Собираем конечности: эта кость соединяется с...

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.

Хотя все конечности состоят из одних и тех же элементов — костей, сухожилий, мышц, суставов и т.д., размер, форма и число этих элементов в разных частях конечностей различаются. Например, плечо состоит из одной длинной кости, предплечье — из двух длинных костей, а кисть имеет до пяти пальцев. За размер, форму и число элементов конечности отвечает группа Hox -генов (в первую очередь Hoxa9-13 и Hoxd9-13), зоны экспрессии которых в процессе развития как задних, так и передних конечностей формируют очень сложную картину и частично перекрывают друг друга. Кроме того, у большинства видов животных передние и задние конечности также устроены по-разному. Наши руки и ноги, кисти и стопы, пальцы рук и ног — это разные вариации одной и той же структуры. У других животных, таких как птицы, кенгуру или динозавр Tyrannosaurus rex, различие между передними и задними конечностями еще заметнее. Это связано с тем, что в передней или задней конечности происходит избирательная экспрессия определенной группы генов развития, что и определяет формирование различий между этими сериально гомологичными структурами.

4о Процесс формирования сомитов маркирован экспрессией генов развития в каждом развивающемся сомите, включая те, которые еще только предстоит сформировать. Фотография предоставлена Оливье Пуркье Институт Стауэрсов, Канзас-Сити, Миссури.

4p Зоны экспрессии определенных Hox-генов располагаются вдоль туловища в определенных сомитах. Фотография предоставлена Оливье Пуркье, из статьи Cell 106 (2001): 219-32 с разрешения издательства.

4q Экспрессия гена развития помечает расположение развивающихся почек крыльев и ног. Фотография предоставлена Джоном Фоллоном, Университет Висконсина.

4r Два важнейших участка почки конечности цыпленка маркируются экспрессией генов развития. Ген Sonic hedgehog экспрессируется в зоне поляризующей активности, а ген FGF8- в апикальном эктодермальном гребне почки конечности.

4s Ген развития Lmx помечает верхнюю половину конечности. Показаны почки двух конечностей: обратите внимание на лиловую окраску верхней части каждой из них. Фотографии 4r и 4s предоставлены Клиффом Табином, Медицинский факультет Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс.

4t Последовательные стадии развития конечности и формирование хрящевой ткани визуализируются благодаря экспрессии генов развития. На первой картинке показаны области экспрессии гена Sox9 в почке конечности, маркирующие будущие отделы верхней конечности. На остальных картинках отражено последовательное формирование предплечья, кисти и пальцев. Фотографии предоставлены Хуаном Урле, Университет Кантабрии, Сантандер, Испания; из статьи Developmental Biology 257 (2003): 292-301 с разрешения издательства.