Зачаток конечности
Зачаток конечности | |
---|---|
Подробности | |
Предшественник | латеральная пластинка мезодермы |
Идентификаторы | |
латинский | драгоценности конечностей |
МеШ | D018878 |
ТО | bud_by_E5.0.3.0.0.0.5 E5.0.3.0.0.0.5 |
Анатомическая терминология |
Зачаток конечностей представляет собой структуру, формирующуюся на ранних стадиях позвоночных развития конечностей . В результате взаимодействия между эктодермой и подлежащей мезодермой формирование происходит примерно на четвертой неделе развития. [1] При развитии человеческого эмбриона зачаток верхних конечностей появляется на третьей неделе, а зачаток нижних конечностей — на четыре дня позже. [2]
Зачаток конечности состоит из недифференцированных клеток мезодермы, покрытых эктодермой. [3] В результате клеточных сигнальных взаимодействий между эктодермой и нижележащими клетками мезодермы происходит формирование развивающегося зачатка конечности, поскольку мезенхимальные клетки из мезодермы латеральной пластинки и сомиты начинают пролиферировать до такой степени, что они создают выпуклость под расположенными выше эктодермальными клетками. [4] Клетки мезодермы в зачатке конечности, которые происходят из мезодермы латеральной пластинки, в конечном итоге дифференцируются в соединительные ткани развивающейся конечности, такие как хрящи , кости и сухожилия . [3] Более того, клетки мезодермы, происходящие из сомитов , в конечном итоге дифференцируются в миогенные клетки конечностей мышц . [3]
Зачаток конечности остается активным на протяжении большей части развития конечностей, 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 осевой полярностью в развивающемся организме. Исследования показали, что сигнальная область AER внутри зачатка конечности определяет формирование проксимально-дистальной оси конечности с помощью сигналов FGF . [5] Передача сигналов ZPA устанавливает формирование передне-задней оси конечности с использованием сигналов Shh . [6] Кроме того, хотя это и не известно как специфическая сигнальная область, такая 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 существу автономно после того, как эти сигнальные области были установлены. [3]
Позиция и формирование
[ редактировать ]Гены Hox , которые определяют особенности передне-задней оси развивающегося организма, определяют, в каких точках оси будут формироваться зачатки конечностей. [9] Хотя конечности появляются в разных местах у разных видов, их положение всегда коррелирует с уровнем экспрессии гена Hox вдоль передне-задней оси. [9] Все зачатки конечностей также должны полагаться на другие сигнальные факторы, чтобы определить свою идентичность передних или задних конечностей; Hox Экспрессия гена влияет на экспрессию белков Т-бокса , которые, в свою очередь, определяют идентичность конечностей у определенных организмов. [3]
В свою очередь, активация белка Т-box активирует сигнальные каскады, которые включают сигнальный путь Wnt и сигналы FGF . [3] Прежде чем начинается развитие конечностей, белки T-box инициируют экспрессию FGF10 в пролиферирующих мезенхимальных клетках мезодермы латеральной пластинки, которые формируют мезодерму зачатка конечности. [3] WNT2B и WNT8C стабилизируют экспрессию FGF10 в передних и задних конечностях соответственно. [10] [11] Экспрессия FGF10 стимулирует экспрессию WNT3 в вышеуказанных эктодермальных клетках, что приводит к образованию апикального эктодермального гребня, а также к индукции экспрессии FGF8 . [12] FGF8 , секретируемый AER, поддерживает клетки мезенхимы конечностей в митотически активном состоянии и поддерживает выработку ими FGF10 . [12] Петля положительной обратной связи между мезенхимальными клетками конечностей и AER поддерживает непрерывный рост и развитие всей конечности. [13]
Помимо разрастания конечности, образование важнейшего сигнального центра, зоны поляризующей активности (ZPA), в небольшой задней части зачатка конечности помогает установить передне-заднюю полярность в конечности посредством секреции белка Sonic hedgehog ( Тссс). [3] ZPA также играет важную роль в первоначальной спецификации идентичности пальцев, в то же время поддерживая правильную морфологию AER и продолжая секрецию FGF8 - чтобы гарантировать правильную митотическую активность расположенной под ней мезенхимы зачатка конечности. [3]
У кур Tbx4 определяет статус задних конечностей, а Tbx5 — статус передних конечностей. [13] Однако у мышей как задние, так и передние конечности могут развиваться в присутствии 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 формированием паттерна конечностей
[ редактировать ]Внутри зачатка конечности экспрессия специфических Hox-генов варьирует 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 о том, что экспрессия гена Hox инициируется во время гаструляции в примитивной сомитной мезодерме посредством передачи сигналов FGF, которая воздействует на клетки примитивной сомитной мезодермы в разное время в зависимости от их аксиального расположения во время развития организма - и даже дополнительно специфицируется с помощью других передних отделов мезодермы. сигналы задней оси (например, ретиноевая кислота ). [3] Дополнительные доказательства роли, которую гены Hox играют в развитии конечностей, были обнаружены, когда исследователи воздействовали на экспрессию генов Hox у рыбок данио , добавляя ретиноевую кислоту во время гаструляции ; Результатом этого эксперимента стало дублирование конечностей. [16] Хотя избыток ретиноевой кислоты может изменить формирование паттерна конечностей за счет эктопической активации экспрессии Shh, генетические исследования на мышах, которые устраняют синтез ретиноевой кислоты, показали, что RA не требуется для формирования паттерна конечностей. [17]
Развитие кур является прекрасным примером специфичности экспрессии гена Hox в отношении развития конечностей. Наибольшее количество 3'-генов Hoxc ( НОХС4 , НОХС5 ) экспрессируется только в передних конечностях кур, тогда как более 5'-гены ( НОХС9 , НОХС10 , НОХС11 ) экспрессируются только в задних конечностях. [9] Промежуточные гены ( HOXC6 , HOXC8 ) экспрессируются как в верхних, так и в нижних конечностях кур. [9]
сигнальные центры (AER) и ZPA Как утверждалось ранее, развитие конечностей по существу автономно после того, как установлены . Однако важно знать, что Hox-гены продолжают участвовать в динамической регуляции развития конечностей даже после того, как AER и ZPA установлены в зачатке конечности. Сложная коммуникация возникает, когда AER-секретируемые сигналы FGF и ZPA -секретируемые сигналы Shh инициируют и регулируют экспрессию генов Hox в развивающихся зачатках конечностей. [18] Хотя многие более мелкие детали еще предстоит выяснить, был обнаружен ряд существенных связей между экспрессией гена Hox и влиянием на развитие конечностей.
Паттерн экспрессии гена Hox можно разделить на три фазы на протяжении развития зачатков конечностей, что соответствует трем ключевым границам в развитии проксимально-дистальных конечностей . Переход от первой фазы ко второй фазе отмечается введением сигналов Шш от ЗПА . [19] Переход в третью фазу затем отмечается изменениями в том, как мезенхимальные клетки зачатков конечностей реагируют на сигналы Shh . [19] Это означает, что, хотя передача сигналов Shh необходима, ее эффекты со временем меняются, поскольку мезодерма настроена реагировать на нее по-разному. [19] Эти три фазы регуляции раскрывают механизм, с помощью которого естественный отбор может независимо модифицировать каждый из трех сегментов конечностей — шилопод , зевгопод и автопод . [19]
Соответствующие эксперименты
[ редактировать ]- FGF10 может индуцировать формирование конечностей, но идентичность определяют белки Т-бокса, гены Pitx1 и Hox. [1]
Имитируя первоначальную секрецию FGF10 клетками мезодермы латеральной пластинки, развитие конечностей можно инициировать . Другие сигнальные молекулы участвуют в определении идентичности конечности.
- Помещение содержащих FGF10 шариков под эктодермальные клетки цыпленка приводит к образованию зачатка конечности, AER, ZPA и, впоследствии, всей конечности. Когда бусинки создавали зачатки конечностей в направлении передней области, формирование передних конечностей совпадало с экспрессией Tbx5 , тогда как образование задних конечностей совпадало с экспрессией Tbx4 . Когда шарики были помещены в середину ткани бока, передняя часть выражала Tbx5 и признаки передних конечностей, тогда как задняя часть конечности выражала Tbx4 и особенности задних конечностей.
- Когда куриные эмбрионы были сконструированы таким образом, чтобы они постоянно экспрессировали Tbx4 (посредством вирусной трансфекции) во всей их ткани бока, каждая конечность, которую они вырастили, была ногой, даже те, которые сформировались в передней области, которые в норме стали бы крыльями. Это подтверждает роль белков Т-бокса в типе развивающейся конечности.
- Нокаут Tbx4 или Tbx5 предотвращает экспрессию FGF10 в мезодерме латеральной пластинки у мышей.
- Путь Hox влияет на экспрессию Tbx, которая, в свою очередь, влияет на экспрессию FGF10 . [3]
- Когда Pitx1 неправильно экспрессировался в передних конечностях мыши, несколько генов, связанных с задними конечностями ( Tbx4 , HOXC10 включались ), и радикальные изменения в мышцах, костях и сухожилиях сдвигали фенотип в сторону фенотипа задних конечностей. Это указывает на то, что Pitx1 — через Tbx4 — играет роль в возникновении свойств задних конечностей.
- Экспрессия HOXD11 коррелирует с секрецией сигналов Shh. [20]
HOXD11 экспрессируется сзади, рядом с ZPA, где наблюдаются самые высокие уровни экспрессии сигнала Shh .
- Когда ретиноевая кислота применяется сигнала Shh для индукции экспрессии ZPA , трансплантируется эктопическая экспрессия передачи сигналов Shh , за этим следует экспрессия HOXD11. или стимулируется

- Мезенхимальные клетки определяют идентичность конечностей, но AER поддерживает рост конечностей посредством сигнала FGF. секреции [1]
Эти эксперименты показывают, что мезенхима конечностей содержит необходимую информацию об идентичности конечностей, но AER необходим, чтобы стимулировать мезенхиму соответствовать своему предназначению (стать рукой, ногой и т. д.).
- При удалении AER развитие конечностей останавливается. Если FGF , происходит нормальное развитие конечностей. вместо AER добавляется шарик
- При добавлении дополнительного AER образуются две конечности.
- Когда мезенхима передней конечности заменяется мезенхимой задней конечности, задняя конечность растет.
- Когда мезенхима передних конечностей заменяется мезенхимой, не связанной с конечностями, 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, гарантирует, что происходит необходимая пролиферация клеток для нормального формирования пятипальцевой конечности.
- Когда сигналы Shh, обычно секретируемые из ZPA, ингибируются (либо с помощью тамоксифена , либо с помощью Shh -нулевых мутантов), морфология AER, особенно его передняя часть, нарушается, а передача сигналов FGF8 снижается. В результате подавления Shh во время расширения зачатков конечностей количество пальцев уменьшалось, но идентичность сформированных пальцев не менялась.
Соответствующие гены и белки
[ редактировать ]Связанные молекулы включают: [1]
- FGF10 . Первоначально белки Tbx индуцируют секрецию FGF10 клетками мезодермы латеральной пластинки. Позже экспрессия FGF10 ограничивается развивающейся мезенхимой конечностей , где она стабилизируется с помощью WNT8C или WNT2B . Экспрессия FGF10 активирует секрецию WNT3A , который действует на AER и индуцирует экспрессию FGF8 . Мезенхима посредством секреции FGF10 участвует в петле положительной обратной связи с AER посредством секреции FGF8 .
- FGF8 – секретируется клетками AER. Действует на мезенхимальные клетки, поддерживая их пролиферативное состояние. Также индуцирует мезенхимальные клетки секретировать FGF10 , который действует через WNT3A, в AER поддерживая экспрессию FGF8 .
- WNT3A – действует как посредник в петле положительной обратной связи между AER и мезенхимой конечностей. Активируется экспрессией FGF10 , активирует FGF8 . экспрессию
- Соник ёжик [20] Секретируется ZPA в мезенхиме зачатка конечности. Создает градиент концентрации, который диктует формирование пяти различных цифр. Цифра 5 (мизинец) возникает в результате воздействия высоких концентраций Shh , тогда как цифра 1 (большой палец) на противоположном конце спектра развивается в ответ на низкие концентрации Shh . Shh Было показано, что во многих, но не во всех случаях, экспрессия тесно связана с экспрессией гена Hox . Shh также (через Gremlin ) блокирует активность костного морфогенного белка (BMP). Блокируя активность BMP , поддерживается экспрессия FGF в AER.
- Tbx4 , Tbx5 — участвуют в развитии задних конечностей по сравнению с передними. Хотя у цыплят они, по-видимому, являются первичными факторами, участвующими в идентичности конечностей, у мышей оказывается, что Tbx4 является просто нижестоящим мессенджером, обеспечивающим выполнение инструкций Pitx1 по формированию задних конечностей . Неизвестно, просто ли Pitx1 отклоняет предполагаемую переднюю конечность с этого пути, чтобы она стала задней конечностью, или же Tbx5 активируется другим Pitx1-подобным посланником.
- Pitx1 — отвечает за развитие фенотипа, связанного с задними конечностями. Tbx4 является одной из его нижестоящих целей. Pitx1 и Tbx4 кодируют факторы транскрипции , которые экспрессируются в развивающихся зачатках задних конечностей, но не в зачатках передних конечностей. Неправильная экспрессия Pitx1 в зачатке крыла кур индуцирует дистальную экспрессию Tbx4, а также HoxC10 и HoxC11, которые обычно ограничены доменами экспрессии задних конечностей. Зачатки крыльев, в которых неправильно экспрессируется Pitx1, развиваются в конечности с некоторыми морфологическими характеристиками задних конечностей. [22]
- Hox-гены – отвечают за управление передне-задней осью организма и активно участвуют в формировании паттерна развивающейся конечности в сочетании с Shh . Влияет на активность белков Т-бокса и сигнальных белков FGF (и, возможно, Pitx1 ). Определяет, где сформируются зачатки конечностей и какие конечности там разовьются.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д Скотт Ф. Гилберт (2010). Биология развития . Синауэр Ассошиэйтс. ISBN 978-0-87893-564-2 .
- ^ Ларсен, Уильям Дж. (2001). Эмбриология человека (3-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Черчилль Ливингстон. п. 317. ИСБН 0-443-06583-7 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л Щекотать C (октябрь 2015 г.). «Как эмбрион формирует конечность: детерминация, полярность и идентичность» . Дж. Анат . 227 (4): 418–30. дои : 10.1111/joa.12361 . ПМК 4580101 . ПМИД 26249743 .
- ^ Грос Дж., Табин С.Дж. (март 2014 г.). «Формирование зачатков конечностей позвоночных инициируется локализованным эпителиально-мезенхимальным переходом» . Наука . 343 (6176): 1253–6. Бибкод : 2014Sci...343.1253G . дои : 10.1126/science.1248228 . ПМК 4097009 . ПМИД 24626928 .
- ^ Мартин Г.Р. (июнь 1998 г.). «Роль FGF в раннем развитии конечностей позвоночных» . Генс Дев . 12 (11): 1571–86. дои : 10.1101/gad.12.11.1571 . ПМИД 9620845 .
- ^ Риддл Р.Д., Джонсон Р.Л., Лауфер Э., Табин С. (декабрь 1993 г.). «Звуковой ёж опосредует поляризующую активность ZPA». Клетка . 75 (7): 1401–16. дои : 10.1016/0092-8674(93)90626-2 . ПМИД 8269518 . S2CID 4973500 .
- ^ Парр Б.А., МакМахон А.П. (март 1995 г.). «Дорсализующий сигнал Wnt-7a необходим для нормальной полярности осей DV и AP конечности мыши». Природа . 374 (6520): 350–3. Бибкод : 1995Natur.374..350P . дои : 10.1038/374350a0 . ПМИД 7885472 . S2CID 4254409 .
- ^ Пизетт С., Абате-Шен С., Нисвандер Л. (ноябрь 2001 г.). «BMP контролирует проксимодистальный рост посредством индукции апикального эктодермального гребня и формирования дорсовентрального паттерна в конечностях позвоночных». Разработка . 128 (22): 4463–74. дои : 10.1242/dev.128.22.4463 . ПМИД 11714672 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Иимура Т., Пурке О (май 2007 г.). «Hox-гены во времени и пространстве при формировании тела позвоночных». Дев. Рост отличается . 49 (4): 265–75. дои : 10.1111/j.1440-169X.2007.00928.x . ПМИД 17501904 . S2CID 38557151 .
- ^ Нг Дж.К., Каваками Ю., Бюшер Д., Страйп А., Ито Т., Кот СМ, Родригес Стивен С., Родригес-Леон Дж., Гаррити Д.М., Фишман М.К., Исписуа Бельмонте Дж.К. (ноябрь 2002 г.). «Ген идентичности конечностей Tbx5 способствует инициации конечностей путем взаимодействия с Wnt2b и Fgf10». Развитие 129 (22): 5161–70. дои : 10.1242/dev.129.22.5161 . ПМИД 12399308 .
- ^ Каваками Ю., Капдевила Х., 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 . ПМИД 11290326 . S2CID 17613595 .
- ^ Перейти обратно: а б Охучи Х, Накагава Т, Ямамото А, Арага А, Охата Т, Ишимару Ю, Ёсиока Х, Кувана Т, Ноно Т, Ямасаки М, Ито Н, Нодзи С (июнь 1997 г.). «Мезенхимальный фактор FGF10 инициирует и поддерживает рост зачатка конечности цыпленка посредством взаимодействия с FGF8, апикальным эктодермальным фактором». Разработка . 124 (11): 2235–44. дои : 10.1242/dev.124.11.2235 . ПМИД 9187149 .
- ^ Перейти обратно: а б Родригес-Эстебан К., Цукуи Т., Йоней С., Магаллон Дж., Тамура К., Изписуа Бельмонте Х.К. (апрель 1999 г.). «Гены T-box Tbx4 и Tbx5 регулируют рост и идентичность конечностей». Природа 398 (6730): 814–8. Бибкод : 1999Nature.398..814R . дои : 10.1038/19769 . ПМИД 10235264 . S2CID 4330287 .
- ^ Перейти обратно: а б Мингийон С., Дель Буоно Дж., Логан, член парламента (январь 2005 г.). «Tbx5 и Tbx4 недостаточны для определения морфологии конечностей, но играют общую роль в инициации роста конечностей» . Дев. Клетка . 8 (1): 75–84. дои : 10.1016/j.devcel.2004.11.013 . ПМИД 15621531 .
- ^ Марсил А., Дюмонтье Э., Чемберланд М., Кампер С.А., Друэн Дж. (январь 2003 г.). «Pitx1 и Pitx2 необходимы для развития зачатков задних конечностей». Разработка . 130 (1): 45–55. дои : 10.1242/dev.00192 . ПМИД 12441290 .
- ^ Грандель Х., Брэнд М. (май 2011 г.). «Развитие конечностей рыбок данио запускается сигналом ретиноевой кислоты во время гаструляции» . Дев. Дин . 240 (5): 1116–26. дои : 10.1002/dvdy.22461 . ПМИД 21509893 . S2CID 12858721 .
- ^ 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 .
- ^ Шет Р., Грегуар Д., Дюмушель А., Скотти М., Фам Дж.М., Немец С., Бастида М.Ф., Рос М.А., Кмита М. (май 2013 г.). «Разделение функций Hox и Shh в развитии конечностей показывает множественное влияние генов Hox на рост конечностей» . Разработка . 140 (10): 2130–8. дои : 10.1242/dev.089409 . ПМИД 23633510 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Нельсон С.Э., Морган Б.А., Берк А.С., Лауфер Э., ДиМамбро Э., Мерто Л.К., Гонсалес Э., Тессаролло Л., Парада Л.Ф., Табин С. (май 1996 г.). «Анализ экспрессии гена Hox в зачатке конечностей цыпленка». Разработка . 122 (5): 1449–66. дои : 10.1242/dev.122.5.1449 . ПМИД 8625833 .
- ^ Перейти обратно: а б 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 .
- ^ Чжу Дж., Накамура Э., Нгуен М.Т., Бао Х., Акияма Х., Макем С. (апрель 2008 г.). «Расцепление контроля ежа Соника над рисунком и расширение развивающейся зачатки конечностей» . Дев. Клетка . 14 (4): 624–32. дои : 10.1016/j.devcel.2008.01.008 . ПМЦ 8284562 . ПМИД 18410737 .
- ^ Логан, Малькольм; Табин, Клиффорд Дж. (12 марта 1999 г.). «Роль Pitx1 выше Tbx4 в спецификации идентичности задних конечностей» . Наука . 283 (5408): 1736–1739. дои : 10.1126/science.283.5408.1736 . ISSN 0036-8075 .