Бесконечное число самых прекрасных форм - Шон Кэрролл

4k В клетках организатора эмбриона лягушки синтезируется белок Chordin — продукт одного из генов развития.

4l Белок другого гена развития, Frzb, синтезируется в клетках той части эмбриона лягушки, где позднее образуется голова. Фотографии 4k и 4l сделаны Эдди де Робертисом, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе.

4m Гены развития размечают границы отделов заднего мозга позвоночных. Здесь показана экспрессия трех генов (полосы синего, черного и оранжевого цвета), маркирующих ромбомеры г2, гЗ и г5.

4n Зоны экспрессии Hox-генов в заднем мозге позвоночных. На каждой картинке ромбомеры гЗ и г5 маркируются экспрессией гена развития Krox 20 (розовый или оранжевый цвет). Пять зон экспрессии других Hox-генов показаны лиловым цветом и располагаются от участка г2 (Hoxa2) до г7 (Hoxb4). Фотографии 4т и 4п предоставлены Сесилией Моунс Медицинский институт Говарда Хьюза, Онкологический центр Фреда Хатчинсона, Сиэтл.

Сомиты — это "кирпичики", из которых строится тело позвоночного животного. Из них возникают модульные части позвоночника, ребра и некоторые группы мышц. Они появляются вдоль основной оси эмбриона в виде расположенных через равные промежутки парных бугорков, причем формируются последовательно, от головы к хвосту (с запада на восток) у всех видов позвоночных животных. У каждого вида сомиты образуются со строго определенной скоростью: через каждые двадцать минут у рыбки данио, примерно через каждые полтора часа у курицы и через каждые два часа у мыши. Всего у человека образуется в среднем 42 сомита, у мыши — 65, а у змей — до нескольких сотен.

Высокая точность "расписания" закладки сомитов и порядок их возникновения от головы к хвосту предопределяются экспрессией специфического набора генов развития. Несколько генов начинают экспрессироваться в еще не сегментированной части эмбриона, и уровень их экспрессии осциллирует в каждом раунде образования сомитов. Спереди от этой зоны появляются полоски экспрессии других генов, которые маркируют границы формирующегося сомита, а дальше, по направлению к голове, стабильные полоски экспрессии маркируют границы ранее сформировавшихся сомитов. Моментальные снимки, отражающие экспрессию генов развития, позволяют пошагово следить за ходом формирования сомитов (вкладка 4o).

Сначала все сомиты выглядят одинаково, но они дают начало разным позвонкам, ребрам и мышцам — в зависимости от их положения вдоль оси голова — хвост. Судьба конкретного сомита предопределяется характером экспрессии Hox-генов вдоль основной оси тела (ось восток — запад). Определенные Hox-гены включаются на западных (передних) границах определенных сомитов, и зона их экспрессии обычно распространяется в восточном (заднем) направлении (вкладка 4p).

Ступенчатость границ экспрессии Hox-генов приводит к тому, что в разных сомитах экспрессируется своя уникальная комбинация Hox-генов. Более того, четкие передние границы экспрессии отдельных Hox-генов часто маркируют границы между разными типами структур скелета позвоночного. Например, граница экспрессии гена Hoxc6 у всех позвоночных соответствует границе между шейными и грудными позвонками.

Когда план строения уже заложен, а повторяющиеся модули тела позвоночного — сомиты — еще только формируются, начинается маркировка тех участков тела эмбриона, где будут располагаться различные органы и конечности. Активируются гены развития, необходимые для создания трехмерных структур, и начинается конструирование частей тела.

Как и мы с вами, мыши и другие позвоночные обладают множеством органов. Но я сконцентрируюсь исключительно на развитии конечностей. Четвероногость позвоночных — древний признак, и в развитии конечностей у всех позвоночных есть много общего. Подробнее всего процесс развития конечностей исследован у мышей и кур, и поэтому, описывая создание этих удивительных анатомических структур, я буду опираться на данные, полученные именно для этих двух видов животных.

Формирование конечности начинается с малюсеньких бугорков (почек конечностей) по бокам эмбриона, положение которых задается двумя специфическими координатами по оси восток — запад. У разных позвоночных передние конечности формируются на уровне пар сомитов с разными номерами, но всегда на границе шейного и грудного отдела. Самый западный бугорок становится передней конечностью (ногой у мыши, крылом у курицы), а самый восточный — задней конечностью (ногой в обоих случаях). На очень ранней стадии развития эмбриона мы можем наблюдать экспрессию одного из генов развития, который маркирует те места, где образуются крошечные утолщения ткани — подушечки, из которых будет формироваться конечность (вкладка 4q). Почки конечностей, хотя поначалу и очень маленькие, сразу имеют трехмерную структуру и три оси, вдоль которых верхние (тыльная сторона), нижние (ладонь), передние (большой палец), задние (мизинец), проксимальные (например, плечо) и дистальные (пальцы) элементы начинают расти по мере активного увеличения размеров почки. Дифференцировкой этих осей в зачатке конечности занимаются специфические гены развития. Например, сигнальная молекула Sonic Hedgehog производится в самой задней части почки конечности (вкладка 4q), сигнальный белок FGF8 — вокруг апикального гребня почки конечности (вкладка 4r), а ген Lmx активируется только в клетках верхней половины конечности (вкладка 4s).

В развитии длинных костей, пальцев, суставов, мышц и сухожилий конечностей участвуют другие гены. Развитие этих элементов протекает в проксимально-дистальном направлении, так что сначала определяется положение плеча и бедра, затем предплечья и голени и, наконец, кисти руки и стопы. Кость образуется в результате конденсации клеток, которые сначала образуют хрящевую ткань, постепенно сменяющуюся костной тканью. Сначала конечность представляет собой хрящевую структуру. Экспрессия гена Sox9 предопределяет пространственную структуру процесса конденсации клеток (вкладка 4t) еще даже до того, как будущая конечность становится видимой на клеточном уровне. Между зонами конденсации появляются суставы, но еще до того, как эти зоны становятся видны на клеточном уровне, полосы экспрессии гена GDF5 помечают расположение будущего плеча, локтя, запястья и суставов кисти и пальцев в передних конечностях, а также колена, лодыжки и суставов стопы в задних конечностях (вкладка 4u). Будущее расположение сухожилий, связывающих мышцы с костями конечностей, определяется экспрессией гена scleraxis, также входящего в число генов развития (вкладка 4v).

Своей красотой конечность, кроме всего прочего, обязана смерти. Разделение пальцев у эмбриона мыши, курицы и человека является следствием отмирания ткани, расположенной между пальцами. В межпальцевых зонах кистей и стоп экспрессируются особые гены, которые приказывают клеткам, находящимся в этих промежутках, исполнить программу клеточной смерти (вкладка 4w). Ткань между пальцами исчезает, как будто ее вырезали ножом. Интересно, что у уток в зонах между пальцами экспрессируется дополнительный ген, блокирующий сигнал клеточной смерти, и в результате на лапах утки остаются межпальцевые перепонки.