Сомитогенез
| Сомитогенез | |
|---|---|
 Дорсум человеческого эмбриона, длина 2,11 мм. (Старый термин «примитивные сегменты» используется для обозначения сомитов, образующихся в ходе сомитогенеза) | |
| Подробности | |
| Предшественник | параксиальная мезодерма |
| Дает начало | дерматом , миотом , синдетом, склеротом |
| Анатомическая терминология | |
Сомитогенез – это процесс образования сомитов . Сомиты представляют собой двусторонне парные блоки параксиальной мезодермы , которые формируются вдоль передне-задней оси развивающегося эмбриона у сегментированных животных . У позвоночных сомиты дают начало скелетным мышцам, хрящам , сухожилиям , эндотелию и дерме .
Обзор
[ редактировать ]В сомитогенезе сомиты формируются из параксиальной мезодермы , особого участка мезодермы нейрулирующего эмбриона. Эта ткань подвергается конвергентному растяжению по мере регрессии примитивной полоски эмбриона или по мере гаструляции . Хорда ; простирается от основания головы до хвоста от него отходят толстые тяжи параксиальной мезодермы. [1]
Поскольку примитивная полоска продолжает регрессировать, сомиты формируются из параксиальной мезодермы путем «отпочкования» рострально в виде сомитомеров или мутовок клеток параксиальной мезодермы, которые компактируются и разделяются на отдельные тела. Периодическая природа этих событий расщепления привела многих к утверждению, что сомитогенез происходит посредством модели часового фронта, в которой волны сигналов развития вызывают периодическое образование новых сомитов.
Эти незрелые сомиты затем уплотняются, образуя внешний слой (эпителий) и внутреннюю массу ( мезенхиму ).
Сами сомиты уточняются по их расположению, как сегментарная параксиальная мезодерма, из которой они образуют ее, определяемая положением вдоль передне-задней оси до сомитогенеза.
Клетки внутри каждого сомита определяются в зависимости от их местоположения внутри сомита. Кроме того, они сохраняют способность превращаться в любые структуры, происходящие из сомитов, до относительно позднего периода сомитогенеза. [2]
Сигнализация
[ редактировать ]Периодичность
[ редактировать ]Как только клетки пресомитной мезодермы оказываются на месте после миграции клеток во время гаструляции, в этих клетках начинается колебательная экспрессия многих генов, как если бы она регулирулась «часами» развития. Как упоминалось ранее, это привело многих к выводу, что сомитогенез координируется механизмом «часов и волн» .
С технической точки зрения это означает, что сомитогенез происходит в основном за счет клеточно-автономных колебаний сети генов и генных продуктов, которые заставляют клетки колебаться между разрешающим и неразрешительным состояниями постоянно, как часы. . Эти гены включают членов семейства FGF , путей Wnt и Notch , а также мишеней этих путей. Волновой фронт медленно продвигается в заднепереднем направлении. Когда волновой фронт передачи сигналов вступает в контакт с клетками в пермиссивном состоянии, они подвергаются эпителиально-мезенхимальному переходу и отщипываются от более задней пресомитной мезодермы, образуя границу сомита и перезапуская процесс для следующего сомита. [3]
В частности, циклическая активация пути Notch, по-видимому, имеет большое значение в модели волнового фронта. Было высказано предположение, что активация Notch циклически активирует каскад генов, необходимых для отделения сомитов от основного параксиального тела. У разных видов это контролируется разными способами, например, с помощью простой петли отрицательной обратной связи у рыбок данио или с помощью сложного процесса, в котором часы FGF и Wnt влияют на часы Notch, как у кур и мышей. [4] [5] Однако модель часов сегментации очень консервативна с эволюционной точки зрения. [6]
Внутренняя экспрессия «часовых генов» должна колебаться с периодичностью, равной времени, необходимому для формирования одного сомита, например 30 минут у рыбок данио, 90 минут у птенцов и 100 минут у змей. [7]
Генная осцилляция в пресомитных клетках в значительной степени, но не полностью, клеточно-автономна. Когда передача сигналов Notch нарушается у рыбок данио, соседние клетки больше не колеблются синхронно, указывая тем самым, что передача сигналов Notch важна для поддержания синхронности соседних популяций клеток. [8] Кроме того, некоторая клеточная взаимозависимость была показана в исследованиях белка Sonic hedgehog (Shh) в сомитогенезе. Хотя не сообщалось, что экспрессия белков пути Shh колеблется в пресомитной мезодерме, они экспрессируются внутри пресомитной мезодермы во время сомитогенеза. Когда хорда удаляется во время сомитогенеза у куриного эмбриона, формируется необходимое количество сомитов, но часы сегментации задерживаются для задних двух третей сомитов. Передние сомиты не поражаются. В одном исследовании этот фенотип был имитирован ингибиторами Shh, а своевременное образование сомитов было предотвращено экзогенным белком Shh, показывая, что недостающий сигнал, продуцируемый хордой, опосредован Shh. [9]
Передача сигналов при разделении и эпителизации сомитов
[ редактировать ]Физическое разделение сомитов зависит от оттягивания клеток друг от друга и образования границ и новых спаек между разными клетками. Исследования указывают на важность путей с участием рецептора Eph и белков семейства эфринов , которые координируют формирование границ, в этом процессе. Кроме того, фибронектин и кадгерин помогают соответствующим клеткам локализоваться друг с другом. [10] [11]
Спецификация и дифференциация
[ редактировать ]Что касается параксиальной мезодермы, из которой формируются сомиты, эксперименты по картированию судеб на стадии бластулы показывают пресомитные предшественники мезодермы в месте гаструляции, называемом примитивной полоской у некоторых организмов, в регионах, фланкирующих организатора. Эксперименты по трансплантации показывают, что только на стадии поздней гаструлы эти клетки принимают параксиальную судьбу, а это означает, что определение судьбы жестко контролируется локальными сигналами и не предопределено. Например, воздействие на пресомитную мезодерму костных морфогенетических белков (BMPs) вентрализует ткань, однако in vivo антагонисты BMP, секретируемые организатором (такие как Noggin и chordin), предотвращают это и, таким образом, способствуют образованию дорсальных структур. [12]
Прекращение сомитогенеза
[ редактировать ]В настоящее время неизвестно, по какому конкретному механизму прекращается сомитогенез. Одним из предполагаемых механизмов является массивная гибель клеток в самых задних клетках параксиальной мезодермы, что предотвращает образование сомитов в этой области. [13] [14] Другие предположили, что ингибирование передачи сигналов BMP с помощью Noggin , гена-мишени Wnt, подавляет эпителиально-мезенхимальный переход, необходимый для отделения сомитов от полос пресомитной мезодермы и, таким образом, прекращает сомитогенез. [15] Хотя эндогенная ретиноевая кислота необходима высшим позвоночным для ограничения каудального домена Fgf8, необходимого для сомитогенеза в туловище (но не в хвосте), некоторые исследования также указывают на возможную роль ретиноевой кислоты в прекращении сомитогенеза у позвоночных, у которых нет хвоста (человека). или иметь короткий хвост (цыпленок). [16] Другие исследования предполагают, что терминация может быть связана с дисбалансом между скоростью образования сомитов и ростом пресомитной мезодермы, распространяющейся в эту хвостовую область. [17]
Сомитогенез у разных видов
[ редактировать ]У разных видов разное количество сомитов. Например, у лягушек их около 10, у людей — 37, у птенцов — 50, у мышей — 65, а у змей — более 300, вплоть до примерно 500.
На количество сомитов не влияют изменения размера эмбриона в результате экспериментальной процедуры. Поскольку все развивающиеся эмбрионы определенного вида образуют одинаковое количество сомитов, количество присутствующих сомитов обычно используется в качестве ориентира для возраста развивающихся позвоночных. [18] [19]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гилберт, Сан-Франциско (2010). Биология развития (9-е изд.). Sinauer Associates, Inc., стр. 413–415. ISBN 978-0-87893-384-6 .
- ^ Гилберт, Сан-Франциско (2010). Биология развития (9-е изд.). Sinauer Associates, Inc., стр. 413–415. ISBN 978-0-87893-384-6 .
- ^ Бейкер, RE ; Шнелл, С.; Майни, ПК (2006). «Часы и механизм волнового фронта для формирования сомитов» . Биология развития . 293 (1): 116–126. дои : 10.1016/j.ydbio.2006.01.018 . ПМИД 16546158 .
- ^ Гольдбетер, А.; Пурке, О. (2008). «Моделирование часов сегментации как сети связанных колебаний в сигнальных путях Notch, Wnt и FGF». Журнал теоретической биологии . 252 (3): 574–585. Бибкод : 2008JThBi.252..574G . дои : 10.1016/j.jtbi.2008.01.006 . ПМИД 18308339 .
- ^ Гилберт, Сан-Франциско (2010). Биология развития (9-е изд.). Sinauer Associates, Inc., стр. 413–415. ISBN 978-0-87893-384-6 .
- ^ Крол, Эй Джей; Руллиг, Д.; Декеант, М.-Л.; Тасси, О.; Глинн, Э.; Хаттем, Г.; Мушегян А.; Оутс, AC; Пурке, О. (2011). «Эволюционная пластичность тактовых сетей сегментации» . Разработка . 138 (13): 2783–2792. дои : 10.1242/dev.063834 . ПМК 3109603 . ПМИД 21652651 .
- ^ Гомес, К; и др. (2008). «Контроль количества сегментов у эмбрионов позвоночных». Природа . 454 (7202): 335–339. Бибкод : 2008Natur.454..335G . дои : 10.1038/nature07020 . ПМИД 18563087 . S2CID 4373389 .
- ^ Цзян, Ю и др. 2000 (2000). «Передача сигналов Notch и синхронизация часов сегментации сомитов». Природа . 408 (6811): 475–479. Бибкод : 2000Natur.408..475J . дои : 10.1038/35044091 . ПМИД 11100729 . S2CID 1182831 .
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Ресенде, ТП; и др. (2010). «Звуковой ёж во временном контроле образования сомитов» . Proc Natl Acad Sci США . 107 (29): 12907–12912. Бибкод : 2010PNAS..10712907R . дои : 10.1073/pnas.1000979107 . ПМК 2919945 . ПМИД 20615943 .
- ^ Пурке, О. (2001). «Позвоночныесомитогенез». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 17 : 311–350. дои : 10.1146/annurev.cellbio.17.1.311 . ПМИД 11687492 .
- ^ Гилберт, Сан-Франциско (2010). Биология развития (9-е изд.). Sinauer Associates, Inc., стр. 413–415. ISBN 978-0-87893-384-6 .
- ^ Пуркье, О. (2001). «Сомитогенез позвоночных». Анну. Преподобный Cell Dev. Биол . 17 : 311–50. дои : 10.1146/annurev.cellbio.17.1.311 . ПМИД 11687492 .
- ^ Сандерс, Э.Дж.; Харе, МК; Оой, ВК; Беллерс, Р. (1986). «Экспериментальный и морфологический анализ мезенхимы хвостовой почки куриного эмбриона». Анатомия и эмбриология . 174 (2): 179–185. дои : 10.1007/bf00824333 . ПМИД 3740453 . S2CID 26289320 .
- ^ Миллс, CL; Беллерс, Р. (1989). «Митоз и гибель клеток хвоста куриного эмбриона». Анатомия и эмбриология . 180 (3): 301–308. дои : 10.1007/bf00315888 . ПМИД 2596707 . S2CID 1318372 .
- ^ Охта, С.; Сузуки, К.; Татибана, К.; Танака, Х.; Ямада, Г. (2007). «Прекращение гаструляции опосредуется подавлением эпителиально-мезенхимального перехода на вентральном эктодермальном гребне» . Разработка . 134 (24): 4315–4324. дои : 10.1242/dev.008151 . hdl : 2298/10388 . ПМИД 18003744 .
- ^ Каннингем, Ти Джей; Дустер, Г. (2015). «Механизмы передачи сигналов ретиноевой кислоты и ее роль в развитии органов и конечностей» . Нат. Преподобный мол. Клеточная Биол . 16 (2): 110–123. дои : 10.1038/nrm3932 . ПМК 4636111 . ПМИД 25560970 .
- ^ Тенин Г.; Райт, Д.; Ферженцик З.; Кость, Р.; МакГрю, MJ; Марото, М. (2010). «Осциллятор сомитогенеза цыпленка останавливается до того, как вся параксиальная мезодерма сегментируется на сомиты» . Биология развития BMC . 10:24 . дои : 10.1186/1471-213X-10-24 . ПМЦ 2836991 . ПМИД 20184730 .
- ^ Гомес, К; и др. (2008). «Контроль количества сегментов у эмбрионов позвоночных». Природа . 454 (7202): 335–339. Бибкод : 2008Natur.454..335G . дои : 10.1038/nature07020 . ПМИД 18563087 . S2CID 4373389 .
- ^ Гилберт, Сан-Франциско (2010). Биология развития (9-е изд.). Sinauer Associates, Inc., стр. 413–415. ISBN 978-0-87893-384-6 .