Посещений:
СОМИТОГЕНЕЗ



Молекулярные механизмы

Molecular mechanism for cyclic generation of somites: Lessons from mice and zebrafish
Taijiro Yabe, Shinji Takada
Development, Growth & Differentiation Volume 58, Issue 1,January 2016, Pages 31-42

The somite is the most prominent metameric structure observed during vertebrate embryogenesis, and its metamerism preserves the characteristic structures of the vertebrae and muscles in the adult body. During vertebrate somitogenesis, sequential formation of epithelialized cell boundaries generates the somites. According to the "clock and wavefront model," the periodical and sequential generation of somites is achieved by the integration of spatiotemporal information provided by the segmentation clock and wavefront. In the anterior region of the presomitic mesoderm, which is the somite precursor, the orchestration between the segmentation clock and the wavefront achieves morphogenesis of somites through multiple processes such as determination of somite boundary position, generation of morophological boundary, and establishment of the rostrocaudal polarity within a somite. Recently, numerous studies using various model animals including mouse, zebrafish, and chick have gradually revealed the molecular aspect of the "clock and wavefront" model and the molecular mechanism connecting the segmentation clock and the wavefront to the multiple processes of somite morphogenesis. In this review, we first summarize the current knowledge about the molecular mechanisms underlying the clock and the wavefront and then describe those of the three processes of somite morphogenesis. Especially, we will discuss the conservation and diversification in the molecular network of the somitigenesis among vertebrates, focusing on two typical model animals used for genetic analyses, i.e., the mouse and zebrafish. In this review, we described molecular mechanism for the generation of somites based on the spatiotemporal information provided by "segmentation clock" and "wavefront" focusing on the evidences obtained from mouse and zebrafish.
Формирование тела базируется на повторяющемся модуле при развитии животных, включая насекомых и беспозвоночных. Типичным примером повторяющегося модуля являются сомиты, которые временно формируются по соседству осевыми тканями во время развития позвоночных. Сомиты, каждый из которых представлен сферической клеточной массой, окруженной эпителиальным слоем, дифференцируются в склеротом и дермомиотом, которые дают позвонки, скелетные мышцы и кожу тела взрослых. Т.о., метамеризм сомитов сохраняется в виде повторяющихся структур позвонков и миотомов.
Сомиты периодически и последовательно генерируются в передне-заднем направлении вдоль A-P оси путем отпочкования от переднего региона пресомитной мезодермы (PSM). Периодическая генерация сомитов объясняется теоретической моделью "Clock and wavefront model". Согласно этой модели ритмическое и последовательное формирование сомитов достгается за счет интеграции пространственно-временной информации, генерируемой за счет ритмической активации "segmentation clock" и задней регрессии "wavefront" , ассоциированного с удлинением кзади оси тела (Cooke & Zeeman 1976; Oates et al. 2012; Hubaud & Pourquie 2014).
Одним из интересных свойств сомитогенеза позвоночных является его разнообразие между видами. Количество и размер сомитов чрезвычайно отличаются, чтобы приспособить тело к условиям, окружающим позвоночных. Изменчивость в размере и количестве сомитов объясняется различиями в периодичности сегментационных часов, скорости задней регрессии фронта волны и продолжительностью времени элонгации тела. Т.о., сомитогенез позвоночных считается регулируемым с помощью этой законсервированной схемы с различающимися параметрами (Oates et al. 2012; Benazeraf & Pourquie 2013). Было установлено, что общая схема часов сегментации консервативна среди видов позвоночных. Однако, детали молекулярной сети, необходимые для генерации этих часов сегментации, скорее всего, довольно разнообразны.
С др. стороны, остается спорным, до какой степени развита консервация или диверсификация молекулярного механизма превращения временной информации, предоставляемой часами, и участие фронта волны метамерной морфологии сомитов, в основном из-за того, что наши представления об этом процессе базируются на фрагментарных данных от разных модельных животных.

Generation of spatiotemporal information is a prerequisite for somite morphogenesis


Oscillator in somite segmentation


"Модель часов и фронта волны" утверждает, что временная информация, генерируемая циклической активацией осциллятора делает возможной периодическую генерацию сомитов (Cooke & Zeeman 1976; Oates et al. 2012). Согласно этой модели временная информация интегрируется в позиционную информацию, предоставляемую фронтом волны, которая постоянно регрессирует в заднем направлении в соответствии с задним удлинением оси тела, приводя в результате к периодической генерации границ сомитов (Fig. 1). Т.о., период времени для образования одного сомита и размера каждого сомита определяется периодом осциллятора и расстоянием, которое проходит фронт волны во время одного цикла осцилляции, соотв. Эта гибкая модель хорошо объясняет наблюдаемую вариабельность в периодичности сомитогенеза и размера сомитов у видов позвоночных.

Figure 1. Model for vertebrate segmentation. (A) Segmentation of somite. In vertebrate somitogenesis, somites are cyclically and sequentially generated by budding off the anterior region of the presomatic mesoderm (PSM). Prior to the generation of a physical somite boundary to separate each somite, the future somite boundary position is determined as the predicted somite boundary. According to the nomenclature of vertebrate somitogenesis, segmented somites are numbered (SI, SII etc.) from posterior to anterior. The newly forming somite is named S0. The presomatic mesoderm is subdivided into perspective somites as S-I, S-II, and so on from anterior to posterior according to the size of the newly segmented somite, SI. (B) The Clock and Wavefront model. A segmentation clock is periodically activated as the oscillation of gene expression or signaling activity in the PSM (Blue) to provide temporal information for somitogenesis. The identification of segmentation clock gene revealed the oscillation phase is different along the A-P axis. Thus, a traveling wave of segmentation clock activity is propagated from posterior to anterior in the PSM. The wavefront, which provides the positional information, regresses posteriorly associated with the posterior elongation of the body axis. A new somite is generated at the anterior PSM, in which the wavefront passed during the last cycle of the segmentation period.
Молекулярная природа этой модели оставалась неясной долгое время. Однако, открытие, что hairy/E(spl)-родственный ген, c-hairy1, экспрессируется осциллирующим способом в PSM во время сомитогенеза у кур позволило понять молекулярный механизм сегментации сомитов (Palmeirim et al. 1997). После этого разные гены, чья экспрессия осциллировала в PSM во время сомитогенеза, были идентифицированы у многих видов (Dequ?ant et al. 2006; Krol et al. 2011). Выявлены консервация и разнообразие в терминах молекулярных сетей, используемых для генерации молекулярных часов у разных видов позвоночных. Мыши и рыбки данио типичные примеры, с помощью которых был генетически исследован молекулярный механизм сегментации.

Segmentation clock in the mouse


Как и у кур, осциллирующая экспрессия двух мышиных hairy/E(spl)-related genes, Hes1 и Hes7, обнаруживается в PSM (Bessho et al. 2001a,b; Masamizu et al. 2006). Периодическая экспрессия Hes7 регулируется с помощью репрессии самой себя (Hirata et al. 2002). В этом процессе собственно регуляция кинетики деградации Hes7 белка и временной пробел между транскрипциями и трансляциями рассматривается как важный для достижения точной периодичности осцилляций Hes7. У knock-in мышей экспрессируется стабилизированный Hes7 белок, осциллирующая экспрессия Hes7 подавлена в позднем сомитогенезе (Hirata et al. 2004). С др. стороны, мыши, обладающие пониженным количеством интронов в гене Hes7, обнаруживают повышенные количества позвонков из-за ускорения периодичности сомитогенеза (Harima et al. 2013).
Экспрессия Hes7 позитивно регулируется с помощью передачи сигналов Notch и Fgf в PSM (Niwa et al. 2007). Конечно, передача сигналов Notch в PSM также вынуждена осциллировать с помощью негативной петли обратной связи, регулируемой посредством активности L-fringe и Nrarp (Dale et al. 2003; Chen et al. 2005; Krebs et al. 2012). Сходным образом, активность Fgf также осциллирует способом, регулируемым путем негативной обратной свузи посредством Fgf ингибитора, Dusp4, Dusp6 и Sprouty2 (Dequ?ant et al. 2006; Niwa et al. 2007; Krol et al. 2011). Активность Fgf позитивно регулируется с помощью Hes7 путем репрессии Dusp4. Т.о., эти три осциллаторные цепочки (circuits), участвуют в экспрессии Hes7, активности Fgf и активности Notch, взаимодействуя др. с др. и это сложные взаимодействия, скорее всего, участвуют в становлении и собственно функционировании часов сегментации у мышей.
Помимо передачи сигналов Notch и FGF активность передачи сигналов Wnt также осциллирует в PSM во время сомитогенеза мыши (Aulehla et al. 2003; Dequ?ant et al. 2006; Krol et al. 2011). Циклическая экспрессия Dkk1, антагониста Wnt, и Axin2, негативного регулятора канонической передачи сигналов Wnt , как полагают, обеспечивают периодическую активацию передачи сигналов Wnt. Недавние исследования показали, что циклическая экспрессия Dll1, Notch лиганда, зависит от активности Wnt (Bone et al. 2014). Т.о., кажется вполне правдоподобным, что взаимодействия этих 4-х осциллирующих цепочек (circuits) генерируют часы сегментации у мышей (Fig. 2A).



Figure 2. Segmentation clock in the mouse and zebrafish. (A) Mouse segmentation clock. In the mouse, Fgf, Notch, and Wnt signaling activities oscillate by the action of their negative-feedback inhibitors. The transcriptional hes7, whose expression is positively regulated by Notch and Notch signaling in the anterior and posterior PSM, respectively, negatively regulates the expression of Notch and Fgf inhibitors. Also, Hes7 expression oscillates in a manner dependent on the function of Hes7 itself. Wnt signaling also activates the expression of Dll1, a Notch ligand. Thus, the interaction among these three signalings regulates the segmentation clock. (B) Zebrafish segmentation clock. Unlike the mouse one, the zebrafish segmentation clock is generated by simple self-repression of two her-related genes, her1 and her7. Although the expressions of two Notch ligands, deltac, also oscillate in a manner dependent on the negative regulation of her1 and her7, the Notch signaling is considered to function as a synchronizer of oscillation rather than as the core-machinery of the segmentation clock. Red characters indicate the genes whose expression or activation is known to oscillate in the PSM (A, B). (C) Topology of interaction of her/hes in the zebrafish segmentation clock. In zebrafish, hes6 is expressed without oscillation in a manner dependent on Fgf signaling. Her1 is capable of making a functional homodimer. On the other hand, Her7, which is unable to do so, interacts with Hes6 to make a functional heterodimer. In addition, the Her1-Hes6 heterodimer is dysfunctional, because it lacks the ability to bind DNA. This modulation of Her1 and Her7 activity by Hes6 is essential to achieve the proper periodicity of the segmentation clock in zebrafish.

Segmentation clock in the zebrafish


У рыбок данио два Hes-родственных гена, her1 и her7, чья экспрессия осциллирует в PSM, функционируют в качестве генов часов сегментации (Henry et al. 2002; Holley et al. 2002; Oates & Ho 2002; Gajewski et al. 2003). Кроме того, экспрессия Notch лиганда, deltaC, также осциллирует во время сомитогенеза (Oates & Ho 2002; J?lich et al. 2005b). Фаза осцилляции экспрессии deltaC синхронна с таковой для her1 и her7. Однако, в противоположность мышам циклическая экспрессия, Notch ингибиторов l-fringe и nrarp не обнаруживается во время сомитогенеза рыбок данио (Prince et al. 2001; Topczewska et al. 2003). Более того, в отличие от мышей активность Notch не считается необходимой для осцилляции экспрессии her1 и her7; хотя экспрессия her1 и her7 сни жается в задней части PSM у deltaD мутантов (Mara et al. 2007; Ozbudak & Lewis 2008; Delaune et al. 2012). , Скорее всего, подавление функции Notch вызывает нарушение синхронизации осцилляций среди соседних клеток. Т.о., у рыбок данио передача сигналов Notch функционирует в качестве синхронизатора часов сегментации. Более того, активность передачи сигналов Fgf не изменяется динамически в задней части PSM, как это наблюдается у мышей, а скорее распределяется в форме градиента вдоль A-P оси в PSM и периодически сдвигается лишь на ограниченное пространство на передней границе градиента FGF (Krol et al. 2011; Akiyama et al. 2014). Т.о., часы сегментации у рыбок данио, по-видимому, в основном управляется проще путем само-репрессии her1 и her7 (Fig 2B).
У рыбок данио регуляторная сеть из Her/Hes димеров модифицирует с помощью негативной петли обратной связи регуляцию экспрессии hairy для создания часов сегментации (Schr?ter et al. 2012; Trofka et al. 2012). Her/Hes белок, как известно, формирует димер для соединения с ДНК, чтобы функционировать как репрессор транскрипции (Fig 2C). У рыбок данио Her1 образует гомодимер, чтобы репрессировать экспрессию генов hairy. С др. стороны, Her7, который не может формировать функциональный гомодимер, нуждается в образовании гетеродимера с Hes6 (известен также как Her13.2), чтобы осуществлять репрессию транскрипции. Кроме того, гетеродимер Her1-Hes6 неспособен соединяться с ДНК. Поскольку периодичность осцилляций замедлена у hes6 мутантов, то модификация часов сегментации с помощью hes6 необходима для генерации соотв. ритма часов сегментации (Schr?ter & Oates 2010). Экспрессия hes6 обнаруживается в виде градиента вдоль A-P оси в задней части PSM способом, зависимым от функции передачи сигналов Fgf (Kawamura et al. 2005b). Т.о., передача сигналов Fgf, по-видимому, регулирует периодичность часов сегментации косвенно. С др. стороны, отсутствуют доказательства участия передачи сигналов Wnt в часах сегментации у рыбок данио.

Synchronization and periodicity of the segmentation clock


Пространственное распространение осциллирующей экспрессии clock гена указывает на то, что активность этих часов сегментации распространяется от задней части кпереди подобно волне. Это не было предсказано в оригинальной теории модели "Clock and Wavefront". Математическая модель прогнозирует, что распространение кпереди бегущей волны clock активности вызывается за счет различий в периодичности часов вдоль A-P оси (Giudicelli et al. 2007; Oates et al. 2012). Недавнее исследование с использованием анализа изображений вживую выявило, что периодичность часов в передней части PSM вдвое медленнее, чем таковая в задней части PSM у рыбок данио (Shih et al. 2015).
В модели "Clock and Wavefront" локальная синхронизация часов сегментации также рассматривается как важная для сомитогенеза. У рыбок данио генетический анализ и анализ изображений от живых особей выявил, что активность Notch, обеспечиваемая с помощью осциллирующей экспрессии deltaC и deltaD, поддерживает синхронность часов (Jiang et al. 2000; Horikawa et al. 2006; Mara et al. 2007; Riedel-Kruse et al. 2007; Ozbudak & Lewis 2008). С др. стороны, у мышей синхронность часов гарантируется с помощью L-fringe-обеспечиваемой транс-репрессии передачи сигналов Notch (Okubo et al. 2012). Т.о., хотя у мышей и рыбок локальные межклеточные взаимодействия опосредуются с помощью передачи сигналов Notch, важной для синхронизации часов, все-таки участвующие молекулярные сети отличатся у этих двух видов.

Molecular aspect of the Wavefront


Модель "Clock and Wavefront" предсказывает, что временная информация, предоставляемая часами, преобразуется в пространственный паттерн сомита на месте фронта волны. Было показано, что градиент активности Fgf и Wnt предоставляет позиционную информацию для фронта волны (Dubrulle et al. 2001; Sawada et al. 2001; Aulehla et al. 2008; Dunty et al. 2008; Bajard et al. 2014). Во время сомитогенеза Fgf и Wnt лиганды экспрессируются в первичной полоске или хвостовой почке, формируя градиенты своей активности вдоль A-P оси в PSM. Исследования на эмбрионах кур и рыбок данио показали, что усиление или снижение передачи сигналов Fgf в PSM приводит к переднему или заднему сдвигу границы сомита, соотв. (Dubrulle et al. 2001; Sawada et al. 2001). Генетический анализ на мышах показал, что позиция границы сдвигается кзади при специфичном для мезодермы нокауте Fgfr1 или при специфичном для параксиальной мезодермы нокауте Fgf4 и Fgf8 (Wahl et al. 2007; Naiche et al. 2011). Как показано на рыбках данио и мышах, передача сигналов Fgf, по-видимому, предопределяет положение границы сегмента путем репрессии Mesp, который играет критическую роль в формировании границ сомитов и их морфологии. Т.о., градиент активности Fgf участвует в позиционировании границ сомитов.
Однако, градиент Fgf динамически изменяется во время цикла формирования сомита у мышей. Активность передачи сигналов Fgf сама по себе осциллирует во время цикла сегментации в PSM мыши. На переднем фронте градиента Fgf, постепенное увеличение и резкое снижение этой активности повторяется в соответствии с циклом сегментации. Благодаря этому резкому снижению, экспрессия Mesp2 освобождается от репрессии и появляется в позиции, где её активатор, передача сигналов Notch, временно активен (Niwa et al. 2011). Т.о., передача сигналов Fgf предоставляет как временную, так и позиционную информацию для сомитогенеза у мышей. У рыбок данио также происходит осциллирующая активация передачи сигналов Fgf, но только на ограниченной области переднего фронта градиента Fgf. Как результат, передний фронт этого градиента сдвигается кзади ступенчато-образно, при этом цикл сегментации зависит от функции her1 и her7. Т.о., передача сигналов Fgf, по-видимому, предоставляет как позиционную, так и временную информацию у рыбок данио также, как и у мышей (Akiyama et al. 2014).
С др. стороны, изучение мышей подтвердило, что градиент передачи сигналов Wnt также участвует в формировании фронта волны (Aulehla et al. 2008; Dunty et al. 2008). Активация передачи сигналов Wnt по всей параксиальной мезодерме ингибирует созревание PSM и вызывает передний сдвиг презумптивной границы сегмента. Сходным образом, у рыбок данио подавление передачи сигналов Wnt приводит к заднему сдвигу границы сомита (Bajard et al. 2014). Хотя у мышей экспрессия Fgf и Wnt лигандов взаимно активируется с помощью активности их передачи сигналов в хвостовой почке, иерархические взаимоотношения между передачей сигналов Fgf и Wnt остаются неясными (Aulehla et al. 2008; Naiche et al. 2011) .

Mechanism of somite morphogenesis


Пари сомитогенезе пространственно-временная информация, предоставляемая часами сегментации и фронтом волны (wavefront), интегрируется, чтобы сделать возможной периодическую и последовательную генерацию сомитов. Такое образование сомитов считается состоящим, по крайней мере, из трех процессов (Fig. 3). Во-первых, позиционирование границы будущего сомита (somite positioning). Затем эта граница сомита создавалась морфологически с помощью эпителизации в положении презумптивной границы сомита (morphological boundary formation). Параллельно с морфологическим формированием границы, устанавливалась ростро-каудальная полярность внутри сомита, чтобы прдоставить позиционную информацию, с помощью которой генерируются разные типы клеток в сомитах во время более позднего развития (R-C polarity formation).



Figure 3. Three steps of somite formation in vertebrates. The processes of somite formation are divided into three steps. At first, the position of the next segment boundary is determined as the predicted somite boundary at the anterior PSM (Somite positioning). Next, the epithelialization of cells occurs along the segmental boundary to separate the two somites (physical boundary formation). In parallel to this physical boundary formation, the rostrocaudal polarity is established in the somite (R-C polarity formation).
При сомитогенезе у мышей Mesp2, a basic helix-loop-helix транскрипционный фактор, как известно, действует как главный ключевой регулятор, чтобы соединять пространственно-временную информацию, генерируемую часами сегментации и фронтом волны, с этими тремя процессами сомитогенеза (Saga et al. 1997).

Regulation of Mesp2 expression by the segmentation clock and wavefront


У мышей Mesp2 является одним из наиболее важных генов сомитогенеза мыши, поскольку функция Mesp2 необходима для множественных процессов формирования границы сомита. Экспрессия Mesp2 периодически изменяется в соответствии с циклом сегментации (Takahashi et al. 2000; Morimoto et al. 2005). Во-первых, экспрессия Mesp2 активируется во всем регионе одной презумптивной единицы сомита (S-I). Затем его экспрессия ограничивается передней половиной презумптивного сомита.
Экспрессия Mesp2 регулируется с помощью Tbx6, a T-box транскрипционного фактора, экспрессирующегося в PSM, и с помощью передачи сигналов Notch (Yasuhiko et al. 2006). Напр., у мутантных мышей с отсутствием сайта связывания Tbx6 в промоторе Mesp2, экспрессия Mesp2 элиминируется в передней части PSM (Yasuhiko et al. 2008). Также, нокаутные по Dll1 мыши или Rbpjk нокаутные мыши, у которых передача сигналов Notch нарушена в PSM, экспрессия Mesp2 сильно снижена (Barrantes et al. 1999; Takahashi et al. 2003). Более того, выявлена координация циклической активации передачи сигналов Notch и экспрессии Mesp2 в передней части PSM (Morimoto et al. 2005). Т.о., циклическая экспрессия Mesp2 в передней части PSM регулируется с помощью кооперативной функции T-box белка, Tbx6, и передачи сигналов Notch у мышей. С др. стороны, передача сигналов Fgf негативно регулирует экспрессию Mesp2, чтобы детерминировать задний предел экспрессии Mesp2, поскольку экспрессия Mesp2 сдвигается кзади у двойных нокаутов по Fgf4 и Fgf8 мыши или у эмбрионов, обработанных химическим ингибитором Fgf рецептора (Oginuma et al. 2008; Naiche et al. 2011). Т.о., экспрессия Mesp2 регулируется с помощью часов сегментации и фронта волны (Fig. 4A,B).



Figure 4. Model for somite boundary formation in the mouse. First, the expression of Mesp2, which encodes a basic helix-loop-helix transcriptional factor, is suppressed by Fgf signaling at the anterior PSM (A). When the Fgf activity is downregulated at the anterior PSM, the expression of basic helix-loop-helix transcriptional factor, Mesp2, occurs at the anterior edge of Tbx6 protein domain, in which Notch signaling is activated (B). Then Mesp2 activates the expression of Ripply1 and Ripply2. These Ripply's eliminate the Tbx6 protein to determine the position of the next somite boundary (C). Then, the expression of Mesp2 is restricted to the anterior domain of the presumptive somite and activates the expression of Epha4. The repulsive interaction between the Epha4 and ephrinb2 generates a physical somite boundary (D). Mesp2 also represses the Notch signaling activity to establish the rostral identity in the somite (E). Green box and orange bar indicate the expression domain of Mesp2 and Tbx6 protein, respectively. Red and Blue lines mean signal level of Notch and Fgf, respectively.

Boundary positioning


Позиционирование границы презумптивного сомита - это первая ступень в модели "clock and wavefront" формирования границы сомита (Saga 2012a). В сомитогенезе мыши, Tbx6 белок обнаруживается в PSM от задней к передней границе презумптивного S-I домена (see Fig. 1). Этот передний край домена белка Tbx6 предопределяет передний предел экспрессии Mesp2, поскольку экспрессия Mesp2 зависит от Tbx6. Этот передний предел Mesp2, который соответствует переднему краю домена белка Tbx6, предопределяет положение границы сомита; поскольку функция Mesp2 необходима для формирования морфологической границы сегмента. С др. стороны, у нокаутных по Mesp2 мышей, хотя экспрессия мРНК Tbx6 не затронута, передняя граница домена белка Tbx6 расширена кпереди. Дальнейший анализ выявил, что Mesp2 генерирует границу презумптивного сомита посредством деградации белка Tbx6 зависимым от протеосом способом (Oginuma et al. 2008).
Ripply1 и Ripply2, члены семейства белков Ripply, являются репрессорами транскрипции, взаимодействующими с T-box белками (Kawamura et al. 2005a, 2008). Сначала предполагалось, что Ripply является регулятором негативной петли обратной связи для Mesp2; поскольку экспрессия Ripply1 и Ripply2 зависит от функции Mesp2, а экспрессия Mesp2 повышена у нокаутных по Ripply2 мышей (Chan et al. 2007; Morimoto et al. 2007). Однако, у мышей двойных нокаутов по Ripply1 и Ripply2 переднее расширение домена белка Tbx6 было сходным как и у Mesp2 нокаутных мышей, указывая. что Ripplys предопределяют передний край белкового домена Tbx6 и действуют как медиаторы детерминации презумптивной границы сомита ниже Mesp2 (Takahashi et al. 2010). Это мнение подтверждается также доказательствами, указывающими, что Ripply2 способен генерировать границу презумптивного сомита без функции Mesp2 (Zhao et al. 2015). Следовательно, передача сигналов Notch и Mesp2 превращают временную периодичность часов сегментации путем регуляции Tbx6 белка с помощью Ripply1 и Ripply2 у мышей (Fig. 4C).
У рыбок данио tbx6/fused сомит (известен ранее как tbx24) также является важным для формирования границ сомита (Van Eeden et al. 1996; Nikaido et al. 2002). Как и в случае мышей, передний край домена белка Tbx6 предопределяет позицию границы будущего сомита. Более того, этот передний край регрессирует кзади способом, зависимым от функции ripply1 и ripply2 у рыбок данио (Wanglar et al. 2014). Т.о., взаимодействие между Tbx6 и Ripply, по-видимому, законсервировано у мышей и рыбок данио.
Однако, всё ещё не определено, действительно ли mesp участвует в позиционировании границы, в основном из-за отсутствия анализа, что ингибирует все функции mesp у рыбок данио во время сомитогенеза. У рыбок данио имеются 4 mesp гена (mespaa, mespab, mespba и mespbb), все они экспрессируются в передней части PSM во время сомитогенеза (Durbin et al. 2000; Sawada et al. 2000; Cutty et al. 2012). Хотя избыточная экспрессия mesp вызывает тяжелые дефекты в формировании границ сомитов, разрушение двух из 4-х mesp генов, mespba и mespbb, не влияет на её образование (Sawada et al. 2000; Windner et al. 2015).
У рыбок данио подавление передачи сигналов Notch, путем использования химического ингибитора, вызывает тяжелый дефект образования границы сомита в течение более 6 ч после воздействия хим. соединения (Ozbudak & Lewis 2008). Из-за этой долговременной задержки дефект в образовании сомита путем ингибирования Notch интерпретируется так, что он вызывается десинхронизацией часов сегментации скорее, чем дефектом сомитов в процессе образования границы сомитов. Т.о., в противоположность мышам, у которых периодическая экспрессия Mesp2 зависит от активности Notch, такая активность не считается существенной для позиционирования сомитов у рыбок данио. Более того, активность Notch не влияет на уровень экспрессии, но влияет на паттерн экспрессии, гена mespb, который у рыбок данио является ортологом мышиного Mesp2 (Cutty et al. 2012). Т.о., молекулярный механизм соединения часов сегментации с позиционированием сегментной границы всё ещё остается неизвестным у рыбок данио. С др. стороны, задний конец доменов экспрессии mesp и ripplyis предопределяется с помощью передачи сигналов Fgf или Wnt, подтверждая, что активность Wnt и Fgf участвует в позиционировании границы сомита, как и у мышей (Sawada et al. 2001; Bajard et al. 2014; Wanglar et al. 2014).

Morphological boundary formation


Морфологическая граница сомита предопределяется передним краем домена белка Tbx6. В сомитогенезе мышей Mesp2, как полагают, связывает позиционирование сомита с образованием морфологической границы сомита. Поскольку Mesp2-дефицитные мыши обнаруживают нарушения расположения сомитов и образования морфологической границы, Mesp2ripply2 knock-in мыши, у которых ген Mesp2 замещен геном Ripply2, обнаруживают дефектное образование морфологической границы, но не наблюдается образования видимых аномалий передней границы домена белка Tbx6 (Zhao et al. 2015). находка указывает на то, что Mesp2 важен для образования морфологической границы сегмента независимо от его функции в позиционировании сомита.
Epha4, который был идентифицирован как непосредственная мишень для Mesp2, является одним из выдающихся кандидатов на роль обеспечения морфогенеза сегментной границы, стоящим ниже Mesp2 (Nakajima et al. 2006) (Fig. 4D). Предыдущие исследования показали, что взаимное отталкивание между Eph-Ephrin является важным для формирования морфологической границы сомита, поскольку трансплантационные эксперименты показали, что морфологическая граница формируется интерфейсе между Epha4-экспрессирующими клетками и Ephrinb2-экспрессирующими клетками у эмбрионов кур и рыбок данио (Durbin et al. 2000; Barrios et al. 2003; Watanabe et al. 2009). У эмбрионов кур такая структура границы генерируется с помощью эпителизации клеток за счет регуляции активности Cdc42 способом, зависящим от обратного сигнала от Ephrinb2 (Watanabe et al. 2009). Однако, отсутствуют генетические доказательства участия системы Eph-Ephrin в формировании морфологической границы сегментов у мышей.
С др. стороны, у рыбок данио предполагается дополнительный молекулярный путь, регулирующий формирование морфологической границы сомитов, действующий параллельно с Epha4 и Ephrinb2, поскольку эпителизация клеток не происходит при эктопически сгенерированной границе между epha4 и ephirinb2 на мутантном tbx6/fss фоне (Barrios et al. 2003). Дальнейший анализ выявил накопление молекул внеклеточного матрикса, Fibronectin1, обеспечиваемое с помощью Integrinα5, которое активируется с помощью Cdh2/N-cadherin и важно для эпителизации клеток вдоль границы сомита у рыбок даниоh (Julich et al. 2005a, 2009, 2015; Koshida et al. 2005). Однако, взаимоотношение между Cdc42-обеспечиваемой и Fibronectin-обеспечиваемой эпителизацией всё ещё остается неясным.
Papc, являющийся параксиальным протокадгерином , как полагают, тоже участвует в этом процессе. У эмбрионов Xenopus и мыши доминантно-негативная форма Papc вызывает тяжелые дефекты образования границ сомитов (Kim et al. 2000; Rhee et al. 2003). Однако, нокаутные по Papc мыши не обнаруживают очевидных дефектов в образовании сомитов (Yamamoto et al. 2000).

Rostro-caudal polarity formation in somites


Параллельно с образованием морфологической границы устанавливается ростро-каудальная полярность в сомитах, обеспечивающая позиционную информацию в сомитах. Т.к. становление ростро-каудальной полярности тесно связано с формированием границы сомита, то образование границы, как полагали ранее, зависит от становления R-C полярности в сомите. Сегодня, однако, получены доказательства с использованием гипоморфного аллеля Mesp2, что эти два процесса следует рассматривать как самостоятельные (Nomura-Kitabayashi et al. 2002).
При сомитогенезе мыши качественные особенности задней части сомита устанавливаются с помощью активности Notch, поскольку эти особенности исчезают, когда функция presenilins, кодирующих γ-secretase, важной для трансдукции передачи сигналов Notch, элиминируется (Takahashi et al. 2000). Напротив, ростральная полярность сомита теряется у Mesp2 мутантных мышей, подтверждая, что Mesp2 действует независимо от становления ростральных качественных особенностей сомита (Takahashi et al. 2000) (Fig. 4E). Mesp2 осуществляет ростральную индуцирующую активность за счет репрессии передачи сигналов Notch, поскольку фенотип каудализации мутантов Mesp2 устраняется путем индукции дополнительной мутации в гене Presenilin1 и устраняется за счет экспрессии доминантно-негативного RBPJκ (Takahashi et al. 2000; Sasaki et al. 2011). В соответствии с этой поздней фазой образования границы сомита экспрессия Mesp2 оказывается исключенной из Notch-активируемого домена, как только инициируется его экспрессия во всем регионе презумптивного сомита S-I (Morimoto et al. 2005).
Неясно, какая молекула участвует в Mesp2-обеспечиваемой супрессии активности Notch. Одним из кандидатов является L-fringe, чья экспрессия в ростральном компартменте нуждается в Mesp2 (Morimoto et al. 2005). Однако, Mesp2-зависимая экспрессия L-fringe считается несущественной для становления ростральных характеристик, поскольку экспрессия L-fringe в передней части PSM недостаточна для надлежащего образования сомита (Oginuma et al. 2010). Т.о., участие др. молекул подтверждено для Mesp2-обеспечиваемой супрессии передачи сигналов Notch. Кандидатом на роль такой молекулы является mastermind, поскольку белок mastermind, важный для передачи сигналов Notch, деградирует Mesp2-хависимым способом (Sasaki et al. 2011). Т.о., возможно, что Mesp2 устанавливает ростральные характеристики путем подавления передачи сигналов Notch с помощью этих двух параллельных путей.
В эмбриогенезе мыши R-C полярность сомитов необходима для морфогенеза костей позвонков и соответствующей миграции клеток нервного гребня (Saga 2012b). С др. стороны, R-C полярность необходима для надлежащего миогенеза у рыб и амфибий. У рыбок данио клетки каудальных частей сомитов дифференцируются в быстрые мышечные волокна непосредственно перед образованием границ сомитов (Stellabotte & Devoto 2007). Напротив, клетки из ростальной части сомита, которые транслоцируются на латеральную поверхность сомита, генерируют пролиферативные мышечные предшественники для поддержания мышечных волокон во время позднего эмбрионального и постэмбрионального развития (Hollway et al. 2007; Stellabotte et al. 2007). Такой асимметричный миогенез вдоль R-C оси в сомитах, как известно, регулируется с помощью mespbs у рыбок данио. Т.о., функция mesp участвует также в становлении R-C полярности сомитов у рыбок данио. Однако, молекулярные механизмы, ответственные за различия в формировании паттерна сомитов у мышей и рыбок данио всё ещё неизвестны.

Perspective


The temporal information predicted by the "Clock and Wavefront" model of the 1970s is identified as the oscillatory expression or activation of clock genes generated by negative-feedback regulation. In addition, a gradient of activity of Fgf and Wnt signaling is involved in the function of the wavefront to provide the positional information. In the anterior PSM, this spatiotemporal information is integrated into the three-dimensional structure of a somite by the sequential determination of somite position, morphological somite boundary, and R-C polarity formation. In mouse somitogenesis, Mesp2 functions as the master key regulator to link the temporal information generated by the segmentation clock to these three processes of somite morphogenesis (Fig. 4).
On the other hand, diversity is a remarkable feature of somitogenesis in vertebrates, although the overall scheme of somitogenesis is conserved.Since every model animal has its own advantages and disadvantages for examination of each process of morphogenesis, sometimes it seems useful to gather fractions of evidence obtained from different model animals to understand the overall scheme of a particular event. This approach is effective unless the molecular mechanisms are diverse among model animals. However, this is not the case for somite boundary formation. Clarification of the entire molecular network for somitogenesis in individual model animals will be required to afford a better understanding of the conservativeness and diversity of somitogenesis among vertebrates.