การสร้างรูปร่าง (จากภาษากรีกmorphê แปลว่า รูปร่าง และgenesisแปลว่า การสร้าง หรือ "การกำเนิดรูปร่าง") คือกระบวนการทางชีววิทยาที่ทำให้เซลล์เนื้อเยื่อหรือสิ่งมีชีวิตพัฒนารูปร่างของมัน เป็นหนึ่งในสามแง่มุมพื้นฐานของชีววิทยาการพัฒนาร่วมกับการควบคุมการเจริญเติบโตของเนื้อเยื่อและการ กำหนดรูปแบบของการแบ่งเซลล์

กระบวนการนี้ควบคุมการจัดเรียงตัวอย่างเป็นระเบียบของเซลล์ในระหว่างการพัฒนาตัวอ่อนของสิ่งมีชีวิตการสร้างรูปร่าง (Morphogenesis) สามารถเกิดขึ้นได้ในสิ่งมีชีวิตที่เจริญเต็มที่แล้ว เช่น ในการบำรุงรักษาเนื้อเยื่อ ตามปกติ โดยเซลล์ต้นกำเนิดหรือในการฟื้นฟูเนื้อเยื่อหลังจากได้รับความเสียหายมะเร็งเป็นตัวอย่างของกระบวนการทางพยาธิวิทยาของการสร้างรูปร่างเนื้อเยื่อ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือความผิดปกติอย่างมีนัยสำคัญ การสร้างรูปร่างยังอธิบายถึงการพัฒนาของ สิ่งมีชีวิต เซลล์เดียวที่ไม่มีระยะตัวอ่อนในวงจรชีวิต การสร้างรูปร่างมีความสำคัญต่อวิวัฒนาการของรูปแบบใหม่

มอร์โฟเจเนซิสเป็นกระบวนการเชิงกลที่เกี่ยวข้องกับแรงที่สร้างความเครียดเชิงกล ความเครียด และการเคลื่อนที่ของเซลล์^{[ 1 ]}กระบวนการนี้สามารถเหนี่ยวนำได้ด้วยโปรแกรมทางพันธุกรรมตามรูปแบบเชิงพื้นที่ของเซลล์ภายในเนื้อเยื่อ มอร์โฟเจเนซิสที่ผิดปกติเรียกว่าดิสมอร์โฟเจเน ซิ ส

แนวคิดและคำอธิบายทางคณิตศาสตร์แรกๆ เกี่ยวกับวิธีที่กระบวนการทางกายภาพและข้อจำกัดส่งผลต่อการเจริญเติบโตทางชีวภาพ และรูปแบบธรรมชาติเช่นเกลียวของฟิลโลแท็กซิสถูกเขียนโดยD'Arcy Wentworth ThompsonในหนังสือOn Growth and Form ใน ปี 1917 ^{[ 2 ] [ 3 ] [หมายเหตุ 1 ]}และAlan TuringในหนังสือThe Chemical Basis of Morphogenesis (1952) ^{[ 6 ]}โดยที่ Thompson อธิบายรูปร่างของสัตว์ว่าถูกสร้างขึ้นโดยอัตราการเจริญเติบโตที่แตกต่างกันในทิศทางต่างๆ เช่น เพื่อสร้างเปลือกเกลียวของหอยทาก Turing ได้ทำนายกลไกของการสร้างรูปร่างได้อย่างถูกต้อง นั่นคือการแพร่กระจายของสัญญาณเคมีสองชนิดที่แตกต่างกัน ชนิดหนึ่งกระตุ้นและอีกชนิดหนึ่งยับยั้งการเจริญเติบโต เพื่อสร้างรูปแบบการพัฒนา หลายทศวรรษก่อนที่จะมีการสังเกตการก่อตัวของรูปแบบดังกล่าว^{[ 7 ]}ความเข้าใจที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นเกี่ยวกับกลไกที่เกี่ยวข้องในสิ่งมีชีวิตจริงต้องอาศัยการค้นพบโครงสร้างของDNAในปี 1953 และการพัฒนาชีววิทยา โมเลกุลและชีวเคมี

โมเลกุลหลายชนิดมีความสำคัญต่อกระบวนการสร้างรูปร่างของสิ่งมีชีวิตมอร์โฟเจนเป็นโมเลกุลที่ละลายน้ำได้ สามารถแพร่กระจายและนำส่งสัญญาณควบคุมการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ผ่านความเข้มข้นที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปมอร์โฟเจนจะออกฤทธิ์โดยการจับกับตัวรับ โปรตีนจำเพาะ โมเลกุลสำคัญอีกกลุ่มหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับการสร้างรูปร่างของสิ่งมีชีวิตคือ โปรตีน ปัจจัยการถอดรหัส (transcription factor proteins) ซึ่งกำหนดชะตากรรมของเซลล์โดยการโต้ตอบกับดีเอ็นเอ โปรตีน เหล่านี้สามารถถูกสร้างขึ้นโดยยีน ควบคุมหลัก (master regulatory genes ) และสามารถกระตุ้นหรือยับยั้งการถอดรหัสของยีนอื่นๆ ได้ ในทางกลับกัน ผลิตภัณฑ์ของยีนรองเหล่านี้สามารถควบคุมการแสดงออกของยีนอื่นๆ ในลำดับขั้นการควบคุมของเครือข่ายควบคุมยีนในตอนท้ายของลำดับขั้นนี้คือโมเลกุลกลุ่มต่างๆ ที่ควบคุมพฤติกรรมของเซลล์ เช่นการเคลื่อนที่ของเซลล์หรือโดยทั่วไปแล้ว คุณสมบัติของเซลล์ เช่นการยึดเกาะของเซลล์หรือการหดตัวของเซลล์ ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการเกิดแกสตรูเลชัน กลุ่มเซลล์ต้น กำเนิด จะปิดการยึดเกาะระหว่างเซลล์ กลายเป็นเซลล์ที่เคลื่อนที่ได้ และเข้าไปอยู่ในตำแหน่งใหม่ภายในตัวอ่อน ซึ่งพวกมันจะกระตุ้นโปรตีนการยึดเกาะของเซลล์ที่เฉพาะเจาะจงอีกครั้ง และสร้างเนื้อเยื่อและอวัยวะใหม่ เส้นทางการส่งสัญญาณพัฒนาการที่เกี่ยวข้องกับการสร้างรูปร่างได้แก่Wnt , Hedgehogและephrins ^{[ 8 ]}

ในระดับเนื้อเยื่อ โดยไม่คำนึงถึงวิธีการควบคุม การสร้างรูปร่างเกิดขึ้นเนื่องจากการเพิ่มจำนวนและการเคลื่อนที่ของเซลล์^{[ 9 ]}การสร้างรูปร่างยังเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างของเซลล์^{[ 10 ]}หรือวิธีที่เซลล์มีปฏิสัมพันธ์กันในเนื้อเยื่อ การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจส่งผลให้เนื้อเยื่อยืดออก บางลง พับ แทรกซึม หรือแยกเนื้อเยื่อหนึ่งออกเป็นชั้นที่แตกต่างกัน กรณีหลังนี้มักเรียกว่าการคัดแยกเซลล์ การ "คัดแยก" เซลล์ประกอบด้วยเซลล์ที่เคลื่อนที่เพื่อคัดแยกเป็นกลุ่มที่เพิ่มการสัมผัสระหว่างเซลล์ชนิดเดียวกันให้มากที่สุด ความสามารถของเซลล์ในการทำเช่นนี้ได้รับการเสนอว่าเกิดจากการยึดเกาะของเซลล์ที่แตกต่างกันโดยMalcolm Steinbergผ่านสมมติฐานการยึดเกาะที่แตกต่างกัน ของเขา การแยกเนื้อเยื่อยังสามารถเกิดขึ้นได้ผ่านเหตุการณ์ การเปลี่ยนแปลงของเซลล์ที่รุนแรงมากขึ้นซึ่งเซลล์เยื่อบุผิวกลายเป็นเซลล์มีเซนไคม์ (ดูการเปลี่ยนผ่านจากเยื่อบุผิวเป็นมีเซนไคม์ ) เซลล์มีเซนไคม์มักจะออกจากเนื้อเยื่อเยื่อบุผิวอันเป็นผลมาจากการเปลี่ยนแปลงในคุณสมบัติการยึดเกาะและการหดตัวของเซลล์ หลังจากการเปลี่ยนผ่านจากเยื่อบุผิวเป็นเนื้อเยื่อเกี่ยวพัน เซลล์สามารถเคลื่อนย้ายออกจากเยื่อบุผิวแล้วไปรวมตัวกับเซลล์ที่คล้ายกันอื่นๆ ในตำแหน่งใหม่ได้^{[ 11 ]}ในพืช การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์มีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับองค์ประกอบทางเคมีและคุณสมบัติทางกลของผนังเซลล์^{[ 12 ] [ 13 ]}

ในระหว่างการพัฒนาของตัวอ่อน เซลล์จะถูกจำกัดให้อยู่ในชั้นต่างๆ เนื่องมาจากความสัมพันธ์ที่แตกต่างกัน วิธีหนึ่งที่เกิดขึ้นได้คือเมื่อเซลล์ใช้โมเลกุลการยึดเกาะ ระหว่างเซลล์ชนิดเดียวกัน ตัวอย่างเช่น การยึดเกาะระหว่างเซลล์ชนิดเดียวกันสามารถรักษาขอบเขตระหว่างกลุ่มเซลล์ที่มีโมเลกุลการยึดเกาะที่แตกต่างกันได้ นอกจากนี้ เซลล์ยังสามารถคัดแยกตามความแตกต่างของการยึดเกาะระหว่างเซลล์ ดังนั้นแม้แต่เซลล์สองกลุ่มที่มีระดับโมเลกุลการยึดเกาะชนิดเดียวกันแต่ต่างกันก็สามารถคัดแยกออกจากกันได้ ในการเพาะเลี้ยงเซลล์เซลล์ที่มีการยึดเกาะแข็งแรงที่สุดจะเคลื่อนไปยังศูนย์กลางของกลุ่มเซลล์ที่ผสมกัน ยิ่งไปกว่านั้น การยึดเกาะระหว่างเซลล์มักถูกควบคุมโดยการหดตัวของเซลล์ ซึ่งสามารถออกแรงกระทำต่อจุดสัมผัสระหว่างเซลล์ ทำให้เซลล์สองกลุ่มที่มีระดับโมเลกุลการยึดเกาะชนิดเดียวกันแต่เท่ากันสามารถคัดแยกออกจากกันได้ โมเลกุลที่รับผิดชอบต่อการยึดเกาะเรียกว่าโมเลกุลการยึดเกาะของเซลล์ (CAMs) มีโมเลกุลการยึดเกาะของเซลล์หลายชนิดที่เป็นที่รู้จัก และกลุ่มหลักของโมเลกุลเหล่านี้คือแคดเฮรินมีแคดเฮรินหลายสิบชนิดที่แสดงออกในเซลล์ชนิดต่างๆ แคดเฮรินจะจับกับแคดเฮรินอื่นๆ ในลักษณะที่เหมือนกัน: อี-แคดเฮริน (พบในเซลล์เยื่อบุผิวหลายชนิด) จะจับกับโมเลกุลอี-แคดเฮรินอื่นๆ เป็นหลัก เซลล์มีเซนไคม์มักจะแสดงแคดเฮรินประเภทอื่นๆ เช่น เอ็น-แคดเฮริน^{[ 14 ] [ 15 ]}

เมทริกซ์นอกเซลล์ (ECM) มีส่วนเกี่ยวข้องในการแยกเนื้อเยื่อออกจากกัน ให้การสนับสนุนโครงสร้าง หรือเป็นโครงสร้างให้เซลล์เคลื่อนที่ได้คอลลาเจนลามินินและไฟโบรเนกตินเป็นโมเลกุล ECM หลักที่ถูกหลั่งและประกอบเป็นแผ่น เส้นใย และเจล ตัวรับทรานส์เมมเบรนแบบหลายหน่วยย่อยที่เรียกว่าอินทิกรินใช้ในการจับกับ ECM อินทิกรินจับกับไฟโบรเนกติน ลามินิน หรือส่วนประกอบ ECM อื่นๆ ภายนอกเซลล์ และจับกับโปรตีนที่จับ กับ ไมโครฟิลาเมนต์ α-แอคตินินและทาลินภายใน เซลล์ เพื่อเชื่อมโยงโครงร่างเซลล์กับภายนอก อินทิกรินยังทำหน้าที่เป็นตัวรับเพื่อกระตุ้นการส่งสัญญาณเมื่อจับกับ ECM ตัวอย่างหนึ่งของการสร้างรูปร่างที่เกี่ยวข้องกับ ECM ที่ได้รับการศึกษาอย่างดีคือการแตกแขนงของท่อต่อมน้ำนม^{[ 16 ] [ 17 ]}

เนื้อเยื่อสามารถเปลี่ยนรูปร่างและแยกออกเป็นชั้นต่างๆ ได้อย่างชัดเจนผ่านการหดตัวของเซลล์ เช่นเดียวกับในเซลล์กล้ามเนื้อไมโอซินสามารถหดตัวส่วนต่างๆ ของไซโตพลาซึมเพื่อเปลี่ยนรูปร่างหรือโครงสร้างได้ การหดตัวที่ขับเคลื่อนโดยไมโอซินในการสร้างรูปร่างของเนื้อเยื่อในตัวอ่อนนั้นพบเห็นได้ในระหว่างการแยกชั้นของเนื้อเยื่อต้นกำเนิดในสิ่งมีชีวิตต้นแบบ เช่นCaenorhabditis elegans , Drosophilaและปลาซีบราฟิชมักมีการหดตัวเป็นจังหวะๆ ในการสร้างรูปร่างของตัวอ่อน แบบจำลองที่เรียกว่าตัวแยกสถานะเซลล์เกี่ยวข้องกับการหดตัวและการขยายตัวของเซลล์สลับกัน ซึ่งเริ่มต้นโดยออร์แกเนลล์ที่มีสองสถานะที่ปลายยอดของแต่ละเซลล์ ออร์แกเนลล์นี้ประกอบด้วยไมโครทิวบูลและไมโครฟิลาเมนต์ที่อยู่ในทิศทางตรงกันข้ามทางกล มันตอบสนองต่อการรบกวนทางกลในบริเวณนั้นที่เกิดจากการเคลื่อนไหวในการสร้างรูปร่าง จากนั้นสิ่งเหล่านี้จะกระตุ้นคลื่นการหดตัวหรือการขยายตัวของตัวอ่อนที่เคลื่อนที่ไปทั่วเนื้อเยื่อที่คาดว่าจะเกิดขึ้น ซึ่งจะกำหนดชนิดของเซลล์และตามมาด้วยการแยกเซลล์ ตัวแยกสถานะเซลล์ได้รับการเสนอครั้งแรกเพื่ออธิบาย การสร้างรูปร่าง ของแผ่นประสาทในระหว่างการเกิดแกสตรูเลชันของแอกโซลอทล์^{[ 18 ]}และต่อมาแบบจำลองนี้ได้รับการขยายไปสู่การสร้างรูปร่างทั้งหมด^{[ 19 ] [ 20 ]}

ในการพัฒนาของปอด หลอดลมจะแตกแขนงออกเป็นหลอดลมฝอย ทำให้เกิดเป็นต้นไม้ระบบทางเดินหายใจ [ ^{21 ] การ}แตกแขนงเป็นผลมาจากปลายของหลอดลมฝอยแต่ละอันแยกออกเป็นสองส่วน และกระบวนการสร้างรูปร่างแบบแตกแขนงนี้ทำให้เกิดหลอดลม หลอดลมฝอย และในที่สุดก็กลายเป็นถุงลม^{[ 22 ]}

การสร้างกิ่งก้านสาขายังเห็นได้ชัดเจนในการสร้างท่อของต่อมน้ำนม [ ^{23 ] [ 17 ] การ}สร้างท่อดั้งเดิมเริ่มต้นในระหว่างการพัฒนาแต่การสร้างกิ่งก้านสาขาของระบบท่อเริ่มต้นในภายหลังเพื่อตอบสนองต่อเอสโตรเจนในช่วงวัยรุ่นและได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมตามการพัฒนาของต่อมน้ำนม^{[ 17 ] [ 24 ] [ 25 ]}

มะเร็งอาจเกิดจากการหยุดชะงักของการสร้างรูปร่างตามปกติ ซึ่งรวมถึงการก่อตัวของเนื้องอกและการแพร่กระจายของเนื้องอก^{[ 26 ]} ความผิดปกติ ของไมโตคอนเดรียอาจส่งผลให้ความเสี่ยงต่อมะเร็งเพิ่มขึ้นเนื่องจากการส่งสัญญาณของมอร์โฟเจนที่ผิดปกติ^{[ 26 ]}

ในระหว่างการประกอบ ไวริออนของแบคทีริโอเฟจ (ฟาจ) T4 โปรตีนมอร์โฟเจเนติกที่เข้ารหัสโดยยีน ของฟาจ จะโต้ตอบกันในลำดับลักษณะเฉพาะ การรักษาสมดุลที่เหมาะสมในปริมาณของโปรตีนแต่ละชนิดที่ผลิตขึ้นระหว่างการติดเชื้อไวรัสดูเหมือนจะเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการสร้างรูปร่างของฟาจ T4 ตามปกติ^{[ 27 ]} โปรตีนที่เข้ารหัสโดยฟาจ T4 ที่กำหนดโครงสร้างของไวริออนประกอบด้วยส่วนประกอบโครงสร้างหลัก ส่วนประกอบโครงสร้างรอง และโปรตีนที่ไม่ใช่โครงสร้างที่เร่งปฏิกิริยาขั้นตอนเฉพาะในลำดับการสร้างรูปร่าง^{[ 28 ]} การสร้างรูปร่างของฟาจ T4 แบ่งออกเป็นสามเส้นทางอิสระ ได้แก่ ส่วนหัว ส่วนหาง และเส้นใยหางยาว ดังรายละเอียดที่ Yap และ Rossman ได้อธิบายไว้^{[ 29 ]}

แนวทางการสร้างแบบจำลองการเกิดรูปร่างในวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์หรือคณิตศาสตร์สามารถสืบย้อนไปถึงบทความของAlan Turing ในปี 1952 เรื่อง "พื้นฐานทางเคมีของการเกิดรูปร่าง" ^{[ 30 ]}ซึ่งเป็นแบบจำลองที่ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อ รูป แบบ Turing

แบบจำลองที่มีชื่อเสียงอีกแบบหนึ่งคือแบบจำลองธงชาติฝรั่งเศสซึ่งพัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1960 ^{[ 31 ]}

การพัฒนาประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ในศตวรรษที่ 21 ทำให้สามารถจำลองแบบจำลองการสร้างรูปร่างที่ค่อนข้างซับซ้อนได้ ในปี 2020 มีการเสนอแบบจำลองดังกล่าว โดยที่การเจริญเติบโตและการแยกเซลล์เป็นแบบออโตมาตาเซลลูลาร์ที่มีกฎพารามิเตอร์ เนื่องจากพารามิเตอร์ของกฎสามารถหาอนุพันธ์ได้ จึงสามารถฝึกฝนได้ด้วยการไล่ระดับลงซึ่งเป็นเทคนิคที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเนื่องจากการใช้งานในด้าน การเรียน รู้ของเครื่อง^{[ 32 ]} แบบจำลองนี้ถูกจำกัดไว้เฉพาะการสร้างภาพ ดังนั้นจึงเป็นแบบสองมิติ

ต่อมาได้มีการขยายแบบจำลองที่คล้ายกับที่อธิบายไว้ข้างต้นเพื่อสร้างโครงสร้างสามมิติ และได้มีการสาธิตในวิดีโอเกมMinecraftซึ่งลักษณะที่เป็นบล็อกทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการจำลองออโตมาตอนเซลลูลาร์สามมิติ^{[ 33 ]}

• Bard, JBL (1990). Morphogenesis: The Cellular and Molecular Processes of Developmental Anatomy . Cambridge, England: Cambridge University Press.
• Slack, JMW (2013). ชีววิทยาพัฒนาการที่สำคัญ . อ็อกซ์ฟอร์ด: Wiley-Blackwell.
• Davies, Jamie A. (2023). กลไกของการเกิดรูปร่าง (ฉบับที่ 3). เคมบริดจ์, แมสซาชูเซตส์: Academic Press. ISBN 9780323999656.

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสร้างรูปร่าง (Morphogenesis )

• แบบจำลองสิ่งมีชีวิตเทียมของการสร้างรูปร่างของสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ด้วยการสร้างความลาดชันแบบอัตโนมัติสำหรับข้อมูลตำแหน่ง
• ทฤษฎีการสร้างรูปร่างของทัวริงได้รับการพิสูจน์แล้ว