Arengubioloogia

Arengubioloogia on bioloogia haru, mis uurib kõiki muutusi organismis kogu elutsükli vältel ehk viljastumisest surmani. Organismi arengut nimetatakse ka ontogeneesiks, mis hõlmab gametogeneesi, viljastumist, lõigustumist, gastrulatsiooni, organogeneesi, postnataalset arenemist ja organismi kasvamist. Arengubioloogia uurib eelkõige embrüoloogia kolme pöördumatut protsessi:

• diferentseerumine,
• morfogenees,
• kasvamine.

Ajalugu

Embrüote võrdlus – Baer'i seadus

Esialgu oli embrüoloogia teadus, mis uuris loomade arenemist munaraku viljastumisest kuni loote- või munakestadest vabanemiseni. Ajapikku embrüoloogia uurimispiirid laienesid, kuna embrüonaalset arenemist ei olnud võimalik mõista ilma eelneva ja järgneva perioodi tundmiseta. Niiviisi jõudis embrüoloogia vaatevälja ka proembrüogenees ehk gametogenees ja postembrüonaalne arenemine koos kasvamise, regeneratsiooni, metamorfoosi ja morfogeneesi probleemidega. Alates 1960. aastatest hakati embrüoloogias järjest enam kasutama biokeemia, rakubioloogia, molekulaarbioloogia, geneetika ja immunoloogia teadussaavutusi ja uurimismeetodeid. Selle tulemusena arenes välja uus suund – arengubioloogia. Mõned autorid on arengubioloogia sünonüümina kasutanud terminit arengugeneetika (ka ontogeneesigeneetika), teised jällegi loevad seda arengubioloogia üheks osaks.
Oluline roll on arengubioloogias ja embrüoloogias ka Karl Ernst von Baeril, kes oli baltisakslane, kuid sündinud Eestis ja õppinud ka Tartu Ülikoolis. Ta avastas selgroogsete arengus blastula staadiumi, seljakeeliku ja imetaja munaraku. Samuti täiustas ta Heinz Christian Panderi sõnastatud lootelehtede teooriat. 1828. aastal sõnastas ta embrüoloogia reeglid, mis on nüüd tuntud Baeri seadustena.
1866. aastal pakkus Ernst Haeckel välja rekapitulatsiooniteooria, mille kohaselt ontogenees peegeldab fülogeneesi.

Mudelorganismid

Kõige tihedamini kasutatakse arengubioloogias järgmisi mudelorganisme:

• Taimed:
  • harilik mais (Zea mays)
  • petuunia (Petunia)
  • harilik müürlook (Arabidopsis thaliana)
• Selgroogsed:
  • koduhiir (Mus musculus)
  • kodukana (Gallus gallus domesticus)
  • sebrakala (Danio rerio)
  • kannuskonn (Xenopus laevis)
• Selgrootud:
  • äädikakärbes (Drosophila melanogaster)
  • varbuss ehk nematood (Caenorhabditis elegans)
  • merisiilik (Strongylocentrotus purpuratus)

Uuritavad põhiküsimused

Diferentseerumine

Ühest viljastatud munarakust tekib sadu diferentseerunud rakutüüpe. Täiskasvanud inimeses on rohkem kui 210 diferentseerunud rakutüüpi, näiteks lihasrakud, vererakud, rasvarakud, närvirakud ja nii edasi. Seda uut tüüpi rakkude teket nimetataksegi diferentseerumiseks. Kõik need erinevad rakud sisaldavad samu geene. Kuidas saab selline identne geneetiline informatsioon panna aluse nii paljudele erinevatele rakutüüpidele?

Morfogenees

Diferentseerunud rakud ei paikne juhuslikult, vaid moodustavad kudesid ja elundeid. Kuidas moodustavad rakud funktsionaalseid struktuure? Vastus sellele peitub koordineeritud rakkude jagunemises, rakkude migratsioonis ja rakkude surmas, mis kõik on arengubioloogia olulisteks uurimisaladeks.

Kasvamine

Arengu käigus rakud paljunevad, kuid lõpuks nad lõpetavad jagunemise ja moodustub täiskasvanud organism. Kuidas rakud teavad, millal lõpetada jagunemine, ja kuidas on rakujagunemine reguleeritud?

Paljunemine

Sugurakud on väga spetsialiseerunud rakud, mis on ainsana võimelised panema aluse kogu organismi arengule. Kuidas toimub selliste rakkude eraldamine teistest rakkudest, mis moodustavad keha füüsilisi struktuure ja elundeid? Mis juhised sugurakkude rakutuumas ja tsütoplasmas võimaldavad neil panna aluse uuele põlvkonnale?

Regeneratsioon

Mõned organismid saavad taastada kogu oma keha. Mõned salamandrid suudavad taastada oma silmad ja jalad ning mitmed roomajad on võimelised kasvatama omale uue saba. Imetajad enamasti seda ei suuda, kuid siiski on ka imetajatel tüvirakud, mis on võimelised moodustama uusi elundeid ja struktuure. Kuidas on tüvirakud säilitanud sellise võime ja kuidas oleks võimalik seda meditsiinis ära kasutada?

Evolutsioon

Evolutsiooni käigus liigid muutuvad ja seda põhjustavad päritavad muudatused arengus. Näiteks on tänapäevase kapjadega hobuse eelkäijaks viie varbaga hobune, kellel on põlvkondade vältel toimunud embrüo arengu käigus mitmed muutused lihastes ja luukoes. Kuidas on sellised muutused võimelised panema aluse uutele kehastruktuuridele? Millised päritavad muutused on võimalikud, arvestades seda, et ka evolutsiooni vahevormid peavad olema eluvõimelised?

Keskkonna mõjud

Paljude organismide arengut mõjutab keskkond, kus embrüo või vastne areneb. Näiteks sõltub sündiva kilpkonna sugu sellest, mis temperatuuri juures munad hauduti. Samuti suudavad ka täiskasvanud organismi arengut mõjutada ümbritsevas keskkonnas olevad kemikaalid, põhjustades arenguhäireid, mis võivad viia haiguste ja kasvajate tekkeni. Kuidas on organismi areng seotud laiemalt tema elupaiga ja teda ümbritseva keskkonnaga?

Meetodid

Geeniekspressiooni märkimine hiire embrüol

Arengubioloogias kasutatakse väga palju meetodeid biokeemiast, geneetikast, rakubioloogiast, evolutsioonibioloogiast, embrüoloogiast ja molekulaarbioloogiast. Mõningad olulisemad meetodid:

• Elusrakkude otsene jälgimine. Mõne liigi embrüotel on väga vähe rakke ja tsütoplasma kõigis blastomeerides on erineva pigmendiga. Sel juhul on võimalik jälgida mikroskoobi all erinevaid rakke ja nende arenemist erinevateks kudedeks. Näiteks tunikaadi Styela partita lihaseid moodustavad rakud on alati kollase värvusega.
• Värvimine. Embrüo arengu jälgimiseks kasutatakse värve, mis värvib nende rakke, kuid ei tapa neid rakke. Kasutatakse ka fluorestsentsvärve.

  

  Näiteid arengubioloogia meetodeist amfiibiembrüotega. A – Spemanni transplantatsioonimeetod; B – Mangoldi implantatsioonimeetod; C – Holtfreteri eksplantatsioonimeetod; D – dissotsieerimine-reagregatsioon.

• Spemanni transplantatsioonimeetod. Ühelt liigilt pärit embrüonaalse koe siirdamine teise liigi embrüole, kust see sama embrüonaalse koe osa on enne eemaldatud.
• Mangoldi implantatsioonimeetod. Ühelt embrüolt pärit embrüonaalne kude siiratakse teise organismi embrüole erinevasse kohta.
• Holtfreteri eksplantatsioonimeetod. Erinevatelt embrüotelt eemaldatakse sama embrüonaalse koe osa ja ühendatakse need.
• Dissotsieerimine-reagregatsioon. Blastula või varase gastrula staadiumis eemaldatakse erinevad embrüonaalse koe osad, mõlema osa rakud lahutatakse üksteisest ja siis erinevatest osadest pärit rakkudel lastakse omavahel uuesti reagregeeruda. Embrüo jätkab oma arengut samast kohast, kus see enne rakkude eemaldamist pooleli jäi. Seega saab jälgida, kuidas toimub erinevatest embrüonaalsetest kudedest pärit rakkude migratsioon ja areng edasi.

Eri liikidelt pärit rakkude tuvastamiseks kasutatakse fluorestseeruvat valku GFP. Selleks nakatatakse embrüot viirusega, kes kannab fluorestseeruva valgu GFP geeni. Sel viisil saadud embrüo kõik rakud helendavad UV-valguses roheliselt. Enamasti kasutatakse selleks konni. Transgeenselt embrüolt eemaldatakse kindlast piirkonnast rakke ja pannakse teise embrüo samasse piirkonda. Niimoodi on täiskasvanud organismil võimalik jälgida, mis elundid arenesid sellest embrüo piirkonnast, kuhu siirati fluorestseeruva konna rakud. Samuti kasutatakse looduslikke markereid, mis arengu käigus ei kao ega muutu – kromosomaalseid markereid. Näiteks lindude puhul kasutatakse Douarini markerit. Tihti piisab transplantatsioonitulemuste jälgimiseks lähteloomade erinevast pigmentatsioonist.

• Transgeensed loomad. Looma embrüorakkudesse viiakse sisse võõr-DNA, mis integreerub peremeesraku kromosoomidesse. Sel viisil on võimalik jälgida antud geeni mõju organismi arengule.
• Knock-out-loomad. Selle meetodi puhul inaktiveeritakse mõni geen mutatsiooni abil. Knock-out-hiired võimaldavad kohe uurida vastava geeni mutatsiooni efekti hiire arengu käigus.

Perspektiivid

Organismide arengu uurimise käigus saadud teadmisi loodetakse kasutatakse mitmesuguste haiguste raviks. Olulisteks avastusteks on võimalus blokeerida parakriinseid faktoreid, kasutada tüvirakke elundite moodustamisel ning võimalus muuta peaaegu kõiki keharakke pluripotentseteks tüvirakkudeks. Need teadmised võimaldavad blokeerida vähi levikut, parandada kehalisi vigastusi ja geneetilisi haigusi.

• Antiangiogenees vähi ravis – blokeeritakse veresoonte moodustumist, mis on vajalikud, et varustada kasvajarakke hapniku ja toitainetega. Selleks on võimalik kasutada VEGF faktorite (kasvaja angiogeneesi faktorid, inglise keeles vascular endothelial growth factor) inhibiitoreid.
• Pluripotentsete tüvirakkude tootmine diferentseerunud keharakkudest võimaldaks saadud tüvirakke kasutada kudede ja elundite regeneratsioonis. Tüvirakke tahetakse kasutada närvirakkude tootmiseks degeneratiivsete ajuhaiguste ravil (Alzheimeri tõbi ja Parkinsoni tõbi) ning insuliini tootvate pankreaserakkude tootmiseks diabeediga patsientidel. Samuti loodetakse tüvirakkudega ravida ka südamehaigusi ja immuunhäireid. Ravis kasutatakse parakriinseid kasvufaktoreid.

Vaata ka

• Embrüogenees
• Lõigustumine
• Ontogenees

Välislingid

• Developmental Biology – 9th Edition by Scott F.Gilbert
• The International Journal of Developmental Biology