Одной из наиболее важных причин, почему проблемы формирования паттерна head-tail избегают решения, является то, что не легко определить эту ось точно у эмбрионов позвоночных. Хотя ориентация эмбриона фиксирetncz относительно рано в развитии, клетки, которые оккупируют разные позиции вдоль оси, не идентифицируются до относительно поздних стадий, по крайней мере у эмбрионов амниот (птиц и млекопитающих). чтобы понять проблему необходимо начать с мушки Drosophila,, у которой ость голова-хвост хорошо определяется с самых ранних стадий, и у которой идентифицировано множество ключевых играков.

Установление полярности нуждается в событии нарушения симметрии, дающее в результате ось вдоль которой сегрегируют детерминанты. У нематоды Caenorhabditis elegans, ооциты аполярны и у них быстро запускается поляризация вдоль одрной оси после оплодотворения (Cowan and Hyman, 2004). У Drosophila (rev. Akam,1987; Lall and Patel, 2001; Huynh and St Johnston, 2004; Tautz, 2004), материнские продукты генов начинают распределяться по градиенту вдоль длинной оси в цитоплазме овальной формы оплодотворенного яйца. Передне-задняя ось специфицируется матерински и связана с осью матери, ключевыми материнскими детерминантами, локализующимися во время оогенеза. В частности, bicoid мРНК начинает концентрироваться на будущем переднем (Boxes 1 и 2) полюсе яйца, при этом создается градиент белка Bicoid и head-tail ось; мутантны bicoid мухи являются "doublecaudal" (удвоенные задние части). Когда происходит целюляризация, чтобы сформировать бластодерму, то разные клетки наследуют разные количества Bicoid (и др. белков), этим самым вызывается предварительная спецификация их судьбы, так что клетки, наследующие наивысшие дозы Bicoid, становятся ростральными (передними) по природе. Bicoid специфицирует активность gap генов на разных позициях вдоль оси; последующие взаимодействия между клетками с вовлечением Pair-rule и Segmentation генов постепенно приводят к подразделению бластодермы на прогрессивно уменьшающиеся области вдоль той же оси, грубо предопределяя head-tail плана тела личинок, который оказывается подразделенным на 14 сегментов. Дорсо-вертикальная ось специфицируется с помощью активности материнского гена Dorsal, (NF-IB гомолог)? который экспрессируется на высоких уровнях вентрально и снижается в дорсальном направлении, где экспрессируется dpp (BMP гомолог). Т.о., оси у мух первоначально специфицируются с помощью неравного распределения материнских детерминантов в цитоплазме яйца.

Drosophila, подобно др. мухам, является holometabolous, насекомым с длинным зародышевым диском и инициальным паттерном тела личинок, подвергающимся существенной реконструкции, строящейся позднее из имагинальных дисков, которые не используются личинками. Насекомые с коротким зародышевым диском и др. артроподы устанавливают свою head-tail ость совсем по-другому: они закладывают свои сегменты тела медленным, прогрессивным способом, от головы к хвосту. На ранних стадиях развития не все клетки, которые будут вносить вклад в разные части вдоль оси, еще присутствуют - клетки, предназначенные для наиболее каудальных частей генерируются значительно позднее, чем происходит общая ориентация эмбриона. В крайних случаях возникают многоножки, которые в зависимости от видовой принадлежности формируют от 15 до 151 сегментов (но всегда нечетное число) (Chipman et al., 2004). По крайней мере, у пиявок имеется набор делящихся предшественников, чьё потомство прогрессивно вносит вклад в более каудальные области: наиболее недавно возникшие клетки будут локализованы более каудально в финальном плане (Lall and Patel, 2001; Tautz, 2004). Ясно, что в такой системе, где план тела закладывается прогрессивно от головы к хвосту в течение длительного периода, качественные особенности (identity) сегментов д. устанавливаться во время этого процесса скорее, чем все однажды для всего организма, как у дрозофилы.

Учебники и даже некоторые первичные работы высказывают предположение, что как и у мух, у эмбрионов позвоночных спецификация head-tail оси происходит очень рано в развитии, ещё до гаструляции. Поэтому диаграммы, представляющие организацию ранних (бластула или ранняя гаструла ) эмбрионов, могут включать указания на ростральную (такую как передний мозг; Fig. 1) и хвостовую часть. Однако, важно различать между судьбами клеток и локализацией в эмбрионе. Т.к. будущие позиции головы и хвоста специфицируются очень рано в развитии у большинства животных, то в общем то невозможно найти клетки, которые будут вносить вклад потомков в одиночную область оси, определенно для областей каудальнее заднего мозга. По крайней мере, у амниот, хотя большая часть области головы закладывается и может быть специфицирована относительно рано в развитии, но остальная часть тела от заднего мозга до хвоста, может закладывается прогрессивно и медленно на стадиях развития, значительно более поздних, чем гаструляция (как у насекомых с коротким зародышевым диском). Поэтому и невозможно идентифицировать клетки, предназначенные для вклада в определенную область туловища вплоть до относительно более поздних стадий. Хотя эмбрион как целое и в самом деле patterned и позиции, в которых голова, туловище и хвост будут развиваться, могут быть предопределены на ст. бластулы, клетки сами по себе ещё не родились и , следовательно, не могут быть идентифицированы или маркированы на этой стадии (Fraser and Stern, 2004). Поэтому как следствие, когда мы говорим о "формировании паттерна оси голова-хвост", мы подразумеваем разные вещи в зависимости от того, рассматриваем ли мы позиции внутри эмбриона или мы рассматриваем клетки со специфическими позиционными качественными особенностями.

Box 1. Naming the axes. In Drosophila and most other animals, the long axis of the body is usually called the "anterior-posterior" axis, meaning front-back. However in humans, which walk erect, "anterior" means ventral (belly) and "posterior" is dorsal (the back, or spine), which causes confusion. To avoid ambiguity we use "headtail" or "rostro-caudal" for this axis, and "dorso-ventral" for the bellyto- back axis in all organisms.

Очень важно делать эти критические различия в своем сознании, когда вы пытаетесь понять механизмы, ответственные за такие события формирования паттерна.

М. существовать также очень важные различия между разными классами позвоночных, вообще соответственно тому, как быстро они развиваются и увеличивается ли существенно объем эмбриона как целого во время развития или как у эмбрионов мух, объем эмбриона будет оставаться болеt или менее постоянным во время ранних стадий формирования паттерна.

Fig. 1. Rough fate maps of zebrafish (upper row) and chick (lower row) embryos at early blastula (left), gastrula (middle) and a stage when the nervous system has been roughly patterned (right). The earliest stage chick embryo displays predictions of the locations of the centres of these prospective territories since the regions overlap considerably at this stage. Based on data from Woo and Fraser (1995), Hatada and Stern (1994) and various fate maps from the literature.

Anurans подобно лягушкам Xenopus laevis развиваются очень быстро в свободно плавающую стадию головастика и не увеличиваются в объеме вовсе между оплодотворением и вылуплением головастика: при этом клетки становятся прогрессивно всё меньше по мере делений. У Xenopus существуют некоторые противоречия относительно того, как ось head-tail д.б. fate-mapped у ранниъ эмбрионов (бластула или ранняя гаструла). Т.к. воздействия (такие как Lithium Chloride), которые вызывают дорзализацию эмбриона, также генерируют более крупную голову и укорочение туловища/хвоста, тогда как вентрализующие воздействия (такие как BMP или УФЛ) вызывают делецию головы и преувеличенные туловище/хвост, то в некоторых работах было предположено, что дорсо-вентральная и голова-хвост оси совпадают на ст. бластулы. Но это не может быть верным (см Stern et al., 1992; Lane and Sheets, 2000) - тогда, как эти оси разделяются? Какие клетки являются предшественниками рострального кончика хорды и какие клетки вносят вклад в более каудальные части этой структуры? Если не существует оси head-tail в начале ст. гаструлы, то она д. генерироваться позднее. Рождаются ли клетки для более каудальных частей оси прогрессивно (как у пиявок и насекомых с коротким зародышевым диском) или, если нет существенной "growth zone" (как у мух), то должны ли сначала клетки интеркалироваться, чтобы удлинять зачаток хорды и др. аксиальных структур и только затем приобретать позиционные качественные особенности вдоль оси как результат клеточных взаимодействий. С др. стороны, имеются на самом деле некоторые доказательства, что границы Hox генов первоначально закладываются во время гаструляции (до осевой элонгации), хотя и сам организатор и хорда, происходящая из него, не экспрессируют каких-либо Hox генов (Wacker et al., 2004a). Проблема оказывается даже более сложной, т.к. head-tail ось может быть установлена для разных структур (хорды, сомитов, промежуточной и латеральной мезодермы, нервной трубки и будущей кишечной трубки), которые развиваются в разное время и совершенно разными способами, а возникающий в результате финальный паттерн д.быть согласованным (coherent), так что органы оказываются расположенными правильно. В остальной части обзора мы попытаемся пролить свет на события, которые вносят вклад в определение head-tail оси, как это понимается сегодня и у разных классов позвоночных.

Имеются процессы, которые мы, по-видимому, знаем хорошо и которые были хорошо изучены у разных позвоночных, но особенно у амфибий. У Xenopus (rev. Gerhart, 2004), анимально-вегетативная и дорсо-вентральная оси устанавливаются первыми (во время оогенеза и оплодотворения, соотв.) Эти события базируются на взаимодействии между точкой проникновения спермия и тяжестью (которая позиционирует желточную (yolky) цитоплазму на вегетативной полюсе (vegetally)). Сразу же после оплодотворения, яйцо подвергается кортикальной ротации, которая устанавливает серый серп на дорсальной стороне. На молекулярном уровне ключевыми компонентами являются, VegT (T-box транскрипционный фактор, локализующийся vegetally), и события, которые приводят позднее к ядерной локализации β-catenin (указывающей на активацию Wnt пути) на дорсальной стороне эмбриона. Область, где вегетативные (vegetal) детерминанты и и ядерный β-catenin перекрываются, становится центром Nieuwkoop, важной сигнальной областью, определяемой по её экспрессии транскрипционного фактора Siamois, который специфицирует Шпемановский организатор в непосредственно соседствующих клетках в направлении к анимальному полюсу. В свою очередь, Шпемановский организатор испускает сигналы (в первую очередь антагонисты BMP), которые обусловливают дорсальные судьбы клеток внутри него и в соседних регионах. Стоящие иерархически ниже этих самых ранних молекулярных компонентов, передача сигналов Nodal (возможно вместе с FGF) играют критическую роль в индукции мезодермы. Шпемановский организатор соответствует дорсальной губе бластопора - положение бластопора (но не большая часть его клеток) маркирует будущий каудальный конец (анус) у головастиков. Т.о., у Xenopus, материнские детерминанты вместе с гравитацией (кортикальной ротацией) устанавливают первую асимметрию, которая и закладывает animal-vegetal и dorso-ventral оси. Дорсальная сторона соответствует месту инициации эмбриональной оси, т.е. месту, где начинается гаструляция. Постепенно ось удлиняется за счет комбинации клеточной involution/ingression в бластопоре и строгих convergence-extension движений, которые затрагивают и анимальную эктодерму и глубокие mesendodermal клетки. Эти события приводят к тому, что вегетативные клетки интернализуются и в то же самое время blastopore/anus перемещается туда, где вегетативный полюс д.быть (used to be).

Эмбрионы рыбок данио, по-видимому, используют сходные механизмы, как и Xenopus, нарушая инициальную симметрию яйца и устанавливая также "dorsal" центр (shield) на одном краю эмбриона благодаря кооперации сходных путей (β-catenin/Wnt, Siamois-related гена, называемого bozozok/dharma/Nieuwkooid, T-box гена, называемого spadetail [Tbx16] и Nodal, BMP и FGF путей) (rev. Kane and Warga, 2004; Solnica-Krezel, 2005). Однако из-за очень большого объема бесклеточного желтка, процесс epiboly (распластывания эмбриона поверх желтка) очень выражен и связан с гаструляционными движениями, которые все происходят вокруг диско-образного эмбриона - не только вокруг щитка (shield) на дорсальной стороне, но и также на противоположном конце. Кроме того, гаструляционные движения, по-видимому, продолжаются в течение более длительного периода, чем

Box 2. Ambiguities of terminology. In all vertebrates, but particularly in mouse and chick, much of the recent literature uses "anterior-posterior patterning" to describe events occurring at early stages of development. But the term amalgamates several different, and experimentally separable, events. One is the formation of the primitive streak at one end of the embryo (here we call this "symmetry breaking"). Another is the specification of the position ("anterior") in the blastoderm/blastocyst where the forebrain will later develop. The primitive streak appears at the opposite edge to the site of future forebrain development, where the tail will later form. However the cells that occupy these positions at early stages contribute very extensively to the axis. Furthermore the axis of the primitive streak itself is not a head-tail axis but rather a dorsalventral axis (the tip of the streak, where the node is located, contains dorsal cell fates like notochord but the descendants of these cells will extend along the whole axis; the "posterior" streak will give rise to lateral and extraembryonic mesoderm: ventral cell types; Psychoyos and Stern, 1996; Kinder et al., 1999; Tam and Gad, 2004). Therefore at the primitive streak stage, the axis bisecting the embryo into left and right halves runs from rostral at one end to ventral at the other (rather than rostral to caudal), and the cells that occupy these various positions do not relate to the future head-tail axis in any simple way. It is therefore misleading to think of the "anterior-posterior patterning" mechanisms that position the primitive streak as being equivalent to head-tail patterning, although obviously the early events are required for the correct execution of the later ones.

у Xenopus; в то время как клетки всё ещё involuting вокруг всех краёв эмбриона, центральные эмбриональные области подвергаются нейруляции. Как результат, процесс, обычно называемый "gastrulation" у рыбок данио сопровождает и его и стадию нейрулы у лягушек.

Из амниот мы пожалуй знаем больше об этом процессе у эмбрионов кур (rev. Stern, 2004). Хотя куриное яйцо обладает очень большим объемом бесклеточного желтка, подобно рыбкам данио, гаструляция не является затяжным процессом, т.к. epiboly бластодермы поверх желтка не связана с процессом гаструляции. Эпиболия происходит на более поздней стадии и её основной причиной является расширение вне-эмбриональных тканей скорее, чем эмбриональных. В отличие от Xenopus, однако, яйцо оказывается высоко полиспермным и эмбрион нарушает свою радиальную симметрию относительно поздно, на высоко многоклеточной стадии. Если материнские детерминанты существуют (а имеются доказательства, что гравитация, так как яйцо ротирует в яйцеводе матери, влияет на полярность и что "δ-ooplasm" может быть критическим материнским компонентом; Kochav and Eyal-Giladi, 1971; Callebaut et al., 2001; Callebaut et al., 2004), то они могут устанавливать склонность к полярности, но не нужны для нарушения симметрии. Самой четкой демонстрацией этого является наблюдение, что если на ст. "blastula" эмбрион (около 20,000 клеток) разрезается на несколько фрагментов, то каждый фрагмент может спонтанно инициировать формирование своей собственной, полной, эмбриональной оси (Spratt and Haas, 1960; Bertocchini et al., 2004). Самые ранние из известных зиготических компонентов, которые фиксируют полярность эмбрионов, вовлекают передачу сигналов TGFβ (cVg1) и Wnt на ст. бластулы, которые активируют Nodal в соседних клетках. Вместе с FGF, Nodal индуцирует формирование мезодермы в первичной полоске (эквиваленте бластопора амфибий и края у рыб). Так, и у др. обсуждаемых организмов позиция (но не клетки) первичной полоски маркируют будущий задний полюс эмбриона.

Fig. 2. Three models to explain initial head-tail patterning of the embryo. (A) The "head/trunk/tail organizer" model, based on the experiments of Otto Mangold (shown schematically in the first two columns, with the result on the right): grafts of "anterior" archenteron roof induce an ectopic head, those of mid-level roof induce trunk and those of caudalmost roof tissue induce a tail. (B) Nieuwkoop's "activation-transformation" model. (C) The "three-step" model, a modification of Nieuwkoop's model.

Клетки, дающие начало областям каудальнее заднего мозга (в любом зародышевом слое), располагаются внутри очень небольшой территории, которая увеличивается лишь значительно позднее (Fraser and Stern, 2004; Stern, 2004). У амниот (кур и мышей) дополнительный механизм предупреждает преждевременное образование первичной полоски, а также образование множественных полосок: вне-эмбриональная ткань (гипобласт у кур, передняя висцеральная энтодерма или or AVE у мышей) испускает Nodal антагонистов Cerberus и Lefty. Образование первичной полоски задерживается вплоть до тех пор, пока эти антагонисты не будут вычищены за счет движения hypoblast/AVE прочь от места инициации полоски (Bertocchini and Stern, 2002; Perea-Gomez et al., 2002). Этот механизм, по-видимому, необходим, т.к. относительно поздняя стадия, на которой устанавливается полярность у амниот, как следствие тогоо, что любая часть эмбриона сохраняет способность формировать первичную полоску вплоть до начала гаструляции (Spratt and Haas, 1960; Bertocchini et al., 2004).

У мышей самым ранним событием, нарушающими симметрию, является установление оси эмбрион--не-эмбрион, хотя механизмы этого и особенно степень, с которой материнские детерминанты играют в этом роль, является предметом жарких споров (напр., Gardner and Davies, 2003; Hiiragi and Solter, 2004; Plusa et al., 2005). Однако, кажется вполне возможным, что механизмы, которые позиционируют первичную полоску, являются очень сходными с теми, что описаны для кур (Tam and Gad, 2004). В конце ст. "blastula" (бластоциста) один конец, из которого образуется пустотелый цилиндр, становится местом инициации первичной полоски, которое, как и у др. рассматриваемых организмов, соответствует положению будущего ануса; голова д. развиваться на противоположной стороне цилиндра.

На ст. ранней первичной полоски клетки, которые д. оккупировать все отличающиеся аксиальные позиции, ещё отсутствуют и, следовательно, невозможно получить карту судеб для всей оси у раннего эмбриона (Lawson et al., 1991; Tam and Gad, 2004). Механизмы, которые закладывают позицию первичной полоски у мышей, в основном неизвестны, но они также используют передачу сигналов Wnt и Nodal (Morkel et al., 2003; Robertson et al., 2003; Tam and Gad, 2004). Вне-эмбриональная энтодерма (AVE) играет важную роль в этом раннем процессе нарушения симметрии не только путем противодействия образованию первичной полоски (Perea-Gomez et al., 2002) нои таже путем индукции и/или пространственного ограничения ряда генов, которые необходимы на противоположном конце эмбриона (Lu et al., 2001).

Карты судеб, сконструированные для ст. ранней гаструлы (или 6 ч поле оплодотворения у рыбок данио; Woo and Fraser, 1995), показывают упорядоченное расположение территорий, которые вносят вклад в будущие крупные регионы головного мозга (forebrain, midbrain, hindbrain), но они еще не выравнены вдоль будущей head-tail оси, т.к. определяются с помощью положения blastopore/shield/primitive streak. Экстенсивные клеточные движения затем искажают карту и расположение большинства территорий вдоль этой оси. Это было продемонстрировано довольно четко у рыбок данио и кур (Bortier and Vakaet, 1992; Hatada and Stern, 1994; Woo and Fraser, 1995; Fernandez-Garre et al., 2002; Fraser and Stern, 2004; Stern, 2004) (Fig. 1). Первоначально передний мозг располагается медиально, а территории заднего мозга и спинного мозга латерально на карте судеб у обоих видов. Клеточные движения затем выравнивают их ростро-каудально forebrain/hindbrain/spinal cord. У рыбок данио эта ситуация возникает на 10 ч после оплодотворения, тогда как у эмбрионов кур это происходит на ст. 4 (конец ст. гаструлы). В это время области переднего- и среднего-мозга довольно отчетливы на карте судеб, но проспективные территории заднего мозга и спинного мозга сравнительно очень малы. Напротив, мы знаем очень мало об этих событиях у амфибий и млекопитающих. Карты судеб Xenopus очень сырые на этих стадиях и часто не позволяют отличать между территориями, предназначенными для разных областей нервной системы (Keller and Shook, 2004). У мышей, единственная детальная карта судьбы получена Lawson с коллегами (Lawson et al., 1991), тогда как др. карты получены для значительно более поздних стадий (Inoue et al., 2000). Однако, имеющиеся данные согласуются с находками у рыбок данио и кур (Tam and Gad, 2004).

С момента открытия нейральной индукции (Spemann and Mangold, 1924), эмбриологи были заинтригованы механизмами, отвечающими за активность организатора как в индукции нервной системы, так формирования соответственно её паттерна (see Box 3; rev. Stern, 2001). Трансплантации организатора давали в результате эктопическую нервную систему, которая содержит все соотв. подразделения, а соседняя мезодерма подвергается формированию паттерна, чтобы сгенерировать соотв. сопровождающие структуры. Ранняя модель (Fig. 2) была предложена Otto Mangold's (Mangold, 1933), который трансплантировал разные уровни крыши archenteron (примитивной кишки?) (происходящего из организатора и non-organizer ткани бластопора и соответствующего мезодерме, возникающей в разное время) чтобы индуцировать очень специфические регионы нервной системы. Наиболее ростральная ткань индуцировала голову, промежуточные уровни индуцировали туловище, а наиболее каудальные уровни индуцировали хвост. Mangold предположил, что имеется несколько самостоятельных организаторов и что каждая область тела индуцируется отдельно. Эту гипотезу часто называют "head/trunk/tail organizer model". У рыбок данио и лягушек неправильная экспрессия антагонистов BMP, таких как Chordin или Noggin, обнаруживает тенденцию генерировать эктопические головные структуры. Это даже более эффективно, если антагонисты одновременно ингибируют передачу сигналов BMP и Wnt (Glinka et al., 1997). Напротив, неправильная mis-экспрессия FGF может генерировать только структуры туловища/хвоста даже в присутствии BMP (Storey et al., 1998; Agathon et al., 2003; Kudoh et al., 2004). Находки, такие широко интерпретировались как поддерживающие модель организаторов head/trunk/tail. Кроме того, находки, что у мышей AVE и у кур передняя дефинитивная энтодерма необходимы для формирования переднего мозга (Thomas and Beddington, 1996; Beddington and Robertson, 1998; Knoetgen et al., 1999; Withington et al., 2001) рассматриваются в поддержку идеи, что у амниот "head organizer" может респолагаться в hypoblast/AVE и/или наиболее ростральной части дефинитивной энтодермы (Foley et al., 2000; Stern, 2001). Однако, хотя и не возникает вопроса, что эти ткани необходимы для нормального развития оси, трансплантационные эксперименты продемонстрировали, что ни гипобласт кур ни AVE мышей не могут индуцировать нейральные судьбы и что ни одна из них не может формировать паттерн соседних тканей сама по себе (Tam and Steiner, 1999; Foley et al., 2000).

Альтернативная "activation-transformation model" (Fig. 2), была предложена Nieuwkoop после наблюдений, что трансплантаты тканей в эмбрионах дают эктопические структуры, которые никогда не являются более ростральными, чем уровень трансплантата, но все распространяются в направлении к хвосту (Nieuwkoop et al., 1952; Nieuwkoop and Nigtevecht, 1954). Nieuwkoop предположил, что инициальная индукция ("activation") продуцирует нервную систему с ростральными характеристиками и что позднее сигналы ("transformation") постепенно модифицируют части её, чтобы сгенерировать более каудальные области. Nieuwkoop предположил, что трансформирующие сигналы, испускаются самим организатором, но более недавние доказательтсва указывают на то, что они могут вместо этого продуцироваться с помощью не-аксиальной мезодермы (Muhr et al., 1997; Gould et al., 1998; Muhr et al., 1999; Wacker et al., 2004a). Часто предполагается, что антагонисты BMP (которые могут индуцировать головные структуры в определенных условиях) лежат в основе ступени активации, тогда как три молекулы обладают трансформирующей (caudalizing) активностью: Wnts (McGrew et al., 1997; Houart et al., 2002; Wilson and Houart, 2004), FGFs (Cox and Hemmati-Brivanlou, 1995; Pownall et al., 1998) и ретиноевая кислота (Durston et al., 1989; Ruiz i Altaba and Jessell, 1991; Kessel, 1992; Avantaggiato et al., 1996; Blumberg et al., 1997; Grandel et al., 2002; Kudoh et al., 2002; Diez del Corral et al., 2003; Oosterveen et al., 2003; Sockanathan et al., 2003; Molotkova et al., 2005). Однако, этой модели не легко объяснить, почему давнишние организаторы могут только индуцировать каудальные структуры без головных.

Недавно предложена третья альтернатива, "three-step model" (Stern, 2001; Fraser and Stern, 2004) (Fig. 2). Она является модификацией модели Nieuwkoop's, но с промежуточной ступенью "stabilization". Она предполагает, что "активация" не достаточна для индукции нейральной или переднего мозга судьбы, а скорее устанавливает раннее, но нестабильное ("pre-neural/pre-forebrain") состояние, которое нуждается в консолидации с помощью следующей ступени. Более поздние стабилизирующие сигналы вообще-то от аксиальной мезодермы или её предшественников в организаторе, д. консолидировать нейральную судьбу (Muhr et al., 1997; Muhr et al., 1999; Wacker et al., 2004a). В головной области стабилизация (преимущественно от prechordal мезодермы; Foley et al., 1997; Pera and Kessel, 1997; Shimamura and Rubenstein, 1997) д. фиксировать и нейральное и переднего мозга состояния. В туловище стабилизирующие и трансформирующие сигналы, по-видимому, исходят из разных тканей:

Box 3. What is an "organizer"? An organizer is a group of cells that has the ability both to induce a new fate in neighboring cells and to pattern the induced tissues and/or other neighboring tissues. The Spemann organizer (the dorsal lip of the amphibian blastopore, the zebrafish shield, Hensen's node in birds and mammals) is the archetypal example: it is able to induce the formation of an ectopic nervous system from cells not fated to form a neural plate; the induced nervous system is appropriately patterned along its dorsoventral and head-tail axes and the organizer or its derivatives can also dorsalize the neighboring host mesoderm. Although there are many examples of inducing tissues and other cases when cells impart patterning information, there are probably very few (if any) other true organizers during development.

в то время как происходящая из организатора аксиальная мезодерма (хорда) скорее всего ответственна за стабилизацию, то параксиальная (non-organizer) мезодерма, по-видимому, является источником трансформирующих сигналов (Muhr et al., 1997; Gould et al., 1998; Muhr et al., 1999; Wacker et al., 2004a). Необходимы дальнейшие исследования для тестирования специфических предсказаний этих трех в основном не совместимых моделей.

Любой механизм, с помощью которого в конце стадии гаструлы, эмброионы позвоночных будут генерировать относительно крупные территории, содержащие предшественников переднего мозга, среднего мозга и большую ростральную часть заднего мозга и значительно меньшую территорию, содержащую клетки, которые вносят вклад в остальную часть нервной системы (от средины заднего мозга до каудального конца спинного мозга) и мезодерму для соотв. уровней туловища и хвоста (Fig. 1). Удивительно, что большая часть тела возникает из такой небольшой области и , следовательно, мало смысла полагать, что формирование head-tail паттерна произошло задолго до конца периода гаструлы.

После гаструляции эмбрион растет каудально, закладывая структуры. Характерный план тела выявляется, когда большая часть параксиальной мезодермы туловища оказывается сегментированной на сомиты, стенки тела образуют складки и включают кишку и формируют хвостовую почку (даже если у некоторых организмов она позднее регрессирует). Это pharyngula (или phylotypic) стадия, на которой все позвоночные напоминают др. др. более, чем на остальных стадиях развития (Haeckel, 1874; Richardson and Keuck, 2002). Сомиты возникают из параксиальной мезодермы, сформировавшейся из остатков области blastopore/shield/primitive streak, тогда как задний/спинной мозг происходят из примордиев, локализованных рядом с нею. Остатки организатора и соседние клетки предопределяют "chordoneural hinge", область, которая содержит предшественники как для вентральной срединной линии нервной системы от заднего мозга до хвоста, так и для хорды в мезодерме (Selleck and Stern, 1991; Gont et al., 1993; Pfeffer and De Robertis, 1994; Catala et al., 1996). Имеются доказательства у кур (Selleck and Stern, 1991; Selleck and Stern, 1992; Freitas et al., 2001) и мышей (Beddington, 1994; Nicolas et al., 1996; Mathis and Nicolas, 2000; Cambray and Wilson, 2002), что Гензеновский узел содержит популяцию резидентных, делящихся асимметрично клеток со свойствами, сходными со стволовыми клетками, которые вносят вклад в хорду и сомиты по всей длине оси от заднего мозга до хвоста. Т.к. любая из этих клеток делится, то одна дочерняя клетка остается в узле, а др. покидает его, чтобы вступить в проспективную хорду или домены пре-сомитной мезодермы, где она продолжает делиться, так они оказываются расположенными прогрессивно всё более рострально по отношению к увеличивающемуся количеству более каудальных соседей (Fig. 3). Это напоминает механизм, который удлиняет план тела пиявок и короткий зародышевый диск насекомых. Однако, имеется мало информации об этом у Xenopus и возможно, что это животное, которое развивается очень быстро и без увеличения объема тела, может быть связано больше с клеточной интеркаляцией, чтобы удлинять ось тела за счет клеток, заложенных вне во время гаструляции, скорее, чем за счет добавления большого количества новых клеток, т.к. тело растет после гаструляции. Если немногие или вообще новые клетки не генерируются в хвосте,

Fig. 3. Stem-cell-like cells resident in Hensen's node (circle on upper left of diagram) divide within the node. At each division, one daughter remains in the node while the other and its subseuqent progeny colonizes the paraxial (prospective somite) mesoderm (shown as bilateral rods extending towards the lower right of the diagram). From Eloy-Trinquet et al.(2002), in turn based on data from Selleck and Stern (1991, 1992) and Nicolas et al. (1996).

тогда вполне мыслимо, что у anurans (вообще-тто даже у всех амфибий) большая часть формирования head-tail паттерна происходит значительно раньше, чем у др. позвоночных (более похоже на Drosophila). С др. стороны, если интеркаляционные движения очень обширны, то ранняя спецификация нуждается в высоко регулируемых клеточных движениях, чтобы уклониться от клеток, потерявших свои раннее приобретенные качественные особенности, что, по-видимому, выглядит очень мало вероятным. В заключение, наиболее вероятно, что у всех позвоночных, для всего туловища от заднего мозга до хвоста, ростро-каудальные качественные особенности фиксируются только в финале, после окончания ст. гаструлы (хотя гаструляция как процесс продолжается в хвостовой почке и клетки продолжают приобретать позиционные значения (identities) по мере удлинения эмбриона каудально).

От примерно середины заднего мозга до кончика хвоста позиционные качественные особенности как в нервной системе, так и мезодермальных и энтодермальных органах кодируются комбинацией экспрессируемых клетками Hox генов. У большинства позвоночных (за исключением teleosts и некоторых anurans, где кластеры м.б. частично удвоены) Hox гены расположены в виде четырех линейных кластеров (a-d), каждый содержит по 13 генов (Fig. 4). Внутри каждого кластера гены в направлении 3' конца экспрессируются раньше и распространяются более краниально, чем более 5' гены (rev. McGinnis and Krumlauf, 1992; Kmita and Duboule, 2003). Одинаково обозначенные числами (1-13) гены из разных кластеров (a-d) называются "paralogs" и стремятся экспрессироваться в сходном пространственном домене. Базовая структура Hox кластеров, а также пространственная и временная "colinearity" с физическим расположением генов вдоль хромосомы, законсервирована от Drosophila (которая имеет только один кластер) до позвоночных (Fig. 4). Хотя Hox гены специфицируют качественные особенности в разных зародышевых слоях, их пространственная и временная экспрессия часто не точно соответствует в разных слоях: по крайней мере, первоначально, экспрессия обычно распространяется более рострально в нервной системе, чем в соседней мезодерме. Более того, сдвиг доменов экспрессии между зародышевыми слоями разный у разных видов. Д. существовать функциональная компенсация между генами паралогами: т.к. мутации потери функции в одиночном гене Hox у мышей часто имеют едва заметные, если имеют какие-либо последствия, инактивация же всех четырех паралогов может вызывать "homeotic" трансформацию, при этом затронутая область (обычно на ростральном конце домена экспрессии паралогов) начинает воспринимать региональные характеристики др., обычно более каудальной, области (Horan et al., 1995). В самом деле, точная комбинация паралогов Hox, экспрессируемых в определенной области представляет собой, как полагают, "Hox code" (Kessel and Gruss, 1991) для позиционных качественных особенностей. Т.о., событие "transformation" в модели Nieuwkoop, обсуждаемое выше, может быть интерпретировано молекулярно как последовательная активация более 5' Hox генов, специфицирующих прогрессивно все более каудальные позиционные качественные особенности. Однако, важно отметить, что Hox гены не экспрессируются более рострально, чем ромбомер 2 заднего мозга и что упорядоченное расположение доменов экспрессии паралогов не обнаруживается ростральнее ромбомера 4.

Недавние результаты подтвердили довольно строго, что не так много точных молекулярных особенностей (identity) из экспрессируемых генов в определенной области, которые сообщают позиционный адрес, а скорее время начала их экспрессии (транскрипционная heterochrony; (Duboule, 1994; Crawford, 2003), что является критическим. Т.о., если Hoxd11 (который обычно специфицирует качественные особенности L6 позвонка) активируется слишком рано, то то качественные особенности позвонков, экспрессирующих его, сдвигаются рострально (к L5), тогда как если он активируется слишком поздно, то происходит сдвиг каудально (к L7) (Gerard et al., 1997; Zakany et al., 1997). Имеется строгая связь между активацией генов вдоль кластера и пролиферацией и это позволило предположить, что клетки могут обладать механизмом счета клеточных делений, что транслирует онтогенетическую историю в позиционные качественные особенности вдоль оси (Gaunt and Strachan, 1994; Duboule, 1995). Как эмбрионы координируют время активации Hox гена с генезом определенных регионов нервной системы и мезодермы, чтобы гарантировать, что структуры, возникающие из разных зародышевых листков будут расположены правильно? Одна из очевидных возможностей базируется на открытии асимметрично делящихся клеток, сходных со стволовыми в Гензеновском узелке, и в их остатках в хордо-нейральном шарнире (hinge) (Fig. 3), в этом случае предшественник, сходный со стволовыми клетками, остаётся в узле, продолжая "open" Hox кластеры, тогда как сестринская клетка оказывается предетерминированной, когда она выходит из области узла. Разный временной механизм, представленный распространяющимися волнами экспрессии последовательных (successive) Hox генов и их последующей стабилизацией в возникающей мезодерме, недавно был продемонстрирован у Xenopus (Fig. 5): экспрессия Hox инициируется очень рано, в широком домене маргинальной зоны (non-organizer мезодермы) на ст. гаструлы. Каждая группа паралогов Hox paralog экспрессируется здесь во временной колинеарной последовательности так, что этот домен проходит через последовательную смену (succession) временных Hox кодов. На дорсальной границе этой зоны Hox коды стабилизируются посредством сигнала организатора, как только мезодермальные клетки покидают эту область и откладываются вдоль формирующейся оси. В конце каждой вспышки ("flash") маргинальной стабилизации определенного Hox кода, фиксируется следующий Hox код и в свою очередь разрешается следующим поступлением клеток в дорсальную мезодерму, которая оказывается расположенной непосредственно каудальнее предыдущей группы клеток (Hooiveld et al., 1999; Wacker et al., 2004a). Было бы очень интересно установить, используют ли эмбрионы амниот сходный механизм на эквивалентной стадии.

Подобные часам механизмы, включающие волны из компонентов activation/repression Notch пути (Palmeirim et al., 1997; Pourquie, 2004) и базирующийся на клеточном цикле таймер (Stern et al., 1988; Primmett et al., 1989; Stern et al., 1992) были предложены для регуляции сегментации и это смогло легко объяснить таймер, контролирующий экспрессию Hox генов, когда клетки покидают пролиферирующую зону (Cordes et al., 2004). Несмотря на привлекательность этой гипотезы из-за её простоты, экспрессия Hox генов может "spread" среди соседних клеток как результат клеточных взаимодействий и не фиксироваться на базе исключительно истории клона (Deschamps and Wijgerde, 1993; Gaunt and Strachan, 1994; Gaunt et al., 1999; Forlani et al., 2003). Более того, клеточные взаимодействия поперек клеточных слоёв необходимы на значительно более поздних стадиях, чтобы фиксировать точные границы Hox генов, которые остаются пластичными в течение длительного времени. Напр., сигналы от параксиальной мезодермы регулируют экспрессию Hoxb4 в соседнем заднем мозге в течение длительного времени после как задний мозг и параксиальная мезодерма освободились от остатков первичной полоски и узелка (Gould et al., 1998).

Fig. 4. Chromosomal organization of a Hox cluster and schematic expression pattern in Drosophila (upper) and mouse (lower). The fly has only one Hox cluster, while the mouse has four. Hox clusters are spatially and temporally colinear: genes situated towards the 3' end of the cluster (shown on the left in the diagrams) are expressed more rostrally and earlier than those closer to the 5' end.

Очень элегантный механизм для координации часов сегментации с помощью этих поздних клеточных взаимодействий использует баланс между передачей сигналов FGF и ретиноидов в пресомитной мезодерме (Dubrulle et al., 2001; Zakany et al., 2001; Diez del Corral et al., 2003; Sockanathan et al., 2003; Dubrulle and Pourquie, 2004; Moreno and Kintner, 2004; Shiotsugu et al., 2004). FGF8 экспрессируется в виде градиента (наиболее высокие значения взади) в самых молодых частях пресомитной мезодермы и наиболее ростральная граница домена экспрессии была предположена в соответствии с "maturation front", предопределяющим детерминацию клеток сегмента. С др. стороны, ретиноевая кислота оппозитна градиенту FGF и фиксирует его ростральную границу. В то же самое время подавление активности передачи сигналов FGF на ростральном конце этого домена в пресомитной мезодерме демонстрирует



Fig. 5. The time-space translator model (from Wacker et al., 2004a). (A) False colour representation of expression of three Hox genes during Xenopus gastrulation: Hoxd-1 (purple), Hoxc-6 (green), Hoxb-9 (red). Six gastrula stages (10.5, 11, 11.5, 12, 12.5 and 13) are shown in a lateral view, anterior up and dorsal to the right. Anterior limits of Hox expression at the end of gastrulation are arrowed. (B) The time space translator model. Expression of new Hox genes (different colours) is initiated in non-organizer mesoderm (NOM) at different times. Non-organizer mesodermal tissue moves towards the Spemann organizer by convergence and then extends anteriorly (arrow). When mesoderm adjacent to the Spemann organizer involutes (lM), the current Hox code is transferred to overlying neurectoderm (NE). While the early Hox sequence in the non-organizer mesoderm (solid outlined black box) is running, new cells from this region are continuously moved into the range of the Spemann organizer (dashed black box) and their Hox code is then stabilized by an organizer signal. Thus, the temporal Hox sequence is converted into a spatial AP pattern by continuous morphogenetic movement and stabilization of timed information by the organizer in both involuted mesoderm (IM) and overlying neurectoderm (NE). (C) Dorsal views. In non-organizer mesodermal cells, the Hox sequence is running (solid black outline). From this domain, cells are continuously moved into the influence of the Spemann organizer (dashed black box) by convergence and extension (arrows). The head-tail pattern arises by adding new stabilized segments expressing a different subset of Hox genes caudally. A, anterior (rostral); P, posterior (caudal); V, ventral; D, dorsal; L, left; R right. (D) Schematic diagrams depicting locations of the Spemann organizer, blastopore and initial Hox expression domain in Xenopus and orthologous structures in the zebrafish (Alexandre et al., 1996), chick (Gaunt and Strachan, 1996) and mouse (Deschamps et al., 1999) at the beginning of gastrulation. Zebrafish and Xenopus are shown in vegetal views, chick and mouse are shown in dorsal views (modified from Wacker et al., 2004a).

детерминацию времени нейрональной дифференцировки и экспрессии Pax6 в соседнем спинном мозге (Diez del Corral et al., 2002; Diez del Corral et al., 2003), предоставляя механизм, с помощью которого мезодермальная сегментация и нейральная дифференцировка координируются во времени и пространстве. Важно, что Hox гены сами по себе, по-видимому, осциллируют вместе с часами сегментации во время этого процесса (Zakany et al., 2001). Хотя мы не может ещё понять точный механизм, с помощью которого эти события координируются, но кажется вполне вероятным, что одна роль передачи сигналов FGF в этом процессе необходима, чтобы поддержать пластичность в клетках, получающих высокие уровни этого сигнала, тогда как потеря передачи сигналов FGF (вообще-то как результат ретиноидных сигналов) "фиксирует" Hox код, экспрессируемый в это время в воспринимающих клетках в обоих зародышевых слоях. С др. стороны, это заключение делает трудным понимание, почему оппозитные сигналы, ретиноиды и FGFs, оба обладают caudalizing активностью (см. выше). В соответствии с этой моделью можно ожидать, что FGF действует как caudalizing агент, т.к. он удерживает клетки в "younger" состоянии, что позволяет ему активировать боее 5' Hox гены. Воздействие ретиноидами вызывает каудальную трансформацию (т.е. сдвиг каудальных качественных особенностей в ростральном направлении) как в позвонках, так и нервной системе (Simeone et al., 1990; Kessel and Gruss, 1991; Simeone et al., 1991; Marshall et al., 1992), однако выше привденная модель предсказывает обратное. В дополнение к своей активности противодействия FGF, ретиноиды также действуют непосредственно, чтобы регулировать экспрессию Hox генов, т.к. многие из Hox генов содержат критические чувствительные к ретиноидам элементы внутри своих регуляторных областей (Mavilio et al., 1988; Simeone et al., 1990; Gould et al., 1998; Huang et al., 1998; Packer et al., 1998; Liu et al., 2001; Bel-Vialar et al., 2002; Roelen et al., 2002; Mainguy et al., 2003; Oosterveen et al., 2003). Следовательно, взаимоотношения между FGFs и ретиноидами в формировании ростро-каудального паттерна не так просты, как если бы они контролировались в основном двумя антагонистическими градиентами.

Эти механизмы изучались наиболее интенсивно у кур и мышей. Как упоминалось выше, процесс может быть несколько иным у Xenopus. Т.к. сегментация и каудальная элонгация спинного мозга происходит очень быстро и внутри фиксированного объема ткани, то довольно трудно представлять себе запаздывающие часы сегментации, если это связано с клеточным циклом. Хотя имеются некоторые доказательства осцилляций компонентов Notch пути у этого животного (Davis et al., 2001), но не совсем ясно как это у амниот и еще меньше прямых связей между этой и любой др. сегментацией или нейральной дифференцировкой или установлением позиционных качественных особенностей.

Каудальная область является областью продолжающегося роста и рекрутирования клеток даже у Xenopus (Gont et al., 1993). В этой области некоторые клетки всё ещё делают выбор между зародышевыми слоями и даже одиночные клетки могут вносить вклад в более чем один слой (Selleck and Stern, 1991; Catala et al., 1996; Brown and Storey, 2000). Клетки по срединной линии могут вносить вклад в донную пластинку нервной трубки и/или хорду. Хотя наиболее очевидные доказательства регионализации вдоль оси могут быть обнаружены в нервной системе, параксиальной мезодерме и энтодерме, и находки у амфибий, указывающие на то, что хорда может быть лишена позиционных кодов (Wacker et al., 2004a), имеются некоторые интригующие доказательства. указывающие на то, что хорда также является сегментно организованной и регионализованной (Stern, 1990; Bundy et al., 1998; Prince et al., 1998; Kuan et al., 2004). Донная пластинка, однако, по-видимому, не подразделена регионально: клетки, по-видимому, способны мигрировать экстенсивно вдоль head-tail оси (Stern et al., 1988). По контрасту, если клетки обрываются даже в слегка более латеральных регионах нервной трубки они остаются на месте и приобретают характерные позиционные качественные особенности. Продолжающееся удлинение хвостовой почки нуждается в действии транскрипционных факторов Brachyury (Wacker et al., 2004b; Messenger et al., 2005) и Caudal (Pownall et al., 1996; Charite et al., 1998; Isaacs et al., 1998; Pownall et al., 1998; van den Akker et al., 2002; Chawengsaksophak et al., 2004; Copf et al., 2004; Beland and Lohnes, 2005). Mis-экспрессия мРНК Brachyury у лягушек индуцирует только каудальные структуры, тогда как mis-экспрессия родственного T-box гена, VegT, индуцирует головные структуры. Это, по-видимому, обусловлено дифференциальным сродством этих транскрипционных факторов к BMP эффектору Smad1: C-терминальные последовательности в Brachyury необходимы для этого взаимодействия; если они мутируют, то Brachyury может индуцировать головные структуры (Messenger et al., 2005). Это выявляет критическую роль Brachyury в каудальном расширении, но это также, напоминает о другом, как трудно распутывать head-tail ось, исходя из формирования дорсо-вентрального паттерна, когда mis-экспрессируютя гены на ранних стадиях, т.к. мутантные Smad1-взаимодействующие последовательности в Brachyury также индуцируют экспрессию (dorsal) маркера организатора goosecoid.

В конце процессов, обсужденных выше, эмбрион генерирует серию крупных регионов в каждом из зародышевых слоев вдоль оси тела. По мере того как каждый из этих регионов созревает он становится более сложным и может подразделяться и дальше. Так, передний мозг подразделяется на домены телэнцефалона и диэнцефалона, а затем далее на серию более мелких единиц, называемых prosomeres или prosencephalic neuromeres; (Vaage, 1969; Figdor and Stern, 1993; Puelles and Rubenstein, 1993; Puelles and Rubenstein, 2003), тогда как задний мозг оказывается подразделен на 7 ромбомеров (Vaage, 1969; Lumsden and Keynes, 1989; Lumsden, 2004) каждый с характерными качественными особенностями и судьбой. Меньше дополнительных регионов со специфическими функциями вскоре появляется, включая границу между средним и задним мозгом (isthmus; (Martinez and Alvarado-Mallart, 1990; Itasaki et al., 1991; Martinez et al., 1995), которая была изучена наиболее тщательно. Было определено с помощью её строгой экспрессии FGF8, что она действует как сигнальная область, ответственная за формирование паттерна соседнего среднего мозга (будущего tectum, где она генерирует градированную экспрессию engrailed-2), а также первого ромбомера, предопределяя будущий мозжечок (Wurst and Bally-Cuif, 2001). По этим причинам перешеек (isthmus) обычно рассматривается как "организатор". Этот перешеек позиционируется как результат наложения доменов экспрессии двух антагонистических транскрипционных факторов, Otx2 рострально и Gbx2 каудально, хотя мы ещё не знаем участвующие сигналы (Simeone, 2000). На этих последних стадиях усовершенствование паттерна продолжает быть зависимым от сигналов, испускаемых от др. зародышевых слоев - напр., сигналы от параксиальной мезодермы являются критическими в предоставлении позиционных качественных особенностей индивидуальным ромбомерам, а также специфическим регионам более каудальных частей спинного мозга (Ensini et al., 1998; Gould et al., 1998). Идентифицированы два важных пути в этом процессе, которые напоминают те, что участвуют в предполагаемых "transforming" событиях на более ранних стадиях развития: retinoids (Gould et al., 1998) и Wnt модулятор Wise (Itasaki et al., 2003). Однако, это делает его ещё более трудным для понимания, как такая маленькая пригоршня сигналов может приводит к такому ненормальному разнообразию регионов и типов клеток вдоль оси тела, как в нервной системе, так и др. слоях. Насколько важен временной параметр в этом процессе усовершенствования, как это имеет место в более раннем развитии? Имеются ли др. пути генерации такой чрезвычайной сложности с использование двух или трех сигналов?

Over the last few decades, much has been learned about the mechanisms that establish head-tail pattern along the axis and gradually generate different regions along it, but there is a suprising number of major, outstanding questions. During early development, considerable information has been gathered about the initial events of head-tail patterning but there is even a lot of confusion about how the axes themselves are first defined and how much of the axis is specified at what time in development. To what extent can any of the three main models for initial head-tail patterning account for these events? Three pathways (FGFs, retinoids and Wnts) are used repeatedly in the process of headtail patterning, but how can they generate so many distinct regions, in three different germ layers? In the trunk, Hox gene colinearity specifies positional information; what transcription factors play the equivalent role in regions rostral to the hindbrain and how are their expression patterns regulated? Timing has turned out to be extremely important in patterning the body from hindbrain to tail, but the head appears to become subdivided by mechanisms that more closely resemble those that pattern long germ band insects (but this similarity is superficial and we have no idea of what these mechanisms might be). It is almost as if the head develops like a fly, while the trunk is like a leech or grasshopper. In anurans, timing appears to play a more minor role in this process than in “higher” vertebrates – could it be that the frog becomes regionalized more like a fly throughout its body? The Hox clusters are not aligned in the same way in adjacent germ layers – what mechanisms coordinate these complex patterns and why are they different in different species? The answers to these major questions will no doubt include some very important and novel developmental principles.