Инициация образования зачатка конечности осуществляется в несколько ступеней во время эмбрионального развития gnathostome позвоночных. Латеральная пластинка мезодермы регионализуется в переднюю латеральную пластинку мезодермы (ALPM; кардиальную мезодерму) и заднюю латеральную пластинку мезодермы (PLPM), включая презумптивное конечность-формирующее поле (Waxman et al. 2008; Zhao et al. 2009). Затем латеральная пластинка мезодермы расщепляется на соматический и спланхнический слои, начиная с наиболее передней области и перемещаясь прогрессивно в направлении задней части эмбриона (Funayama et al. 1999). Затем появляются гены инициации конечности в конечность формирующем поле соматических слоёв PLPM и они, в свою очередь, индуцируют образование апикального края в лежащего поверх эктодермы (Cohn et al. 1995; Ohuchi et al. 1995; Kawakami et al. 2001, 2011; Ahn et al. 2002; Ng et al. 2002; Agarwal et al. 2003; Rallis et al. 2003; Takeuchi et al. 2003). Такие гены инициации конечности формируют регуляторную петлю между мезенхимой конечности и апикальным гребнем, чтобы контролировать инициацию и рост конечности. Инициация развития конечности д. происходить в правильной позиции вдоль оси тела голова-хвост. Ghikst и недавние исследования пролили свет на то, как позиционирование конечности контролируется в точности (Burke et al. 1995; Cohn et al. 1997; McPherron et al. 1999; Rallis et al. 2005; Liu 2006). Более того, недавний онтогенетический анализ эмбрионов amphioxus и миноги выявил последовательность событий, которые происходят во время становления конечность-формирующих полей во время эволюции (Onimaru et al. 2011).

Limb field specification: classic embryological studies

Конечности формируются в определенных позициях вдоль оси тела. Поля конечностей у эмбрионов кур были идентифицированы с использованием эмбриологических методов, включая локально рентгеновское облучение, трансплантации и клональный анализ. Wolff (1936) использовал локальное облучение клеток эмбрионов на ст. 9-13, 13-17 и 17-24 сомитов. чтобы идентифицировать поля крыльев и ног на каждой стадии. Rudnick (1945) трансплантировал кусочки бластодермы от эмбрионов разных стадий в целомное пространство эмбрионов хозяев и идентифицировал самую раннюю донорскую стадию, которая давала крыло и ногу на пресомитной стадии и стадии 6 сомитов, соотв. Chaube (1959) маркировал эмбрионы кусочками мела и прослеживал судьбу производных клеток, чтобы идентифицировать расположение проспективных областей крыла и ноги на ст. 7-12 эмбрионов кур (Hamburger & Hamilton 1951). Эти классические эмбриологические исследования предоставили доказательства, что проспективные конечность-формирующие поля уже детерминированы на очень ранних стадиях, задолго до появления зачатков конечностей.

Regionalization of the lateral plate mesoderm into the ALPM and the PLPM

Во время развития gnathostome эмбрионов латеральная пластинка мезодермы регионализуется в фарингеальную мезодерму, ALPM и PLPM (Fig. 1a). Распределение латеральной пластинки мезодермы было определено, базируясь на паттернах экспрессии молекулярных маркеров (Fig. 1a). Hand1 и Hand2 экспрессируются по всей латеральной пластинке мезодермы у эмбрионов рыбок данио, кур и мышей (Srivastava et al. 1995; Charite et al. 2000; Yelon et al. 2000; Deimling & Drysdale 2009). Nkx2.5 и Tbx20 метят ALPM (Buchberger et al. 1996; Kraus et al. 2001; Yamagishi et al. 2004; Deimling & Drysdale 2009), c-myb является маркером для незрелых гематопоэтических клеток, происходящих из вентральной стороны PLPM (Thompson et al. 1998), а Tbx1 экспрессируется в фарингеальной мезодерме (Garg et al. 2001). Поскольку конечности происходят из PLPM, то регионализация латеральной пластинки мезодермы на ALPM и PLPM, как полагают, является необходимым шагом для создания поля передней конечности (Waxman et al. 2008; Zhao et al. 2009). Недавние исследования на эмбрионах рыбок данио и мышей подтвердили, что такая регионализация контролируеся посредством передачи сигналов ретиноевой кислоты (Waxman et al. 2008; Zhao et al. 2009). Рыбки данио, мутантные по retinaldehyde dehydrogenase 2 (raldh2), лишены зачатка грудного плавника (Grandel et al. 2002; Gibert et al. 2006). Предыдущие мозаичные эксперименты с raldh2 мутантными рыбками данио, с имплантируемыми им клетками дикого типа, показали. что соматическая мезодерма может способствовать индукции грудного плавника (Linville et al. 2004). Однако остается неясным, может ли ретиноевая кислота или др. факторы в сомитах устранять фенотип finless у мутантов raldh2. Сравнительно недавно было показано, что эмбрионы рыбок данио, обработанные ингибитором ретиноевой кислоты, 4-diethyl amino-benzaldehyde, имеют расширенное поле сердца и лишены зачатков грудных плавников (Waxman et al. 2008). Эти результаты подтверждают, что передача сигналов ретиноевой кислоты ограничивает расширение кзади поля сердца и предоставляет условия, которые пригодны для индукции передних конечностей (Waxman et al. 2008). В поле передней конечности передача сигналов ретиноевой кислоты действует непосредственно внутри предшественников передней конечности и индуцирует экспрессию генов, чувствительных к ретиноевой кислоте, включая hoxb5b. Такие чувствительные к ретиноевой кислоте гены ограничивают количество атриальных кардиомиоцитов в поле, формирующем сердце не клеточно автономным способом (Waxman et al. 2008). Сходным образом, у мышей, лишенных Raldh2, сердце-формирующее поле также расширяется кзади, а зачатки передних конечностей отсутствуют (Niederreither et al. 1999; Mic et al. 2002; Zhao et al. 2009). Однако анализ Raldh2 мутантных мышей демонстрирует, что передача сигналов ретиноевой кислоты необходима и вне поля конечностей во время индукции передних конечностей (Zhao et al. 2009). У восстановленных Raldh2 мутантных мышей формирование передних конечностей может быть восстановлено с помощью диеты, содержащей низкие уровни ретиноевой кислоты, но активность ретиноевой кислоты не обнаруживается в сомитах или латеральной пластинке мезодермы (Zhao et al. 2009). Поэтому авт. предположили, ретиноевая кислота не регулирует инициацию передних конечностей в сомитах или в латеральной пластинке мезодермы, а скорее она ограничивает домены кардиальный и эпибластный Fgf8-экспрессирующий и предоставляет зону, свободную от Fgf8, для полей, формирующих передние конечности (Fig. 1c). Фактически, эктопическая передача сигналов Fgf у рыбок данио ведет к расширению поля сердца и к неспособности формировать грудные плавники (Marques et al. 2008). Эти результаты подтверждают мнение, что ретиноевая кислота ограничивает соседнее поле сердца и необходима для становления поля передней конечности (Zhao et al. 2009).

Figure 1. Regionalization of the lateral plate mesoderm into anterior lateral plate mesoderm (ALPM) and posterior lateral plate mesoderm (PLPM). (a, b) Schematic diagrams of regionalization of the lateral plate mesoderm (LPM) in vertebrate (a) and amphioxus (b) embryos. Green bars represent distribution of molecular markers for the LPM (Hand1, Hand2, AmphiHandA), ALPM (Nkx2.5, Tbx20, AmphiNkx2-tin, AmphiTbx20), PLPM (c-Myb), and pharyngeal mesoderm (ph; Tbx1, AmphiTbx1/10). See text for gene expression references. Expression of c-Myb in the PLPM has been reported in zebrafish and lamprey but not in chick embryos. In chick embryos (a), the lateral plate mesoderm (pink) is regionalized into the pharyngeal (ph) mesoderm, the ALPM, and the PLPM. In amphioxus (b), the ventral mesoderm (pink) is thought to be homologous to the lateral plate mesoderm of vertebrates. Molecular markers of the ALPM are expressed throughout the ventral mesoderm posterior to the pharynx (vmp), suggesting that the vmp of amphioxus is not regionalized into cardiac mesoderm (CM) and posterior ventral mesoderm. (c) Schematic diagram of a mouse embryo at the 10-somite (s10) stage. A model proposed by Zhao et al. (2009) suggests that retinoic acid (RA) delimits the cardiac and epiblastic Fgf8-expressing domains and provides an Fgf8-free environment that is permissive for forelimb induction.

Specification of the somatic mesoderm

У эмбрионов кур и мышей латеральная пластинка мезодермы расщепляется на соматический и спланхнический слои (Fig. 2a). Зачатки конечностей у gnathostomes происходят из соматической мезодермы PLPM и лежащей поверх эктодермы. У эмбрионов кур, FoxF1, который кодирует forkhead box F1 транскрипционный фактор, экспрессируется по всей мезодерме латеральной пластинки перед подразделением (Fig. 2a). После подразделения экспрессия FoxF1 становится ограниченной спланхническими слоями, а экспрессия Irx3, которая кодирует класса Iroquois гомеодоменовый транскрипционный фактор, появляется в соматическом слое (Fig. 2a) (Funayama et al. 1999). У FoxF1-дефицитных мышей латеральная пластинка мезодермы пролиферирует плохо, неспособна формировать целомную полость и обнаруживает эктопическую экспрессию Irx3 (Mahlapuu et al. 2001). Т.о., FoxF1, по-видимому, играет важные роли в подразделении латеральной пластинки мезодермы на соматический и спланхнический слой, способствуя пролиферации мезодермальных клеток и приводя к дифференцировке соматической мезодермы (Mahlapuu et al. 2001). Подразделение PLPM на соматический и спланхнический слои и последующая обеспечиваемая FoxF1 пролиферация и дифференцировка соматической мезодермы, скорее всего, является критической ступенью для формирования зачатков конечностей.

Figure 2. Subdivision of the posterior lateral plate mesoderm (PLPM) into somatic and splanchnic mesoderm. (a) Schematic cross-sections at the wing bud level of the PLPM in chick embryos. Prior to subdivision (top panel), FoxF1 (blue) is expressed in the primitive lateral plate mesoderm. Subsequent to subdivision (middle panel), FoxF1 expression is restricted to the splanchnic mesoderm, and Irx3 expression (pink) appears in the somatic mesoderm. Subsequently, somatic mesodermal cells proliferate and form limb buds with overlying ectoderm, while splanchnic mesodermal cells contribute to gut formation (bottom panel). Modified after Funayama et al. (1999). (b) Schematic cross-sections of the PLPM of lamprey embryos. The PLPM of lampreys does not separate or differentiate into LjIrx1/3-positive somatic mesoderm (top panel). The LjFoxF-positive primitive lateral plate mesoderm seems to contribute to formation of the peritoneal epithelium underneath the myotome layers, although the final destination of the PLPM cells has not yet been confirmed (bottom panel). At the cardiac level, the lateral plate mesoderm splits into somatic and splanchnic layers, and LjIrx1/3 and LjFoxF are expressed in their respective layers (not shown; see text). Modified after Onimaru et al. (2011).

Limb positioning along the anterior-posterior axis

Формирование конечностей начинается с точного определения позиций вдоль передне-задней оси. Имеются существенные доказательства, что спецификация передне-заднего осевого паттерна контролируется Hox генами в параксиальной мезодерме (Gruss & Kessel 1991). Позиции передних придатков у мышей, кур, Xenopus и рыбок данио связаны с экспрессией HoxC6 в параксиальной мезодерме (Burke et al. 1995). Сходным образом, было подтверждено, что передне-задняя позиция передних конечностей, промежуточных конечностей и задних конечностей может быть специфицирована экспрессией Hox генов в латеральной пластинке мезодермы, поскольку паттерны экспрессии Hox9 паралогов меняются в зависимости от качественных особенностей эктопических конечностей, продуцируемых имплантациями кусочков, смоченных fibroblast growth factor (FGF) эмбрионам кур вбок между конечностями (Cohn et al. 1997). У рыбок данио спецификация поля, формирующего грудной плавник, контролируется с помощью hox белков и их кофакторов из pbx семейства. Мутанты рыбок данио pbx4, lazarus мутанты, лишены экспрессии tbx5 и не специфицируются их грудные плавники (Popperl et al. 2000). недавние исследования показали, что, по крайней мере, группы паралогов Hox4 и Hox5 связаны непосредственно со специфическими для передних конечностей регуляторными элементами Tbx5 и контролируют положение на оси образование передних конечностей (Minguillon et al. 2012). Передние придатки у рыбок данио, кур и мышей, по-видимому, появляются на переднем крае экспрессии Hox5 и Hox6 в латеральной пластинке мезодермы (Oliver et al. 1988; Becker et al. 1996; Nelson et al. 1996; Waxman et al. 2008), и специфическая для передних конечностей экспрессия Tbx5 законсервирована у всех этих позвоночных. Хотя регуляторные элементы для передних конечностей идентифицированы только у кур и млекопитающих (Minguillon et al. 2012), можно предположить, что этот механизм инициации передних конечностей законсервирован и у остальных позвоночных.

У тетрапод двигательные нейроны, которые иннервируют конечности, формируют lateral motor columns (LMCs) на плечевом и поясничном уровнях спинного мозга и LMC, обеспечивающие отличительные свойства в противоположных передних и задних конечностях, предопределяются экспрессией Hox6 и Hox10, соотв., в спинном мозге (Dasen et al. 2003; Shah et al. 2004; Wu et al. 2008). Изменения в уровне Gdf11 приводят к ростральному и каудальному сдвигу экспрессии Hox6 и Hox10 в спинном мозге, соотв., сдвигу в позиции LMCs и последующему сдвигу в позиции как передних, так и задних конечностей (McPherron et al. 1999; Liu 2006). Gdf11 экспрессируется в каудальной части тела и его паттерн экспрессии законсервирован у кур, мышей, рыбок данио и Nile tilapia (Fig. 3) (Nakashima et al. 1999; Liu et al. 2001; Murata et al. 2010). У рыбок данио воздействие morpholino антисмысловыми олигонуклеотидами, которые нацелены на gdf11 ведет к каудальному сдвигу в экспрессии hoxc10a в нервной трубке и впоследствии к каудальному сдвигу зачатка тазового плавника у gdf11 морфантов (Murata et al. 2010; Murakami & Tanaka 2011). Эти находки подтверждают, что функция gdf11 в позиционировании конечностей законсервирована в виде позиционирования тазового плавника у рыбок данио.

Figure 3. Genes implicated in the initiation of limb formation during development of chick embryos. Prospective limb bud cells probably receive a positional cue from the neural tube and/or paraxial mesoderm. This positional cue could be Gdf11 (purple) and/or an unknown factor whose expression is controlled by Gdf11. In the lateral plate mesoderm, Tbx5 and Tbx4 activate Wnt2b/Fgf10 and Wnt8c/Fgf10 signaling, respectively, in the wing and leg fields (light blue). Wnt/Fgf signals in turn maintain Tbx5 and Tbx4 expression through a feedback loop. In leg buds, Tbx4 expression is controlled by Pitx1. Fgf10 activates Wnt3a/Fgf8 signals in the overlying ectoderm and induces the formation of the apical ectodermal ridge (red). It should be noted that mesodermal Wnt ligands involved in the limb initiation process have not been found in the mouse, that Wnt3 (instead of Wnt3a) induces Fgf8 expression in mouse limb ectoderm, and that Tbx4 is not involved in limb initiation in the mouse; some work also suggests that Wnt signals lie upstream of Tbx5 (see text for details). ECT, ectoderm; IM, intermediate mesoderm; LPM, lateral plate mesoderm; NT, neural tube; SO, somites.

Эксперименты по картированию судеб у рыбок данио, имеющих абдоминальные тазовые плавники, показали, что клетки презумптивного тазового плавника расположены рядом с регионом экспрессии hoxc10a в нервной трубке на ранней эмбриональной стадии, как у тетрапод (Murata et al. 2010). У рыбок данио положение клеток презумптивного тазового плавника на поверхности желтка сдвигается по мере роста туловища и зачатки абдоминальных тазовых плавников проявляются во время перехода от личинки к подростковому состоянию (Murata et al. 2010). Хотя зачатки тазовых плавников появляются на 3-й неделе после оплодотворения, зачатки тазовых плавников у gdf11 морфантов также сдвигаются каудально, как у тетрапод. Это указывает на то, что презумптивные зачатки тазовых плавников получают сигналы позиционной информации от туловища, когда они оказываются рядом с регионом экспрессии hoxc10 во время ранних эмбриональных стадий и что такими позиционными сигналами могут быть gdf11 и/или неизвестные факторы, которые регулируются с помощью gdf11 и секретируются из нервной трубки и/или параксиальной мезодермы (Fig. 4; Tanaka 2011). Интересно, что hoxd9 повторно экспрессируется в латеральной пластинке мезодермы непосредственно перед инициацией зачатков тазовых плавников во время larva-to-juvenile перехода (Tanaka et al. 2005). Т.о., клетки презумптивных тазовых плавников могут инициировать программу формирования зачатков тазовых плавников путем возобновления экспрессии hox генов во время метаморфоза (Tanaka 2011). У мышей экспрессия Tbx4, которая регулирует формирование задних конечностей, по-видимому, контролируется с помощью Hox генов (Minguillon et al. 2005) и/или Pitx1 (Marcil et al. 2003). Более того, tbx4 и pitx1 экспрессируются в зачатки тазовых плавников колюшки при переходе larval-to-juvenile (Cole et al. 2003). Возможно, что у рыбок данио клетки зачатков тазовых плавников, которые запоминают свои позиционные сигналы от туловища, могут повторно экспрессировать hox гены и/или pitx1 в латеральной пластинке мезодермы во время перехода larva-to-juvenile transition, и они могут активировать гены инициации плавников, включая возможно и tbx4.

Figure 4. Models for refining the position of limbs proposed by Rallis et al. (2005). (a, b) Schematic diagrams of the distribution of Tbx3, Hand2, Gli3, and Shh in the lateral plate mesoderm of chick embryos at stages 16 (a) and 17 (b). (a) At stage 16, Tbx3 (red) is expressed in the lateral plate mesoderm, and the expression level is higher in the posterior limb fields. Hand2 (blue) is expressed throughout the lateral plate mesoderm. (b) At stage 17, Gli3 (green) appears in the limb buds, and its expression is more robust in the anterior limb buds. Hand2 expression becomes restricted in the posterior limb buds. Rallis et al. (2005) proposed that the genetic antagonism between Gli3 and Hand2 may be mediated by Tbx3. Such an interaction between Tbx3, Hand2, and Gli3 seems to be important for establishing the positions of the Shh-expressing cells and may be involved in refining the position of the limbs along the main body axis. Modified after Rallis et al. (2005).

Участие Tbx3, Gli3 и Hand2 (dHand) в позиционировании конечностей также было продемонстрировано на эмбрионах кур (Fig. 4) (Rallis et al. 2005). Эктопическая экспрессия транскрипционного репрессора Tbx3 или доминантно негативной формы Tbx3 в презумптивном поле передней конечности эмбрионов кур приводит к ростральному сдвигу в позиции передней конечности, тогда как эктопическая экспрессия постоянно активной формы Tbx3 ведет к каудальному сдвигу положения задних конечностей (Rallis et al. 2005). Формирование передне-заднего пре-паттерна региона, формирующего конечность, контролируется с помощью Hand2 и Gli3 (Fernandez-Teran et al. 1997; Charite et al. 2000; te Welscher et al. 2002). Эктопическая экспрессия доминантно-негативной формы Tbx3 или постоянно активной формы ведет к сдвигу границы экспрессии dHand и Gli3 и к связанному с этим сдвигу в положении экспрессии Shh (Rallis et al. 2005). Более того, эктопическая экспрессия постоянно активной формы Gli3 приводит к ростральному сдвигу Hand2 и Tbx3 и ведет к ростральному сдвигу положения передних конечностей (Rallis et al. 2005). Поэтому было предположено, что Tbx3, Gli3 и Hand2 являются важными компонентами формирования передне-заднего пре-паттерна конечностей и для закладки положения Shh-экспрессирующих клеток, которые могут точно определять позицию конечностей вдоль основной оси тела (Rallis et al. 2005). Др. T-box ген, Tbx18, также может играть определенную роль в позиционировании конечностей. Избыточная экспрессия Tbx18 в шейной части латеральной пластинки мезодермы у эмбрионов кур ведет к временному расширению скорее, чем сдвигу зачатков крыльев, хотя финальный размер конечностей, по-видимому, регулируется (Tanaka & Tickle 2004).

Signals from the intermediate mesoderm

Роль промежуточной мезодермы в инициации конечностей первоначально была предположена в экспериментах по хирургической экстирпации её у эмбрионов кур (Geduspan & Solursh 1992). В подтверждение этой гипотезы экспрессия Fgf8 была обнаружена в промежуточной мезодерме на уровне конечностей, а применение кусочков, смоченных Fgf8 в фланговые регионы между конечностями, как было установлено, индуцирует образование зачатка дополнительной конечности (Crossley et al. 1996; Vogel et al. 1996). Однако эта роль Fgf8 в промежуточной мезодерме на инициацию конечностей была недавно поставлена под сомнение. У мышей Tbx5 транскрипты обнаруживаются в поле передних конечностей до экспрессии Fgf8 в промежуточной мезодерме (Agarwal et al. 2003), а удаление экспрессии Fgf8 с помощью кондиционного нокаута не влияет на развитие конечностей (Boulet et al. 2004; Perantoni et al. 2005). Более того, устранение промежуточной мезодермы у эмбрионов кур не нарушает инициации конечностей (Fernandez-Teran et al. 1997). Кроме того, у мышей дикого типа на ст. 10-13 сомитов не выявляется экспрессия Fgf8 в промежуточной мезодерме, тогда как эктопическая экспрессия Fgf8 индуцируется в промежуточной мезодерме у forelimbless Raldh2-дефицитных мышей (Zhao et al. 2009). Т.о., теперь считается, что экспрессия Fgf8 в промежуточной мезодерме может действительно ингибировать скорее, чем стимулировать индукцию поля формирующего передние конечности и что ретиноевая кислом может создавать подходящие условия для индукции передних конечностей путем репрессии экспрессии Fgf8 (Fig. 1b; Zhao et al. 2009).

Некоторые недавние исследования предоставили доказательства участия др. факторов из промежуточной мезодермы в инициации конечностей. Промежуточная мезодерма даёт почки в течение нескольких последовательных стадий, каждая характеризуется развитием более прогрессивных почек: пронефросов, мезонефросов и метанефросов. Пронефросы наиболее незрелая форма, она являются функциональной формой у рыб и личинок амфибий, тогда как метанефросы сохраняются в качестве взрослых почек у млекопитающих. У рыбок данио odd-skipped related 1 и 2 (osr1 and osr2) экспрессируются в пронефрических территориях перед инициацией зачатков грудных плавников. Супрессия функции osr1 и osr2 приводит к неспособности образования грудных плавников вместе с потерей экспрессии tbx5 в поле грудных плавников и потерей экспрессии wnt2b в промежуточной мезодерме (Neto et al. 2012). Т.о., osr1 и osr2, по-видимому, действуют выше wnt2b в промежуточной мезодерме могут играть ключевую роль в формировании грудных плавников (Neto et al. 2012). У эмбрионов кур и мышей Osr1/Odd1 и Osr2 экспрессируются в мезонефрической мезодерме (So & Danielian 1999; Lan et al. 2001; James et al. 2006; Stricker et al. 2006). Osr1^-/- мутантные мыши погибают в середине беременности, тогда как Osr2^-/-мутантные мыши обнаруживают лишь легкие дефекты в развитии синовиальных суставов (Lan et al. 2004; Wang et al. 2005; James et al. 2006). Специфичная для конечностей инактивация Osr1 у Osr2^-/- мутантных мышей ведет к слиянию множественных суставов, хотя развитие конечности инициируется нормально (Gao et al. 2011). Тканеспецифическая инактивация Osr1 и Osr2 в мезонефрической мезодерме д. предоставить доказательства роли мезонефрических Osr1 и Osr2 в инициации конечностей у тетрапод.

Др. новый фактор, необходимый для инициации конечностей у Xenopus tropicalis это nephronectin, который кодирует небольшой секретируемый integrin лиганд, экспрессируемый в пронефросах (Abu-Daya et al. 2011). У головастиков Xenopus пронефросы расположены непосредственно рядом с проспективным регионом передних конечностей. Внесение трансгена, который разрушает этот ген, устраняет экспрессию Tbx5 в проспективном регионе передних конечностей и и устраняет образование передних конечностей, не влияя на развитие задних конечностей. Эти результаты подтверждают неожиданную роль передачи сигналов integrin в инициации передних конечностей. Хотя мыши экспрессируют nephronectin в мезонефросах, нокаут nephronectin или его рецептора не обнаруживает каких-либо фенотипических отклонений конечностей (Linton et al. 2007). Остается определить играет ли роль nephronectin в формировании передних конечностей в качестве нового адаптора передачи сигналов integrin в клонах Xenopus или законсервирован ли механизм, которые участвует в , но не обязателен для развития конечностей у всех позвоночных.

Новый секретируемый белок fibin недавно был идентифицирован у рыбок данио, мышей и человека и он является важным для инициации зачатков грудных плавников у рыбок данио (Wakahara et al. 2007). Хотя fibin не экспрессируется в промежуточной мезодерме или её производных, паттерн экспрессии и функции fibin подкрепляет мнение, что промежуточная мезодерма участвует в инициации конечностей. У рыбок данио fibin экспрессируется медиальнее области зачатка грудного плавника в латеральной пластинке мезодермы, располагаясь непосредственно рядом с промежуточной мезодермой. Экспрессия fibin контролируется с помощью wnt2b и нуждается в экспрессии tbx5, а нокдаун fibin приводит к потере инициации зачатка грудного плавника. У мышей Fibin экспрессируется в сходной области латеральной пластинки мезодермы непосредственно рядом с промежуточной мезодермой. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы установить, играет ли роль fibin в инициации передних конечностей консервативную роль и у др. позвоночных.

Wnt/β-catenin signaling

Подтверждено, что передача сигналов Wnt/β-catenin играет ключевую роль в инициации конечностей. У эмбрионов кур Wnt2b экспрессируется в промежуточной мезодерме и латеральной пластинке мезодермы в презумптивном регионе крыла, тогда как в презумптивном регионе ног экспрессируется Wnt8c. Имплантация клеток, экспрессирующих Wnt2b или Wnt8c в бок между конечностей у эмбрионов кур ведет к формированию дополнительной конечности и индуцирует эктопическую экспрессию Fgf10 (Kawakami et al. 2001). поэтому было предположено, что передача сигналов Wnt индуцирует экспрессию Fgf10 в полях, формирующих конечности, посредством β-catenin-зависимого пути (Fig. 3) (Kawakami et al. 2001). В согласии с этими находками то, что рыбки данио с инъекциями wnt2b morpholinos обнаруживают подавление экспрессии tbx5 и отсутствие грудных плавников (Ng et al. 2002). Рыбки данио с wnt2b morphant фенотипом могут быть восстановлены с помощью tbx5 РНК, тогда как РНК wnt2b не может устранить фенотип отсутствия плавников у tbx5 морфантов, демонстрируя, что wnt2b действует выше tbx5 (Ng et al. 2002). Напротив, эктопическая экспрессия доминантно-негативной формы Tbx5 в бок между конечностями эмбрионов кур уменьшает экспрессию Wnt2b и Fgf10, подтверждая, что Tbx5 действует выше Wnt2b (Agarwal et al. 2003; Takeuchi et al. 2003).

У мышей экспрессия Wnt лиганда в поле, формирующем конечности, пока не обнаружена (Agarwal et al. 2003). Более того, мыши, дефицитные по транскрипционным факторам Lef1 и Tcf1, которые обеспечивают передачу сигналов Wnt путем образования комплексов с β-catenin, имеют нормальные конечности (Galceran et al. 1999). Мыши с кондиционным нокаутом гена β-catenin Ctnnb1 в мезенхиме задних конечностей неспособны индуцировать экспрессию Fgf10 в поле задней конечности и лишены задних конечностей, подтверждая, что β-catenin действует выше Fgf10 (Kawakami et al. 2011). Кроме того, недавнее исследование выявило, какβ-catenin регулирует экспрессию Fgf10 в регионах, формирующих задние конечности (Kawakami et al. 2011). Специфичный для задних конечностей Islet1, ген LIM-гомеодоменового транскрипционного фактора, по-видимому, связан с функцией β-catenin и инициацией формирования задних конечностей. Кондиционная инактивация Islet1 также приводит к неспособности индукции Fgf10 и к отсутствию задних конечностей (Kawakami et al. 2011). Islet1 необходим для накопления в ядре β-catenin, а β-catenin регулирует инициацию задних конечностей путем поддержания экспрессии Islet1 выше Fgf10 (Kawakami et al. 2011).

Tbx5, Tbx4, and Pitx1

Члены семейства T-box транскрипционных факторов Tbx5 и Tbx4 экспрессируются в переднем и заднем придатках эмбрионов кур, мышей, костистых рыб и хрящевых рыб (Gibson-Brown et al. 1996; Isaac et al. 1998; Tamura et al. 1999; Tanaka et al. 2002, 2005). Снижение функции Tbx5 у кур и мышей приводит к неспособности инициировать образование передних конечностей и к отсутствию всех элементов конечностей, включая плечевой пояс (Agarwal et al. 2003; Rallis et al. 2003). Tbx5-дефицитные мыши неспособны индуцировать экспрессию Fgf8 и Fgf10 в поле передних конечностей, и такие Tbx5 мутантные фенотипы более тяжелые, чем те, что у нокаутных Fgf10 мышей (Rallis et al. 2003). Более того, Tbx5-связывающие последовательности присутствуют в промоторе Fgf10 мышей, подтверждая, что Tbx5 расположен выше Fgf10 (Rallis et al. 2003). Сходным образом, tbx5 морфанты рыбок данио неспособны инициировать зачатки грудных плавников и лишены индукции fgf10 (Ahn et al. 2002; Garrity et al. 2002; Ng et al. 2002), а мутация heartstrings, которая приводит к дефициту tbx5 также приводит к отсутствию зачатков грудных плавников (Garrity et al. 2002). Ng et al. (2002) показали, что эктопическая экспрессия Tbx5 в латеральной пластинке мезодермы эмбрионов кур генерирует дополнительное крыло и индуцирует эктопическую экспрессию Fgf10 и Wnt2b, тогда как эктопическая экспрессия доминантно-негативной формы Tbx5 приводит к укорочению зачатков крыльев (Ng et al. 2002). Более того, инфекция с помощью ретровируса, экспрессирующего Axin, негативный регулятор пути Wnt/β-catenin, в презумптивной области крыла показывает, что передача сигналов Wnt/β-catenin необходима для экспрессии Tbx5 в зачатке крыла кур (Ng et al. 2002). Сходным образом, эксперименты с эктопической экспрессией у эмбрионов кур Tbx5 и доминантно-негативной формы Tbx5 были проведены Takeuchi et al. (2003), но исходя из своих результатов они пришли к выводу, что Tbx5 расположен выше передачи сигналов Wnt и Fgf в процессах индукции крыла. Эктопическая экспрессия доминантно-негативных форм Tbx4 в проспективном поле конечности эмбрионов кур также привела в результате к фенотипу полного отсутствия ног и связанному с этим отсутствию экспрессии Wnt8c, Fgf10 и Fgf8 (Takeuchi et al. 2003). Более того, эктопическая экспрессия Tbx4 в области между конечностями эмбрионов кур индуцировала дополнительную ного-образную структуру конечности с индукцией эктопической экспрессии Wnt8c, Fgf10 и Fgf8, демонстрируя, что Tbx4, также как и Tbx5, может действовать выше передачи сигналов Wnt (Takeuchi et al. 2003). Хотя Tbx4-дефицитные мыши не обнаруживают каких-либо дефектов в индукции задних конечностей или инициальном формировании паттерна, они были неспособны поддерживать экспрессию Fgf10 в задних конечностях и поэтому выросты конечности исчезали (Naiche & Papaioannou 2003). Т.о., Tbx4, по-видимому, не важен для инициации задних конечностей у эмбрионов мышей (Naiche & Papaioannou 2003). Необходимо определить, законсервирована ли роль Tbx4 в развитии или лишь частично законсервирована среди позвоночных.

Pitx1 и Pitx2, которые кодируют членов paired-like семейства гомеодоменовых транскрипционных факторов, как было установлено, участвуют в формировании паттерна производных латеральной пластинки мезодермы и играют роль в регуляции экспрессии Tbx4 в задних придатках. Pitx1 первоначально экспрессируется по всей задней части латеральной пластинки мезодермы эмбрионов кур, мышей и колюшки и становится локализованным в зачатках задних конечностей и тазовых плавников (Lanctot et al. 1999; Logan & Tabin 1999; Cole et al. 2003). Pitx1-дефицитные мыши обнаруживают подавление экспрессии Tbx4 а их выросты задних конечностей аномальны, указывая, что Pitx1 регулирует выросты задних конечностей путем контроля уровней2 экспрессии Tbx4 (Lanctot et al. 1999). Др.член семейства paired-like гомеодоменовых генов, Pitx2, участвует в становлении лево-правосторонней асимметрии и экспрессируется на левой стороне презумптивного региона задних конечностей (Logan et al. 1998; Piedra et al. 1998; Ryan et al. 1998; Yoshioka et al. 1998). Мыши, дефицитные по Pitx1 и Pitx2 обнаруживают снижение экспрессии Tbx4 и имеют значительно меньше зачатки задних конечностей (Marcil et al. 2003).

Рис. 3 суммирует современный взгляд на функцию Tbx5, Tbx4 и Pitx1 в формировании конечностей эмбрионов кур. В регионе зачатка крыла Tbx5 активирует экспрессию Fgf10 посредством Wnt2b и инициирует развитие крыла.В регионе зачатка конечности Pitx1 реглуирует экспрессию Tbx4, а Tbx4 активирует и/или поддерживает экспрессию Fgf10 посредством Wnt8c.

Spineless морфы из three-spined колюшки не инициируют образование зачатков тазовых плавников и эти дефекты сопровождаются потерей экспрессии pitx1 и tbx4 (Cole et al. 2003). Подходы по генетическому картированию подтверждают, что изменчивость морфологии тазовых плавников вероятно обусловлена изменениями в регуляторных последовательностях, ответственных за экспрессию, характерную для таза Pitx1 (Cresko et al. 2004; Shapiro et al. 2004; Chan et al. 2009). Иглобрюхие (fugu) Takifugu rubripes, др. костистая рыба, которая лишена тазового плавника, также неспособна инициировать вырост зачатка тазового плавника и такая потеря тазового плавника ассоциирует с измененной экспрессией hoxd9a, а также с отсутствием экспрессии pitx1 и tbx4 (Tanaka et al. 2005). Эти результаты, полученные на колюшке и фугу подтверждают, что широко распространенный фенотип уменьшения таза может происходить в результате устранения разных фаз в законсервированном генетическом пути развития придатков. Важно, что молекулярные механизмы, которые контролируют инициацию зачатков тазовых плавников во время larva-to-juvenile перехода, пока не установлены (Tanaka 2011). Для дальнейшего понимания эволюции уменьшения таза было бы важно идентифицировать различия в регуляции генов среди различных таксонов остистых рыб.

Fgf signaling

Fibroblast growth factors были первыми молекулами, обнаружившими индукцию образования конечностей. Эктопическое образование конечности может быть вызвано воздействием Fgf1, 2, 4, 7, 8 или 10 боковую область между конечностями у эмбрионов кур или мышей (Cohn et al. 1995; Ohuchi et al. 1995; Yonei-Tamura et al. 1999; Tanaka et al. 2000). Из них Fgf8 и Fgf10 выполняют важные роли в инициации и выросте конечностей путем образования регуляторной петли. У эмбрионов кур и мышей Fgf10 появляется в мезенхиме региона формирующего конечность и индуцирует экспрессию Fgf8 в лежащей поверх эктодерме. Fgf8-экспрессирущие эктодермальные клетки формируют апикальный эктодермальный гребень на дорсо-вентральной границе зачатка конечности и Fgf10 и Fgf8 способствуют росту зачатков конечностей путем образования позитивной петли обратной связи. Fgf4, 8, 9 и 17 также специфически экспрессируются в апикальном эктодермальном гребне мыши (Sun et al. 2000). Делеция функции Fgf10 у мышиных эмбрионов приводит к отсутствию конечностей (Min et al. 1998; Sekine et al. 1999), но инициация зачатков конечностей не нарушена, указывая тем самым, что Fgf10 может и не быть первичным сигналом инициации конечности (Sekine et al. 1999).

Роли fgf10 и fgf8a (ранее fgf8) в инициации плавника также изучалась на эмбрионах рыбок данио (Ng et al. 2002). У рыбок данио, fgf24, член сверхсемейства Fgf8/17/18 появляется в мезенхиме региона формирования грудного плавника и затем индуцирует экспрессию fgf10 (Fischer et al. 2003). В отличие от зачатков передних конечностей эмбрионов кур и мышей, эмбрионы рыбок данио экспрессируют fgf8a в апикальной складке плавника после инициации зачатка грудного плавника. Более того, пространственное распределение fgf8a в апикальной части складки плавника рыбок данио и колюшки отличается от распределения Fgf8 у тетрапод. Jovelin et al. (2007) продемонстрировали, что ортологи fgf8a у рыбок данио и колюшки экспрессируются вблизи края зачатков плавников, но в наиболее дистальном краю клеток. Эти исследователи предложили возможный сценарий для этого кажущегося противоречия. И Fgf24 и Fgf8 могут участвовать в формировании конечностей, по крайней мере, в общем родоначальнике для рыб с плавниками и четвероногих. Впоследствии Fgf24 был утерян в ветви четвероногих, тогда как вспомогательная функция подразделения клонов у рыб с лучевыми плавниками может быть результатом потери некоторых функций Fgf8, но сохраняется первичная роль Fgf24 в формировании конечностей (Jovelin et al. 2007). Функции Fgfs в развитии конечностей могут быть менее законсервированы, чем это предполагалось.

Initiation and positioning of the apical ectodermal ridge

У эмбрионов кур, Wnt3a, который экспрессируется в апикальном эктодермальном гребне, индуцирует экспрессию Fgf8 в апикальном эктодермальном гребне (Kengaku et al. 1998). У мышей, Wnt3a не экспрессируется в эктодерме конечностей (Roelink & Nusse 1991; Takada et al. 1994), а мыши, дефицитные по функции Wnt3a не обнаруживают каких-либо эффектов в формировании конечностей (Takada et al. 1994). У мышей, Wnt3, др. канонический Wnt, который экспрессируется повсеместно по всей эктодерме конечностей, по-видимому, выполняет роль, сходную с таковой Wnt3a в апикальном эктодермальном гребне (Barrow et al. 2003). Неспособность индукции Fgf8 у мышей, которые дефицитны по транскрипционным факторам Lef1 и Tcf1, по-видимому, вызывается снижением функции Wnt3 (Galceran et al. 1999).

У четвероногих конечности формируются в соотв. позициях вдоль дорсо-вентральной оси. Эктодерма, лежащая поверх латеральной пластинки мезодермы у эмбрионов кур, имеет отличающиеся дорсовентральные компартменты как в поле конечности, так и в поле между конечностями. Дорсовентральная граница компартментов в эктодерме важна для позиционирования апикального эктодермального гребня у эмбрионов кур (Altabef et al. 1997; Tanaka et al. 1997). Кроме того, эктопические зачатки конечностей, индуцированные воздействием кусочков, смоченных Fgf в регионе между конечностями, формируют дорсовентральную границу (Cohn et al. 1995). У эмбрионов кур Engrailed-1, который кодирует гомеобоксный транскрипционный фактор, экспрессируется в вентральном компартменте (Altabef & Tickle 2002), тогда как у мышей Engrailed-1 первоначально экспрессируется в виде такого же паттерна, но позднее распространяется на весь апикальный гребень (Kimmel et al. 2000). У рыбок данио и хрящевых морских собак транскрипты Engrailed-1 обнаруживаются в вентральной эктодерме зачатков грудных плавников (Neumann et al. 1999; Grandel et al. 2000; Tanaka et al. 2002). Исследования по картированию судеб у эмбрионов кур показали, что клетки предшественники апикального эктодермального гребня первоначально распространены по всей эктодерме конечности, но позднее конвергируют в направлении дорсовентральной границы поля конечности (Altabef et al. 1997). Напротив, клетки предшественники апикального эктодермального гребня у мышей первоначально находятся в вентральной части эктодермы конечностей, а затем конвергируют на дорсальной границе апикального эктодермального гребня и затем симметрично сжимаются на дорсовентральной границе, как показывает экспрессия Engrailed-1 (Kimmel et al. 2000). Снижение экспрессии или эктопическая экспрессия Engrailed-1 у эмбрионов кур и мышей приводит к дефектам образования апикального эктодермального гребня (Loomis et al. 1996, 1998; Laufer et al. 1997; Logan et al. 1997; Rodriguez-Esteban et al. 1997; Tanaka et al. 1998). В соответствии с этим, мутанты limbless кур лишены экспрессии Engrailed-1 и неспособны формировать апикальный эктодермальный гребень (Noramly et al. 1996). Функция Engrailed-1 в позиционировании апикального эктодермального гребня, по-видимому, законсервирована, по крайней мере, среди gnathostomes.

Acquisition of paired fins

Как упоминалось ранее многие ступени ведут к спецификации и инициации зачатков конечностей во время эмбрионального развития gnathostomes. Латеральная пластинка мезодермы сначала регионализуется в ALPM и PLPM. В PLPM, затем экспрессируются Hox гены колинеарным способом, чтобы установить позиционные значения вдоль оси тела. Затем латеральная пластинка мезодермы утолщается и расщепляется на соматический с спланхнический слои. В презумптивном поле конечности соматического слоя возникает экспрессия генов инициации конечностей. Затем появляются зачатки конечностей в дискретных позициях и апикальный гребень позиционируется в эктодерме на дорсовентральной границе компартментов. Необходимо подчеркнуть, что эти ступени могут быть обязательным условием для приобретения парных плавников во время эволюции позвоночных. Чтобы исследовать это изучали эмбриональное развитие гловохордовых amphioxus и agnathan миног, чтобы получить информацию об эволюционных последовательностях, приводящих к появлению парных придатков у родоначальных позвоночных (Fig. 5).

Figure 5. Schematic showing the expression patterns of En in the ectoderm and of Hox, Irx, and Tbx4/5 in the lateral plate mesoderm of amphioxus, lampreys, and representative gnathostomes. EnC (orange) is already expressed in the ventral ectoderm of lampreys, although the expression border is at the level of somites. In gnathostomes, En-1 (orange) is also expressed in the ventral ectoderm, but the expression border is at the level of the lateral plate mesoderm. Arrows indicate the boundary of somites and the lateral plate mesoderm underlying the ectoderm. Hox (green) seems to be expressed in a collinear manner in the posterior lateral plate mesoderm (PLPM) of lampreys, as in gnathostomes. IrxC (pink) in amphioxus is expressed in the pharyngeal mesoderm, whereas Irx1/3 (pink) in lampreys is expressed in the somatic layers of the pharyngeal mesoderm and the anterior lateral plate mesoderm (ALPM), and Irx3 in gnathostomes is expressed throughout the somatic mesoderm. Tbx4/5 (purple) in amphioxus is expressed in the ventral mesoderm posterior to the pharynx, which gives rise to the primitive heart, and Tbx4/5 (purple) in lampreys is expressed in the ALPM. Tbx5 (purple) in gnathostomes is expressed in the ALPM as well as in the forelimb field of the PLPM. See text for gene expression references.

Расположение сердца наиболее кпереди в туловище тела, по-видимому, является широко распространенным свойством среди позвоночных. Напротив, примитивный сердце-подобный орган (перистальтирующие кровеносные сосуды) эмбрионов amphioxus располагается в вентральнозаднем регионе (Holland et al., 2003). Распределение латеральной пластинки мезодермы было исследовано у amphioxus и миног с использованием молекулярных маркеров (Onimaru et al. 2011). У limbless бесчелюстных эмбрионов миног кардиальный маркер LjTbx20 is экспрессируется в передней части латеральной пластинки мезодермы (Kokubo et al. 2010), тогда LjMyb, ортолог c-myb, используемый в качестве молекулярного маркера PLPM, экспрессируется в клетках латеральной пластинки мезодермы, каудальнее LjTbx20-позитивного региона (Onimaru et al. 2011). Эти результаты показывают, что латеральная пластинка мезодермы у limbless бесчелюстных миног регионализована на ALPM и PLPM (Onimaru et al. 2011) как и челюстных (Fig. 1a). У эмбрионов amphioxus однако AmphiNkx2-tin, ортолог Nkx2.5, который метит ALPM, экспрессируется по всей вентральной мезодерме, соответствующей латеральной пластинке мезодермы челюстных. Это указывает на то, что вентральная мезодерма amphioxus молекулярно ещё не разделена на кардиальную и заднюю вентральную мезодерму (Fig. 1b; Onimaru et al. 2011). Однако экспрессия Tbx1/10, маркера фарингеальной мезодермы, ограничена фарингеальной вентральной мезодермой у amphioxus (Meulemans & Bronner-Fraser 2007), указывая тем самым, что регионализация между фарингеальной вентральной мезодермой и вентральной мезодермой, каудальнее глотки уже имеет место в ветви головохордовых (Onimaru et al. 2011). Передне-задняя регионализация латеральной пластинки мезодермы на ALPM и PLPM д. быть критической ступенью для развития полей, формирующих передние конечности во время эволюции, а передача сигналов ретиноевой кислоты может играть ключевую роль в этом процессе (Onimaru et al. 2011). Транскрипты Raldh2 и retinoic acid receptors (RARs) были обнаружены у amphioxus и миног (Escriva et al. 2006; Castillo et al. 2010), а воздействие ретиноевой кислоты или ингибиторов ретиноевой кислоты влияет на формирование передне-заднего нейрального паттерна amphioxus и миног (Murakami et al. 2004; Schubert et al. 2006). Т.о., вполне возможно, что передача сигналов ретиноевой кислоты и её роль в формировании паттерна уже используется у общего родоначальника amphioxus и позвоночных (Onimaru et al. 2011). Воздействие ретиноевой кислоты на эмбрионов миног приводит к неспособности формирования сердца (Kuratani et al. 1998), подтверждая тем самым мнение, что передача сигналов ретиноевой кислоты важна для регионализации латеральной пластинки мезодермы в ALPM и PLPM (Onimaru et al. 2011). Более того, анализ дефицитных по ретиноевой кислоте эмбрионов рыбок данио и мышей подтверждает возможность участия экспрессии Hox генов в этом процессе (Ryckebusch et al. 2008; Waxman et al. 2008). У amphioxus, Hox транскрипты не выявляются в сегментированной мезодерме, предшественниках вентральной мезодермы (Holland et al. 1992; Wada et al. 1999), тогда как у limbless бесчелюстных миног колинеарная экспрессия Hox обнаруживается в PLPM (Onimaru et al. 2011). Приобретение экспрессии Hox в PLPM может оказаться критическим для регионализации латеральной пластинки мезодермы на ALPM и PLPM во время эволюции позвоночных. Итак, эти находки подтверждают, что латеральная пластинка мезодермы позвоночных регионализуется на ALPM и PLPM посредством передачи сигналов ретиноевой кислоты, которая ограничивает распространение поля сердца и предоставляет пространство для индукции передних конечностей, но что вентральная мезодерма amphioxus не регионализована. Мы полагаем, что становление PLPM д. быть критическим для приобретения парных плавников во время эволюции позвоночных.

У эмбрионов кур и мышей латеральная пластинка мезодермы расщепляется на соматическую и спланхническую мезодерму (Fig. 2a). Пред этим подразделением FoxF1 экспрессируется по всей латеральной пластинке мезодермы. Последующее подразделения Irx1 экспрессии происходит в соматических слоях, а FoxF1 экспрессия оказывается ограниченной спланхнической мезодермой (Figs 2a and 5). Напротив латеральная пластинка мезодермы у миног расщепляется на соматический и спланхнический слои на кардиальном уровне, но не в PLPM. В ALPM, экспрессия LjIrx1/3 и LjFoxF ограничивается соматическим и спланхническим слоями, соотв. PLPM миног не разделена или дифференцируется в Irx3-позитивную соматическую мезодерму, хотя LjFoxF экспрессируется в PLPM (Figs 2b and 5). PLPM, по-видимому, вносит вклад в формирование эпителия перитонеальной полости (Fig. 2b; Tulenko & Burke 2010; Onimaru et al. 2011), хотя окончательная судьба PLPM не подтверждена. У amphioxus, AmphiFoxF экспрессируется из глотки в задний конец вентральной мезодермы (Onimaru et al. 2011). Однако у amphioxus Irx ортолог BfIrxC экспрессируется только в наиболее передней части вентральной мезодермы на уровне глотки (Kaltenbach et al. 2009). Т.о., FoxF-позитивная латеральная пластинка мезодермы может присутствовать у общего предшественника amphioxus и позвоночных, а Irx3-позитивная соматическая мезодерма может закладываться на кардиальном уровне после их дивергенции. Впоследствии у родоначальных позвоночных, которые дивергировали от ветки миног, PLPM может расщепляться и становиться Irx3-позитивной соматической мезодермой (Onimaru et al. 2011).

Было предположено, что Hox границы в латеральной пластинке мезодермы могут стать необходимы, чтобы дать жизнь первой паре придатков во время эволюции позвоночных (Coates & Cohn 1999). Недавнее исследование на миногах показало, что LjHox5i и LjHox6w колинеарно экспрессируются в PLPM (Onimaru et al. 2011), указывая тем самым, что неравномерно расположенная экспрессия Hox генов может формировать паттерн PLPM миног вдоль передне-задней оси. Хотя остается неясным, демонстрирует ли инициальная экспрессия Hox колинеарный паттерн в примитивной PLPM родоначальных позвоночных, можно предположить, что гнездовая экспрессия Hox генов может сделать возможным позиционирование полей для формирования плавников в PLPM, как это было предположено ранее (Coates & Cohn 1999).

У limbless бесчелюстных миног только один Tbx4/5 ген был обнаружен и транскрипты LjTbx4/5 миног присутствуют в ALPM, но не в PLPM (Kokubo et al. 2010; Onimaru et al. 2011). Amphioxus Tbx4/5 способен индуцировать формирование конечностей в трансгенных линиях мышей (Minguillon et al. 2009), и это, скорее всего, подтверждает мнение, что приобретение экспрессии нового Tbx4/5 в PLPM должно стать критической ступенью в приобретении парных плавников (Ruvinsky & Gibson-Brown 2000). Однако, Tbx4/5 экспрессируется в вентральной мезодерме у limbless amphioxus (Horton et al. 2008). Недавний анализ amphioxus разрешил кажущееся противоречие. У amphioxus вентральная мезодерма молекулярно не регионализована на кардиальную и заднюю вентральную мезодерму (Fig. 1b), и т.о экспрессия Tbx4/5 в вентральной мезодерме может вносить вклад только в дифференцировку сердца (Onimaru et al. 2011).

У gnathostome эмбрионов, Engrailed-1 экспрессируется в вентральном компартменте эктодермы тела, а конечности располагаются на границе экспрессии Engrailed-1 (Loomis et al. 1996, 1998; Altabef et al. 1997; Laufer et al. 1997; Logan et al. 1997; Rodriguez-Esteban et al. 1997; Tanaka et al. 1997, 1998). У японских миног Lethenteron japonicum, найдены 4 гена Engrailed , и из них LjEngraildCэкспрессируется в вентральной эктодерме тела (Matsuura et al. 2008). Тот факт, что эктодерма тела миног обнаруживает домен экспрессии Engrailed , подтверждает мнение, что эктодерма тела родоначальных бесчелюстных может быть компартментализована дорсовентрально, исходя из экспрессии Engrailed (Tanaka et al. 2002; Tanaka 2009). Описано значительное сходство между механизмами позиционирования конечностей и контролем дорсовентральной окраски покровов (пигментации) (Cho et al. 2006). Экспрессия Engrailed-1 в вентральной части эктодермы контролируется с помощью передачи сигналов Bmp4 и контролирует формирование паттерна вентральных конечностей (Pizette et al. 2001). Передача сигналов Bmp4 ингибирует экспрессию Tbx15 (Cho et al. 2006), который специфицирует дорсальную окраску покровов. Комплементарный паттерн экспрессии Engrailed-1 и Tbx15 и локализует пигменты на дорсальной стороне (Cygan et al. 1997; Candille et al. 2004). Интересно, что миграция пигментных клеток у миног происходит, когда LjEngrailedC экспрессируется в эктодерме (Tahara 1988; Matsuura et al. 2008). Т.о., можно предположить, что Engrailed первоначально участвовал только в локализации пигментных клеток, но смог приобрести способность локализовать клетки апикального гребня позднее в эволюции (Onimaru et al. 2011).

Molecular and evolutionary basis of limb field specification and limb initiationMikiko Tanaka Development, Growth & Differentiation Special Issue: THE AVIAN MODEL SYSTEM EDITED BY R. LADHER, T. SUZUKI AND H. NAKAMURA Volume 55, Issue 1, pages 149–163, January 2013

Molecular and evolutionary basis of limb field specification and limb initiation
Mikiko Tanaka
Development, Growth & Differentiation Special Issue: THE AVIAN MODEL SYSTEM EDITED BY R. LADHER, T. SUZUKI AND H. NAKAMURA Volume 55, Issue 1, pages 149–163, January 2013