraalne endoderm, moodustades embrüo distaalses osas distaalse vistseraalse endodermi. Edasise arengu käigus migreerub distaalsest vistseraalsest endodermist rakkude mass embrüo anterioorsesse piirkonda ning moodustab anterioorse vistseraalse endodermi. Anterioorse vistseraalse endodermi molekulaarsed mehhanismid toovad kaasa ürgjuti moodustumise, mis tähistab gastrulatsiooni algust. Koduhiirel moodustub ürgjutt 6,5 arengupäeva pärast munaraku viljastumist (E6,5). Ürgjutt tekib tänu epiblasti rakkude ingressioonile embrüo posterioor-proksimaalsel poolusel ning pikeneb kuni embrüo distaalse tipuni. Mesoderm moodustub tänu epiblasti ingresseerumisele läbi ürgjuti, millega kaasneb uue rakukihi tekkimine epiblasti ja vistseraalse endodermi vahele. Anterioorsest ürgjutist areneb anterioorne definitiivne endoderm. Gastrulatsiooni lõpuks on erinevate kudede prekursorid paigutunud embrüos õigetele positsioonidele ning embrüo on valmis organogeneesiks.

Gastrulatsiooni uurimise ajalugu

Gastrulatsioon on teadlasi huvitanud juba pikka aega. Andmeid amfiibide embrüote arengu uurimise kohta leidub juba 19. sajandist ning sõna “gastrula” pakuti välja 1872. aastal. 19. sajandil juurdles lootelehtede teooria ja rebukorgi olemuse üle ka eestlastele tuntud loodus- ja arstiteadlane Karl Ernst von Baer.