Končetinový pupen - Limb bud

Končetina Bud
Detaily
Předchůdcelaterální ploténka mezoderm
Identifikátory
latinskýGemmae membrorum
PletivoD018878
TEE5.0.3.0.0.0.5
Anatomická terminologie

The končetinový pupen je struktura vytvořená na začátku roku obratlovců vývoj končetin. V důsledku interakcí mezi ektoderm a podkladové mezoderm, ke tvorbě dochází zhruba kolem čtvrtého týdne vývoje.[1] v vývoj lidského embrya pupen horní končetiny se objeví ve třetím týdnu a pupen dolní končetiny se objeví o čtyři dny později.[2]

Bud končetiny se skládá z nediferencovaných mezodermových buněk, které jsou obaleny v ektodermu.[3] V důsledku buněčných signálních interakcí mezi ektodermem a podkladovými mezodermovými buňkami dochází k tvorbě vyvíjejícího se končetinového pupenu mezenchymální buňky z laterální ploténka mezoderm a somity se začnou množit do bodu, kdy vytvoří bouli pod ektodermálními buňkami výše.[4] Buňky mezodermu v pupenu končetiny, které pocházejí z mezodermu laterální ploténky, se nakonec diferencují na pojivové tkáně vyvíjející se končetiny, jako například chrupavka, kost, a šlacha.[3] Navíc buňky mezodermu, které pocházejí z somity se nakonec diferencuje na myogenní buňky končetiny svaly.[3]

Pupen končetiny zůstává aktivní po většinu vývoje končetin, protože stimuluje tvorbu a Pozitivní zpětná vazba retence dvou signalizačních oblastí: vrcholový ektodermální hřeben (AER) a zóna polarizační aktivity (ZPA) s mezenchymálními buňkami.[3] Tato signalizační centra jsou zásadní pro správnou tvorbu končetiny, která je správně orientována s odpovídající axiální polaritou ve vyvíjejícím se organismu. Výzkum zjistil, že signalizační oblast AER uvnitř bud končetiny určuje formování proximálně-distální osy končetiny pomocí Signály FGF.[5] ZPA signalizace určuje formování přední a zadní osy končetiny pomocí Psst signály.[6] Navíc, i když není znám jako specifická signalizační oblast jako AER a ZPA, osa hřbetní-břišní je stanovena v končetinovém pupenu konkurenčním Wnt7a a Signály BMP že dorzální ektoderm a ventrální ektoderm používají v tomto pořadí.[7][8] Protože všechny tyto signalizační systémy vzájemně udržují svou činnost, je vývoj končetin v podstatě autonomní poté, co byly tyto signální oblasti vytvořeny.[3]

Postavení a formace

The Hox geny, které definují rysy podél předozadní osy vyvíjejícího se organismu, určují, ve kterých bodech podél osy se vytvoří končetinové pupeny.[9] Ačkoli se končetiny objevují na různých místech u různých druhů, jejich pozice vždy korelují s úrovní exprese genu Hox podél přední-zadní osy.[9] Všechny pupeny končetin se musí při získávání identity předních nebo zadních končetin spoléhat také na jiné signalizační faktory; Hox genová exprese ovlivňuje vyjádření Proteiny T-boxu to zase určuje identitu končetiny pro určité organismy.[3]

Aktivace proteinu T-box zase aktivuje signální kaskády, které zahrnují Wnt signální cesta a Signály FGF.[3] Před zahájením vývoje končetin se iniciují proteiny T-boxu FGF10 výraz v množí se mezenchymální buňky laterální ploténky mezoderm, které tvoří mezoderm končetinového pupenu.[3] WNT2B a WNT8C stabilizovat to FGF10 výraz na přední končetině a zadní končetině.[10][11] Tento FGF10 výraz stimuluje WNT3 exprese ve výše uvedených ektodermálních buňkách - což vede k tvorbě vrcholového ektodermálního výběžku a také k indukci FGF8 výraz.[12] The FGF8 vylučovaný AER působí na udržení buněk končetiny mezenchymu v mitoticky aktivním stavu a udržuje jejich produkci FGF10.[12] Pozitivní zpětná vazba smyčka mezi mezenchymálními buňkami končetiny a AER udržuje pokračující růst a vývoj celé končetiny.[13]

Kromě výrůstu končetin vzniklo rozhodující signální centrum, zóna polarizační aktivity (ZPA), v malé zadní části končetinového pupenu pomáhá stanovit předozadní polaritu v končetině vylučováním proteinu Sonic ježek (Psst).[3] ZPA také hraje důležitou roli při zpočátku specifikaci číslicové identity, zatímco později udržuje správnou morfologii AER a pokračuje FGF8 sekrece - zajistit správnou mitotickou aktivitu mezenchymu končetinového pupenu pod ním.[3]

U kuřat Tbx4 určuje stav zadní končetiny, zatímco Tbx5 určuje stav přední končetiny.[13] U myší se však mohou za přítomnosti obou končetin vyvíjet zadní i končetiny Tbx4 nebo Tbx5.[14] Ve skutečnosti je to Pitx1 a Pitx2 geny, které se jeví jako nezbytné pro specifikaci vyvíjející se zadní končetiny, zatímco jejich absence vede k vývoji přední končetiny.[15]Tbx4 a Tbx5 se jeví jako důležité konkrétně pro růst končetin u myší.[14]

Vztah mezi expresí genu hox a vzorováním končetin

Uvnitř končetinového pupenu, vyjádření konkrétního Hox geny se mění v závislosti na poloze podél přední-zadní osy. The Hox geny jsou spojeny ve čtyřech chromozomálních shlucích: Hoxa, Hoxb, Hoxc a Hoxd.[9] Jejich fyzická poloha na chromozóm koreluje s časem a místem vyjádření. Toto tvrzení je podporováno vědomím, že Hox gen výraz je zahájen během gastrulace v primitivní somitický mezoderm signalizací FGF, která ovlivňuje primitivní somitické mezodermové buňky v různých časech v závislosti na jejich axiální poloze během organismu rozvoj —A je ještě dále specifikován jinými signály předozadní osy (např kyselina retinová ).[3] Další důkazy o roli, která Hox geny hrát v vývoj končetin bylo zjištěno, když výzkumníci provedli Hox gen výrazy v zebrafish přidáváním kyselina retinová v době gastrulace; Tento experiment vyústil ve zdvojení končetin.[16] Ačkoli přebytek kyseliny retinové může změnit vzorování končetin ektopickou aktivací Shh exprese, genetické studie u myší, které vylučují syntézu kyseliny retinové, ukázaly, že RA není pro vzorování končetin nutná.[17]

Vývoj kuřete je skvělým příkladem této specifičnosti Hox gen výraz s ohledem na vývoj končetin. Nejvíce 3 ‘geny Hoxc (HOXC4, HOXC5 ) jsou u kuřat exprimovány pouze v předních končetinách, zatímco více 5 'genů (HOXC9, HOXC10, HOXC11 ) jsou vyjádřeny pouze v zadních končetinách.[9] Mezilehlé geny (HOXC6, HOXC8 ) jsou u kuřat vyjádřeny na horních i dolních končetinách.[9]

Jak již bylo uvedeno výše, vývoj končetin je v podstatě autonomní po signálních centrech (AER) a ZPA ) byly založeny. Je však důležité to vědět Hox geny i nadále se účastnit dynamické regulace vývoje končetin i po AER a ZPA byly založeny v končetinovém pupenu. Komplexní komunikace následuje jako AER-secreted Signály FGF a ZPA - vylučováno Psst signály zahájit a regulovat expresi genu Hox ve vyvíjejícím se končetinovém pupenu.[18] Ačkoli mnoho jemnějších detailů zbývá vyřešit, byla objevena řada významných souvislostí mezi expresí genu Hox a dopadem na vývoj končetin.

Vzor Hox gen Exprese může být rozdělena do tří fází v průběhu vývoje končetinových pupenů, což odpovídá třem klíčovým hranicím v proximálně-distálně vývoj končetin. Přechod z první fáze do druhé fáze se vyznačuje zavedením Psst signály z ZPA.[19] Přechod do třetí fáze je pak poznamenán změnami v tom, jak mezenchymální buňky končetinových pupenů reagují Psst signály.[19] To znamená, že ačkoli Psst signalizace je vyžadováno, jeho účinky se časem mění, protože mezoderm je připraven reagovat na něj jinak.[19] Tyto tři fáze regulace odhalují mechanismus, kterým přírodní výběr může samostatně upravit každý ze tří segmentů končetin - stylopod, zeugopod a autopod.[19]

Relevantní experimenty

FGF10 může vyvolat tvorbu končetin, ale identitu určují proteiny T-box, geny Pitx1 a Hox [1]

Napodobením počátečních sekrecí FGF10 mezodermových buněk laterální ploténky vývoj končetin lze zahájit. Další signální molekuly se podílejí na určování identity končetiny.

  1. Umístění kuliček obsahujících FGF10 pod ektodermální buňky kuřat má za následek tvorbu končetinového pupenu, AER, ZPA a následně celou končetinu. Když korálky vytvořily pupeny končetin směrem k přední oblasti, formace přední končetiny se shodovala s Tbx5 výraz, zatímco tvorba zadních končetin se shodovala s Tbx4 výraz. Když byly kuličky umístěny do středu tkáně boku, přední část exprimovala rysy Tbx5 a přední končetiny, zatímco zadní část končetiny exprimovala rysy Tbx4 a zadní končetiny.
  2. Když byla kuřecí embrya konstruována tak, aby se konstitutivně vyjadřovala Tbx4 (prostřednictvím virové transfekce) v celé tkáni jejich boku, každá končetina, kterou vyrostli, byla noha, dokonce i ty, které se tvořily v přední oblasti, která by se za normálních okolností stala křídly. To potvrzuje roli Proteiny T-boxu v typu končetiny, která se vyvíjí.
  3. Vyřazení Tbx4 nebo Tbx5 knockout brání FGF10 exprese v laterální ploténce mezoderm u myší.
  4. The Hox cesta ovlivňuje expresi Tbx, což zase ovlivňuje FGF10 výraz.[3]
  5. Když Pitx1 byl nesprávně exprimován v předních končetinách myší, několika genech spojených s zadní končetinou (Tbx4, HOXC10 ) byly zapnuty a drastické změny svalů, kostí a šlach posunuly fenotyp směrem k zadní končetině. To naznačuje Pitx1 -přes Tbx4 —Hraje roli při vzniku vlastností zadní končetiny.
Exprese HOXD11 koreluje s vylučováním Shh signálů[20]

HOXD11 je vyjádřen dozadu, v blízkosti ZPA, kde jsou nejvyšší úrovně Psst signál dochází k výrazu.

  1. Když kyselina retinová se používá k vyvolání Psst signál výraz, a ZPA je transplantována nebo ektopická exprese Psst signalizace je stimulován, následuje exprese HOXD11.
Kožní inervace pravé horní končetiny.
Mezenchymální buňky určují identitu končetiny, ale AER udržuje růst končetiny skrz Signál FGF vylučování[1]

Tyto experimenty ukazují, že mezenchym končetiny obsahuje potřebné informace týkající se identity končetiny, ale AER je nutná ke stimulaci mezenchymu k naplnění jeho osudu (stát se paží, nohou atd.)

  1. Když je AER odstraněn, vývoj končetin se zastaví. Pokud FGF -bead je přidán na místo AER, pokračuje normální vývoj končetin.
  2. Když se přidá další AER, vytvoří se dvě končetiny.
  3. Když je mezenchym přední končetiny nahrazen mezenchymem zadní končetiny, zadní končetina roste.
  4. Když je mezenchym předních končetin nahrazen mezenchymem bez končetin, AER ustoupí a vývoj končetin se zastaví.
Role ZPA při určování polarity a dalšího rozvoje končetin[21]

The ZPA nejprve specifikuje předozadní polaritu (a určuje číslicovou identitu) a poté udržováním aktivity AER zajišťuje, že nastává nezbytná buněčná proliferace pro normální tvorbu pětimístné končetiny.

  1. Když Shh signály normálně vylučované z ZPA jsou inhibovány (buď použitím tamoxifen nebo Psst - nulové mutanty) je morfologie AER, zejména její přední rozsah, narušena a její FGF8 signalizace snížena. Jako výsledek Psst downregulace během expanze končetinových pupenů, počet číslic byl snížen, ale identita vytvořených číslic nebyla změněna.

Relevantní molekuly

Přidružené molekuly zahrnují:[1]

  • FGF10 - Zpočátku proteiny Tbx indukují sekreci FGF10 buňkami v mezodermu laterální ploténky. Později, FGF10 výraz je omezen na vyvíjející se končetinu mezenchymu, kde je stabilizován WNT8C nebo WNT2B. FGF10 výraz aktivuje sekreci WNT3A, který působí na AER a indukuje FGF8 výraz. Mezenchym, skrz FGF10 sekrece, je zapojen do smyčky pozitivní zpětné vazby s AER, skrz FGF8 vylučování.
  • FGF8 - Vylučováno buňkami AER. Působí na mezenchymální buňky a udržuje jejich proliferativní stav. Také indukuje sekreci mezenchymálních buněk FGF10, který jedná prostřednictvím WNT3A udržet výraz AER FGF8.
  • WNT3A - Působí jako prostředník v Pozitivní zpětná vazba smyčka mezi AER a mezenchymem končetin. Aktivováno uživatelem FGF10 výraz, aktivuje se FGF8 výraz.
  • Sonic ježek[20] Vylučováno ZPA v mezenchymu pupenů končetin. Vytvoří gradient koncentrace, který určuje tvorbu pěti různých číslic. Číslice 5 (malíček) je výsledkem expozice vysoké Psst koncentrace, zatímco číslice 1 (palec) na opačném konci spektra se vyvíjí v reakci na nízké koncentrace Psst. Psst za mnoha, ale ne za všech okolností, bylo prokázáno, že výraz je silně spojen Hox gen výraz. Psst také (přes Skřítek ) bloky kostní morfogenní protein (BMP) aktivita. Blokováním BMP aktivita, je zachována exprese FGF v AER.
  • Tbx4, Tbx5 - Podílí se na vývoji zadních končetin versus přední končetiny. Ačkoli u kuřat se jeví jako primární faktory podílející se na identitě končetiny, u myší se to zdá být Tbx4 je pouze následný posel prosazující pokyny formující zadní končetinu Pitx1. Zda Pitx1 pouze odkloní potenciální přední končetinu z této cesty, aby se stala zadní končetinou, nebo pokud Tbx5 je aktivován jiným poslem typu Pitx1, není znám.
  • Pitx1 - Odpovědný za vývoj fenotypu spojeného s zadní končetinou. Tbx4 je jedním z jejích navazujících cílů.
  • Hox geny - Odpovídá za diktování přední a zadní osy organismu a je složitě zapojen do vytváření vzorů vyvíjející se končetiny ve spojení s Psst. Ovlivňuje činnost společnosti Proteiny T-boxu a signály FGF (a případně Pitx1 ) bílkoviny. Určuje, kde se vytvoří končetinové pupeny a jaké končetiny se tam vyvinou.

Reference

  1. ^ A b C d Scott F. Gilbert (2010). Vývojová biologie. Sinauer Associates. ISBN  978-0-87893-564-2.
  2. ^ Larsen, William J. (2001). Lidská embryologie (3. vyd.). Philadelphia, Pa .: Churchill Livingstone. p. 317. ISBN  0-443-06583-7.
  3. ^ A b C d E F G h i j k l Tickle C (říjen 2015). „Jak embryo vytváří končetinu: odhodlání, polarita a identita“. J. Anat. 227 (4): 418–30. doi:10.1111 / joa.12361. PMC  4580101. PMID  26249743.
  4. ^ Gros J, Tabin CJ (březen 2014). „Tvorba pupenů končetin obratlovců je iniciována lokalizovaným přechodem epitelu na mezenchymální přechod“. Věda. 343 (6176): 1253–6. doi:10.1126 / science.1248228. PMC  4097009. PMID  24626928.
  5. ^ Martin GR (červen 1998). „Role FGF v časném vývoji končetin obratlovců“. Genes Dev. 12 (11): 1571–86. doi:10.1101 / gad.12.11.1571. PMID  9620845.
  6. ^ Riddle RD, Johnson RL, Laufer E, Tabin C (prosinec 1993). „Sonic ježek zprostředkovává polarizační aktivitu ZPA.“ Buňka. 75 (7): 1401–16. doi:10.1016/0092-8674(93)90626-2. PMID  8269518. S2CID  4973500.
  7. ^ Parr BA, McMahon AP (březen 1995). "Dorsalizující signál Wnt-7a požadovaný pro normální polaritu os D-V a A-P končetiny myši". Příroda. 374 (6520): 350–3. doi:10.1038 / 374350a0. PMID  7885472. S2CID  4254409.
  8. ^ Pizette S, Abate-Shen C, Niswander L (listopad 2001). „BMP řídí proximodistální výrůstek indukcí apikálního ektodermálního hřebene a dorzoventrálním vzorováním v končetině obratlovců“. Rozvoj. 128 (22): 4463–74. PMID  11714672.
  9. ^ A b C d E Iimura T, Pourquié O (květen 2007). "Hox geny v čase a prostoru během formování těla obratlovců". Dev. Růstový rozdíl. 49 (4): 265–75. doi:10.1111 / j.1440-169X.2007.00928.x. PMID  17501904. S2CID  38557151.
  10. ^ Ng JK, Kawakami Y, Büscher D, Raya A, Itoh T, Koth CM, Rodríguez Esteban C, Rodríguez-León J, Garrity DM, Fishman MC, Izpisúa Belmonte JC (listopad 2002). "Gen identity končetiny Tbx5 podporuje iniciaci končetiny interakcí s Wnt2b a Fgf10". Rozvoj. 129 (22): 5161–70. PMID  12399308.
  11. ^ Kawakami Y, Capdevila J, Büscher D, Itoh T, Rodríguez Esteban C, Izpisúa Belmonte JC (březen 2001). „Signály WNT řídí iniciaci končetiny závislou na FGF a indukci AER v embryu kuřat“. Buňka. 104 (6): 891–900. doi:10.1016 / s0092-8674 (01) 00285-9. PMID  11290326. S2CID  17613595.
  12. ^ A b Ohuchi H, Nakagawa T, Yamamoto A, Araga A, Ohata T, Ishimaru Y, Yoshioka H, ​​Kuwana T, Nohno T, Yamasaki M, Itoh N, Noji S (červen 1997). „Mesenchymální faktor, FGF10, iniciuje a udržuje růst pupenů kuřecí končetiny prostřednictvím interakce s FGF8, apikálním ektodermálním faktorem.“ Rozvoj. 124 (11): 2235–44. PMID  9187149.
  13. ^ A b Rodriguez-Esteban C, Tsukui T, Yonei S, Magallon J, Tamura K, Izpisua Belmonte JC (duben 1999). "Geny T-box Tbx4 a Tbx5 regulují růst a identitu končetin". Příroda. 398 (6730): 814–8. doi:10.1038/19769. PMID  10235264. S2CID  4330287.
  14. ^ A b Minguillon C, Del Buono J, MP Logan (leden 2005). „Tbx5 a Tbx4 nestačí k určení morfologií specifických pro končetiny, ale mají společnou roli při zahájení růstu končetin.“ Dev. Buňka. 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 (leden 2003). „Pitx1 a Pitx2 jsou nutné pro vývoj pupenů zadní končetiny“. Rozvoj. 130 (1): 45–55. doi:10,1242 / dev.00192. PMID  12441290.
  16. ^ Grandel H, značka M (květen 2011). „Vývoj končetiny zebra je spouštěn signálem kyseliny retinové během gastrulace“. Dev. Dyn. 240 (5): 1116–26. doi:10.1002 / dvdy.22461. PMID  21509893. S2CID  12858721.
  17. ^ Cunningham, T.J .; Duester, G. (2015). "Mechanismy signalizace kyseliny retinové a její role ve vývoji orgánů a končetin". 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 (květen 2013). „Oddělení funkce Hox a Shh při vývoji končetiny odhaluje více vstupů genů Hox do růstu končetin“. Rozvoj. 140 (10): 2130–8. doi:10,1242 / dev.089409. PMID  23633510.
  19. ^ A b C d Nelson CE, Morgan BA, Burke AC, Laufer E, DiMambro E, Murtaugh LC, Gonzales E, Tessarollo L, Parada LF, Tabin C (květen 1996). "Analýza exprese genu Hox v pupenu kuřecí končetiny". Rozvoj. 122 (5): 1449–66. PMID  8625833.
  20. ^ A b Rodrigues AR, Yakushiji-Kaminatsui N, Atsuta Y, Andrey G, Schorderet P, Duboule D, Tabin CJ (březen 2017). „Integrace signalizace Shh a Fgf při řízení exprese genu Hox v kultivovaných buňkách končetin“. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 114 (12): 3139–3144. doi:10.1073 / pnas.1620767114. PMC  5373353. PMID  28270602.
  21. ^ Zhu J, Nakamura E, Nguyen MT, Bao X, Akiyama H, Mackem S (duben 2008). "Odpojení Sonic ježek ovládání vzoru a expanze vyvíjející se končetiny pupen". Dev. Buňka. 14 (4): 624–32. doi:10.1016 / j.devcel.2008.01.008. PMID  18410737.