Scientific journal
Advances in current natural sciences
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

HOW SEGMENTATION CLOCK OF BODY STARTS?

Petrenko V.M. 1
1 St.-Petersburg
Реагрегация мезодермальных клеток в процессе сомитогенеза сопровождается их пролиферацией и дифференциацией, включая контакты, что может запускать часы сегментации тела эмбриона.
Reaggregation of mesoderm cells during somitogenesis is accompanied by their proliferation and differentiation, including the contacts, that can lead to start of segmentation clock of embrionic body.
embryo
body
segment

До сих пор механизм формирования сомитов в эмбриогенезе остается неизвестным [1, 3, 4]. Установлено, что мезодермальные клетки (МК) становятся более адгезивными по мере того, как они приобретают способность формировать сомиты [1], причем в пределах каждой розетки (сомитомера – пресомита) аффинитет между МК сильнее, чем между МК несегментированной мезодермы [3]. В последней сохраняется электрическое сопряжение МК через щелевые контакты, которые исчезают непосредственно перед или во время формирования сомитов. Сначала, очевидно, изменяется характер взаимосвязи МК, затем МК собираются в компактные группы и образуют сомиты. Физическая сегментация коррелирует с появлением химических различий между соседними группами МК сомитов. Селективное сцепление, основанное на различиях в химизме поверхности МК, является причиной разделения массива МК на физически обособленные сомиты [9, 11]. По мере того, как сомит становится когерентным образованием, т.е. совокупностью сцепленных друг с другом МК, МК наружного слоя соседних сомитов соединяются между собой плотными контактами. Вокруг сомита, как вокруг хорды и нервной трубки, образуется базальная мембрана, состоящая из коллагена, фибронектина, ламинина и гликозаминогликанов (ГАГ). Были высказаны предположения, что:

1) фибронектин участвует в упаковке МК сомитомера;

2) ГАГ хорды и нервной трубки индуцируют в сомитах синтез их собственных ГАГ [1].

Нетрудно заметить, что исследователи в основном описывают состояние и изменения МК и их контактов перед и в процессе образования сомитов. При этом по прежнему не объясняется, как запускается и происходит сегментирование мезодермы.

A.M. Turing (1952) математически показал, что распространение какого-либо метаболита на протяжении аксиальной мезодермы носит волнообразный характер, из чего некоторые эмбриологи сделали вывод о существовании каких-то веществ, обладающих морфогенетическим давлением. Однако результаты ряда опытов на зародышах амфибий отрицают существование каких-либо влияний, передающихся от головного конца дорсальной мезодермы к ее хвостовому концу, регулирующих ее сегментацию. Возможно сегментация аксиальной мезодермы не зависит от какого-либо регуляторного сигнала, исходящего от головного участка, а может начаться в любой точке по оси зародыша независимо от участков, лежащих кпереди от нее. При этом не исключена возможность, что в каждом изолированном отрезке оси зародыша инициируется новый кранио-каудальный регулирующий механизм [3].

В последние десятилетия популярной темой исследований стало выяснение молекулярного механизма часов сегментации у позвоночных и беспозвоночных животных: согласно гипотезе «часов и волны» F. Cooke et E. Zeeman (1976), колебания концентрации каких-то молекул, возникающие вследствие циклической активности определенных генов, преобразуются в повторяющиеся морфологические структуры метамеров благодаря волне клеточной дифференциации, движущейся вдоль тела эмбриона спереди назад [14]. При этом процесс сомитогенеза тесно связан с задним ростом эмбриона, когда поддерживается равновесие между образованием сомитов на переднем конце парааксильной мезодермы и отложением новых мезенхимных клеток на ее заднем конце, что обеспечивается сначала первичной полоской, а затем кончиком хвоста [13]. Эта гипотеза корреллирует с давним предположением Б. Гатчека и Э. Перрье о механике становления метамерии животного в эволюции – способности пролиферировать на заднем конце тела однородные небольшие участки [8]. Современная наука, ее технические возможности вывели прежнюю гипотезу на новый уровень индивидуальной организации, но сохраняется вопрос: как все же запускается данный процесс, в новом изложении – осциллятор сегментации ? Предполагается, что молекулярная природа фронта волны сомитогенеза включает противоположные градиенты определенных молекул внутри пресомитной мезодермы: каудо-краниальный градиент молекул, удерживающих МК в недифференцированном состоянии, и кранио-каудальный градиент молекул, косвенно или прямо активирующих гены, которые участвуют в процессе сегментации. МК перемещаются краниально до того места, где наступает активация программы сегментации [13]. Все усилия исследователи сосредоточили на изучении преобразований МК и их контактов, все меньше внимания уделяется их окружению (среде развития), где замечают обычно хорду, нервную трубку и спланхнотомы [1, 3, 4].

Механика сомитогенеза

Я описал возможную роль общеизвестных процессов эмбрионального органогенеза в образовании сомитов [5]. В еще несегментированной аксиальной мезодерме эмбриона человека определяются сгущения МК. Быстро растущие кластеры все более темных МК разделяются постепенно утолщающимися прослойками более светлых клеток: цепь сомитов удлиняется, последовательно присоединяя новые звенья, их МК приобретают радиальную ориентацию. Образование сомитов происходит с конца 3-й нед и до начала 6-й нед. В эти сроки наблюдается скручивание тела эмбриона вокруг продольной оси в процессе интенсивного каудального удлинения эмбриона, плавающего вокруг сужающегося зародышевого ствола, в окружении уплотняющихся оболочек. На 6-й нед заметно накопление ГАГ в зачатках позвонков. На 7-й нед выражено охрящевление туловищного скелета, когда прекращается кручение эмбриона.

Наиболее интенсивно сомитообразование происходит у эмбриона человека 4-й нед. В конце 4-й нед наблюдается новообразование поясничных сомитов: дорсокаудальнее бифуркации аорты межсегментарные сосуды вместе с рыхлой мезенхимой внедряются в толщу тяжа дорсальной мезодермы, разделяя его на очаги сгущения МК – таким образом намечаются зачатки сомитов.

Изложенное позволило предположить [5]: сомитообразование сопряжено с кручением «мягкого» тела эмбриона в процессе его каудального удлинения. При этом рыхлая мезенхима очень легко деформируется с усилением циркуляции межклеточной жидкости, что должно стимулировать рост протокапилляров. Кручение тела эмбриона сопровождается деформацией продольных тяжей дорсальной мезодермы. На ее протяжении возникают участки сужения, где определяются выступы рыхлой мезенхимы с кровеносными микрососудами. Эти клинья:

1) «отсекают» от тяжа дорсальной мезодермы сомиты;

2) фиксируют тяж в данном месте, что приводит к каудальному распространению волны кручения и сегментирования дорсальной мезодермы.

Такое ее пошаговое взаимодействие с кровеносными сосудами, когда последние внедряются в мезодермальный тяж, «нарезая» сомиты, можно сравнить с зубчатой, а с учетом кручения – с винтообразной передачей движения, сегментирования мезодермы. Размер ее «шага» (→ сомита) определяют, очевидно, МК: тип (способ их группировки) и пределы (~ объем сомита) роста МК адекватны свойствам их белков, информация о первичной структуре которых записана в геноме МК и периодически, в процессе дифференциации МК считывается. Сосудисто-мезенхимные перегородки растут между формирующимися розетками МК, т.е. в «слабые» места дифференцирующегося тяжа мезодермы – снижающегося продольного аффинитета МК. В этих же участках определяются «перехваты» тела эмбриона, обусловленные его кручением – генетическая детерминация и эпигенетическая регуляция сомитогенеза ? Поскольку сосуды с кровью так или иначе есть производные мезодермы, то получается саморегуляция ее развития.

Представленные данные и их анализ позволили мне сделать такой вывод: кровеносные сосуды участвуют в морфогенезе сомитов как (раз)делители их зачатков в условиях продольного растяжения и кручения тела эмбриона с его мягким скелетом. Скорость (периодичность) сегментирования определяется свойствами белков, закодированными в геноме МК – то, что нынче модно называть часами сегментирования [12–14]. Я предложил [5] двухволновую модель сегментирования осевой мезодермы, которая подкрепляет мое же предположение [6] о ключевой роли аорты в становлении квазисегментарного устройства тела человека, начиная с эмбрионального периода развития. Волны дифференциации осевой мезодермы: 1) детерминации (или распространения компетентности [2]) – продольное растяжение мезодермы при удлинении эмбриона с напряжением адгезии (и разрывом первичных, продольных связей ?) МК, т.е. их дезадаптацией, индуцируют пролиферацию и сгущение МК, что стимулирует также рост микрососудов, 1а) геном реагирует не только на химические, но и на физические (в т.ч. натяжение) сигналы [7], отвечая на них экспрессией генов; 2) регуляции данного процесса (как в виртуальной модели периодического морфогенеза E.С. Zeeman [2]) – кручение обусловливает поперечную перетяжку мезодермы, что облегчает ее разделение на сомиты сосудисто-мезенхимными клиньями; одновременно с этим происходит дифференциация, включая контакты, и реагрегация МК (их морфогенетическая адаптация). Моя гипотеза корреллирует с различными предположениями о механике становлении метамерии животных в эволюции: 1) А. Ланга – связь с локомоцией и размещением сосудов; 2) Б. Гатчека и Э. Перрье – способность пролиферировать на заднем конце тела однородные небольшие участки [8], последнее сегодня переросло в гипотезу «часов и волны» сегментации тела у позвоночных и беспозвоночных животных [13, 14]. Иначе говоря, движения МК в процессе сомитогенеза основываются на классической модели гистогенеза: митоз (пролиферация) ↔ дифференциация, равновесие системы регулируется средой развития МК и парахордальной мезодермы в целом (рисунок).

petr1.wmf

Схема регуляции сомитогенеза на клеточном уровне: Г – геном (ядро клетки); КП – клеточная поверхность; ФН – физиологическая нагрузка на межклеточный контакт, которая состоит в изменении среды, окружающей мезодермальные клетки. Зеленые стрелки показывают движения молекул (носители сигналов) в клетках и в межклеточной среде, включая биосинтез белков в цитоплазме и морфогенез межклеточного контакта. Белки регулируют метаболизм в клетках, включая считывание генетической информации, и между клетками, включая «усвоение» средовой информации (красная стрелка – эпигеномная регуляция), а на этой основе – морфогенез клеточных и межклеточных ультраструктур, клеток и клеточных ансамблей, в конечном счете – сомитов. Таким образом происходит морфогенетическая адаптация (и дифференциация) мезодермальных клеток к движениям развивающегося эмбриона.

 

Заключение

В течение 4-й нед. эмбриогенеза человека парный тяж парахордальной мезодермы интенсивно растет и сегментируется в каудальном направлении. Уже в пресомитную мезодерму внедряются сегментарные сосуды, разделяющие ее на сомиты [5]. Важным моментом в их морфогенезе представляется реагрегация МК с перестройкой связей МК, изменением ориентации и взаиморасположения МК, начиная еще с этапа пресомитов (сомитомеров или розеток). В процессе интенсивного удлинения эмбриона возникает краниокаудальный градиент напряжения парахордальной мезодермы, что приводит к дезадаптации МК и их связей с реорганизацией метаболизма, т.е. к биохимической дифференциации мезодермы и детерминации сомитов. Первая волна дифференциации осевой мезодермы инициирует вторую волну ее дифференциации, морфологической, т.е. сегментацию при участии кровеносных сосудов в связи с кручением тела эмбриона. На этом этапе развития происходит реагрегация МК с образованием новых связей между ними (адаптация МК). Или, иначе говоря, селективное сцепление, основанное на различиях в химизме поверхности МК, является причиной разделения массива МК на физически обособленные сомиты [9, 11]. Межклеточные коммуникации могут служить путями проведения сигналов, причем не только определяющих пространственную периодичность формирования сомитов [12], но и прежде всего (первично) сигналов о меняющемся состоянии среды обитания МК (эпигеномная регуляция развития), включая их контакты. Нарушение (или ослабление) в результате этого первичных связей МК сопровождается снятием (снижением) клеточного торможения и пролиферацией МК, а затем их внутриклеточной перестройкой (дифференциацией) с последующим образованием новых межклеточных связей. Возможно таким образом и запускаются часы сегментации тела эмбриона ? Ведь эти часы, если они реально существуют, лишь деталь физиологии эмбриона в части сомитогенеза на молекулярном уровне индивидуальной организации. Мое мнение согласуется с предположением, что паттерны сегментации – результат многослойного процесса развития, в котором иерархически взаимодействуют эпигенетические механизмы и экспрессия генов [10], иначе говоря, генетическая детерминация и эпигеномная регуляция сомитогенеза сопряжены [5], в т.ч. в виде саморегуляции развития мезодермы и эмбриона в целом.