Genetics of scapula and pelvis development: An evolutionary perspective | |
|---|---|
|
|
В качнстве ключевых компонентов поясов лопатка и таз являются уникальными костями со множественными функциями, наиболее важными из которых прикрепление аппендикулярного скелета к осевому скелету у тетрапод и облегчение движений каждой конечности. Поскольку они обладают общим функциональным сходством, но их морфология, эволюционная история и развитие заметно отличаются. Несмотря на значительные исследования функциональной анатомии каждого из поясов у позвоночных, исследования их пренатального развития и генетической архитектуры находятся во младенчестве по сравнению с тем, что известно о развитии присоединенных конечностей. Здесь мы представим детальный обзор современных знаний о эмбриональном, плодном и постнатальном развитии скелетных элементов обоих поясов, скоенцентрировавшись на тканях и генетических сетях, которые играют роль в формировани их паттерна и морфогенеза. Мы полагаем, что из-за избирательного давления разные позвоночные имеют форму поясов, сильно измененную в процессе развития, также как и лежащие в основе генетические сети. Мы начнем с описания формы и функции каждой кости, после обхзора их эволюционной истории. Затем мы обсудим эмбриональные и ранние постнатальные процессы развития, формирующие лопатку и таз и соотв. генетические сети. 1.1. Anatomy and function
На уровне переденей brachiocephalic облати, лопатка соединяет переднюю конечность с туловищем, тогда как задняя пояснично-кресцовая область таза соединяет задние конечности. Из-за функциональных отличий каждый тип конечности у тетрапод, лопатка и таз обнаруживают сильно отличающуюся морфологию. В целом, лопаатка имеет треугольную форму и расположена поверх дорзо-латеральной области торокса (Fig. 1) (Romer & Parsons, 1986). Лопатка состоит из медиально расположенной крупной плоской тонкой в плоскости кости, известной как лист (blade), которая подразделена дорсально на supraspinatus и infraspinatus ямки с помощью bony spine. Этот гребень (spine) распространяется латерально и в зависимости от того является ли животное прямоходящим (orthograde) или четвероногим (pronograde), формирует боковой или направленный книзу acromion, соотв. (Young, 2004). Акромион формирует лигаментозное сочленение с ключицей, которая закреплена на грудине вентрально посредством доболинтельных связок. Т.о., ключица и лопатка составляют грудной пояс у млекопитающих, хотя некоторые виды теряют ключицу (Romer & Parsons, 1986; see Sears, Capellini, & Diogo, 2015 обзор по эволюции поясов). Лист (blade) также латерально распространяется к шее и голове, последняя из этих частей обладает латерально обращенной полостью, наз. glenoid fossa для сочленения с головкой плеча в плечевом суставе. Поверх glenoid находится клювовидный отросток, который подобно лопатке (blade), служит в качестве места прикрепления мышц, которые покрывают лопатку и плечо (Romer & Parsons, 1986). Т.о., собственно лопатка не имеет настоящего костного соединения с осевым скелетом и прикреплена к грудной клетке и позвоночному столбу только посредством скелетных мышц (Valasek et al., 2010). Это позволяет предположить, что лопатка возникает в результе своего действия в качестве крупной сесамовидной кости, увеличвая преимущества мышц, которые пересекают её и проникают в переднюю конечность (Sears et al., 2015; Williams, 2003). Поскольку спорно, что охват мышцами scapula blade's связан с её онтогенетическим происхождением из сомитов (see below).
 Fig. 1 Genetic regulation of scapula development, including Pbx hierarchical control on effectors of scapular girdle morphogenesis. (Top left) Schematic illustration depicting genetic networks that govern murine pectoral girdle development. Colored areas correspond to specific anatomical structures (displayed at E12.5-E15.5) of the developing girdle and to critical domains of gene expression during earlier patterning stages (i.e., E10.5 and E11.5). Superior scapular blade (bl) domain, where expression of Aristaless genes such as Alx1, Alx3, and Alx4 is pronounced, is represented in purple; the spine (sp) and central scapula blade (bl), corresponding to a Tbx15 expression territory is represented in red/brown; the inferior scapular blade (bl) domain, expressing Gli3 is represented in green; the acromion (acr), that exhibits Pax1 and Hox gene expression, is represented in orange. The proximal limb element, humerus (hu) is represented in gray. Pbx factors work as upstream regulators of domain-specific gene networks that pattern all of these structures. In the superior scapula blade, genetic and molecular interaction of Pbx with Emx2 directly regulate the transcription of Alx1 (solid arrow), responsible for superior scapular blade patterning. However, Pbx also regulates Emx2 and Sox9, either directly or indirectly, and this control influences mesenchymal condensation and chondrogenesis across the entire blade and head/neck region. In the central scapular blade, including the root of the spine, Pbx-dependent control of Tbx15 expression is highlighted (within the brown box). In the inferior scapular blade, Gli3 (within the teal box) is also regulated hierarchically by Pbx family members. Pax1 and 3? Hox genes in the acromion and neck/head structures (within the box outlined in purple and orange) are additionally regulated upstream by Pbx. Solid arrows represent direct protein binding and molecular interactions; dashed arrows indicate genetic control. (Top right and Bottom) Pectoral girdle phenotypes in allelic series of E14.5 WT (Top right) and Pbx compound mutant embryos and Pbx1;Emx2 mutants (Bottom), depicting the respective reductions and malformations in scapular neck/head, spine, and blade of each mutant, as compared to wild type (see text for details). Таз состоит из правой и левой os coxae, и не обладает плоской треугольно формой, характерной для лопатки. Скорее какждая coxae представлена тремя слитыми элементами, которые расширяются в разных плоскостях: наверху располагается подвздошная кость (ilium), книзу и вентрально располагается лобковая кость (pubis) и книзу и дорсально располагается седалищная кость (ischium) (Fig. 2) (Romer & Parsons, 1986; Young & Capellini, 2015). Эти три кости центрально сливаются в вертлюжную впадину (acetabulum), которая сочленяется с головкой бедрнной кости нижней конечности, тем самым закрепляя конечность на туловище (Romer & Parsons, 1986). Обе os coxae сочленяются др. с др. вентрально лобкового симфиза, идорсально с кресцом посредством кресцово-подвздошного сочлененения (Verbruggen & Nowlan, 2017). Различные веточки, ямки и выступы на подвздошной кости, седализной кости и лобковой кости преставляют собой места для прикрепления мышц тазовой диафрагмы и нижних конечностей и необходимы для позиционных движений и локомоции.
 Fig. 2
Genetic regulation of pelvic girdle development, including Pbx hierarchical control on effectors of girdle morphogenesis. (Top left) Schematic illustration depicting the murine pelvic girdle at E12.5-E15.5. Colored areas correspond to specific anatomical structures and to critical domains of gene expression during earlier patterning stages. Ilium (il) domain is represented in purple; ischium (is) in green; and pubis (pu) in red. The panels that comprise genes involved in the formation of each one of these elements are depicted on the right side of the pelvic anatomical illustration with the same colors of the anatomical elements. Pbx1/Pbx2 hierarchically regulate Pitx1 during the specification of the ilium (purple panel); Alx1, Prrx1, and Twist1 in pubis development (red panel); and Pax1 during ischial field establishment (green panel). Islet1 (Isl1) additionally regulates in parallel pubis and ischium specification, thus dividing the pelvis into superior (ilium) and inferior (pubis and ischium) portions. In addition, Pbx1/Pbx2 hierarchically regulates Emx2 during the mesenchymal condensation of the entire pelvic girdle, as well as Sox9 (white panel). Solid arrows represent direct molecular interactions; dashed arrows indicate genetic control. (Bottom) Illustrations depicting the WT pelvic girdle at E14.5 and the phenotypes of compound Pbx family mutants and Pbx1;Emx2 mutants (see text for details). Первичная функция лопаток и таза является закрепление конечностей на туловище и предоставления интегральных мест прикрепления для многих мышц конечностей и туловища. У четвероногих животных (напр.., мыши и обезьяны), плечевой пояс предназначен для движения передними кончностями и для передачи сил к оси тела во время передвижения (Romer & Parsons, 1986). У двуногих животныхи (напр., люди), лопатка вместо задавания приоритета подвижности и широкому диапазону движений отдает предпочтение действиям, таким как грузоподъемность, манипуляции с объектами, использованию инструментов и крутящим движениям. Напротив, у почти всех наземных животных таз главным образом участвует в удержании веса и передвижениях, т.к. он служит для передачи сил, генерируемых толчками обеих задних конечностей и передачей их к оси. У двуногих он играет дополнительные роли в поддержании веса верхней части тела во время перемещений и его bowl-shaped подвздошная кость, которая формирует верхнюю часть тазового пояса, является защитной структурой для органов и тканей нижней части живота и тазовой полости. Наконец, у людей таз д. оставаться достаточно широким, достаточным для прохождения через родовой канал крупноголовых новорожденных (DeSilva & Rosenberg, 2017).
1.2. Evolutionary history Существует огромное количество разнообразных движений у позвоночных, которое отражается на разнообразии морфологии лопатки и таза, т.к. форма костей, формируемая естественным отбором идеально подогнана у каждого вида для передвижений. Отличия в морфологии лопаток и таза отражают раздельное эволюционное происхождение каждого пояса. В грудном поясе структура плавников возникает первой и обнаруживается у беззубых рыб в окаменелостях, датируемых ~430 миллионов лет тому назад (MYA) (Coates, 2003; Johanson & Trinajstic, 2014; Trinajstic, Boisvert, Long, Maksimenko, & Johanson, 2015). Они существовали в изоляции в течение нескольких миллионов лет до тех пор, пока тазовый пояс и структура плавников появилась на поверхности у челюстных рыб ~413 MYA (Zhu, Yu, Choo, Wang, & Jia, 2012). В первое время грудной пояс крепился непосредственно к оссификациям кожи головы или цефалического региона, тогда как кости тазовых плавников были слабее прикреплены к др. скелетным элементам (Diogo & Ziermann, 2015; Zhu et al., 2012, 2013). Приблизительно 40 миллионов лет тому назад во время перехода от плавников к конечностям изменения в грудном поясе также предшествовали тазовым, в это время в соответствии с потребностями выхода на сушу многие животные становились похожими на тетрапод (Boisvert, 2005; Clack, 2009; Coates, Ruta, & Friedman, 2008). Когда тетраподы диверсифицировались в разные множественные clades с разными формами перемещения, лопатки и таз продолжали эволюционировать, чтобы соответствовать этим потребностям в перемещении (see Romer & Parsons, 1986; Sears et al., 2015).
У современных млекопитающих, человека и шимпанзе, близко родсвенных видов, морфология лопаток и таза отличны. Лопатки и таз шимпанзе морфологически сходны с таковыми у др. высших обезьян, по некоторым атрибутам с наземными четвероногими. Лопатки шимпанзе имеют более краниально ориентированную конфигурацию acromion и суставной ямки и более узкий blade чем у современных людей (Roach, Venkadesan, Rainbow, & Lieberman, 2013), морфологии, которые позволяют более широкий круг движений, важный для перемещений, живущих на деревьях. Таз у шимпанзе более узкий в медиально-латеральном направлении и высокий в направлении сверху вниз, с подвздошными костями расширяющимися краниально, обеспечивая стабильность thoraco-pelvic unit (Sockol, Raichlen, & Pontzer, 2007). Эта конфигурация сходна с паттерном у четвероногих животных, таких как обезьяны и мыши, хотя стабильность у многих четвероногих улучшается за счет удлинения поясничного отдела позвоночника, чего не обнаруживается у обезьян. Таз человека короче, с более широко расширяющимися подвздошными костьми и более широк в медиа-латеральном направлении, чем у шимпанзе (Lovejoy, 1988; Swindler & Wood, 1973). Эти изменения являются адаптациями к двуногости, которая возникает после отделения ветви человека и шимпанзе приблизительно 6-8 MYA (Crompton, Sellers, & Thorpe, 2010). Двуногость освободила передние конечности для др. функций у гоминид, что повлияло на морфологию плеч.
2. Scapula development Недавние исследования, проведенные на мышах и курах, отследили траектоию развития лопаток у эмбрионов, плодов и в ранний постнатальный период, сконцентрировавшись на раннем образовании и формировани паттерна.
2.1. Embryonic and fetal scapula development Лопатка формируется из многих популяций клеток предшественников из разных слоев тканей- редкий признак среди костей аппендикулярного скелета, большинство из которых происходят только из одного тканевого слоя или клеточной популяции предшественников. В образование лопатки вносит вклад дермомиотом (дорсолатеральное производное сомита), somatopleure (соматоплевральное производное латеральной пластинки мезодермы + внутренняя эктодерма) и нервного гребня (мигрирующие плюрипотентные клетки, отсоединяющиеся от дорсальной части нервной трубки) (Durland, Sferlazzo, Logan, & Burke, 2008; Huang, Christ, & Patel, 2006; Huang, Zhi, Patel, Wilting, & Christ, 2000; Matsuoka et al., 2005). Дермомиотом дает пластину (blade) лопатки и проксимальную часть гребня (spine) лопатки, тогда как соматоплевра дает суставную ямку, клювовидный отросток, acromion, структуры шейки, головки и гребня лопатки, хотя степень, с которой каждая из этих тканей предшественников вносит вклад в лопатку варьирует от вида к виду (Durland et al., 2008; Ehehalt, Wang, Christ, Patel, & Huang, 2004; Huang et al., 2000; Malashichev, Christ, & Prols, 2008; Valasek et al., 2010). Matsuoka et al. (2005) дополнительно продемонстрировали на мышах, что клетки post-otic нервного гребня вносят вклад в лопаточный blade's superior край, spine/acromion и клювовидный отросток.
Сложность происхождения из дермомиотома пластины лопатки недооценена из-за сложной организации самого дермомиотома и из-за того, как формируется пре-паттерн и дифференцируется он во время сомитогенеза. При раннем сомитогенезе частичное перекрывание 3' Hox домена экспрессии подтверждает формирование пре-паттерна или спецификацию (scapula) клеток пре-дермомиотома в недифференцированном сомите в предшественники пластины (лопасти) лопатки (Wang et al., 2006). В самом деле, очевидно, что только специфические hypaxial клетки дермомиотома в brachio-thoracic регионе (сомиты 17-24 у кур) дают верхний и нижний домены пластины лопатки и гребень (Huang et al., 2006, 2000) и что эти клетки с разных уровней оси, по-видимому, не смешиваются (Ehehalt et al., 2004; Huang et al., 2000). Когда эти сомиты удаляются, то пластина лопатки также отсутствует (Malashichev et al., 2008). Важно, что на этой стадии клетки дермомиотома из шейного региона также, по-видимому, не способны формировать элементы лопатки, демонстрируя, что brachio-thoracic дермомиотом появляется уже со сформированным пре-паттерном, готовым к формированию пластины лопатки (Ehehalt et al., 2004). Эти находки подтверждают механизм пре-паттерна, хотя доказательства непосредственной роли Hox кода слабые (see below).
Вскоре после этой ст. пре-паттерна собственно и формируется дермомиотом как дорсальное подразделение сомита (Gilbert, 2000) далее он подразделяется на epaxial домен, расположенный дорсально-медиально, и hypaxial домен, расположенный вентрально-латерально (Burke & Nowicki, 2003; Cheng, Alvares, Ahmed, El-Hanfy, & Dietrich, 2004). При этом дифференцировка дермомиотома происходит под влиянием определенных регуляторных импульсов: в epaxial домене регуляторные сигналы возникают из соседней и более латеральной пластинки мезодермы, тогда как в hypaxial регионе сигналы возникают из соседней и более латеральной пластинки мезодермы (Chiang et al., 1996; Ehehalt et al., 2004; Huang et al., 2006, 2000; Rong, Teillet, Ziller, & Le Douarin, 1992; Teillet, Lapointe, & Le Douarin, 1998). Гипаксиальный регион, по-видимому, важен для дифференцировки листа лопатки, поскольку при устранении epaxial ткани паттерн пластинки лопатки формируется нормально (Teillet et al., 1998), тогда как подавление передачи сигналов от латеральной пластинки мезодермы блокирует формирование лопатки (Wang et al., 2005).
Как только hypaxial клетки дермомиотома специфицируются как предшественники лопатки, то дополнительная передача сигналов от эктодермы и соматоплевры оказывается критической для созревания, миграции и дифференцировки дермомиотома в пре-хондрогенную лопаточную мезенхиму. Базируясь на работе Moeller (2003), Rodriguez-Niedenfuhr, Dathe, Jacob, Prols, and Christ (2003) и Ehehalt et al. (2004), Wang et al. (2005) предположили, что передача эктодермальных сигналов WNT в hypaxial часть дермомиотома является критической для удерживания клеток в недифференцированном эпителиальном состоянии и что прекращение таких сигналов, появляющихся обычно в последовательности от черепа к хвосту во время сомитогенеза, приводит к дифференцировке в мезенхиму, т.е. к инициальной ступени формирования хряща лопатки. Однако, когда Huang et al. (2000) продемонстрировали, что только клетки brachio-thoracic дермомиотома способны к формированию конденсаций пластинки лопатки, то Ehehalt et al. (2004) установили, что эктодерма, покрывающая шейный регион, способна поддерживать в эктопических части brachio-thoracic дермомиотома формирование лопаточной мезенхимы и хрящевые конденсации. Эти находки подтвердили, что передача сигналов от эктодермы (напр., возможно с помощью WNTs) может быть ответственна за индукцию позднее судеб лопаточной мезенхимы и/или хряща, или она играет более раннюю непонятную роль в формировании пре-паттерна клеток, чтобы они стали тканью пластинки лопатки. Кроме того, во время перехода дермомиотомной мезенхиме передача сигналов bone morphogenetic protein (BMP) от соматоплевры облегчает экспрессию генов, маркирующих ранних предшественников лопатки, таких как Pax1 (Wang et al., 2005), тогда как блокирование или подавление передачи сигналов BMP в этом домене эмбрионов кур приводит к подавлению Pax1 и отсутствию пластинки лопатки.
Степень, с которой дермомиотом вносит вклад в пластинку лопатки у тетрапод, совершенно неясна. У мышей эксперименты по картированию судеб с использованием Prx1-Cre/Z/AP и Pax3-Cre/R26RYFP показали, что клетки дермомиотома участвуют в формировании только позвоночного края пластинки лопатки и небольших частях гребня и acromion (Durland et al., 2008; Valasek et al., 2010). Большинство регионов пластинки лопатки формируются из соматоплевры, как и большая часть головы и шеи, тогда как гребень (spine) и acromion, как было установлено, обнаруживают вклад клеток нервного гребня (see below) (Durland et al., 2008; Huang et al., 2006; Matsuoka et al., 2005; Valasek et al., 2010). Эти различия между курами и мышами, по-видимому, отражают дифференциальный рост соматоплевральных частей пластинки во время формирования лопатки у мышей (Shearman, Tulenko, & Burke, 2011; Valasek et al., 2010).
Независимо от степени, с которой разные эмбриональные ткани вносят вклад в лопатку, возникающие в результате популяции клеток оказываются интегрированными в один мезенхимный конденсат на день эмбриогенеза (E) 11.5 у мышей (у людей E43), и в четко распознаваемую предхрящевую лопатку на ст. E12.5 (у людей E44) , расположенную по соседству с зачатком передней конечности на уровне brachio-thoracic оси (Durland et al., 2008; Hita-Contreras et al., 2018; Huang et al., 2006, 2000; Young & Capellini, 2015). Недавний анализ Hita-Contreras et al. (2018) показал, что этот мезенхимный конденсат имеет множественные точки роста: по одной на тело, клювовидный отросток, acromion и гребень лопатки. Эти находки согласуются с оценками Capellini et al. (2010) , использовавшими 3D Optimal Projection Tomography границ экспрессии Sox9, маркера образования мезенхимного конденсата. Впоследствие эта масса сдвигается каудально к своей окончательной позиции позади торакса, так что у людей на день эмбриогенез 44 (E12.5-13 у мышей) она располагается латеральнее или позади ребер, в зависимости от вида (Bardeen & Lewis, 1901; O'Rahilly & Gardner, 1972).
После этой ст. формирования паттерна, наступает ст. хондрогенеза формирования кости, начинаясь с E12.5 у мышей или 6-й неделе беременности у людей (Monkhouse, 1996). Как почти все аппендикулярные элементы, лопатка формируется посредством эндохондральной оссификации (Karsenty & Wagner, 2002), при этом мезенхимный конденсат, который задает форму будущей лопатке, начинает дифференцироваться в хондроциты путем секреции колагенового матрикса, состоящего из типов II, IX и XI коллагенов, а также протеогликанов (Long & Ornitz, 2013). Хондроциты делятся и дифференцируются, формируя ростовые пластинки, которые в конечном итоге удлиняются, формируя пости полную хрящевую реплику костной лопатки. Во время поздней беременности у мышей (E15.5) или на второй мес. беременности у женщин (Andersen, 1963; Mall, 1906; Monkhouse, 1996; unpublished results from the Capellini laboratory), эта хрящевая лопатки снабжается кровеносными сосудами и остеобластами, это делает видимым одиночный первичный центр оссификации в области шейки лопатки, который облегчает формирование кости (Long & Ornitz, 2013). Оссификация обычно распространяется в двух направлениях поперек листа медиально и в направлении лопаточно-плечевого соединения латерально (Scheuer, Black, & Christie, 2000), достигая основания гребня (spine) на 9 нед. беременности у женщин (эквивалентно E18.5 у мышей) и суставной ямки на 12 неделе беременности 12 (P02 у мышей) (Andersen, 1963; Ogden & Phillips, 1983).
Во время этого периода post-otic клетки нервного гребня также вносят вклад в лопатку, специфически в эндохондральную и перихондральную ткани верхнего края, spine/acromion и клювовидного отростка, а также в соединительную ткань мышц, внедряющихся в эти структуры (Matsuoka et al., 2005). Sox10-Cre ROSA GFP+ клетки вносят вклад специфически в эндохондральную и перихондральную ткань этих структур и тем самым обеспечивают и помогают закрепиться в главных регионах прикрепления branchial мышц (напр., trapezius). Этот процесс происходит после инициации формирования паттерна предшественников лопатки в раннем развитии плода. 2.2. Postnatal scapula development
При рождении acromion, клювовидный отросток, нижний угол и glenoid суставная поверхность остаются хрящевыми у людей (Monkhouse, 1996). Первичный центр оссификации в клювовидном отростке появляется в течение первого года жизни (Camp&Cilley,1931), хотя иногда он присутствует уже при рождении (Fawcett, 1910; Scheuer et al., 2000). Полная оссификация клювовидного отростка продолжается в течение нескольких лет и его слияние с лопаткой происходит примерно в возрасте 14-15 лет (Andersen, 1963; Scheuer et al., 2000). Постнатально лопатка имеет, по крайней мере, 7 вторичных центров оссификации: один в acromion, три в клювовидном отростке, один в нижнем углу, один в нижней части области суставной ямки и один на граница с позвонками, который состоит из нескольких маленьких центров оссификации (Scheuer et al., 2000). Те, что начинают оссификацию позднее в жизни, при этом первый subcoracoid центр, появляется приблизительно в возрасте 8-10 (Basmajian & Slonecker, 1989; Birkner, 1978). Затем др. центры вторичной оссификации возникают в 10 лет (Flecker, 1942; Francis, 1940; Hodges, 1933; Johnston, 1961). Последние вторичные центры оссификации на vertebral крае и в нижнем углу возникают в 15-17 и сливаются к 23 годам, когда лопатка достигает своей взрослой морфологии (Basmajian & Slonecker, 1989; Birkner, 1978; Girdany & Golden, 1952; Hodges, 1933; Stevenson, 1924).
3.Pelvic development
Хотя тазовый пояс является квинтессенцией передвижения, удержания веса и родовых структур у тетрапод, немногие исследования касались развития его структур во время эмбриональной, плодной и постнатальной жизни. Исследования проводили в основном на курах и мышах, а также человеке, они пролили некоторый свет на хондрогенное и остеогенное развитие у плодов. 3.1. Embryonic and fetal pelvic development
Онтогенетические исследования на курах и мышах продемонстрировали, что каждый элемент таза (т.e., ilium, ischium и pubis) возникает из соматоплевры, тогда как копчик формируется из происходящих из сомитов склеротомов. У мышей одним из самых ранних исследований судеб с использованием Prx1-Cre/Z/AP линий было установлено, что os coxae возникает из мезенхимных клеток исключительно соматоплевры (Logan et al., 2002). В самом деле, когда соматоплевра задней нижней кончности устраняется, то у кур отсутствует таз, тогда как если пояснично-копчиковые сомиты устраняются, то os coxae не затрагивается, но копчик отсутствует (Malashichev et al., 2008). Более того, когда область соматоплевры задней конечности перепела трансплантировали в соотв. место кур, то трансплантат давал os coxae; тогда как если lumbosacral сомиты трансплантировали независимо от ст. развития, то клетки перепела не вносили вклад в os coxae (Malashichev et al., 2008). Более детальное исследование с использованием computer-animated 4D визуализации тиакже показало, что os coxae формируется из одного крупного конденсата мезенхимы соматоплевры, расположенного медиально и по соседству с латеральной пластинкой мезодермы (Pomikal & Streicher, 2010). Однако, во всех этих исследованиях остается неясным, действительно ли разные субрегионы внутри соматоплевры вносят индивидуальный вклад в мезодерму каждого подэлемента или каждый формируется в результате дифференциального роста популяции общих соматоплевральных предшественников(Malashichev et al., 2008; Pomikal & Streicher, 2010; Valasek et al., 2010).
Дополнительные исследования на курах продемонстрировали, что подэлементы формируются в определенной последовательности, начиная с подвздошной кости, затем лобковой кости и наконец седалищной кости (Malashichev, Borkhvardt, Christ, & Scaal, 2005). Было также показано, что aqjhvbhjdfybt таза нуждается в передаче сигналов от латерально расположенной (limb) мезенхимы и покрывающей ей эктодермы. Напр., устранение мезенхимы конечности до Carnegie Stage 18 приводит к уродствам таза, тогда как удаление эктодермы из pre-limb области и презумптивного таз-формирующео домена во время Stage 12-18 приводит или к почти полному агензу всех элементов тазового комплекса на Stage 12 или к тяжелым уродства на Stage 18. В этих исследованиях лобковая кость затрагивалась чаще всего, седалищная кость затрагивалась только, когда удалялась эктодерма на Stage 12, а подвздошная кость никогда не устранялась полностью, указывая на разные роли эктодермы в потенциальной спецификации и/ил созревании индивидуальных элементов. Исследования Malashichev et al. (2005, 2008) также показали, что спецификация скелетных тазовых подэлементов происходит прежде начала роста зачатка конечности у кур, это указывает на то, что ст. пре-паттерна может существовать для такового пояса, как это было предположено для конечностей (Dudley, Ros, & Tabin, 2002), хотя это необходимо проверить.
Базируясь на исследованиях генной экспрессии и гистологии, этот зачаток соматплевры появляется по соседству с зачатком нижней конечности на ст. E28 у людей (у мышей на ст.e E9.5/10) (Bardeen & Lewis, 1901; Capellini et al., 2011; O'Rahilly & Gardner, 1975) , а между E34-36 (мыши E9.5/10-E11.5/12) мезодермальные клетки конденсируются в специфический регион, демаркированный с помощью obturator, бедренного и седалищного нервов (Laurenson, 1964a). Вскоре после этого эта масса затем начинает расширяться, чтобы сформировать три отростка, каждый из которых маркирует популяции клеток предшественников ilium, ischium и pubis (Fazekas & Kosa, 1978; Pomikal & Streicher, 2010). Презумптивные массы для лобковой и седалищной кости сливаются в нижней части на уровне нерва obturator, формируя obturator отверстие (Scheuer et al., 2000). Затем масса для подвздошной кости растет в направлении клеток мезенхимных предшественников pre-sacral повонков, сливаясь в конечном итоге с копчиком в sacroiliac сочленении (Bardeen, 1905; Fazekas & Kosa, 1978; Scheuer et al., 2000). Ниже правая и левая популяции клеток лобковых предшественников расширяются медиально и сливаются , формируя лонное сращение (symphysis) (Scheuer et al., 2000). Этот процесс зависит от передачи молекулярных сигналов от соседних тканей осевой мезодермы, эктодермы стенки тела и зачатка конечности (Malashichev et al., 2005, 2008).
Эта ранняя ст. формирования паттерна таза длится несколько недель у человека (1-2 дня у мышей), до тех пор, пока не начнется эндохондральная оссификация примерно на 6-7 неделе беременности (у мышей на E12) (Bardeen, 1905; O'Rahilly & Gardner, 1975; Okumura et al., 2017). Соотв., начинается хондрогенез в регионе вблизи acetabulum, распространяется затем на подвздошную кость, а затем лобковую (Laurenson, 1964a), и эти три центра расширяются так, что при эмбриогенезе в 8 недель (у мышей E14) они сливаются в вертлюжной впадение (acetabulum) (Adair, 1918).
Хотя морфология хрящевого предшественника каждой os coxae не является такой сложной как у взрослых, многие признаки взрослого таза уже присутствуют во время раннего хондрогенеза. В предыдущем исследовании было предположено, что признаки подвздошной кости человека, такие как greater sciatic notch, может обнаруживаться на 4-5 мес. беременности у человека (Laurenson, 1964a). Однако, недавняя экспериментальная работа по развитию тканей человека Okumura et al. (2017), а также исследование в лаб. Capellini показали, что определенная форма iliac spines, видна самое раннее на 59 день беременности. Кроме того, также сообщалось, что седалищная кость идентифицируемая в триместре беременности и что лобковая кость также приобретает свою взрослую форму примерно в то же время (Scheuer et al., 2000; Verbruggen & Nowlan, 2017). Возможно, что эти сообщения отмечают форму в их оссифицированном состоянии скорее, чем их хрящевое состояние, т.к. наши недавние наблюдения показали, что на 59 день беременности, задолго до третьего триместра или даже второго, хрящи седалищной и лобковой костей уже напоминают взрослую морфологию. В самом деле, вся os coxae и многие части скелета на этой стадии выглядят как мианиатюризированные версии взрослых форм. Okumura et al. (2017) также продемонстрировали, что многие признаки морфологии взрослого таза, такие как ischial tuberosity, pubic symphysis и sacroiliac соединение присутствуют с ранней плодной стадии развития человека. Эти наблюдения подчеркивают, насколько важен хондрогенез для спецификции морфологии будущих костей.
Оссификация начинается после хондрогенеза, но два процесса могут обнаруживаться в разных регионах развивающегося таза одновременно. В самом деле, когда центры первично оссификации возникают в центральных регионах подвздошной, лобковой и седалищной кости, то наружные области каждой кости всё ещё испытывают хондрогенез. Центры первичной оссификации соответствуют центрам хондрификации, как по расположению, так и последовательности, при этом первый возникает в подвздошной кости в конце второго мес. беременности у человека и в перихондрии дна вертлюжной впадины (Adair, 1918; Bardeen, 1905; Laurenson, 1964a, 1964b). Этот центр оссификации распространяется краниально, покрывая сначала наружную поверхность подвздошной кости и в конечном итоге проникая в подлежащий хрящ. Центр первичной оссификации седалищной кости формируется следующим на 4-5 мес. беременности (Francis, 1951) и он расположен ниже и кзади acetabulum. Наконец, центр оссификации лобковой кости возникает на 5-6 мес. беременности, формируясь ниже и спереди от acetabulum в регионе superior pubic ramus, и распространяясь на покров всего лонного соединения (Scheuer et al., 2000). 3.2. Postnatal pelvic development: Secondary ossification and biomechanical responses
При рождении все три первичных центра оссификации описываются как
"хорошо развитые," при этом каждый распространяется достаточно, чтобы сформировать часть стенки вертлюжной впадины (Scheuer et al., 2000). В первые три мес. постнатального развития кости таза подвергаются быстрому росту в размере, но мало меняют морфологическую форму (Reynolds, 1945). Рост продолжается с замедленной скоростью вплоть до трех лет, когда он замедляется ещё больше вплоть до полового созревания, когда подростковый рост делает рывок и происходят изменения в росте, связанные с появлением вторичных половых признаков. Во время этого замедленного развития три первых центра оссификации сливаются в возрасте шести лет (Scheuer et al., 2000; Verbruggen & Nowlan, 2017).
В возрасте 10 лет появляются некоторые вторичные центры оссификации в гребне подвздошной кости, в вертлюжной впадине, лобковых ответвлениях и седалищном бугре, помимо др. варьирующих центров (Scheuer et al., 2000). Три эпифиза, по одному от каждой костей таза формируются внутри вертлюжной впадины и в конечном итоге расширяются, чтобы сформировать наружный край и суставную поверхность (Verbruggen & Nowlan, 2017). Эти центры возникают раньше, примерно в возрасте 10, и завершают слияние в вертлюжную впадину в средине полового созревания (Freedman, 1934; Stevenson, 1924). Дополнительные центры оссификации для каждого подэлемента продолжают возникать, часто в разное время у мальчиков и девочек, до тех пор, пока эти эпифизы не сольются полностью в начале 20s (Scheuer et al., 2000; Verbruggen & Nowlan, 2017). Более раннее созревание вертлюжной впадины по сравнению с остатками os coxae, скорее всего, обусловлено необходимостью противостоять давлению значительной массы тела, которая увеличивается во время полового созревания (Scheuer et al., 2000).
Поскольку таз это удерживающая вес структура у человека и др. двуногих, то механические нагрузки играют главную роль в морфологии таза. Характерная форма подвздошной кости человека с её чаше-образной структурой и уникальными вогнутыми и выпуклыми поверхностями, не возникают вплоть до двух лет, когда начинается хождение (Scheuer et al., 2000; Verbruggen & Nowlan, 2017). В этой связи возможно, что механическая стимуляция самое раннее in utero вызывает ремоделирование тазовой кости, т.к. картина внутренней организации трабекулярной кости в подвздошной кости плода напоминает картину, связанную с передвижением на двух ногах у взрослых (Cunningham & Black, 2009). Эксперименты с модельными организмами также продемонстрировали необходимость структурной и механической целостности хряща и связок, окружающих кресцово-подвздошное сочленение (Harrison, 1958a, 1958b). Развитие вертлюжной впадины в виде чаше-подобной структуры-наз. древними римлянами и греками vinegar vessels-также зависит от присутствия округленной головки бедра; если головка бедра отсутствует или аномальной формы, то вертлюжная впадина становится грубой с соотв. уродствами, по-видимому, обусловленными изменениями передачи сигналов и/или биомеханических влияний (Harrison, 1961; Ponseti, 1978). Это было подтверждено при использовании модельных крыс и кур, у которых in utero движения конечностей были ограничены или неподвижными из-за альтераций суставной поверхности вертлюжной впадины (Hashimoto, Kihara, & Otani, 2002), или чашеобразной морфологии впадины или ориентации таза (Nowlan, Chandaria, & Sharpe, 2014).
3.3. Postnatal pelvic development: Sexual dimorphism Млекопитающие обладают фундаментальными половыми различиями в форме таза, частично из-за родовспомогательных факторов и различий в размерах тела. У мышей эти различия проявляются в размере и форме лонного соединения, которое тоньше у взрослых самок вместе с др. легкими отличиями в os coxae между полами (Iguchi, Irisawa, Fukazawa, Uesugi, & Takasugi, 1989). Таз зрелых людей обнаруживает заметный половой диморфизм, обусловленный его фундаментальной ролью в родах, который сравнительно гораздо сильнее, чем у обезьян и мышей. Эти половые различия, включая увеличенную полость вертлюжной впадины у самцов и более широкие седалищные выемки и более крупные тазовые входы и выходы у женщин, чтобы создать более широкий родовой канал (Leong, 2006).
Эти различия возникают главным образом во время полового созревания. Некоторые из них зависят от легкого полового диморфизма во время плодного периода (Boucher, 1957; Holcomb & Konigsberg, 1995), др., включая более недавние количественные оценки, базирующиеся на reconstructed fetal ilia CT изображениях, не обнаруживают никаких доказательств в пользу этого утверждения (Mokrane et al., 2013; Weaver, 1980). В самом деле, во время половозрелости человека, мужчины имеют достоверно больший рост вертлюжной впадины, чтобы поддерживать увеличенную массу верхней части тела мужчин (LaVelle, 1995), тогда как женщины обнаруживают более драматические морфологические изменения костей таза (Bilfeld et al., 2013; Wilson, Ives, Cardoso, & Humphrey, 2015). Эти изменения начинаются, когда женщины продуцируют более высокие уровни циркулирующих в крови эстрогенов, которые затем соединяются с рецепторами эстрогенов (Purves et al., 2004). Если эти рецепторы активируются, то нижестоящие транскрипционные факторы, экспрессирующиеся в тазу соединяются с пока не идентифицированными генами, чтобы повлиять на транскрипцию генов и в конечном итоге на рост костей в специфических доменах, чтобы создать фенотип таза взрослой женщины. Если экспрессируется полный набор генов в тазу во время пренатального хондрогенеза то, скорее всего, субнабор тех же самых генов будет активирован за счет связывания рецепторов эстрогенов во время половой зрелости.
4. Genetic networks Большая часть наших сегодняшних знаний генов, участвующих в развитии
поясов, получена в генетических исследованиях на мышах и с помощью трансплантаций тканей у кур. Огромное большинство генов, активных в развитии поясов было идентифицировано в результате поисков в первую очередь, сконцентрированных на собственно конечностях; поэтому мы лишены полного понимания генетических сетей, которые управляют развитием и морфогенезом поясов sensu stricto. Несмотря на эти ограничения, большинство исследований указывает на существенную дивергенцию генетических сетей, лежащих в основе развития лопатки и таза и это, скорее всего, отражает то, что каждый пояс самостоятелен эволюционно и в отношении онтогенетического происхождения (Sears et al., 2015). Важно также отметить, что многие гены, обсуждаемые ниже, активны на стадии формирования паттерна развивающегося пояса и многие, скорее всего, остаются активными во время хондрогенеза, меньше генов специфичны для более поздних стадий формирования поясов.
4.1. Genetic control of scapula development Кстати, большинство генов, участвующих в морфогенезе лопатки, действуют, как было показано, модульно (то есть, воздействуя на пластину лопатки в противовес голове), что, вероятно, отражает уникальное развитие лопатки из популяций клеток множественных предшественников, хотя некоторые, по-видимому, иерархически регулируют формирование лопатки. Эти гены вместе с большинством идентифицированных эффекторов для лопатки, как было установлено, действуют внутри соматоплевры, при этом очень немногие идентифицированы в дермомиотоме или кодируют сигнальные молекулы, ответственные за миграцию клеток предшественников из дермомиотома.
В зависимости от пре-паттерна и спецификации ранних предшественников пластинки лопатки в дермомиотоме участвует 3' Hox код. Однако, доказательства этому недостаточны, мышиные эмбрионы с гомозиготной потерей функции (LOF) Hoxb5 (Hoxb5-/-) обнаруживают ростральный сдвиг в осевом расположении формирования лопатки и этот сдвиг и этот сдвиг более тяжелый у компаундных Hox5 мутантов (Rancourt, Tsuzuki, & Capecchi, 1995). Таким образом, только после удаления нескольких Hox паралогов дефекты лопатки становятся очевидными, указывая, что HOX транскрипционные факторы могут формировать пре-паттерн дермомиотома во время сомитогенеза или даже оперируют внутри латеральной пластинки мезодермы совместно. Однако, важно отметить, что только 3' Hox , скорее всего, играют роль в генезе лопатки, поскольку экспериментальная компаундная потеря задних паралогов Hox9, Hox10 и Hox11 не приводит к дефектам лопатки (McIntyre et al., 2007; Wellik & Capecchi, 2003; Xu & Wellik, 2011).
Др. Hox ген, Hoxc6, строго экспрессируется в соматоплевре и латеральной пластинке мезодермы и переднем поле конечности у эмбрионов кур и мышей. С др. стороны, альтерации в экспрессии Hoxc6 вызывают уродства плеч у кур (Oliver, De Robertis, Wolpert, & Tickle, 1990) А воздействие ретиноевой кислоты (RA) на проксимальные части конечностей приводят к удвоениям дистальной части пластинки, шейки и головного региона лопатки, при этом наблюдается расширение домена экспрессии Hoxc6 (Oliver et al., 1990). Эти находки указывают на то, что как и в конечности RA является критическим вышестоящим регулятором, управляющим формированием паттерна экспрессии HOXC6 лопатки, по крайней мере, у кур и возможно у мышей. Подтверждение также получено от компаундных RARα; RARβ мутантных мышей, у которых обнаруживается агенез лопаток (Lohnes et al., 1994), это подтверждает, что взаимодействия HOX белков и RA могут быть очень важными. Принимая во внимание известные эффекты RA на экспрессию Hox вдоль оси (see Gilbert, 2000), то можно предвидеть такой сценарий, благодаря передаче сигналов RA в черепно-хвостовом направлении и её эффектов на 3' HOX-управляемое формирование паттерна сомитов, сомитоплевры и латеральной пластинки мезодермы, расположенных выше процесса формирования пояса. С др. стороны, Hoxc6 LOF, также как и потеря функции всех генов паралогов Hox6 (McIntyre et al., 2007) не приводят к дефектам лопатки, указывая тем самым, что если эти гены и важны для формирования паттерна лопатки или её частей, то они могут становиться заметно функциональными только, когда дополнительные члены семейства 3' Hox (e.g., Hox5 paralogs) экспериментально удаляли в случае потери функции Hox6 паралога.
Как кофактор HOX, хотя он также обладает HOX-независимыми регуляторными функциями, PBX1, как было установлено, двойственно регулирует развитие лопатки и проксимальных частей конечностей (Selleri et al., 2001). Pbx1 экспрессируется по всей соматоплевре и латеральной пластинке мезодермы, а Pbx1-/- мутантные мыши обнаруживают слияния головки плечевой кости с лопаткой и альтерации бугра для дельтовидной мышцы и плечевого shaft, обнаруживая свою роль в формировании головки лопатки и конечности. Но, Pbx1-/- эмбрионы обладают также пластинкой лопатки, которая сужена сверху вниз и истончена и имеет гипопластичный дорсальный гребень (spine) и acromion отросток (Selleri et al., 2001). Эти данные подтверждают, что экспрессия Pbx1 в сомитах и/или их производных или в соматоплевре, управляет формированием листка лопатки возможно в кооперации с др. членами семейства (see below).
В отношении формирования паттерна пластинки, шейки и головки лопатки, Tbx5-/- эмбрионы мыши лишены передних конечностей и лопаток. Подобно Pbx1, Tbx5 экспрессируется в целых ранних конечностях и соматоплевральной мезенхиме в презумптивном домене формирования лопатки (E9.5/10), но PBX действует выше Tbx5, по крайней мере, в конечностях (Capellini and Selleri, unpublished data). Роль TBX5 может запускать дифференцировку и созревание предшественников лопатки в соматоплевре и/или он может влиять частично на дифференцировку клеток дермомиотома, как только они мигрируют в более латеральные домены, соседствующие с или внутри соматоплевры. Частично механизм действия TBX5 может осуществляться посредством прямой активации экспрессии Fgf10 в латеральной пластинке мезодермы (Agarwal et al., 2003; Ng et al., 2002). Однако, эмбрионы Fgf10-/- обнаруживают незначительные фенотипические отклонения, состоящие в отсутствии задней трети лопатки (Min et al., 1998; Sekine et al., 1999), указывая, что роль TBX5 в активации Fgf10 обнаруживает более далеко-идущие эффекты, чем только регуляция роста зачатков конечностей (Agarwal et al., 2003; Ng et al., 2002; Rallis, 2003), и что регуляция транскрипции с помощью TBX5 помимо воздействия на Fgf10, скорее всего, распространяется на многие гены мишени в соматоплевре. Остается неясным, действительно ли Fgf10 LOF из латеральной пластинки мезодермы отвечает непосредственно (т.e., в клетках автономным способом в мезенхиме) или косвенно (т.e., клеточно неавтономным способом посредством передачи его сигналов в эктодерму) за перекрывание дефектов пластинки лопатки у Fgf10 и Tbx5 гомозиготных мутантов. Относительно его непосредственной роли, если функция FGF10 нарушена во время ранней передачи соматоплевральных сигналов, предшественник пластинки лопатки могут быть не индуцированы к соотв. дифференцировке; если же эффект косвенный, то FGF10 может оказывать более глобальный эффект на передачу эктодермальных сигналов в латеральную пластинку мезодермы и соматоплевру, при этом позднее это может сказываться более четко на дифференцировке клеток предшественников пластинки лопатки.
Исследования Emx2 у кур и мышей добавили к нашему пониманию формирования лопаток. У эмбрионов кур экспрессия Emx2 предшествует экспрессии Sox9, критическому транскрипционному фактору, необходимому для конденсации мезенхимных клеток в сомиты и производные конечностей (Bi et al., 2001). Emx2 и Sox9 экспрессируются совместно в соматоплевре, а также в прехондрогенной сконденсированной мезенхиме лопатки (Pellegrini, Pantano, Fumi, Lucchini, & Forabosco, 2001). Интересно, что Emx2-/- мыши обнаруживают скелетные элементы головки лопатки, но у них отсутствует хрящ для самой лопатки, при этом отмечается уменьшение экспрессии Sox9 специфически в доменах для пластинки лопатки (Capellini et al., 2010). Эта находка подтверждает, что потеря пластинки лопатки у Emx2-/- мутантов не является результатом неспособности к формированию предшественников пластинки лопатки (Prols et al., 2004), не из-за дефектов в миграции клеток и/или передачи сигналов, конденсации мезенхимных клеток или хондрогенеза. Сообщалось также, что специфическая инактивация Beta-catenin в латеральной пластинке мезодермы , является критическим фактором, участвующим в пути передачи сигналов WNT , приводя к подавлению Emx2 одновременно к потере и/или уменьшению пластинки лопатки мыши. Более того, эти Beta-catenin мутанты обнаруживают дистальный сдвиг в экспрессии Hoxc6 (see above) и заметное подавление Pax1 (see below) (Hill, Taketo, Birchmeier, & Hartmann, 2006). Т.к. Beta-catenin экспрессируется также в эктодерме поля конечности, а удаление этой эктодермы приводит к агенезу пластинки лопатки (Ehehalt et al., 2004), то наше понимание эффектов этой ткане-специфической потери экспрессии генов Emx2, Hoxc6 и Pax1 оказывается расплывчатым в свете обязательных взаимодействий между мезенхимой и эктодермой при формировании лопатки и конечности. Напр., передача сигналов WNT в мезенхиме может действовать прямо на Emx2 (Hill et al., 2006) и/или действовать косвенно посредством её эффектов на передачу эктодермальных сигналов, что, в свою очередь, изменяет экспрессию Emx2 и др. эффекторов лопатки.
Количество их транскрипционных факторов, экспрессируемых в проксимальной передней части поля конечности, как известно, формирует паттерн именно пластинки лопатки с минимальным воздействием на др. структуры лопатки. Эти гены, включают Tbx15, Gli3, Alx1 (formerly Cart1) Alx3 и Alx4 (Kuijper, Beverdam, et al., 2005; Kuijper, Feitsma, et al., 2005). В большинстве случаев делеция любого из этих генов приводит к минимальными нарушениям пластинки лопатки, тогда как их совместная LOF у мышей демонстрирует различные генетические взаимодействия, необходимые для нормального морфогенеза лопатки. Итак, ключевые находки Kuijper, Beverdam, et al. (2005), Kuijper, Feitsma, et al. (2005), и др. представлены здесь:
Во-первых, Tbx15-/- мутанты обнаруживают присутствие отверстия в центральной или infraspinatous пластинке лопатки (Kuijper, Beverdam, et al., 2005). Такое фенотип сходен с таковым у мутантов по polycomb гомологу M33 (Core et al., 1997) и у мышей, гомозиготных по мутантному аллелю Gli3, Extratoes (Xt) (Hui & Joyner, 1993). Сходство между Xt и Tbx15 нулевыми мутантами привело Kuijper, Beverdam, et al. (2005) к проверке формирования лопатки у компаундных Gli3;Tbx15 мутантных мышей, при этом они установили, что отверстие оказывается большим у компаундных мутантов (так, у Gli3+/-;Tbx15-/- отверстие увеличивалось, тогда как у Gli3-/-;Tbx15+/- оно сдвигалось кзади). Более того, у Gli3-/-;Tbx15-/- мутантных мышей оставалась только верхняя часть пластинки лопатки, в качестве единственного продольного элемента скелета. Эти находки демонстрируют, что Gli3 и Tbx15 генетически взаимодействуют, чтобы сформировать центральную часть листка лопатки и что Gli3 специфически воздействует на формирование нижней (задней) части листка лопатки (Fig. 1). Интересно, что эмбрионы, лишенные конкурентно RARα и RARβ обнаруживают ряд фенотипических аномалий, включая потерю нижнего края лопатки, уменьшение верхнего края пластинки лопатки, а также небольшое отверстие (Lohnes et al., 1994).
Во-вторых, Alx3 и Alx4 также генетически взаимодействуют во время формирования паттерна пластинки лопатки. Так, Alx3-/- и Alx4-/- эмбрионы имеют относительно нормальную лопатку, компаундные мутантные Alx3-/-;Alx4-/- эмбрионы обнаруживают укорочение пластины лопатки. Такое генетическое взаимодействие осложняется присутствием дополнительного экспрессирующегося совместно члена семейства Aristaless Alx1. Напр., в Alx1-/- мутантной лопатке имеется укорочение верхнего края, этот эффект усиливается у Alx1-/-;Alx3-/- и Alx10-/- Alx4-/- двойных мутантов (Fig. 1) (Kuijper, Feitsma, et al., 2005).
В-третьих, принимая во внимание существенное пространственно-временное перекрывание в их экспрессии, были изучены генетические взаимодействия между Alx1, Alx3, Alx4 и Tbx15. В самом деле, анализ двойных и тройных мутанты (т.e., Alx1-/-;Tbx15-/-, Alx4-/-;Tbx15-/-, Alx1-/-Alx4-/-;Tbx15+/- и Alx1-/-;Alx4-/-;Tbx15-/-) продемонстрировал, что Alx1 и Alx4 (или Alx3) важны для формирования верхней (передней) части пластины лопатки. Напр., когда все три гена (Alx1; Alx4;Tbx15) отсутствовали, то оставался расположенный внизу продольный скелетный элемент лопатки, это указывает на из важность для образования верхнего края пластины лопатки (Fig. 1).
В четвертых, Kuijper, Beverdam, et al. (2005) и Kuijper, Feitsma, et al. (2005) продемонстрировали, что эффекты Emx2's формирование пластины лопатки пеоявляются независимо от или параллельно с Tbx15, Gli3, Alx1, Alx3, и Alx4, поскольку экспрессия Emx2 у мышей с одиночной или сочетанной LOF этих генов остается относительно неповрежденной. Эти находки подтверждают, что несколько разных генетических путей участвуют в развитии пластины лопатки, хотя из пространственно-временная последовательность остается неизвестной (Fig. 1).
Модулярный контроль лопатки также распространяется на формирование паттерна гребня и acromion лопатки. Напр, PAX1, как было установлено, участвует в спецификации клеток предшественников передних зачатков конечностей, которые были предетерминированы стать регионами плеч в развивающемся скелете птиц (Bowen, Hinchliffe, Horder, & Reeve, 1989; Saunders, 1948; Vargesson et al., 1997), а исследования экспрессии подтвердили эти результаты (Timmons, Wallin, Rigby, & Balling, 1994). Более того, некоторые мутантные мыши, несущие альтерации в или потери локуса Pax1 обнаруживают дефекты гребня лопатки (Adham et al., 2005; Balling, 1994; Dietrich & Gruss, 1995; Timmons et al., 1994; Wilm, Dahl, Peters, Balling, & Imai, 1998); естественные аллельные варианты Pax1 (eнапр., undulated (un) mice, Timmons et al., 1994); и целенаправленно полученные нулевые мутанты Pax1 (Wilm et al., 1998) обнаруживают специфические дефекты гребня, включая отсутствие гребня. Интересно, что приблизительно 60% Hoxa5-/- мутантных эмбрионов имеют остаточный гипопластичный или отсутствие отростка acromion без дефектов в пластинке лопатки или конечностях (Aubin, Lemieux, Tremblay, Behringer, & Jeannotte, 1998; Aubin, Lemieux, Tremblay, Berard, & Jeannotte, 1997). Принимая во внимание дополнительные осевые фенотипические отклонения, которые эти мутанты имеют одинаковые с таковыми у Pax1 при гомозиготной LOF, Aubin, Lemieux, Moreau, Lapointe и Jeannotte (2002) исследовали взаимодействия для обоих генов во время формирования головки, гребня лопатки и установили, что кампаундные Hoxa5;Pax1 (un/un) мутанты обнаруживают более тяжелые дефекты гребня и acromion, чем у каждого из этих мутантов в отдельности. Они дополнительно продемонстрировали, что поскольку PAX1 является ключевым регулятором формирования мезенхимной прехондрогенной лопатки, то HOXA5 необходим для спецификации клеточных клонов во время хондрогенеза способом, который также базируется на присутствии SOX9. Это указывает на то, что Hoxa5 может поставлять важные региональные сигналы для формирования acromion за счет обеспечения соотв. инициации экспрессии Pax1.
Помимо потери пластинки лопатки эмбрионы Emx2-/- также лишены гребня и проксимальной части отростка acromion, указывая, что он расположен выше или генетически взаимодействует с др. критическими регуляторами формирования гребня лопатки. В самом деле, Pax1 и Emx2 совместно экспрессируются в передней и проксимальной части поля конечности, и поскольку экспрессия Pax1 не снижается в Emx2-/- доменах лопатки она расширяется кпереди и дорсально, подтверждая, что оба гена могут генетически взаимодействовать с латеральной пластинке мезодермы, чтобы сформировать паттерн гребня (Pellegrini et al., 2001). Следовательно, EMX2 может участвовать в формировании паттерна гребня и acromion также как он функционирует в формировании листа лопатки, при этом он затрагивает созревание клеток предшественников в скелетную ткань. Сходным образом, Emx2 может также генетически взаимодействовать с Hoxc6, чтобы сформировать паттерн головки, хотя лежащий в основе механизм неизвестен (Pellegrini et al., 2001). 4.2. Genetic control of pelvis development
Относительно мало известно об онтогенетическом генетическом контроле формирования таза, хотя модулярность обнаруживается и для разных подэлементов тазовой кости. Соотв., многие гены, по-видимому, подразделяют os coxae на верхний (подвздошную) и нижнюю (лобковую и седалищную) домены, хотя некоторые обладают более специфическими эффектами в нижем домене, а некоторые иерахически регулируют оба домена. Кроме того, мало известно о молекулярных механизмах, которые формируют пре-паттерн или специфицируют клетки, чтобы они становились тканями таза. В этой связи, подобно лапаткам, Hox гены могут играть существенные роли, но лежащие в основе этого механизмы неизвестны. Поскольку кодируемые Hox белковые продукты, как было установлено, являются главными эффекторами в развитии и позиционировании конечностей, то последние из которых влияют на расположение таза и копчика, при неправильной экспрессии или потере Hox генов оказывают лишь незначительные эффекты на формирование таза, обычно вызывая альтерации индивидуальных элементов. Неправильная (смещенная) экспрессия Hoxd12 у мышей изменяет производные латеральной пластинки, включая таз (Knezevic et al., 1997), тогда как Hoxc10 LOF мутанты обнаруживают минимальные аномалии тазовых костей и копчика (Hostikka, Gong, & Carpenter, 2009). Интересно, что когда множественные паралоги 5' Hox экспериментально усстраняли, элементы фенотипических отклонений становились более выраженными. Напр., Wellik and Capecchi (2003) продемонстрировали, что потеря членов семейства Hox10 вызывает уменьшение поясничных и копчиковых позвонков, при этом имеющие ребра торакальные позвонки смещались более кзади вдоль осевого позвоночного ствола. Кроме того, морфология таза сама по себе уплотнялась, при этом лобковая и седалищная кости выглядели более искривленными и дисморфичными. Сходным образом, потеря Hox11 приводила к тому, что копчиковые позвонки приобретали качественные особенности поясничных, и пертурбации морфологии таза оказывались более тяжелыми, при этом наблюдалась потеря нижней части лобка. Эти исследования подтвердили, что многие 5' HOX действуют перекрываясь, чтобы сформировать паттерн таза.
Относительно верхней части os coxae, несколько генов экспрессируются внутри соматоплевры выполняя критические роли в формировании подвздошной кости. Emx2-/- и Pbx1-/- обнаруживают специфические уменьшения в подвздошной кости и/или потерю сочленения между этим элементом и подэлементами нижней части os coxae (Pellegrini et al., 2001; Selleri et al., 2001). Эти факторы, по-видимому, способствуют спецификации клеток предшественников, т.к. экспрессия Sox9, маркера мезенхимных конденсаций, заметно снижена у одиночных мутантов; Sox9-/- эмбрионы также дополнительно обнаруживают уменьшения в подвздошной кости, указывающие на то, что ген расположен ниже PBX и EMX2 во время формирования подвздошной кости (Bi et al., 2001; Capellini et al., 2010; Malashichev et al., 2008). Однако, имеются также доказательства более сложных генетических и биохимических взаимодействий между членами семейства PBX и EMX2, которые затрагивают развитие лопатки и тазового пояса в целом. Т.к. Pbx1, Emx2 и Sox9 экспрессируются в латеральной пластинке мезодермы и соматоплевре, то они могут также оказывать сильное влияние на экспрессию Fgf10, который кодирует критическую сигнальную молекулу для морфогенеза таза. В самом деле, мыши Fgf10-/- обнаруживают почти полное отсутствие структур таза (Sekine et al., 1999), а экспрессия Fgf10 снижается у Pbx/Emx2 мутантов (Capellini et al., 2011, 2010; Capellini and Selleri, unpublished results).
Потеря подвздошной кости также обнаруживается у эмбрионов Pitx1-/- (Lanctot, Moreau, Chamberland, Tremblay, & Drouin, 1999), показывая, что этот ген важен не только для конечностей, но и также для формирования поля таза. Эта находка в дальнейшем была подтверждена открытием, что потеря определенного энхансера тазового Pitx1 в пресной воде колюшки устраняет определенные аспекты тазового плавника, включая верхний закрепляющий пояс гребень (Chan et al., 2010). Энхансер, кроме того, содержит ряд сайтов связывания для HOX, PBX и MEIS, факторов важных для формирования конечностей и таза. Сходным образом, Tbx4, нижестоящая мишень для PITX1 в поле конечности и соматоплевре, регулирует некоторые аспекты образования подвздошной кости-т.e., conditional Tbx4-/- эмбрионы обнаруживают уменьшенную и диспластичную пластину подвздошной кости (Naiche & Papaioannou, 2007). Эти находки демонстрируют регуляторную сеть, иерархически контролируемую с помощью PBX, осуществляемую в виде каскада вниз через PITX1, TBX4 т, скорее всего, др. эффекторов (Fig. 2). Две потенциальные мишени - это Tbx15 и Lmx1b. Tbx15 экспрессируется в поле задней конечности и соматоплевре, а LOF Tbx15 у мышей приводит к дефектам подвздошной кости (Singh et al., 2005). Интересно, что пациенты с TBX15 кодирующими мутациями обнаруживают синдром Cousin и обладают рядом дефектов скелета, включая альтерации формы подвздошной кости (Lausch et al., 2008). Lmx1b экспрессируется в дорсальной части конечности и соматоплевре, а мутации LOF в Lmx1b вызывают дефекты пластины подвздошной кости (Chen et al., 1998).
Ряд генов выполняют специфические модулирующие роли в развитии нижней части os coxae. Напр., члены семейства Aristaless гены Alx1, Alx3, и Alx4 экспрессируются в проксимальных частях поля задних конечностей, а взаимодействия между этими членами семейства приводят к дефектам лобковой кости; компаундные Alx1;Alx4 мутанты обнаруживают потерю переднего лонного ответвления, это обнаруживается и у Alx3;Alx4 двойных нулевых мышей (Kuijper, Feitsma, et al., 2005). Эффекты их взаимодействия сходны с эффектами во время формирования передней части пластинки лопатки, хотя они не усиливались при одновременной потере Tbx15 (т.e., Alx1;Alx3;Tbx15, Alx1;Alx4;Tbx15 и Alx3;Alx4;Tbx15 компаундных мутантных мышей без дополнительных дефектов нижних частей os coxae). Сходным образом, несмотря на их роль в формировании паттерна нижней части пластинки лопатки, ни Gli3-/-, ни компаундные мутантные мыши Gli3;Tbx15 (т.e., Gli3+/-;Tbx15-/-Gli3-/- Tbx15+-Gli3-/-Tx15-/-) не обнаруживают дефектов os coxae , указывающих на отсутствие генетического контроля лопатки в противовес тазу (Kuijper, Beverdam, et al., 2005). Интересно, что нулевые мутации в Prx1 и Prx2 (ten Berge, Brouwer, Korving, Martin, & Meijlink, 1998), др. гены семейства Aristales, приводят к потере лобка. Эти находки указывают, что сложные взаимодействия сходным образом используются среди генов Aristaless во время развития как плечевого, так и тазового пояса. Кроме того, эти ключевые факторы, Twist1 (Krawchuk et al., 2010), Cv2 (Ikeya et al., 2006), Msx1-2 (Lallemand, 2005), Islet1 (Itou et al., 2012), Fgfr1-IIIb (De Moerlooze et al., 2000), Pbx1-3 (Capellini et al., 2006, 2011) и члены пути WNT (Lee & Behringer, 2007) влияют на формирование лобковых костей и симфиза.
Кстати, сравнительно мало генов было описано, влияющих на развитии седалищной кости, хотя ни один из них не оказывал специфического модулирующего эффекта на подвздошную кости, но скорее оказывал более общее влияние на развитие нижней части os coxae. Сюда входят Islet1 (Itou et al., 2012), Pax1 (Timmons et al., 1994) и члены семейства Pbx (Capellini et al., 2011). Главными иерархическими регуляторами низа (inferior) (т.e., лобка и седалища) развития таза, по-видимому, являются члены семейства Islet специфически действующие во время развития раннего поля конечности (Itou et al., 2012). Islet1-/- мыши обнаруживают значительно редуцированные и дисморфические элементы седалищной и лобковой костей. 4.3. Hierarchical roles of Pbx genes in girdle patterning and morphogenesis
Было установлено, что одно семейство гомеодоменовых транскрипционных факторов Pbx действует как иерархические регуляторы программ развития в морфогенезе многих органов, включая лицо (Ferretti et al., 2011; Losa et al., 2018), сердце (Stankunas et al., 2008), легкие (McCulley et al., 2018), поджелудочную железу (Kim et al., 2002), селезенку (Brendolan et al., 2005; Koss et al., 2012), кору головного мозга (Golonzhka et al., 2015), спинальные моторные нейроны (Hanley et al., 2016), конечности (Capellini et al., 2006) и оба пояса (Capellini et al., 2011, 2010). В целом эти гены экспрессируются в соматоплевре передних конечностей (Pbx1-3) в специфических регионах лопатки и задних конечностей (Pbx1-2) в популяциях предшественников таза (Bi et al., 2001; Capellini et al., 2010; Pellegrini et al., 2001). первоначально было отмечено, что Pbx1 гомозиготная LOF приводит к гибели мутантных эмбрионов мышей на 15/16 день беременности благодаря широко распространенным дефектам во многих органах, а также аномальному паттерну осевого и аппендикулярного скелета (Selleri et al., 2001). Напротив, мыши с одиночной потерей Pbx2 и Pbx3 не обнаруживали аномалий скелета и конечностей (Rhee et al., 2004; Selleri et al., 2004). Далее проводились исследования сложных взаимоотношений между множественными членами семейства Pbx. Эмбрионы с компаундными мутациями в Pbx1 и Pbx2 обнаруживают дефекты проксимальных частей конечностей, а также тяжелые аномалии дистальных частей конечностей (Capellini et al., 2006). Далее было установлено, что Pbx гены иерархически регулируют формирование лопаток и таза у мышей (Capellini et al., 2011, 2010).
В лопатках мышей транскрипционные факторы PBX1-3 необходимы для формирования нормального паттерна лопасти лопатки, при LOF Pbx1 одного или в сочетании с Pbx2 или Pbx3 происходит заметное уменьшение, раздвоение и появляются отверстия в лопасти лопатки (Capellini et al., 2010) (Fig. 1). Pbx гены также затрагивают формирование паттерна клеток предшественников и мезенхимных конденсатов посредством взаимодействия с Emx2. Компаундные мутантные Pbx; Emx2 мыши обнаруживают заметные дефекты в формировании паттерна лопасти (blade) лопатки, однако, они отличны от тех, что присутствуют у компаундных Pbx мутантов. Эти находки вместе с исследованиями компаундных Pbx1;Pbx2 и Pbx1;Pbx3 мышей, демонстрируют иерархическую регуляцию большинства известных паттерн-формирующих генов лопатки с помощью взаимодействий Pbx/Emx2 (Fig. 1). Такой иерархический контроль осуществляется на транскрипционном уровне (Capellini et al., 2010) , на котором PBX1 и EMX2 также биохимически взаимодействуют в проксимальных передних частях зачатков передних конечностей, физически взаимодействуя с регуляторным энхансером, стоящим выше Alx1, критичеаского гена для формирования паттерна лопасти лопатки.
Эти генетические взаимодействия не только ограничиваются лопастью лопатки, но и приводят к формированию неправильного паттерна гребня лопатки, acromion и её головки и шейки. Двойные нулевые Pbx1;Pbx2 и Pbx1;Pbx3 мыши обнаруживают удвоения головки и шейки (Fig. 1), это, скорее всего, следствие неправильной регуляции количества Hox генов в поле ранней передней конечности, включая заметное дорсо-вентральное расширение Hoxc6, чья неправильная экспрессия (misexpression) у кур, по-видимому, приводит к удвоениям в лопатке (see above). У компаундных мутантных мышей большинство проанализированных паттерн-формирующих генов лопатки , которые управляют развитием гребня, acromion и головы и шеи, или подавляются и/или обнаруживают пространственно измененные паттерны экспрессии. В целом эти находки выявляют важные иерархический контроль членов семейства Pbx над формированием лопаток.
Pbx гены также действуют как иерархические регуляторы в тазу, но в отличие от лопатки только Pbx1 и Pbx2 экспрессируются в соматоплевре поля таза (Capellini et al., 2011). В противовес наблюдениям в лопатках, потеря Pbx1 у мышей вызывает полное отсутствие подвздошной кости (Capellini et al., 2011). Когда Pbx2 и Pbx3 теряются одновременно, то лобковая и седалищная кости еще больше уменьшаются или отсутствуют, подтверждая, что Pbx гены играют ключевые роли в формировании мезенхимных конденсатов таза и/или в спецификации предшественников таза (Fig. 2). Эти исследования также установили, что ряд генов, участвующих в развитии индивидуальных тазовых элементов, подавляются или пространственно изменяются у компаундных Pbx1;Pbx2 мышей.
Т.к. при формировании лопаток гены Pbx также иерархически регулируют экспрессию Emx2 и Sox9, особенно при формировании верхних частей таза. Если Emx2 или Sox9 теряются, то большая часть лопатки также редуцируется или отсутствует; однако, в тазу возникающие в результате дефекты ограничены подвздошной костью скорее, чем всеми тазовыми костями (Bi et al., 2001; Capellini et al., 2010; Malashichev et al., 2008). Это подтверждает, что генетические сети, представленные Pbx, Emx2 и Sox9 различаются между грудным и тазовым поясом. Более того, Pbx и Emx2 также кооперативно регулируют программы развития верхней части таза,хотя у компаундных мутантных мышей у Pbx1; Pbx2 или Pbx1;Emx2 отдельные нижние структуры таза изменены, такие как femoral-acetabular (бедренное) сочленение (Fig. 2). В самом деле, имеется ряд предполагаемых транскрипционных мишеней по всему геному для PBX1-EMX2 комплекса, чьё расположение находится вблизи генов с функциями, характерными для морфогенеза задних конечностей и таза (Capellini et al., 2011). Становится ясно, что члены семейства Pbx в целом контролируют развитие верхних частей таза, при этом оказывают некоторое влияние на формирование нижних частей таза, тогда как гены семейства Islet контролируют развития нижних частей таза (Fig. 2).
Недавно было отмечено, что PBX1 может действовать как первый транскрипционный фактор, которые является типичным транскрипционным фактором, который может распознавать и соединяться с сайтами мишенями, даже когда хроматин сильно поранен, чем свободен и легко доступен (Donaghey et al., 2018; Grebbin & Schulte, 2017). Немногие пионерские факторы были идентифиированы и тщательно исследованы, но доказательства от исследований in vivo и in vitro подтверждают, что PBX1 может принадлежать к этой категории. Три отличающихся пионерских фактора сохраняют функции в: (a) соединяясь с сайтами мишенями в закрытом хроматине, (b) повышая доступ к ДНК для др. белков, и (c) активно используемые в спецификации клеточных судеб или в клеточном репрограммировании (Grebbin & Schulte, 2017; Iwafuchi-Doi & Zaret, 2016). Относительно (a), было показано, что PBX1 соединяется с сайтами мишенями в промоторных и энхансерных регионах генов, таких как Dcx и Th прежде, чем они станут транскрипционно активными, подтверждая, что сайты мишени для PBX1 - это гены, которые могут быть расположены в закрытом хроматине во время связывания (Brill et al., 2008; Grebbin & Schulte, 2017). Однако, необходимо установить, действительно ли PBX белки обладают прирожденной способностью действовать как пионерские факторы. 4.4. Cis-regulatory evolution of the pelvis and scapula
Гены, описанные выше, представляют собой небольшой субнабор генов, которые управляют формированием поясов у мышей, людей и др. тетрапод. Сегодня транскриптомные подходы используются для идентификации сюиты генов , которые участвуют в формировании паттерна и хондрогенезе обоих поясов. Однако, столь же важно исследование, как некодирующие части генома влияют на эти процессы развития. Сегодня понятно, что онтогенетически кодируемые признаки, такие как форма скелета, контролируются на уровне регуляции генов скорее, чем за счет вариантов кодирующих экзонов (King & Wilson, 1975; Spitz & Furlong, 2012). Некоторые недавние исследования продемонстрировали, что регуляторные элементы, такие как энхансеры, промоторы и репрессоры делают возможной тонко настроенный, модулярный контроль экспрессии генов во времени и пространстве, чтобы обеспечить специфические анатомические результаты (Serfling, Jasin, & Schaffner, 1985; Spitz & Furlong, 2012). Такие исследования идентифицировали разные энхансерные последовательности, которые действуют как ключевые скелетно-мышечные регуляторы, включая специфические для длинных костей и суставов регуляторные последовательности для генов, таких как Gdf5 (Capellini et al., 2017), Gdf6 (Mortlock, Guenther, & Kingsley, 2003), Bmp5 (Guenther, Pantalena-Filho, & Kingsley, 2008), Fgf8 (Marinic, Aktas, Ruf, & Spitz, 2013), и Myf5 и Myf6 (Summerbell et al., 2000; Vinagre et al., 2010). Однако, помимо работ по развитию генетических и биохимических взаимодействий Pbx1 и Emx2 с Alx1 регуляторным элементом во время формирования паттерна лопаток (Capellini et al., 2010) и исследований по цис-регуляторной структуре локуса Pitx1 (Chan et al., 2010; Sarro et al., 2018; Spielmann et al., 2012), идентифицировано мало ткане-специфических регуляторных элементов, участвующих в развитии лопаток и таза.
Было предположено, что эволюционные изменения в регуляторных последовательностях, контролирующих экспрессию генов, скорее всего, управляют ключевыми фенотипическими различиями между организмами (King & Wilson, 1975). Это потому, что большинство генов очень консервативны и очень плейотропны, это означает, что альтерации в их белок-кодирующих последовательностях могут приводить к негативным эффектам во многих местах тела или к фенотипам, которые существенно снижают приспособленность организмов (Carroll, 2008). С др. стороны, регуляторные последовательности, такие как энхансеры и промоторы, часто управляют экспрессией генов только в одном из субдоменов, на который распространяется весь паттерн экспрессии. Т.о., энхансеры делают возможным модулярный контроль генов мишеней, который специфичен для пространства и времени, а генетические варианты этих последовательностей имеют более локальные эффекты и поэтому более склонны служить в качестве материала для естественного отбора, чтобы оперировать с ними (upon). Недавнее исследование, сконцентрировалось на выявлении регуляторного профиля хондроцитов, которые формируют части компонент лопатки и таза, чтобы идентифицировать функциональные последовательности, которые контролируют развитие каждого элемента пояса в время хондрогенеза. Установление видо-специфичных эпигеномных профилей структуры каждого пояса д. повысить не только наше понимание, как пренатально развиваются таз и лопатки, но и также создать каталог потенциально важных эволюционных мишеней, на которые отбор может действовать, чтобы сформировать уникальную морфологию поясов человека, шимпанзе и мышей. Conclusions and future directions
The research discussed here comprises various approaches spanning multiple disciplines—including functional anatomy, paleoanthropology, embryology, developmental biology, and genetics—in an attempt to understand the formation of two unique bones and the underlying mechanisms that shape and direct morphological variation during evolution and in disease. Comparative biomechanical, anatomical, and paleontological studies of vertebrate taxa including hominin species can provide us with an evolutionary context of why the scapula and pelvis have their distinctive morphologies across the animal kingdom and, in particular, in humans. They also shed light on the adaptive nature of the observed changes in morphology. Developmental studies have also shown that in many vertebrates, but especially modern humans, the core morphologies of each girdle are present well before birth, meaning that natural selection acted on developmental processes to generate adult functional phenotypes. Therefore, studying the underlying developmental pathways, as well as the genetic architectures that control them, will allow us to elucidate both how these structures form, and how natural selection has shaped the genomic control of key skeletal traits. In time, it will shed light on how pathological mutations generate abnormal girdle morphologies and birth defects.
Here we have summarized over a century’s worth of studies that have built a foundation on which future research will answer these questions. Early and mid-20th century description of anatomical specimens of prenatal humans have proved invaluable to our understanding of embryonic and fetal girdle development. More recent experimental work in chicks and mice has allowed for a clearer understanding of the early patterning and tissue origins of both structures. Genetic studies in mice have also identified genes that are involved in pelvis and scapula patterning and morphogenesis and are active only in specific subdomains of each girdle, thus leading to a basic understanding of core networks. However, the genes known so far to control girdle formation are only a small subset of the hundreds that are involved in the prenatal development of each girdle, and very little is known about their regulatory interactions. Therefore, in order to fully understand patterning and morphogenesis of the pelvis and scapula in animals as disparate as chicks, mice, and humans further work is necessary to identify both the genes and regulatory elements active in the specific components of each girdle. This approach will ultimately determine which of these genetic elements have been under natural selection to produce the tremendous anatomical variation in the girdles across tetrapods.
|