نمو الأطراف

يُعد نمو الأطراف في الفقاريات مجالًا بحثيًا نشطًا في كل من علم الأحياء النمائي وعلم الأحياء التطوري ، حيث يركز جزء كبير من العمل الأخير على الانتقال من الزعنفة إلى الطرف . ^{[ 1 ]}

يبدأ تكوين الأطراف في منطقة تكوين الأطراف ، حيث تتكاثر الخلايا الميزانشيمية من الأديم المتوسط ​​الجانبي حتى تتسبب في بروز الأديم الظاهر العلوي، مُشكلةً برعم الطرف . يحفز عامل نمو الخلايا الليفية (FGF) تكوين مُنظم في نهاية برعم الطرف، يُسمى الحافة الأديمية الظاهر القمية (AER)، والذي يُوجه النمو اللاحق ويتحكم في موت الخلايا . يُعد موت الخلايا المُبرمج ضروريًا لإزالة الغشاء بين الأصابع .

منطقة الأطراف هي منطقة محددة بتعبير جينات Hox معينة ، وهي مجموعة فرعية من الجينات المنظمة للتطور ، وعوامل النسخ T-box - Tbx5 لتطور الأطراف الأمامية أو الأجنحة، و Tbx4 لتطور الأرجل أو الأطراف الخلفية. يتطلب تكوين منطقة الأطراف الأمامية (وليس منطقة الأطراف الخلفية) إشارات حمض الريتينويك في جذع الجنين النامي الذي تنشأ منه براعم الأطراف. ^{[ 2 ] [ 3 ]} أيضًا، على الرغم من أن زيادة حمض الريتينويك يمكن أن تغير نمط الأطراف عن طريق التنشيط غير الطبيعي لتعبير Shh أو Meis1/Meis2، فقد أظهرت الدراسات الجينية في الفئران التي تم فيها تثبيط تخليق حمض الريتينويك أن حمض الريتينويك ليس ضروريًا لتكوين نمط الأطراف. ^{[ 4 ]}

يظل برعم الطرف نشطًا طوال معظم مراحل نمو الطرف، إذ يحفز تكوين منطقتين إشاريتين والحفاظ على التغذية الراجعة الإيجابية فيهما: قمة الأديم الظاهر (AER) وما يتبعها من تكوين منطقة النشاط الاستقطابي (ZPA) مع الخلايا اللحيمية المتوسطة . ^{[ 5 ]} بالإضافة إلى المحور الظهري البطني الناتج عن التعبير الأديمي الظاهر لإشارات Wnt7a و BMP التنافسية على التوالي، تُعد مراكز الإشارة AER وZPA هذه ضرورية لتكوين طرف سليم وموجه بشكل صحيح مع قطبيته المحورية المقابلة في الكائن الحي النامي. ^{[ 6 ] [ 7 ]} ولأن أنظمة الإشارة هذه تدعم نشاط بعضها البعض بشكل متبادل، فإن نمو الطرف يصبح مستقلًا بشكل أساسي بعد تكوين هاتين المنطقتين الإشاريتين. ^{[ 5 ]}

تتشكل العناصر الهيكلية للأطراف من خلال تجمعات كثيفة تُعرف باسم تكثفات الخلايا المتوسطة قبل الغضروفية. ^{[ 11 ]} وتتوسط المادة الخلوية خارج الخلية وجزيئات الالتصاق الخلوي عملية تكثف الخلايا المتوسطة . ^{[ 12 ]} في عملية تكوين الغضروف ، تتمايز الخلايا الغضروفية من هذه التكثفات لتشكيل الغضروف ، مما يؤدي إلى ظهور البراعم الهيكلية . وفي نمو معظم أطراف الفقاريات (باستثناء بعض البرمائيات)، يُستبدل الهيكل الغضروفي بالعظم لاحقًا خلال مراحل النمو.

ينقسم الطرف إلى ثلاثة أجزاء: الجزء الإبري ، والجزء الإبري ، والجزء العظمي (بالترتيب من القريب إلى البعيد ). يحتوي كل من الجزء الإبري والعظم العظمي على عدد من الأنماط الدورية وشبه الدورية . يتكون الجزء الإبري من عنصرين متوازيين على طول المحور الأمامي الخلفي، بينما يحتوي الجزء العظمي على ثلاثة إلى خمسة عناصر (في معظم الحالات) على طول المحور نفسه. كما تتميز الأصابع بترتيب شبه دوري على طول المحور القريب البعيد، ويتكون من سلاسل متتالية من العناصر الهيكلية. ينتج تكوين المخطط الأساسي للطرف أثناء النمو عن تشكيل النسيج المتوسطي من خلال تفاعل عوامل تحفز تكثف الغضروف الأولي وعوامل تثبطه. ^{[ 13 ]}

يصاحب تطور المخطط الأساسي للأطراف ظهور اختلافات موضعية بين عناصرها. فعلى سبيل المثال، يختلف عظم الكعبرة والزند في الطرف الأمامي، وعظم الظنبوب والشظية في الطرف الخلفي للزوجوبود، كما تختلف أصابع اليدين أو القدمين في الأوتوبود. ويمكن توضيح هذه الاختلافات تخطيطيًا من خلال دراسة كيفية انعكاسها على كل محور من المحاور الرئيسية الثلاثة للطرف.

هناك إجماع عام على أن تشكيل الهيكل العظمي للأطراف يتضمن آلية واحدة أو أكثر من آليات التفاعل والانتشار من نوع تورينج . ^{[ 1 ]}

لقد حظي تطور الأطراف من الزعانف المزدوجة باهتمام كبير. ^{[ 1 ]} وقد أُجريت العديد من الدراسات التي هدفت إلى توضيح الجينات وعوامل النسخ المسؤولة عن نمو الأطراف (انظر الجدول 1 أدناه). وعلى وجه الخصوص، أظهرت الدراسات أن جينات SHH و DACH1 ، بالإضافة إلى عائلات جينات BMP و HOX و T-box و FGF و WNT ، تلعب جميعها دورًا حاسمًا في نمو الأطراف وتكوينها بنجاح. ^{[ 14 ] [ 15 ]} ولدراسة الجينات المشاركة في نمو الأطراف (وبالتالي التطور)، يُعدّ اختزال الأطراف وفقدانها في الثعابين نهجًا تكميليًا. ^{[ 16 ]} وتُحفظ التسلسلات المحفوظة المشاركة في نمو الأطراف في جينومات الثعابين. كما تُحفظ بعض تسلسلات مُحسِّنات نمو الأطراف بين أنواع مختلفة من الزوائد، مثل الأطراف والقضيب . ^{[ 16 ] [ 17 ]} على سبيل المثال، تلعب إشارات نمو الأطراف دورًا في نمو كل من الأطراف والبرعم التناسلي لدى الفئران. ^{[ 16 ] [ 17 ]} تكشف دراسة نقص الأطراف وفقدانها عن المسارات الجينية التي تتحكم في نمو الأطراف. ^{[ 16 ]} وقد أتاح نظام تورينج عددًا من النتائج المحتملة في المراحل التطورية لشبكات الأنماط. ^{[ 1 ]}

تؤدي العديد من الجينات المذكورة في الجدول 1 دورًا هامًا في التطور الجنيني، وتحديدًا خلال تشكيل الهيكل العظمي وتكوين براعم الأطراف. ^{[ 18 ]} يلعب جين Shh، وجينات أخرى تنتمي إلى عائلات BMP وHox وT-box وFGF وWnt، دورًا محوريًا في إشارات الخلايا وتمايزها لتنظيم وتعزيز تكوين الأطراف بنجاح. كما أن العديد من الجينات الأخرى المذكورة أعلاه، ومنها Dach1، هي بروتينات ترتبط بالحمض النووي (DNA) وتنظم التعبير الجيني. ويتيح التفاعل المعقد بين التعبير الجيني والتنظيم والتنشيط والتثبيط لهذه الجينات إنتاج الأطراف خلال التطور الجنيني. ومن المثير للاهتمام أن العديد من هذه الجينات تبقى موجودة حتى في الحيوانات التي لا تمتلك أطرافًا، مثل الثعابين.

تطور الثعابين وفقدان الأطراف

من الجوانب المهمة في فهم نمو الأطراف، الإجابة على سؤال كيفية فقدان الثعابين لأرجلها. تُعدّ الثعابين مثالًا ممتازًا لدراسة فقدان الأطراف، إذ خضعت لعمليات فقدان وتجديد الأطراف عدة مرات خلال تطورها قبل أن تفقد أرجلها نهائيًا. يُنظّم جزء كبير من التعبير الجيني خلال التطور الجنيني عبر الإشارات المكانية والزمانية والكيميائية ، ^{[ 20 ]} كما هو موضح في الصورة على اليمين. تشير الأدلة الحديثة إلى أن الجينات المحفوظة بدرجة عالية والمسؤولة عن نمو الأطراف (الجدول 1) لا تزال موجودة في الفقاريات عديمة الأطراف، ^{[ 21 ]} مما يدل على أن إنتاج الأطراف، أو عدم إنتاجها، خلال التطور الجنيني، يُمكن تفسيره على أفضل وجه من خلال تنظيم الجينات.

الدور المحتمل لمُحسِّن Shh في فقدان أطراف الثعابين

تشير إحدى النظريات إلى أن تدهور تسلسلات المُحسِّن قد يكون ساهم في فقدان الأطراف التدريجي خلال تطور الثعابين . وعلى وجه الخصوص، ركزت العديد من الدراسات على تسلسل ZPA التنظيمي (ZRS)، وهو مُحسِّن جين Sonic Hedgehog ( Shh ). يُعد هذا المُحسِّن بعيد المدى ضروريًا لتكوين الأطراف بشكل سليم في العديد من أنواع الفقاريات ، ومن المعروف أن الطفرات في هذا التسلسل تُسبب تشوهات في الأطراف. ^{[ 17 ]} ولذلك، فإن هذا التسلسل محفوظ بدرجة عالية عبر مجموعة متنوعة من أنواع الفقاريات.

تُظهر مقارنات التسلسل الأساسي لـ ZRS في عدة أنواع من الثعابين مع تسلسلات الفأر والسحلية وجود تغيرات خاصة بالثعابين. ^{[ 23 ]} وقد ثبت أن التسلسل الأساسي لـ ZRS محفوظ بشكل رئيسي في الثعابين البدائية مثل أفعى البواء والثعبان البايثون ، التي لا تزال تحتوي على عظام الحوض . ^{[ 22 ]} في المقابل، فإن الثعابين المتطورة مثل الأفعى السامة والكوبرا ، التي لم يتبق لديها أي هياكل عظمية للأطراف، لديها معدل أعلى بكثير من تغيرات النيوكليوتيدات عند مقارنتها بتسلسل ZRS في الفأر والسحلية. ^{[ 22 ]} يُعتقد أن هذه التغيرات التراكمية في تسلسل ZRS في الثعابين تشير إلى فقدان تدريجي لوظيفة هذا المُحسِّن عبر تطور الثعابين. ^{[ 22 ]}

أظهرت دراسة معمقة لهذه التغيرات زيادة في معدل الاستبدال في مواقع ارتباط عوامل النسخ مثل ETS1 ، الذي ثبت أن ارتباطه بـ ZRS ينشط نسخ Shh. ^{[ 24 ]} يشير هذا التدهور في ZRS إلى أن هذا المحفز قد يكون مهمًا في استكشاف الآليات الجزيئية التي دفعت التطور المورفولوجي للثعابين.

الاستنتاجات والقيود الحالية

لا تُعدّ الثعابين كائنات نموذجية شائعة، أي أنها ليست سهلة التعديل الجيني. إضافةً إلى ذلك، فإن بيانات تسلسل جينومها غير مكتملة وتعاني من ضعف في التوصيف والجودة. هذه العوامل تجعل من الصعب فهم آلية فقدان الأطراف لدى الثعابين باستخدام المنهج الجيني، من خلال استهداف ومراقبة وجود ونشاط هذه الجينات ومُحسِّناتها التنظيمية. لا تزال العديد من الجينات الضرورية لتكوين الأطراف موجودة في الثعابين، لذا فمن غير المرجح أن يُعزى فقدان الأطراف إلى فقدان الجينات.

يجب أن يتماشى الطرف النامي مع ثلاثة محاور تناظر. ^{[ 25 ]} وهي المحاور القحفية الذيلية (من الرأس إلى الذيل)، والظهرية البطنية (من الخلف إلى الأمام)، والقريبة البعيدة (من القريب إلى البعيد). ^{[ 25 ]}

لقد تأثرت العديد من الدراسات حول تطور نمط الهيكل العظمي للأطراف بمفهوم المعلومات الموضعية الذي اقترحه لويس وولبرت في عام 1971. ^{[ 26 ]} وتماشياً مع هذه الفكرة، بُذلت جهود لتحديد جزيئات الإشارة المنتشرة ( المورفوجينات ) التي تعبر المحاور المتعامدة للأطراف النامية وتحدد مواقع وهويات العناصر الهيكلية بطريقة تعتمد على التركيز.

نمط التقارب والبعد

تساهم جينات هوكس في تحديد بنية كل من الستايلوبود والزيوغوبود والأوتوبود . وتؤدي الطفرات في جينات هوكس إلى فقدان أو تشوهات في الأجزاء القريبة والبعيدة من هذه البنية . ^{[ 27 ]} وقد طُرحت ثلاثة نماذج مختلفة لتفسير نمطية هذه المناطق.

نموذج منطقة التقدم

يُنشئ النتوء الأديمي الظاهر القمي (AER) منطقة لتكاثر الخلايا تُعرف بمنطقة التقدم ، ويحافظ عليها . ^{[ 28 ]} يُعتقد أن الخلايا في هذه المنطقة تكتسب المعلومات الموضعية اللازمة للانتقال إلى موقعها المقصود. ^{[ 28 ]} وقد اقتُرح أن قيمتها الموضعية تتحدد بمدة بقائها في منطقة التقدم، ولكن هذا لم يُثبت بعد (حتى عام 2001). ^{[ 28 ]} كما اقتُرح أن تتشكل التراكيب القريبة من الخلايا الأولى التي تغادر المنطقة، بينما تتشكل التراكيب البعيدة من الخلايا التي تغادرها لاحقًا. ^{[ 28 ]}

تم اقتراح نموذج منطقة التقدم قبل 30 عامًا، لكن الأدلة الحديثة تتعارض مع هذا النموذج. ^{[ 29 ]}

الأدلة التجريبية:

• يؤدي إزالة AER في فترة لاحقة من التطور إلى تقليل اضطراب الهياكل البعيدة مقارنة بإزالة AER في وقت مبكر من التطور.
• يؤدي تطعيم طرف برعم طرف مبكر على جناح متأخر إلى تكرار الهياكل، بينما يؤدي تطعيم طرف برعم جناح متأخر على طرف مبكر إلى حذف الهياكل.

نموذج التخصيص المبكر وتوسع السلالات الأصلية (أو نموذج التحديد المسبق)

تُخصَّص خلايا لكل جزء في برعم الطرف المبكر، وتتوسع هذه المجموعة من الخلايا مع نمو برعم الطرف. يتوافق هذا النموذج مع الملاحظات التالية: يُلاحَظ انقسام الخلايا في جميع أنحاء برعم الطرف. يحدث موت الخلايا في منطقة قطرها 200 ميكرومتر أسفل قمة الأديم الظاهر (AER) عند إزالتها؛ ويؤدي موت الخلايا إلى منع بعض أنماط التشكّل. تستطيع الخرزات المُحرِّرة لعامل نمو الخلايا الليفية (FGF) إنقاذ نمو الطرف عند إزالة قمة الأديم الظاهر (AER) عن طريق منع موت الخلايا هذا.

الأدلة التجريبية:

• اقتصرت الخلايا الموسومة في مواقع مختلفة من برعم الطرف المبكر على أجزاء مفردة من الطرف. ^{[ 30 ]}
• أظهرت الأطراف التي تفتقر إلى التعبير عن FGF4 وFGF8 المطلوبين جميع هياكل الطرف وليس فقط الأجزاء القريبة. ^{[ 31 ]}

لكن في الآونة الأخيرة، أقر الباحثون المسؤولون بشكل أساسي عن كل من نموذج منطقة التقدم ونموذج التحديد المسبق بأن أياً من هذين النموذجين لا يفسر البيانات التجريبية المتاحة بشكل كافٍ. ^{[ 29 ]}

نموذج تفاعل-انتشار من نوع تورينج

يعتمد هذا النموذج، وهو نموذج تفاعل-انتشار طُرح لأول مرة عام 1979، ^{[ 33 ] [ 34 ]} على خصائص التنظيم الذاتي للأوساط القابلة للاستثارة التي وصفها آلان تورينج عام 1952. ^{[ 35 ]} الوسط القابل للاستثارة هو نسيج الميزانشيم في برعم الطرف، حيث تتفاعل الخلايا عبر عوامل تشكيلية ذاتية التنظيم إيجابية، مثل عامل النمو المحول بيتا (TGF-β)، ومسارات إشارات مثبطة تشمل عامل نمو الخلايا الليفية (FGF) و Notch . لا يُعتبر المحوران القريب البعيد والرأسي الذنبي مُحددين بشكل مستقل، بل ينشآن من خلال تغيرات في عدد العناصر المتوازية مع إعادة تشكيل المنطقة القمية غير المتمايزة لبرعم الطرف النامي. ^{[ 36 ]} يُحدد هذا النموذج نمطًا أساسيًا فقط. ويُقترح أن تلعب عوامل أخرى، مثل بروتينات Sonic Hedgehog (Shh) و Hox، وهي جزيئات معلوماتية أساسية في النماذج الأخرى، دورًا في الضبط الدقيق.

الأدلة التجريبية:

• يمكن للخلايا اللحمية المتوسطة للأطراف، عند فصلها وزراعتها في المختبر أو إعادة إدخالها داخل "أغلفة" الأديم الظاهر، أن تعيد إنتاج الجوانب الأساسية لتكوين النمط ، والتشكل ، والتمايز . ^{[ 37 ] [ 38 ]}
• تُعتبر الخصائص المميزة لنمط الهيكل العظمي للأطراف في طفرة Doublefoot لدى الفئران نتائج متوقعة لآلية من نوع تورينج. ^{[ 39 ]}
• يؤدي الانخفاض التدريجي في جينات Hox البعيدة في خلفية Gli3 -null إلى تعدد أصابع أكثر حدة تدريجيًا، مما يُظهر أصابع أرق وأكثر كثافة، مما يشير (بمساعدة النمذجة الحاسوبية) إلى أن جرعة جينات Hox البعيدة تُعدّل دورة أو طول موجة الأصابع المحددة بواسطة آلية من نوع تورينج. ^{[ 40 ]}

النمط القحفي الذنبي

في عام ١٩٥٧، وفّر اكتشاف منطقة النشاط الاستقطابي (ZPA) في برعم الطرف نموذجًا لفهم نشاط التنميط بفعل التدرج المورفوجيني لبروتين سونيك هيدجهوج (Shh). ^{[ ٤١ ]} يُعرف Shh بأنه مُحسِّن خاص بالأطراف. ^{[ ٤٢ ]} يُعد Shh كافيًا وضروريًا لإنشاء منطقة النشاط الاستقطابي وتحديد النمط القحفي الذنبي في الطرف البعيد (Shh ليس ضروريًا لاستقطاب الطرف السفلي). يتم تنشيط Shh في الجزء الخلفي من خلال التعبير المبكر عن جينات Hoxd، والتعبير عن Hoxb8، والتعبير عن dHAND. يتم الحفاظ على Shh في الجزء الخلفي من خلال حلقة تغذية راجعة بين منطقة النشاط الاستقطابي وقمة الأديم الظاهر (AER). يحفز Shh قمة الأديم الظاهر على إنتاج FGF4 و FGF8 اللذين يحافظان على التعبير عن Shh.

تُحدد الأصابع 3 و4 و5 بتدرج زمني لبروتين Shh. أما الإصبع 2 فيُحدد بنوع قابل للانتشار بعيد المدى من بروتين Shh، بينما لا يحتاج الإصبع 1 إلى بروتين Shh. يقوم بروتين Shh بفصل مُركب Ci/Gli3 الكابت للنسخ لتحويل عامل النسخ Gli3 إلى مُنشط يُنشط نسخ جينات HoxD على طول المحور القحفي الذنبي. يؤدي فقدان الكابت Gli3 إلى تكوين أصابع عامة (غير مُخصصة) بكميات إضافية. ^{[ 43 ]}

• متلازمة هولت-أورام
• خلل التنسج
• LBH (جين)