thumb|Tijdens de gastrulatie komen cellen dicht bij elkaar te liggen, zodat deze cellen elkaar middels embryonale inductie kunnen beïnvloeden. thumb|Primaire asvorming tijdens gastrulatie in Metazoa-embryo's. Bovenste afbeeldingen. ESC: embryonale stamcellen Gastrulatie is een fase in de vroege embryonale ontwikkeling van de meeste dieren. In deze fase wordt de enkellaagse blastula gereorganiseerd tot een meerlagige structuur die de gastrula wordt genoemd. Bij de mens begint de vorming van de gastrula als het embryo twee weken oud is en eindigt als deze vier weken oud is. Vóór de gastrulatie is het embryo een kiemblad (een epitheelblad van cellen); tegen het einde van de gastrulatie is het embryo begonnen met differentiatie waarbij verschillende cellijnen worden bepaald, de basisassen van het lichaam op te zetten (bijv. dorsaal-ventraal, anterior-posterior) en een of meer celtypen te internaliseren, inclusief de toekomstige darm.
In triploblastische dieren, waartoe ook de mens behoort, is de gastrula trilaminair ("drielaags"). Deze drie kiemlagen zijn het ectoderm, mesoderm en endoderm.Mundlos, 2009: p.422. Gearchiveerd op 12 mei 2023.McGeady, 2004: p.34 In diploblastische organismen, zoals neteldieren (Cnidaria) en ribkwallen (Ctenophora), bestaat de gastrula alleen uit endoderm en ectoderm. Die twee lagen worden soms ook aangeduid als hypoblast en epiblast.
De namen "gastrula" en "gastrulatie" werden door Ernst Haeckel geïntroduceerd, in zijn boek Die Kalkschwämme (1872).Ereskovsky, 2010: p.236. Gearchiveerd op 12 mei 2023.Deze termen zijn ontleend aan en refereren tegelijkertijd aan het Latijnse woord "gaster" - maag.
Vorming van de gastrula Celstratificatie thumb|Embryogenese, schematische weergave van de ontwikkeling van een menselijke zygote tot een embryo van 23 dagen; op de dagen 14 tm 19 is sprake van een gastrula(afbeelding vervaardigd door Zephyris) thumb|Typen celbewegingen bij een embryo miniatuur|Vorming van een gastrula.1) blastula, 2) gastrula; oranje - ectoderm, rood - endoderm (of endoblast) (afbeelding gemaakt door Pidalka44) Gastrulatie vindt plaats na celklieving en de vorming van de blastula. Gastrulatie wordt gevolgd door neurulatie en organogenese, waarin zich individuele organen ontwikkelen binnen de nieuw gevormde kiemlagen.Hall, 1998: pp.132-134. Gearchiveerd op 27 april 2023. Uit elke laag ontstaan later specifieke weefsels en organen.
Uit het ectoderm komen de epidermis (vergelijk dermis) en het zenuwstelsel voort, en in gewervelden ook de neurale lijst. Uit het endoderm ontspringen het epitheel van het spijsverteringsstelsel en van het ademhalingssysteem, alsook de organen die betrokken zijn bij het spijsverteringsstelsel, zoals de lever en de alvleesklier.
Het mesoderm is de basis van diverse celtypen, zoals spieren, botten en bindweefsel. In gewervelden ontwikkelen mesodermderivatenIn de biologie wordt onder een derivaat een cel verstaan die een andere functie krijgt. zich tot de chorda dorsalis, het hart, bloed en bloedvaten, het kraakbeen van de ribben en wervels, en de dermis.Arnold & Robinson, 2009 Na de gastrulatie worden de cellen in het embryo georganiseerd in bladen van verbonden cellen, zoals in epithelia, of als een mazig netwerk van geïsoleerde cellen, zoals het mesenchym.McGeady, 2004: p.34Hall, 1998: p.177. Gearchiveerd op 27 april 2023.
Moleculair mechanisme thumb|left|Verschillende graden van epitheel-mesenchymale overgang (EMT) correleren met verschillende weefselmorfologieën thumb|left|Ingressie bij een vogel-embryo thumb|300px|Invaginatie. Yolk sac=dooierzak, Gut=oerdarm. Het moleculaire mechanisme en de timing van gastrulatie verschillen per organisme.
Gemeenschappelijke kenmerken van gastrulatie in triploblastische organismen zijn:
een verandering van de topologische structuur van het embryo, van een enkelvoudig samenhangend oppervlak (bol-achtige) tot een niet-enkelvoudig samenhangend oppervlak (torus-achtig); de differentiatie van cellen naar een van de drie typen (endodermaal, mesodermaal en ectodermaal); de spijsverteringsfunctie van een groot aantal endodermale cellen.
De signaleringstrajecten, signalen die een proces in het organisme activeren of remmen, verschillen ook per organisme. thumb|left|400px|Spiraalvormige klieving bij Trochus thumb|Driedimensionale simulatie van het gastrulatieproces, 6 min thumb|Epibolische beweging van cellen tijdens de gastrulatie en met blastoporus
Hoewel gastrulatiepatronen binnen het dierenrijk een enorme variatie vertonen, worden zij allen gekenmerkt door de vijf basistypen van celbewegingenGilbert. vijf basistypen van celbewegingen, 2010. blz 164. Gearchiveerd op 12 juli 2023. die optreden tijdens de gastrulatie:
invaginatie; is het instulpen van het beoogde endoderm naar het binnenste van de met vocht gevulde holte (blastocoel) van de blastula: door vervorming van cellen aan een pool van de blastula wordt een deel van de buitenwand ingestulpt; het resultaat ziet er uit als een lekke voetbal die aan een kant is ingedrukt. Het gedeelte dat aan de binnenkant ligt, wordt vanaf dat moment met de term endoderm aangeduid. De binnenste holte, de primaire levensholte, wordt bij deze gebeurtenis ingesnoerd; deze uit endoderm bestaande deuk wordt met oerdarm of archenteron aangeduid. involutie; de migratie van een cellaag naar binnen, waarbij deze over een buitenste laag cellen glijdt; ingressie, immigreren van cellen van het toekomstige endoderm; delaminatie; cellen van de blastula snoeren de cellen van het toekomstige endoderm af in de blastocoel epibolie, is in principe een invaginatie en epibolische verplaatsing en houdt in de manier waarop een laag epitheelcellen zich verspreidt, zo kan het toekomstige ectoderm - bijvoorbeeld - het endoderm ‘overgroeien’.
Protostomia versus Deuterostomia Het onderscheid tussen Protostomia en Deuterostomia is gebaseerd op de richting waarin de mond (stoma) zich ontwikkelt ten opzichte van de blastoporus (zie ook blastocyste). Protostome is afgeleid van het Griekse woord protostoma dat "eerste mond" betekent (πρώτος + στόμα), terwijl de etymologie van deuterostome "tweede mond" is (δεύτερος + στόμα).
Het belangrijkste onderscheid tussen Deuterostomia en Protostomia valt dus waar te nemen tijdens de embryonale ontwikkeling en betreft:
Mond/anus In de ontwikkeling van Protostomia wordt de opening die zich het eerst ontwikkelt, de blastoporus, de mond van het dier. Bij deuterostome ontwikkeling wordt de blastoporus uiteindelijk de anus. Klieving In Protostomia is spiraalvormige splitsing bepalend, wat inhoudt dat de specialisatie van de cellen wordt bepaald terwijl zij worden gevormd. Deuterostomia kennen radiale splitsing en die is onbepaald.
Klassieke modelsystemen voor het begrijpen van gastrulatie thumb|Gastrulatie bij: A: Lancetvisjes, B: Amfibiën, C: Reptielen en Vogels Ondanks de genoemde variatie in gastrulatiepatronen heeft men veel overeenkomsten ontdekt en gemodelleerd. Het makkelijkst valt de ontwikkeling te bestuderen bij dieren die zich buiten de moeder ontwikkelen.
Dieren waarvan de gastrulatie tot in de kleinste details wordt begrepen, zijn weekdieren, zee-egels, kikkers en kippen. Hieronder zullen enkele van deze details voor de genoemde dierlijke modellen worden uitgewerkt, weliswaar op taxonomisch verschillend niveau.
Zee-egels Zee-egels, Euechinoidea, zijn sinds de 19e eeuw vaak als een belangrijk model in de ontwikkelingsbiologie gebruikt.. Hun gastrulatie wordt beschouwd als het archetype voor ongewervelde deuterostomia.
Bepaling van het kiemblad Zee-egels vertonen zeer stereotiepe klievingspatronen en celspecialisatie. Maternaal afgezet, divers mRNA verzorgt de aanmaak van een soort organisatiecentrum in het zee-egelembryo. Biologisch gezaghebbende signalering van Wnt en Delta-Notch zorgen voortdurend voor het scheiden van het progressief endoderm en mesoderm.McClay, D.R. (2009) Cleavage and Gastrulation in Sea Urchin. eLS.
Celinternalisatie Bij zee-egels maken de primaire mesenchymcellen zich los van de vegetatieve pool, veranderen van vorm en gaan de met vloeistof gevulde holte (blastocoel) in het midden binnen. Zij hebben een skeletogene voorbestemming en schuiven epibolisch tijdens het blastula stadium naar binnen.
Gastrulatie begint met instulping en andere celherschikkingen van de vegetatieve pool, die ongeveer 30% bijdraagt aan de uiteindelijke lengte van het archenteron (oerdarm). De uiteindelijke lengte van de darmDe uiteindelijke lengte van de darm hangt af van de reorganisatie binnen het archenteron.Zie ook bijbehorende foto met uitleg (geraadpleegd op 11 november 2019)
Amfibieën Kikkers (staartloze amfibieën, Anura) zijn eveneens een klassiek modelsysteem voor gastrulatie. Met amfibieën is het proces van embryonale inductie intensief bestudeerd; het proces waarbij biochemische en mechanische signalen celmigratie en -differentiatie induceren.
Symmetrie verbreken De spermacel levert een van de twee mitotische spoelfiguren die nodig zijn om de eerste splitsing te voltooien. De andere is in de eicel zelf aanwezig. Het exacte punt waar de spermacel de eicel binnenkomt, zal daarmee de radiale symmetrie van de eicel doorbreken door het cytoskelet te re-organiseren tijdens de zygotevorming. Voorafgaand aan de eerste splitsing roteert de cortex van de eicel ten opzichte van het (interne) cytoplasma door de gecoördineerde samenwerking van microtubuli. Dit proces wordt corticale rotatie genoemd. Deze verplaatsing brengt maternaal geladen determinanten, die de bestemming van de cel van het equatoriale cytoplasma en de vegetatieve cortex bepalen, met elkaar in contact. Samen construeren deze determinanten de zogenaamde organisator. Het gebied aan de vegetatieve kant, tegenover het ingangspunt van de spermacel, zal zodoende deze organisator worden. Van deze speciale organisator in het embryo is aangetoond dat zij zowel noodzakelijk als voldoende is om gastrulatie te induceren.Hilde Mangold, werkzaam in het laboratorium van Hans Spemann toonde de rol van de ‘organisator’ aan.
Bepaling van het kiemblad Specificatie binnen het endoderm hangt af van de herschikking van maternaal afgezette determinanten, leidend tot nuclearisatie van bèta-catenine. Mesodermvorming wordt geïnduceerd door seinen vanuit het endoderm naar cellen die anders ectoderm zouden worden.
Celinternalisatie De dorsale lip van de blastoporus is de mechanische schakelaar van de gastrulatie. Het eerste teken van invaginatie in de gastrulatie in de kikker is de dorsale lip.
Celsignalering In de kikker, Xenopus, is een van de signalen retinezuur (RA). RA-signalering in dit organisme kan de vorming van het endoderm beïnvloeden en kan - afhankelijk van de timing van de signalering - bepalen of cellen zich ontwikkelen tot alvleesklier-, darm- of respiratoir weefsel. Bij laatstgenoemde spelen ook andere signalen een rol, zoals gedurende de signaaltransductie Wnt en het botmorfogenetisch proteïne BMP, door het activeren van cellijntracers.
Amniota thumb|Diagram van dwarsdoorsneden van embryo's van gewervelde dieren om de differentiatie van het epimeer in dermatoom (huid), myotoom (spieren) en sclerotoom (skelet) te tonen. Dermatoom en sclerotoom bestaan uit mesenchym, myotoom uit mesothelium. In B en C is te zien dat het dermatoom zich onder het ectoderm verspreidt om de dermis van de huid te vormen; de myotomen groeien ventraal en vormen de spierlaag van de lichaamswand; het sclerotoom verzamelt zich rond de chorda dorsalis bij x om de wervels te vormen; en het hypomeer omsluit de darm en produceert de dorsale en ventrale mesenteria en het mesoderm van de darm thumb|Ontwikkeling tot en met de "eicilinder" bij een embryo van de muis. EXE=extra-embryonaal endoderm en PrEct=extra-embryonaal ectoderm. The TE differentiates into cells that constitute the placenta including the extraembryonic endoderm (EXE). dpc=dagen vanaf de bevruchting.