Развитие позвонков в эмбриогенезе

Здесь мы снова вернемся к крошечному человеческому эмбриону. Прошло всего четыре недели после зачатия, и эмбрион имеет размер около половины сантиметра. Теперь у эмбриона – все признаки хордового животного: хорда, полая нервная трубка и хвост. Кроме того, так же как и все эмбрионы позвоночных животных, эмбрион человека располагает жаберными дугами. По сторонам крошечной головы уже видны толстые, округлые плакоды, будущие хрусталики, которые скоро погрузятся внутрь глаз. Вдоль спины эмбриона тянется двойной ряд небольших возвышений, напоминающий расположенные рядом нитки бус.

Эти бугорки появились в ответ на внутренние сигналы, поступившие из расположенных в тех же бугорках клеток. Однако после этого в контакт с бугорками вступают и другие ткани. Естественно, они тоже говорят языком химических сигналов (морфогенов). Когда эти морфогены проникают в бугорок из окружающей ткани, клетки бугорка начинают дифференцироваться. У непосредственных предшественников позвоночных, таких как хайкоуэлла и ланцетник, хорда выступает как осевой стержень, на котором держится все тело животного. У позвоночных животных, таких как вы и я, роль опоры берет на себя последовательность костей, сочлененных между собой подвижными суставами и образующих гибкий позвоночник. В какой-то степени хорда сама способствует собственному отмиранию в процессе эмбрионального развития, так как посылает в бугорки (которые мы будем называть сомитами) сигналы, заставляющие их превращаться в части скелета – в данном случае в позвонки. Другие сигналы, поступающие из нервной трубки, приказывают клеткам верхних и наружных участков сомитов превращаться в предшественников дермы (глубинного слоя кожи) и мышц.

Все, что возникает из каждого бугорка, или сомита, иннервируется одним спинномозговым нервом. Где бы ни заканчивались эти ткани, они всегда помнят о том сегменте, из которого они произошли. Мышцы могут переместиться на значительное расстояние от исходного сомита и даже оторваться от него, но они сохраняют прежнюю иннервацию исходным сегментарным нервом. Например, мышечные клетки, происходящие из пятого и шестого шейных сомитов, могут мигрировать в зачаток формирующейся верхней конечности и дать начало таким мышцам, как двуглавая мышца плеча (называемая в просторечии бицепсом). Так вот, иннервация бицепса осуществляется нервом, который берет начало все там же, на шее, в промежутке между пятым и шестым шейными позвонками.

В пределах каждого сомита клетки его внутреннего, костного элемента мигрируют к средней линии, встречаясь там с такими же клетками противоположной стороны – над нервной трубкой, окружая ткань хорды. Эти клетки вначале образуют хрящевую модель позвонка. Фактически каждый индивидуальный позвонок образуется из слияния нижней части сомита с верхней частью низлежащего сомита. Это очень важно, потому что спинномозговой нерв, выходящий из сомита точно посередине, оказывается в промежутке между двумя соседними позвонками. Это также означает, что мышечные блоки, развивающиеся на наружных участках каждого сомита, станут мостиками между соседними позвонками, а значит, смогут приводить в движение позвоночник.

Есть некоторые вещи, которые вы можете сделать для нормального развития позвоночника своего ребенка, если вы будущая мать. Клетки сомитов, скапливающиеся над нервной трубкой и окружающие ее, в конце концов превращаются в дуги позвонков, которые заключают в себе и защищают спинной мозг. Если элементы дуг не смыкаются над спинным мозгом, то полноценные дуги, естественно, не могут образоваться и спинной мозг оказывается без защиты. Такое заболевание называют «расщепленным позвоночником». В большинстве легких случаев это расщепление касается только задних частей дуг, но при этом остаются в неприкосновенности спинной мозг и покрывающая его кожа, и со спинномозговыми нервами не возникает никаких проблем. В более тяжелых случаях нервная ткань спинного мозга выпирает из-под кожи по средней линии спины новорожденного. В этих случаях спинной мозг становится подверженным инфекциям, а кроме того, это угрожает серьезными нарушениями работы нервной системы. Даже если удастся хирургическим путем закрыть этот дефект, дело может кончиться параличом нижних конечностей.

Одним из факторов риска развития расщепленного позвоночника является дефицит фолиевой кислоты в пищевом рационе матери. Фолиевая кислота – это незаменимый витамин, играющий важную роль в синтезе ДНК, а кроме того, он очень важен для правильного развития и формирования нервной трубки эмбриона. Наш организм не способен самостоятельно синтезировать фолиевую кислоту, и поэтому мы должны получать ее с пищей. Фолиевая кислота содержится в зелени (собственно, название кислоты происходит от латинского слова folium, что и означает «лист»), а кроме того, в горохе, фасоли, яичном желтке и семечках подсолнуха. В странах, где женщинам рекомендуют регулярно принимать фолиевую кислоту, частота расщепленного позвоночника и других врожденных дефектов нервной трубки значительно снизилась. Фолиевую кислоту добавляют также в хлеб и другие блюда из злаков. Проведенные исследования показывают, что с тех пор, как в злаковые блюда и хлеб в 1998 году начали добавлять фолиевую кислоту, частота расщепленного позвоночника в США сократилась вдвое. Действительно, было установлено, что в 70 % случаев такие врожденные дефекты можно предотвратить регулярным приемом фолиевой кислоты во время беременности. Именно поэтому очень важно для всех будущих мам – а на самом деле и для всех женщин, надеющихся забеременеть, – принимать фолиевую кислоту наряду со сбалансированным питанием.

Несмотря на то что все позвонки, в принципе, имеют одинаковый план строения, между ними имеются существенные различия в его деталях. Конкретное строение и вид каждого позвонка в позвоночном столбе определяется на очень ранних стадиях эмбрионального развития. Гены Hox включаются в клетках, расположенных вдоль продольной оси тела эмбриона, до того как начинается образование сомитов. Набор Hox-генов, включенных в каждом сегменте, диктует кости, развивающейся из склеротома (зачатка скелета), позвонком какого типа она должна стать: шейным, грудным (с суставными поверхностями для сочленения с ребрами), поясничным, крестцовым (с поверхностями сочленения с тазовыми костями) или копчиковым.