Развитие конечностей - Limb development
| Развитие конечностей | |
|---|---|
 Иллюстрация человеческого эмбриона на сроке шести недель беременности
| |
 9-недельный плод человека от внематочной беременности
| |
| Анатомическая терминология |
Развитие конечностей у позвоночных - это область активных исследований как в биологии развития, так и в эволюционной биологии , при этом большая часть последних работ была сосредоточена на переходе от плавника к конечности .
Формирование конечностей начинается в морфогенетическом поле конечностей , поскольку мезенхимные клетки из латеральной пластинки мезодермы пролиферируют до такой степени, что они вызывают выпячивание вышележащей эктодермы , формируя зачаток конечности . Фактор роста фибробластов (FGF) индуцирует образование организатора на конце зачатка конечности, называемого апикальным эктодермальным гребнем (AER), который направляет дальнейшее развитие и контролирует гибель клеток . Запрограммированная гибель клеток необходима для устранения перепонок между цифрами .
Поле конечности - это область, определяемая экспрессией определенных Hox-генов , подмножества гомеотических генов и факторов транскрипции T-box - Tbx5 для развития передних конечностей или крыльев и Tbx4 для развития ног или задних конечностей. Создание поля передних конечностей (но не поля задних конечностей) требует передачи сигналов ретиноевой кислоты в развивающемся стволе эмбриона, из которого появляются зачатки конечностей. Кроме того, хотя избыток ретиноевой кислоты может изменять формирование паттерна конечностей путем эктопической активации экспрессии Shh или Meis1 / Meis2, генетические исследования на мышах, которые устраняют синтез ретиноевой кислоты, показали, что RA не требуется для формирования паттерна конечностей.
Почка конечности остается активной на протяжении большей части развития конечностей , как это стимулирует создание и положительная обратную связь удержание двух областей сигнализации: АРЕ и его последующее создание зоны поляризационной активности (ЗП) с мезенхимальными клетками . В дополнение к дорсально-вентральной оси, создаваемой эктодермальной экспрессией конкурентных сигналов Wnt7a и BMP соответственно, эти центры передачи сигналов AER и ZPA имеют решающее значение для правильного формирования конечности, которая правильно ориентирована с соответствующей ей осевой полярностью в развивающемся организме. Поскольку эти сигнальные системы реципрокно поддерживают активность друг друга, развитие конечностей по существу автономно после того, как эти сигнальные области были установлены.
Формирование конечностей
Зачаток конечностей
Формирование конечностей начинается в морфогенетическом поле конечностей . Результаты формирования Лимба из серии взаимодействий взаимных ткани между мезенхимой от боковой пластинки мезодермы и вышележащего ectodermally полученных эпителиальных клетками. Клетки из латеральной пластинки мезодермы и миотома мигрируют в область конечностей и размножаются до такой степени, что вызывают выпячивание вышележащей эктодермы , образуя зачаток конечности . Клетки боковой пластинки производят хрящевую и скелетную части конечности, а клетки миотома производят мышечные компоненты.
Боковые пластины мезодермальные клетки секретируют факторы роста фибробластов ( FGF7 и FGF10 ) , чтобы побудить вышележащих эктодермы , чтобы сформировать организатор в конце почки конечности, называется апикальной эктодермы гребень (AER), который направляет дальнейшее развитие и контролирует гибель клеток . АЕР секретирует дополнительные факторы роста FGF8 и FGF4 , которые поддерживают Fgf10 сигнал и индуцируют пролиферацию в мезодермах. Положение экспрессии FGF10 регулируется двумя сигнальными путями Wnt : Wnt8c в задней конечности и Wnt2b в передней конечности. Передняя и задняя конечности определяются своим положением вдоль передней / задней оси и, возможно, двумя факторами транскрипции : Tbx5 и Tbx4 , соответственно.
Предхрящевые уплотнения
Скелетные элементы конечности представлены плотными агрегатами, известными как клеточные конденсации мезенхимальных клеток, предшествующих хрящу. Конденсация мезенхимы опосредуется внеклеточным матриксом и молекулами клеточной адгезии . В процессе хондрогенеза , хондроциты дифференцируются от сгустков с образованием хряща , что приводит к скелетным зачаткам . В развитии большинства конечностей позвоночных (но не у некоторых земноводных) хрящевой скелет заменяется костью на более позднем этапе развития.
Периодичность рисунка конечностей
Конечность состоит из трех частей: стилопода, зевгопода и аутопода (в порядке от проксимального к дистальному ). Zeugopod и autopod содержат ряд периодических и квазипериодических узор мотивов . Зевгопод состоит из двух параллельных элементов по переднезадней оси, а аутопод содержит 3-5 (в большинстве случаев) элементов по одной и той же оси. Цифры также имеют квазипериодическое расположение вдоль проксимодистальной оси, состоящее из тандемных цепочек скелетных элементов. Генерация основного плана конечностей во время развития является результатом формирования паттерна мезенхимы за счет взаимодействия факторов, которые способствуют предхрящевой конденсации, и факторов, которые ее ингибируют.
Разработка базового плана конечностей сопровождается возникновением локальных различий между элементами. Например, лучевая и локтевая части передней конечности, а также большеберцовая и малоберцовая кость задней конечности зевгопода отличаются друг от друга, как и разные пальцы рук и ног на автоподе. Эти различия можно рассматривать схематично, рассматривая, как они отражаются в каждой из трех основных осей конечности.
По общему мнению, формирование паттерна скелета конечностей включает один или несколько механизмов реакции-диффузии типа Тьюринга .
Эволюция и развитие
Эволюция конечностей из парных плавников была областью большого внимания. Обратное изучение уменьшения конечностей и потери конечностей при развитии змеи - еще одна активная область исследований. Было показано, что в геноме змеи сохраняются консервативные последовательности, участвующие в развитии конечностей. Считается, что эти последовательности энхансеров конечностей являются консервативными, поскольку существует перекрытие между последовательностями для развития конечностей и последовательностями для развития фаллоса (рассматриваемых как третий тип придатков). Этот аспект также был изучен на мышах, где видно, что обычные сигнальные компоненты развития конечностей играют роли как в развитии конечностей, так и генитального бугорка . Изучение уменьшения и потери конечностей раскрывает генетические пути, которые контролируют развитие конечностей.
Система Тьюринга позволила получить ряд возможных результатов на эволюционных этапах построения паттернов сетей.
Развивающаяся конечность должна выровняться относительно трех осей симметрии. Это краниокаудальная (голова к хвосту), дорсовентральная (задняя-передняя) и проксодистальная (ближняя и дальняя) оси.
На многие исследования развития паттерна скелета конечностей повлияла концепция позиционной информации, предложенная Льюисом Вольпертом в 1971 году. В соответствии с этой идеей, были предприняты усилия по идентификации диффузионных сигнальных молекул ( морфогенов ), которые пересекают ортогональные оси развивающихся конечностей. и определять местоположение и идентичность скелетных элементов в зависимости от концентрации.
Проксимодистальный паттерн
Гомеотические гены способствуют спецификации stylopod , zeugopod и autopod . Мутации в генах Hox приводят к проксимодистальным потерям или аномалиям. Для объяснения паттерна этих регионов были предложены три разные модели.
Модель зоны прогресса
Апикальная эктодерма гребень (AER) создает и поддерживает зону пролиферации клеток , известную как зона прогресса . Считается, что здесь клетки получают позиционную информацию, необходимую им для перехода к назначенному положению. Было предложено, чтобы их позиционная ценность определялась продолжительностью времени, в течение которого клетки находились в зоне развития, но это еще предстоит доказать (по состоянию на 2001 год). Проксимальные структуры предлагалось формировать первыми покинувшими зону клетками, а дистальные - клетками, покинувшими ее позже.
Модель зоны прогресса была предложена 30 лет назад, но недавние данные противоречили этой модели.
Экспериментальные доказательства:
- Удаление AER на более позднем этапе развития приводит к меньшему разрушению дистальных структур, чем если бы AER был удален на ранней стадии развития.
- Прививка кончика зачатка ранней конечности к позднему крылу приводит к дублированию структур, в то время как прививка кончика зачатка позднего крыла на раннюю конечность приводит к удалению структур.
Модель раннего выделения и расширения предшественников (или модель предварительной спецификации)
Клетки указаны для каждого сегмента в ранней зачатке конечности, и эта популяция клеток расширяется по мере роста зачатка конечности. Эта модель согласуется со следующими наблюдениями. Деление клеток наблюдается по всему зачатку конечности. Гибель клеток происходит в зоне 200 мкм ниже AER, когда он удаляется; гибель клеток исключает формирование некоторого паттерна. Гранулы, высвобождающие FGF, способны спасти развитие конечностей, когда AER удаляется, предотвращая гибель клеток.
Экспериментальные доказательства:
- Меченые клетки в разных положениях раннего зачатка конечности были ограничены отдельными сегментами конечности.
- Конечности, лишенные экспрессии необходимых FGF4 и FGF8, показали все структуры конечности, а не только проксимальные части.
Однако в последнее время исследователи, в первую очередь отвечающие за модели «Зона прогресса» и «Предварительная спецификация», признали, что ни одна из этих моделей не учитывает имеющиеся экспериментальные данные.
Реакционно-диффузионная модель типа Тьюринга
Эта модель, модель реакции-диффузии, впервые предложенная в 1979 году, основана на самоорганизующихся свойствах возбудимых сред, описанных Аланом Тьюрингом в 1952 году. Возбудимой средой является мезенхима зачатка конечности, в которой клетки взаимодействуют с помощью положительно ауторегуляторных морфогенов, таких как трансформирующий фактор роста бета (TGF-β) и ингибирующие пути передачи сигналов с участием фактора роста фибробластов (FGF) и передачи сигналов Notch . Проксимодистальная и краниокаудальная оси не рассматриваются как определяемые независимо, но вместо этого возникают за счет переходов в количестве параллельных элементов, когда недифференцированная апикальная зона растущего зачатка конечности претерпевает изменение формы. Эта модель определяет только шаблон "голых костей". Вместо этого предполагается, что другие факторы, такие как sonic hedgehog (Shh) и Hox белки, первичные информационные молекулы в других моделях, играют роль тонкой настройки.
Экспериментальные доказательства:
- Мезенхимные клетки конечностей при диссоциации и выращивании в культуре или повторном введении в эктодермальные «оболочки» могут повторять важные аспекты формирования паттерна , морфогенеза и дифференцировки .
- Особенности скелета конечностей у мутанта Doublefoot мыши являются предсказуемыми результатами механизма типа Тьюринга.
- Прогрессивное сокращение дистальных Hox-генов на фоне Gli3- null приводит к прогрессивно более тяжелой полидактилии с отображением более тонких и плотно упакованных цифр, предполагая (с помощью компьютерного моделирования), что доза дистальных Hox-генов модулирует период или длину волны указанных цифр. по механизму типа Тьюринга.
Краниокаудальный паттерн
Открытие в 1957 году зоны поляризующей активности (ZPA) в зачатке конечности предоставило модель для понимания активности формирования паттерна под действием морфогенного градиента sonic hedgehog (Shh). Shh признан энхансером, специфичным для конечностей. Shh является достаточным и необходимым для создания ZPA и определения краниокаудального паттерна в дистальной части конечности (Shh не является обязательным для полярности стилопода). Shh включается сзади через раннюю экспрессию генов Hoxd, экспрессию Hoxb8 и экспрессию dHAND. Shh поддерживается в задней части через петлю обратной связи между ZPA и AER. Shh побуждает AER продуцировать FGF4 и FGF8, которые поддерживают экспрессию Shh.
Цифры 3,4 и 5 указаны временным градиентом Shh. Цифра 2 обозначается с помощью распространяющейся на большие расстояния формы Shh, а цифра 1 не требует Shh. Shh расщепляет комплекс репрессора транскрипции Ci / Gli3, чтобы преобразовать фактор транскрипции Gli3 в активатор, который активирует транскрипцию генов HoxD вдоль краниокаудальной области. Потеря репрессора Gli3 приводит к образованию общих (неиндивидуализированных) пальцев в дополнительных количествах.
Формирование дорсовентрального паттерна
Формирование дорсовентрального паттерна обеспечивается сигналами Wnt7a в вышележащей эктодерме, а не в мезодерме. Wnt7a необходим и достаточен для дорсализации конечности. Wnt7a также влияет на краниокаудальный отдел, а потеря Wnt7a приводит к тому, что дорсальная сторона конечностей становится вентральной стороной и приводит к отсутствию задних пальцев. Замена сигналов Wnt7a устраняет этот дефект. Wnt7a также необходим для поддержания экспрессии Shh.
Wnt-7a также вызывает экспрессию Lmx-1, гена Lim Homebox (и, следовательно, фактора транскрипции ). Lmx-1 участвует в дорсализации конечности, что было показано путем нокаута у мышей гена Lmx-1. У мышей, лишенных Lmx-1, образовывалась вентральная кожа на обеих сторонах лап. Есть и другие факторы, которые, как считается, контролируют формирование DV-паттерна; Engrailed-1 подавляет дорсализирующий эффект Wnt-7a на вентральной стороне конечностей.