Введение
Сомитогенез – это процесс формирования сомитов. Сомиты – это парные блоки парааксиальной мезодермы, образующиеся вдоль продольной оси развивающегося эмбриона у сегментированных животных. У позвоночных сомиты являются предшественниками скелетных мышц, хрящей, сухожилий, эндотелия и дермы.
Обзор
В соматогенезе сомиты формируются из параксиальной мезодермы – специфической области мезодермы в нейрулирующем эмбрионе. Эта ткань подвергается конвергентному расширению по мере регресса примитивной полоски или во время гаструляции эмбриона. Хорда простирается от основания головы к хвосту, вместе с ней – толстые полосы параксиальной мезодермы. По мере продолжения регресса примитивной полоски сомиты формируются из параксиальной мезодермы путем "отпочкования" в ростральном направлении в виде сомитомеров, или завитков клеток параксиальной мезодермы, которые уплотняются и разделяются на отдельные структуры. Периодичность этих событий деления привела многих к заключению, что сомитогенез происходит по модели "часового волнового фронта", в которой волны сигналов развития вызывают периодическое формирование новых сомитов. Эти незрелые сомиты затем уплотняются в наружный слой (эпителий) и внутреннюю массу (мезенхиму). Сами сомиты специфицируются в соответствии со своим местоположением, поскольку сегментированная параксиальная мезодерма, из которой они формируются, сама определяется по положению вдоль передне-задней оси до начала сомитогенеза. Клетки внутри каждого сомита специфицируются на основе их расположения внутри сомита. Кроме того, они сохраняют способность дифференцироваться в любую структуру, происходящую из сомита, до относительно поздней стадии процесса сомитогенеза.
Периодичность
После того, как клетки предсомитческой мезодермы занимают свое место после миграции клеток во время гаструляции, в этих клетках начинается осцилляторная экспрессия многих генов, как будто регулируемая эволюционными "часами" развития. Как уже упоминалось, это привело многих исследователей к выводу, что сомитогенез координируется механизмом "часов и волн". В техническом плане это означает, что сомитогенез происходит благодаря в значительной степени клеточно-автономным колебаниям сети генов и генных продуктов, которые заставляют клетки переходить между состоянием, благоприятствующим формированию сомита, и неблагоприятным, с постоянной периодичностью, подобно часам. Эти гены включают в себя члены семейства FGF, пути Wnt и Notch, а также гены-мишени этих путей. Волновой фронт медленно распространяется в направлении от заднего к переднему концу. Когда волновой фронт сигнализации достигает клеток, находящихся в благоприятном состоянии, они претерпевают эпителиально-мезенхимальный переход и отделяются от более задней части предсомитческой мезодермы, формируя границу сомита и перезапуская процесс для следующего сомита. Особенно важную роль в модели "часов на волне" играет циклическая активация пути Notch. Предполагается, что активация Notch циклически активирует каскад генов, необходимых для отделения сомитов от основного параксиального тела. Этот процесс контролируется различными способами у разных видов, например, посредством простой петли отрицательной обратной связи у рыбы-зебры или более сложным механизмом, в котором "часы" FGF и Wnt влияют на "часы" Notch, как у цыплят и мышей. Однако модель сегментационных часов высоко эволюционно консервативна. Внутренняя экспрессия "часовых генов" должна колебаться с периодичностью, равной времени, необходимому для формирования одного сомита, например, 30 минут у рыбы-зебры, 90 минут у цыплят и 100 минут у змей. Колебания генов в пресомитческих клетках в значительной степени, но не полностью, являются клеточно-автономными. При нарушении сигнализации Notch у рыбы-зебры соседние клетки перестают колебаться синхронно, что указывает на важность сигнализации Notch для поддержания синхронности соседних популяций клеток. Кроме того, некоторая клеточная взаимозависимость была продемонстрирована в исследованиях, касающихся белка Sonic hedgehog (Shh) в сомитогенезе. Хотя экспрессия белков пути Shh не демонстрирует колебаний в предсомитческой мезодерме, они экспрессируются в предсомитческой мезодерме во время сомитогенеза. При абляции нотокорда во время сомитогенеза в эмбрионе цыпленка формируется правильное количество сомитов, но сегментационные "часы" замедляются в задних двух третях сомитов. Передние сомиты не затрагиваются. В одном исследовании этот фенотип был воспроизведен с помощью ингибиторов Shh, а своевременное формирование сомитов было восстановлено при добавлении экзогенного белка Shh, что показывает, что отсутствующий сигнал, производимый нотокордом, опосредован Shh.
Сигнализация при отделении и эпителизации сомитов
Физическое разделение сомитов зависит от расхождения клеток друг от друга и формирования границ и новых адгезий между различными клетками. Исследования указывают на важность сигнальных путей, включающих рецептор Eph и семейство белков эфринов, которые координируют формирование границ в этом процессе. Также, фибронектины и кадхерины способствуют локализации соответствующих клеток друг относительно друга.
Спецификация и дифференциация
Что касается параксиальной мезодермы, из которой формируются сомиты, эксперименты по картированию судьбы на стадии бластулы выявляют прогениторы пресомитической мезодермы в области гаструляции, именуемой примитивной полоской у некоторых организмов, в регионах, прилегающих к организатору. Эксперименты по трансплантации демонстрируют, что эти клетки фиксируются на параксиальной судьбе только на поздней стадии гаструлы, что указывает на то, что определение судьбы жестко контролируется локальными сигналами и не является предопределенным. Например, воздействие пресомитической мезодермы факторами роста костной ткани (BMPs) приводит к вентрализации ткани, однако in vivo антагонисты BMP, секретируемые организатором (такие как Noggin и chordin), предотвращают это и, таким образом, способствуют формированию дорсальных структур.
Прекращение сомитогенеза
В настоящее время неизвестно, каким именно механизмом завершается соматогенез. Один из предложенных механизмов – массивная гибель клеток в самых каудальных клетках параксиальной мезодермы, предотвращающая формирование сомитов в этой области. Другие исследователи предполагают, что ингибирование BMP-сигналинга ноггином, геном-мишенью Wnt, подавляет эпителиально-мезенхимальный переход, необходимый для отделения сомитов от полос пресомитской мезодермы, и тем самым завершает соматогенез. Хотя эндогенная ретиноевая кислота необходима у высших позвоночных для ограничения каудального домена Fgf8, необходимого для соматогенеза в области туловища (но не хвоста), некоторые исследования указывают и на возможную роль ретиноевой кислоты в завершении соматогенеза у позвоночных, у которых отсутствует хвост (например, у человека) или он короткий (например, у цыплёнка). Другие исследования предполагают, что завершение соматогенеза может быть связано с дисбалансом между скоростью формирования сомитов и ростом пресомитской мезодермы, распространяющейся в эту хвостовую область.
Сомитогенез у разных видов
Разные виды имеют разное количество сомитов. Например, у лягушек их примерно 10, у человека – 37, у цыплят – 50, у мышей – 65, а у змей – более 300, вплоть до 500. Количество сомитов не зависит от изменений размера эмбриона, вызванных экспериментальным воздействием. Поскольку все развивающиеся эмбрионы одного и того же вида формируют одинаковое количество сомитов, их число обычно используется как показатель возраста у развивающихся позвоночных.