La morfogenesi è l'insieme delle leggi che determinano la forma, la struttura dei tessuti, degli organi e degli organismi. Per estensione, si parla anche di morfogenesi in altri campi come la formazione delle città.
La morfogenesi una scienza che è stata studiata fin dall'antica Grecia. La radice greca "morph" significa forma e "genesi" significa formazione.
La morfogenesi rappresenta, nella biologia dello sviluppo, i cambiamenti che possono essere osservati a livello strutturale durante l'embriogenesi, in particolare, ei meccanismi molecolari e cellulari che regolano questi cambiamenti. Questi cambiamenti di forma di solito diventano sempre più complessi.
Morfogenesi, divisione cellulare e differenziazione cellulare sono processi necessari per lo sviluppo di un organismo. La morfogenesi è il processo più complesso dei tre da studiare, poiché è definito in quattro dimensioni (spazio e tempo tridimensionali) e prevede l'interazione di migliaia di molecole diverse. Inoltre, è relativamente difficile studiarlo poiché è complicato osservare direttamente cosa accade all'interno di un organismo quando si sta sviluppando. Per questi motivi, gli studi morfogenetici vengono spesso condotti su tessuti fissati o analizzando le proprietà di determinate molecole o cellule sintetizzate che possono avere un ruolo nella formazione dei tessuti.
La morfogenesi è l'ultimo stadio dello sviluppo embrionale. Durante questa fase di sviluppo, i tessuti, gli organi e le diverse parti del corpo subiscono riarrangiamenti. Questi riarrangiamenti dipendono in particolare dall'adesione intercellulare e dall'adesione che avviene tra le cellule e la matrice extracellulare.
La morfogenesi è molto diversa negli animali e nelle piante. Negli animali infatti c'è una migrazione di cellule e tessuti, cosa che non avviene nelle piante. Inoltre, la morfogenesi e l'aumento delle dimensioni dell'organismo si osservano solo negli stadi embrionali e giovanili negli animali, mentre si osservano durante tutta la vita delle piante.
Conrad Hal Waddington, un biologo, è uno dei tanti scienziati che hanno svolto un ruolo importante nella storia della morfogenesi. Ha sviluppato il concetto di paesaggio epigenetico. Il paesaggio epigenetico è una metafora che ci permette di spiegare che un organismo prenderà una certa traiettoria di sviluppo tra diverse traiettorie possibili, come un marmo che scende attraverso le valli.
D'Arcy Wentworth Thompson era un morfologo e anche lui ha contribuito alla storia della morfogenesi. Ha spiegato nel suo libro " On Growth and Form " che la selezione naturale da sola non è responsabile della morfogenesi, ma che sono coinvolte anche forze meccaniche e leggi fisiche. Fu anche Thompson a sviluppare la teoria delle trasformazioni. Questa teoria dimostra che i cambiamenti evolutivi evolvono in modo coordinato nell'organismo, cioè le strutture dell'organismo non evolvono indipendentemente l'una dall'altra.
Alan Turing, un matematico, uno dei primi studenti di Thompson, pubblicò un articolo, "The Chemical Basis of Morphogenesis", in cui presentava un modello biomatematico della morfogenesi, basato sulla sua teoria della reazione-diffusione.
La scoperta del DNA, così come la biologia molecolare e la biochimica, hanno portato a una migliore comprensione dei meccanismi responsabili della morfologia.
La morfogenesi di un organismo dipende, più o meno direttamente, dalla morfogenesi a livello cellulare: un cambiamento nella forma delle cellule cambia la forma del tessuto che compongono. Questo può essere facilmente osservato in organismi incapaci di muoversi attivamente, come le piante. Alcuni tessuti vegetali si sviluppano per l'espansione delle cellule, non per il loro aumento di numero. Un esempio di questo tipo di tessuto è la radice. La punta di una radice è composta da due aree; una zona di proliferazione e una zona di espansione. Il cambiamento nella forma della radice, o il suo allungamento, genera la divisione cellulare polarizzata (zona di proliferazione) e l'espansione cellulare (zona di espansione). L'espansione delle cellule cambierà la propria forma e quindi causerà un cambiamento nella forma del tessuto in cui si trovano.
La divisione cellulare, la mitosi, aumenta il numero di cellule e quindi il volume di un particolare tessuto in un organismo. A seconda della disposizione spaziale delle cellule che hanno appena subito una divisione, un tessuto può assumere una nuova forma. Questa disposizione spaziale è particolarmente importante all'inizio dello sviluppo dell'organismo, dopo la fecondazione. L'orientamento spaziale delle cellule può essere radiale oa spirale . Quando l'orientamento è radiale, le cellule figlie si posizioneranno allo stesso livello spaziale delle cellule madri da cui provengono. Mentre per l'orientamento a spirale, le cellule figlie si posizioneranno a livello dei solchi che separano le cellule madri. Nel caso dell'orientamento a spirale, la posizione delle cellule figlie può alterare il fenotipo dell'organismo. Infatti, il posizionamento delle cellule figlie può indurre una rotazione del tessuto, sia in senso orario che antiorario. Questo è ciò che accade nella lumaca Lymnaea peregra. Se la rotazione è in senso orario, il suo guscio sarà "dexter"; in senso antiorario, il suo guscio sarà "sinistro". Questa variazione nella posizione delle cellule figlie, sempre nel caso dell'orientamento a spirale, può svolgere un ruolo meno importante in altri organismi. Ad esempio, nella rana Xenopus laevis , la presenza di una tale variazione del senso di rotazione non ha alcun impatto sull'asse di simmetria dell'embrione.
L'orientamento della divisione cellulare nell'epitelio influenza la morfogenesi prima o poi nello sviluppo. In particolare, può avere un ruolo importante nella neurulazione nei vertebrati.
La divisione cellulare è importante anche nelle piante perché non possono causare riarrangiamenti cellulari. La divisione cellulare nelle piante avviene, tra l'altro, nelle radici. Le radici sono formate dalla moltiplicazione delle cosiddette cellule "iniziali", localizzate nel tessuto meristematico. Queste cellule iniziali corrispondono alle cellule staminali trovate negli animali. Ci sono quattro tipi diversi, ciascuno responsabile della formazione di strutture diverse. Queste cellule formeranno il periciclo e il tessuto vascolare, la columella, la corteccia e l'endoderma, nonché l'epidermide. La divisione e l'espansione di queste cellule iniziali consentono quindi alle piante di formare radici.
La morte cellulare programmata, chiamata anche apoptosi, può influenzare la morfogenesi in due modi principali. Può consentire la formazione diretta di una nuova struttura e può aiutare a eliminare l'accumulo di cellule non necessarie durante un processo morfogenetico. Un buon esempio è quello della formazione delle dita nell'uomo che comporta la morte cellulare programmata di parte delle cellule. Infatti la mano prima sembra un palmo, poi l'apoptosi permette di degradare le cellule interdigitali per formare le dita. La matrice extracellulare che si trova in queste regioni interdigitali è essa stessa degradata dalle proteasi.
La differenziazione cellulare è regolata da geni regolatori che controllano l'espressione di altri geni nel tempo. La morfogenesi, invece, è regolata da geni regolatori che controllano la frequenza e la direzione della divisione cellulare e la migrazione delle cellule che precedono la loro proliferazione. La differenziazione cellulare è il processo mediante il quale una cellula acquisisce funzioni e strutture specializzate. Questa differenziazione consente l'organizzazione delle cellule nei tessuti e negli organi. È principalmente causato da una variazione nell'espressione genica, cioè l'attivazione o l'inattivazione di alcuni geni.
La riorganizzazione del citoscheletro è la causa del cambiamento nella forma di una cellula. È anche all'origine della migrazione cellulare. La migrazione cellulare può generare un movimento morfogenetico chiamato " convergenza-estensione ", che è caratterizzato sia da un aumento della superficie di un tessuto, sia da un aumento della sua lunghezza. Questo viene fatto attraverso la riorganizzazione delle cellule in uno strato di tessuto, causando il restringimento del tessuto all'intercalazione del tessuto (convergenza) e l'allungamento di queste stesse cellule nella direzione perpendicolare all'intercalazione del tessuto (estensione).
Si ritiene che la migrazione cellulare avvenga attraverso la matrice extracellulare, costituita da glicoproteine situate all'esterno della membrana plasmatica delle cellule. Queste glicoproteine servirebbero a guidare le cellule in migrazione. Le fibronectine, ad esempio, aiutano la migrazione cellulare consentendo alle cellule in migrazione di attaccarsi al collagene. Alcune molecole presenti nella matrice cellulare hanno anche un ruolo inibitorio, al fine di impedire alle cellule in migrazione di muoversi in direzioni indesiderate. Questo aiuta a guidare la migrazione. Le cellule migratrici hanno recettori che consentono loro di reagire in base al loro ambiente. Quando vengono consegnate a destinazione, le cellule in migrazione sono tenute in posizione dalla matrice extracellulare, consentendo così la formazione di tessuti e organi.
Le molecole di adesione cellulare, situate sulla superficie delle cellule, interagiscono con altre molecole aderenti situate sulle cellule vicine. Questo svolge un ruolo nella migrazione cellulare e nel mantenimento di tessuti e organi. La natura chimica e il numero di molecole che aderiscono alla superficie delle cellule differiscono a seconda del tipo di cellula, il che aiuta a regolare la migrazione e la formazione dei tessuti. La molecola di adesione più importante è la caderina, che richiede la presenza di ioni calcio per essere attivata.
La formazione delle penne aviarie potrebbe servire da modello in Évo-Devo. Negli uccelli, durante la morfogenesi, i boccioli delle penne compaiono in modo da formare un asse antero-posteriore e un asse prossimale-distale. Da queste gemme emanano le diverse strutture della piuma: il rachide, le barbe e le barbe. Un cambiamento nelle dimensioni, nell'angolo o nella simmetria di una qualsiasi di queste tre strutture può produrre diverse forme di piume. Uno degli obiettivi principali di Évo-Devo è comprendere le basi molecolari dei processi di sviluppo e capire come percorsi di segnalazione molecolare alterati possono alterare lo sviluppo. Un cambiamento nello sviluppo può portare a un cambiamento nel fenotipo e quindi può potenzialmente causare un impatto nell'evoluzione. Modulando le vie di segnalazione molecolare responsabili dello sviluppo tegumentario nei polli, ad esempio, sarebbe possibile analizzare i processi molecolari dei vari parametri morfogenetici responsabili della formazione delle piume. La morfogenesi delle penne aviarie potrebbe quindi servire da modello nell'ambito degli studi Evo-Dévo.
Analisi comparative sui meccanismi cellulari della morfogenesi in diversi anfibi hanno mostrato una grande variabilità nello sviluppo precoce di questi organismi. Questa variabilità potrebbe essere spiegata dalla dimensione delle uova, dalla divisione cellulare e dalla gastrulazione. È stato condotto uno studio per determinare come le dimensioni e il tuorlo di un uovo possono influenzare lo sviluppo precoce degli anfibi. Per fare ciò, è stata effettuata un'analisi della divisione cellulare, della gastrulazione e della neurulazione in Ensatina eschscholtzii , una salamandra della famiglia dei Plethodontidae. In precedenza si pensava che i processi ontogenici che avvengono durante lo sviluppo iniziale fossero conservati dal punto di vista evolutivo, ma questo studio dimostra che in effetti esiste una certa variabilità. Esistono, ad esempio, variazioni nella posizione iniziale dei tessuti precursori, nonché nei meccanismi cellulari responsabili di diversi movimenti morfogenetici simili. Gli urodeli e la maggior parte degli anuri, due diversi ordini di anfibi, presentano sulla superficie dell'epitelio della zona marginale dei tessuti precursori del mesoderma. Senopo , che fa parte dell'ordine degli anuri, ne ha ben poco. Xenopus, invece, possiede diversi meccanismi cellulari che controllano il movimento involutivo (movimento che permette ai tessuti di arrotolarsi su se stessi) della zona marginale, compresa la migrazione del mesoderma lungo il tetto del blastocele e la convergenza-estensione del mesoderma e cresta neurale. La convergenza-estensione del solo mesoderma è sufficiente per indurre l'involuzione e altri movimenti gastrici in Xenopus . Al contrario, la migrazione del mesoderma a livello del tetto del blastocele è necessaria per la gastrulazione nei Pleurodeli (ordine degli urodeli). L'estensione della convergenza delle salamandre si verifica solo alla fine della gastrulazione e durante la neurulazione. La dimensione dell'uovo e il suo contenuto di tuorlo influenzano la divisione cellulare, la blastulazione e la gastrulazione in un contesto morfogenetico. Più grande è l'uovo, più lento è lo sviluppo. Negli anfibi, le uova più grandi inducono alcuni cambiamenti significativi e prevedibili nello sviluppo iniziale. Questo è vero per diversi ordini di anfibi, ma il contesto filogenetico deve ancora essere preso in considerazione quando si analizza il tasso di sviluppo precoce o quando si analizzano i meccanismi morfogenetici.
Wnt è una proteina che svolge un ruolo importante nella comunicazione cellulare durante l' embriogenesi . Questa proteina influenza la simmetria e la morfogenesi durante lo sviluppo post-embrionale nei cordati coloniali. Le proteine della famiglia Wnt regolano le interazioni cellulari e quindi controllano la proliferazione, differenziazione, migrazione e polarità di cellule e tessuti. Queste proteine svolgono un ruolo in tre principali vie di segnalazione cellulare: la via della polarità cellulare planare (PCP), la via Wnt/calcio e la via canonica. La segnalazione cellulare Wnt responsabile della formazione dell'asse di simmetria durante la rigenerazione o lo sviluppo precoce è altamente conservata. La modulazione del segnale Wnt in questi processi induce fenotipi atipici. Botryllus schlosseri, un cordato coloniale della classe degli Ascidiaecea, ha la capacità di rigenerare tutto il suo corpo tramite gemmazione, che è un tipo di moltiplicazione asessuata. Questa moltiplicazione asessuata consentirà a questo cordato di svilupparsi senza passare attraverso le fasi dello sviluppo embrionale. Uno studio ha dimostrato il ruolo della via di segnalazione canonica Wnt nel processo di germogliamento. Tre ligandi Wnt sono stati identificati mediante ibridazione in situ e RT-PCR (trascrizione inversa seguita da PCR): Wnt2B, Wnt5A e Wnt9A. Questo studio ha dimostrato che la modulazione chimica di questa via di segnalazione ha causato gemmazioni anomale dovute alla duplicazione degli assi anteroposteriori, gemme soprannumerarie e perdita della polarità apicale/basale delle cellule. La via di segnalazione Wnt influenzerebbe infatti, in egual modo, i processi di sviluppo embrionale così come i processi di gemmazione. Ciò suggerisce la conservazione dei meccanismi morfogenetici, sia nel contesto dello sviluppo embrionale che rigenerativo. L'eccessiva attivazione della via canonica Wnt conferisce al tessuto non rigenerativo la capacità di rigenerarsi. La modulazione della via di segnalazione Wnt, bloccando il complesso GSK-3ß in Botryllus schlosseri , provoca un disturbo nella formazione dell'asse anteroposteriore e quindi genera uno sviluppo asimmetrico durante il suo ciclo di riproduzione asessuata. Diversi studi affermano che la via di segnalazione Wnt potrebbe aver svolto un ruolo importante nell'origine evolutiva della multicellularità negli animali. Questa via di segnalazione è conservata nei cordati durante l'embriogenesi, la metamorfosi, la rigenerazione e la riproduzione asessuata.