stringtranslate.com

Зачаток конечности

Зачаток конечности — это структура, которая формируется на ранних стадиях развития конечности позвоночного . В результате взаимодействия эктодермы и лежащей в ее основе мезодермы формирование происходит примерно на четвертой неделе развития. [1] В процессе развития человеческого эмбриона зачаток верхней конечности появляется на третьей неделе, а зачаток нижней конечности — на четыре дня позже. [2]

Зачаток конечности состоит из недифференцированных клеток мезодермы, которые покрыты эктодермой. [3] В результате взаимодействия клеточных сигналов между эктодермой и нижележащими клетками мезодермы, формирование развивающегося зачатка конечности происходит, когда мезенхимальные клетки из латеральной пластинки мезодермы и сомитов начинают пролиферировать до точки, где они создают выпуклость под эктодермальными клетками выше. [4] Мезодермальные клетки в зачатке конечности, которые происходят из латеральной пластинки мезодермы, в конечном итоге дифференцируются в соединительные ткани развивающейся конечности, такие как хрящ , кость и сухожилие . [3] Более того, мезодермальные клетки, которые происходят из сомитов, в конечном итоге дифференцируются в миогенные клетки мышц конечности . [3]

Зачаток конечности остается активным на протяжении большей части развития конечности, поскольку он стимулирует создание и сохранение положительной обратной связи двух сигнальных областей: апикального эктодермального гребня (AER) и зоны поляризующей активности (ZPA) с мезенхимальными клетками. [3] Эти сигнальные центры имеют решающее значение для правильного формирования конечности, которая правильно ориентирована с соответствующей ей осевой полярностью в развивающемся организме. Исследования определили, что сигнальная область AER внутри зачатка конечности определяет формирование проксимально-дистальной оси конечности с использованием сигналов FGF . [5] Сигнализация ZPA устанавливает формирование передне-задней оси конечности с использованием сигналов Shh . [6] Кроме того, хотя она и не известна как специфическая сигнальная область, как AER и ZPA , дорсально-вентральная ось устанавливается в зачатке конечности с помощью конкурентных сигналов Wnt7a и BMP , которые используют дорсальная эктодерма и вентральная эктодерма соответственно. [7] [8] Поскольку все эти сигнальные системы взаимно поддерживают активность друг друга, развитие конечностей по сути является автономным после того, как эти сигнальные области были сформированы. [3]

Позиция и формирование

Гены Hox , которые определяют особенности вдоль передне-задней оси развивающегося организма, определяют, в каких точках вдоль оси сформируются зачатки конечностей. [9] Хотя конечности появляются в разных местах у разных видов, их положение всегда коррелирует с уровнем экспрессии генов Hox вдоль передне-задней оси. [9] Все зачатки конечностей также должны полагаться на другие сигнальные факторы, чтобы получить свою идентичность передних или задних конечностей; экспрессия генов Hox влияет на экспрессию белков T-box , которые, в свою очередь, определяют идентичность конечностей для определенных организмов. [3]

В свою очередь, активация белка T-box активирует сигнальные каскады, которые включают сигнальный путь Wnt и сигналы FGF . [3] Перед началом развития конечности белки T-box инициируют экспрессию FGF10 в пролиферирующих мезенхимальных клетках латеральной пластинки мезодермы, которые формируют мезодерму зачатка конечности. [3] WNT2B и WNT8C стабилизируют эту экспрессию FGF10 в передней и задней конечности соответственно. [10] [11] Эта экспрессия FGF10 стимулирует экспрессию WNT3 в вышеуказанных эктодермальных клетках, что приводит к формированию апикального эктодермального гребня, а также индуцирует экспрессию FGF8 . [12] FGF8 , секретируемый AER, действует, чтобы поддерживать клетки мезенхимы конечности в митотически активном состоянии и поддерживать их продукцию FGF10 . [12] Положительная обратная связь между мезенхимальными клетками конечности и AER поддерживает непрерывный рост и развитие всей конечности. [13]

В дополнение к росту конечности, формирование важнейшего сигнального центра, зоны поляризующей активности (ЗПА), в небольшой задней части зачатка конечности помогает установить передне-заднюю полярность в конечности посредством секреции белка Sonic hedgehog (Shh). [3] ЗПА также играет важную роль в первоначальной спецификации идентичности пальцев, а затем в поддержании правильной морфологии AER и постоянной секреции FGF8 – для обеспечения правильной митотической активности мезенхимы зачатка конечности под ним. [3]

У кур Tbx4 определяет статус задних конечностей, тогда как Tbx5 определяет статус передних конечностей. [13] Однако у мышей как задние, так и передние конечности могут развиваться при наличии либо Tbx4 , либо Tbx5 . [14] Фактически, именно гены Pitx1 и Pitx2 , по-видимому, необходимы для спецификации развивающихся задних конечностей, тогда как их отсутствие приводит к развитию передних конечностей. [15] Tbx4 и Tbx5, по-видимому, важны именно для роста конечностей у мышей. [14]

Связь между экспрессией гена hox и паттерном конечностей

В зачатке конечности экспрессия определенных генов Hox варьируется в зависимости от положения вдоль передне-задней оси. Гены Hox связаны в четыре хромосомных кластера: Hoxa, Hoxb, Hoxc и Hoxd. [9] Их физическое положение на хромосоме коррелирует со временем и местом экспрессии. Это утверждение подтверждается знанием того, что экспрессия генов Hox инициируется во время гаструляции в примитивной сомитной мезодерме сигнализацией FGF, которая влияет на примитивные клетки сомитной мезодермы в разное время в зависимости от их осевого расположения во время развития организма — и еще больше уточняется другими сигналами передне-задней оси (такими как ретиноевая кислота ). [3] Дополнительные доказательства роли, которую гены Hox играют в развитии конечностей, были найдены, когда исследователи повлияли на экспрессию генов Hox у рыбок данио-рерио , добавив ретиноевую кислоту во время гаструляции ; этот эксперимент привел к удвоению конечностей. [16] Хотя избыток ретиноевой кислоты может изменять структуру конечностей путем эктопической активации экспрессии Shh, генетические исследования на мышах, которые устраняют синтез ретиноевой кислоты, показали, что RA не требуется для структуры конечностей. [17]

Развитие цыплят является прекрасным примером этой специфичности экспрессии генов Hox в отношении развития конечностей. Большинство 3'-генов Hoxc ( HOXC4 , HOXC5 ) экспрессируются только в передних конечностях у цыплят, тогда как больше 5'-генов ( HOXC9 , HOXC10 , HOXC11 ) экспрессируются только в задних конечностях. [9] Промежуточные гены ( HOXC6 , HOXC8 ) экспрессируются как в верхних, так и в нижних конечностях у цыплят. [9]

Как уже говорилось ранее, развитие конечностей по существу автономно после того, как сигнальные центры (AER) и ZPA были установлены. Однако важно знать, что гены Hox продолжают участвовать в динамической регуляции развития конечностей даже после того, как AER и ZPA были установлены в зачатке конечности. Сложная коммуникация возникает, когда секретируемые AER сигналы FGF и секретируемые ZPA сигналы Shh инициируют и регулируют экспрессию генов Hox в развивающейся зачатке конечности. [18] Хотя многие из более тонких деталей еще предстоит решить, было обнаружено несколько существенных связей между экспрессией генов Hox и влиянием на развитие конечностей.

Паттерн экспрессии гена Hox можно разделить на три фазы на протяжении развития зачатка конечности, что соответствует трем ключевым границам в проксимально-дистальном развитии конечности . Переход от первой фазы ко второй фазе отмечен введением сигналов Shh из ZPA . [19] Переход в третью фазу затем отмечен изменениями в том, как мезенхимальные клетки зачатка конечности реагируют на сигналы Shh . [19] Это означает, что хотя сигнализация Shh необходима, ее эффекты со временем меняются, поскольку мезодерма готовится реагировать на нее по-разному. [19] Эти три фазы регуляции раскрывают механизм, с помощью которого естественный отбор может независимо модифицировать каждый из трех сегментов конечности – стилопод , зевгопод и аутопод . [19]

Соответствующие эксперименты

FGF10 может индуцировать формирование конечностей, но белки T-box, Pitx1 и гены Hox определяют идентичность [1]

Путем имитации начальных выделений FGF10 латеральных пластинчатых мезодермальных клеток можно инициировать развитие конечности . Другие сигнальные молекулы участвуют в определении идентичности конечности.

  1. Размещение бусинок, содержащих FGF10, под эктодермальными клетками цыпленка приводит к формированию зачатка конечности, AER, ZPA и, впоследствии, целой конечности. Когда бусины создавали зачатки конечности в направлении передней области, формирование передних конечностей совпадало с экспрессией Tbx5 , тогда как формирование задних конечностей совпадало с экспрессией Tbx4 . Когда бусины были помещены в середину ткани бока, передняя часть выражала Tbx5 и признаки передних конечностей, тогда как задняя часть конечности выражала признаки Tbx4 и признаки задних конечностей.
  2. Когда куриные эмбрионы были сконструированы для конститутивной экспрессии Tbx4 (через вирусную трансфекцию) по всей их боковой ткани, каждая конечность, которую они выращивали, была ногой, даже те, которые формировались в передней области, которые обычно становятся крыльями. Это подтверждает роль белков T-box в типе конечности, которая развивается.
  3. Нокаут Tbx4 или Tbx5 предотвращает экспрессию FGF10 в мезодерме боковой пластинки у мышей.
  4. Путь Hox влияет на экспрессию Tbx, которая, в свою очередь, влияет на экспрессию FGF10 . [3]
  5. Когда Pitx1 был неправильно выражен в передних конечностях мыши, несколько генов, связанных с задними конечностями ( Tbx4 , HOXC10 ), были включены, и радикальные изменения мышц, костей и сухожилий сместили фенотип в сторону фенотипа задних конечностей. Это указывает на то, что Pitx1 — через Tbx4 — играет роль в появлении свойств задних конечностей.
Экспрессия HOXD11 коррелирует с секрецией сигналов Shh [20]

HOXD11 экспрессируется сзади, около ZPA, где наблюдаются самые высокие уровни экспрессии сигнала Shh .

  1. При применении ретиноевой кислоты для индукции экспрессии сигнала Shh трансплантируется ZPA или стимулируется эктопическая экспрессия сигнала Shh , за этим следует экспрессия HOXD11.
Кожная иннервация правой верхней конечности.
Мезенхимальные клетки определяют идентичность конечностей, но AER поддерживает рост конечностей посредством секреции сигнала FGF [1]

Эти эксперименты показывают, что мезенхима конечности содержит необходимую информацию об идентичности конечности, но AER необходим для стимуляции мезенхимы к выполнению ее предназначения (стать рукой, ногой и т. д.)

  1. При удалении AER развитие конечности останавливается. Если на место AER добавить FGF -бусину, нормальное развитие конечности продолжается.
  2. При добавлении дополнительного AER образуются две конечности.
  3. Когда мезенхима передних конечностей заменяется мезенхимой задних конечностей, вырастает задняя конечность.
  4. Когда мезенхима передних конечностей заменяется мезенхимой не конечностей, AER регрессирует и развитие конечностей останавливается.
Роль ZPA в установлении полярности и дальнейшем развитии конечностей [21]

ZPA сначала определяет передне - заднюю полярность (и определяет идентичность пальцев), а затем, поддерживая активность AER, обеспечивает необходимую пролиферацию клеток для нормального формирования пятипальцевой конечности.

  1. Когда сигналы Shh, обычно секретируемые из ZPA , подавляются (либо с помощью тамоксифена , либо с помощью Shh -нулевых мутантов), морфология AER, особенно ее передняя часть, нарушается, а ее сигнализация FGF8 снижается. В результате подавления Shh во время расширения зачатков конечностей количество пальцев уменьшается, но идентичность сформированных пальцев не изменяется.

Соответствующие гены и белки

Ассоциированные молекулы включают: [1]

Ссылки

  1. ^ abcd Скотт Ф. Гилберт (2010). Биология развития . Sinauer Associates. ISBN 978-0-87893-564-2.
  2. ^ Ларсен, Уильям Дж. (2001). Эмбриология человека (3-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Churchill Livingstone. стр. 317. ISBN 0-443-06583-7.
  3. ^ abcdefghijkl Tickle C (октябрь 2015 г.). «Как эмбрион создает конечность: определение, полярность и идентичность». J. Anat . 227 (4): 418–30. doi :10.1111/joa.12361. PMC 4580101. PMID 26249743  . 
  4. ^ Gros J, Tabin CJ (март 2014 г.). «Формирование зачатков конечностей позвоночных инициируется локализованным эпителиально-мезенхимальным переходом». Science . 343 (6176): 1253–6. Bibcode :2014Sci...343.1253G. doi :10.1126/science.1248228. PMC 4097009 . PMID  24626928. 
  5. ^ Martin GR (июнь 1998). «Роль FGF в раннем развитии конечностей позвоночных». Genes Dev . 12 (11): 1571–86. doi : 10.1101/gad.12.11.1571 . PMID  9620845.
  6. ^ Riddle RD, Johnson RL, Laufer E, Tabin C (декабрь 1993 г.). «Sonic hedgehog опосредует поляризующую активность ZPA». Cell . 75 (7): 1401–16. doi :10.1016/0092-8674(93)90626-2. PMID  8269518. S2CID  4973500.
  7. ^ Parr BA, McMahon AP (март 1995). «Сигнал дорсализации Wnt-7a, необходимый для нормальной полярности осей DV и AP конечности мыши». Nature . 374 (6520): 350–3. Bibcode :1995Natur.374..350P. doi :10.1038/374350a0. PMID  7885472. S2CID  4254409.
  8. ^ Pizette S, Abate-Shen C, Niswander L (ноябрь 2001 г.). «BMP контролирует проксимодистальный рост посредством индукции апикального эктодермального гребня и дорсовентральное паттернирование в конечностях позвоночных». Development . 128 (22): 4463–74. doi :10.1242/dev.128.22.4463. PMID  11714672.
  9. ^ abcde Iimura T, Pourquié O (май 2007). "Hox-гены во времени и пространстве во время формирования тела позвоночных". Dev. Growth Differ . 49 (4): 265–75. doi :10.1111/j.1440-169X.2007.00928.x. PMID  17501904. S2CID  38557151.
  10. ^ Нг Дж.К., Каваками Ю., Бушер Д., Рая А., Ито Т., Кот СМ, Родригес Эстебан С., Родригес-Леон Дж., Гаррити Д.М., Фишман MC, Изписуа Бельмонте Дж.К. (ноябрь 2002 г.). «Ген идентичности конечностей Tbx5 способствует инициации конечностей путем взаимодействия с Wnt2b и Fgf10». Разработка . 129 (22): 5161–70. дои : 10.1242/dev.129.22.5161. ПМИД  12399308.
  11. ^ Каваками Ю., Капдевила Дж., Бюшер Д., Ито Т., Родригес Эстебан С., Исписуа Бельмонте Х.К. (март 2001 г.). «Сигналы WNT контролируют FGF-зависимое инициирование конечностей и индукцию AER у куриного эмбриона». Клетка . 104 (6): 891–900. дои : 10.1016/s0092-8674(01)00285-9 . PMID  11290326. S2CID  17613595.
  12. ^ ab Ohuchi H, Nakagawa T, Yamamoto A, Araga A, Ohata T, Ishimaru Y, Yoshioka H, ​​Kuwana T, Nohno T, Yamasaki M, Itoh N, Noji S (июнь 1997 г.). «Мезенхимальный фактор FGF10 инициирует и поддерживает рост зачатка конечности цыпленка посредством взаимодействия с FGF8, апикальным эктодермальным фактором». Development . 124 (11): 2235–44. doi :10.1242/dev.124.11.2235. PMID  9187149.
  13. ^ аб Родригес-Эстебан С, Цукуи Т, Йоней С, Магаллон Дж, Тамура К, Исписуа Бельмонте Дж. К. (апрель 1999 г.). «Гены T-box Tbx4 и Tbx5 регулируют рост и идентичность конечностей». Природа . 398 (6730): 814–8. Бибкод : 1999Natur.398..814R. дои : 10.1038/19769. PMID  10235264. S2CID  4330287.
  14. ^ ab Minguillon C, Del Buono J, Logan MP (январь 2005 г.). «Tbx5 и Tbx4 недостаточны для определения специфичных для конечностей морфологий, но имеют общие роли в инициировании роста конечностей». Dev. Cell . 8 (1): 75–84. doi : 10.1016/j.devcel.2004.11.013 . PMID  15621531.
  15. ^ Marcil A, Dumontier E, Chamberland M, Camper SA, Drouin J (январь 2003 г.). «Pitx1 и Pitx2 необходимы для развития зачатков задних конечностей». Development . 130 (1): 45–55. doi :10.1242/dev.00192. PMID  12441290.
  16. ^ Grandel H, Brand M (май 2011). «Развитие конечностей данио-рерио запускается сигналом ретиноевой кислоты во время гаструляции». Dev. Dyn . 240 (5): 1116–26. doi : 10.1002/dvdy.22461 . PMID  21509893. S2CID  12858721.
  17. ^ Каннингем, Т.Дж.; Дьюстер, Г. (2015). «Механизмы сигнализации ретиноевой кислоты и ее роль в развитии органов и конечностей». Nat. Rev. Mol. Cell Biol . 16 (2): 110–123. doi :10.1038/nrm3932. PMC 4636111. PMID 25560970  . 
  18. ^ Sheth R, Grégoire D, Dumouchel A, Scotti M, Pham JM, Nemec S, Bastida MF, Ros MA, Kmita M (май 2013 г.). «Разделение функции Hox и Shh в развитии конечности выявляет множественные входы генов Hox в рост конечности». Development . 140 (10): 2130–8. doi : 10.1242/dev.089409 . PMID  23633510.
  19. ^ abcd Nelson CE, Morgan BA, Burke AC, Laufer E, DiMambro E, Murtaugh LC, Gonzales E, Tessarollo L, Parada LF, Tabin C (май 1996). "Анализ экспрессии гена Hox в зачатке конечности цыпленка". Development . 122 (5): 1449–66. doi :10.1242/dev.122.5.1449. PMID  8625833.
  20. ^ аб Родригес А.Р., Якусиджи-Каминацуи Н., Ацута Ю., Андрей Г., Шордере П., Дюбул Д., Табин С.Дж. (март 2017 г.). «Интеграция передачи сигналов Shh и Fgf в контроле экспрессии гена Hox в культивируемых клетках конечностей». Учеб. Натл. акад. наук. США . 114 (12): 3139–3144. дои : 10.1073/pnas.1620767114 . ПМЦ 5373353 . ПМИД  28270602. 
  21. ^ Zhu J, Nakamura E, Nguyen MT, Bao X, Akiyama H, Mackem S (апрель 2008 г.). «Разъединение контроля Sonic hedgehog над паттерном и расширением развивающейся почки конечности». Dev. Cell . 14 (4): 624–32. doi : 10.1016/j.devcel.2008.01.008 . PMC 8284562. PMID  18410737 . 
  22. ^ Логан, Малкольм; Табин, Клиффорд Дж. (1999-03-12). «Роль Pitx1 выше Tbx4 в спецификации идентичности задних конечностей». Science . 283 (5408): 1736–1739. doi :10.1126/science.283.5408.1736. ISSN  0036-8075.