שיעור 11 אורגנוגנזה: חוט השדרה וסומיטים

בשלב הזה הקורס עובר מ־Gastrulation ל־Organogenesis. חשוב לא לחשוב על זה כמעבר חד. הגסטרולציה טרם מסתיימת, ובמקביל כבר מתחילים תהליכים ראשונים של יצירת איברים ומערכות.

Notochord ואינדוקציה של Neural Plate

בסוף הגסטרולציה נוצרת רצועת Axial mesoderm בקו האמצע. ממנה נוצר ה־Notochord.

ה־Notochord מתחיל להיווצר בצד האנטריורי. בזמן שה־Node נע לכיוון פוסטריורי, תאים חדשים נשארים מאחור, נכנסים פנימה לשכבת ה־Mesoderm, ומאריכים את ה־Notochord לאורך הציר.

ה־Notochord משרה את יצירת מערכת העצבים המרכזית. האקטודרם שנמצא מעליו (ויוצר אותה) מקבל אינדוקציה והופך ל־Neural Plate. לכן:

• מעל ה־Notochord נוצר Neural Plate.
• במקום שבו אין Notochord, לא תתחיל יצירה תקינה של מערכת העצבים המרכזית.

זו הסיבה שיצירת ה־Axial mesoderm וה־Notochord בסוף הגסטרולציה היא תנאי לתחילת האורגנוגנזה של מערכת העצבים.

הדומיינים הראשוניים באקטודרם

כאשר מסתכלים על ה־Ectoderm מהצד הדורסלי, אפשר לחלק אותו לשלושה אזורים עיקריים.

בשלב הזה מדובר בעיקר על הצד הדורסלי של העובר (הצד הוונטרלי וה־Gut tube עדיין לא מאורגנים כמו בעובר מתקדם).

Neurulation: יצירת ה־Neural Tube

Neurulation הוא התהליך שבו ה־Neural Plate מתקפל, נסגר והופך ל־Neural Tube.

הרצף הכללי:

1. ה־Neural Plate מתעבה ומתארגן כשכבת תאים אפיתליאלית, ומופיע מעל ה־Notochord.
2. במרכז ה־Neural Plate נוצר כיפוף ראשוני (MHP), וה־Neural Plate מתחיל להתקפל.
3. הקצוות הדורסלים-לטרליים של ה־Neural Plate Border מתקרבים זה לזה (DLHP) ויוצרים Neural folds.
4. שני הקפלים מתאחים ונוצר Neural Tube סגור.
5. מעל ה־Neural Tube נסגר מחדש ה־Surface ectoderm (שיהפוך לאפידרמיס).
6. תאי Neural Crest עוזבים את האזור הדורסלי של ה־Neural Tube (עוברים EMT ונודדים).

תאי Neural Crest יתרמו בהמשך לרכיבים של מערכת העצבים הפריפרית, למשל Dorsal Root Ganglia (DRG). הם לא חלק מה־Neural Tube שנשאר במקומו, אלא אוכלוסייה נפרדת שיוצאת ממנו ונודדת.

Paraxial mesoderm, ה־Roof plate וה־Floor plate

בסכמות הפשוטות רואים רק Neural Plate, Surface Ectoderm ו־Notochord. בפועל, משני צדי ה־Neural Tube נמצא גם ה־Paraxial mesoderm, שממנו ייווצרו בהמשך הסומיטים.

לאחר יצירת ה־Neural Tube מבחינים בו בין שני אזורים מרכזיים:

ה־Notochord נמצא מתחת ל־Floor Plate. לכן שני המבנים האלה יחד יוצרים מקור חשוב לסיגנלים ונטרליים במהלך התמיינות חוט השדרה.

Hinge points ו־Apical constriction

במהלך הקיפול של ה־Neural Plate נוצרים אזורי כיפוף מוגדרים שבהם התאים משנים צורה.

המנגנון המרכזי הוא Apical constriction: הצד האפיקלי של התא מתכווץ, התא מקבל צורת יתד, והשכבה כולה מתכופפת.

ב־MHP הכיווץ מתרחש מעל ה־Notochord. בהמשך נוצרים גם DLHP משני הצדדים, כדי להביא את הקפלים למגע ולסגירה.

צביעות בזמן קיפול וסגירת ה־Neural Tube

בחתכים דרך ה־Neural ectoderm אפשר לזהות כמה רכיבים:

ב־Neurulation, ה־Basal membrane נשארת שלמה בזמן הקיפול. זו נקודה חשובה ביחס לשיעור הקודם: ב־Primitive streak, פירוק מקומי של Basal membrane היה תנאי ל־Ingression; כאן, לעומת זאת, הממברנה השלמה עוזרת לשמור על מבנה ופולריות בזמן קיפול האפיתל.

לאחר האיחוי מתקבל Neural Tube שבנוי מתאי עצב ראשוניים. בשלב הזה אין עדיין נוירונים בשלים, אלא Neuroblasts - תאים שנכנסו למסלול עצבי אבל טרם השלימו התמיינות.

בשלב מאוחר יותר מתחילים לראות נוירונים. כאשר רואים תאים עצביים בצד הוונטרלי של חוט השדרה, זה מתאים להופעת Motor neurons, משום שנוירונים מוטוריים נוצרים בצד הוונטרלי.

Neurulation לעומת Neurogenesis

סגירת ה־Neural Tube, Neuropores ו־Neural Tube Defects

לאחר יצירת ה־Neural Tube, החלק הקדמי שלו מתרחב ומתחיל ליצור את אזורי המוח: Forebrain, Midbrain ו־Hindbrain.

ב־Hindbrain יש חלוקה ל־Rhombomeres. לכאורה אין צורך לזכור כאן את המספרים, אלא להבין שהחלק הקדמי של ה־Neural Tube לא נשאר צינור אחיד: הוא עובר התנפחות, חלוקה אזורית ודיפרנציאציה.

Neurulation אינה מסונכרנת לאורך כל העובר

בשלבים מוקדמים העובר עסוק בעיקר ביצירת הראש והמוח. בחלק הפוסטריורי עדיין לא תמיד יש Notochord מלא, ולכן עדיין אין שם אינדוקציה מלאה של Neural tissue.

המשמעות:

• Gastrulation מתקדמת בעיקר מהצד הפוסטריורי לכיוון אנטריורי.
• Neurulation מתחילה בעיקר בצד האנטריורי וממשיכה לכיוון פוסטריורי.

לכן באותו עובר אפשר לראות אזורים שבהם Neural Tube כבר נסגר, ואזורים אחרים שבהם הקפלים עדיין פתוחים.

Closure points ו־Neuropores

בעכבר מתוארים שלושה מוקדי סגירה עיקריים.

האזורים שנשארים פתוחים בין מוקדי הסגירה נקראים Neuropores.

במצב תקין כל ה־Neuropores נסגרים בסוף התהליך. הם שלבי ביניים, לא מבנים שנשארים פתוחים.

באדם העיקרון דומה, אבל מתוארים שני מוקדי Closure מרכזיים:

• Closure 1
• Closure 3

את Closure 2, שמופיע בעכבר, לא מזהים באדם.

Neural Tube Defects (NTD)

Neural Tube Defects הם פגמים בסגירת ה־Neural Tube. הם יכולים לנבוע מרקע גנטי או מגורמים סביבתיים, כמו מחסור בחומצה פולית.

ב־Anencephaly הבעיה היא בסגירת האזור הקדמי. בעכבר אפשר לראות קודם כשל בסגירה הקרניאלית, ובהמשך התפתחות לא תקינה של הרקמה העצבית הקדמית.

ב־Spina bifida הבעיה היא בסגירת האזור הפוסטריורי. החומרה משתנה, אבל צפויה פגיעה בעיקר באזור חוט השדרה והעצבים שיוצאים ממנו.

Neurogenesis של חוט השדרה

אחרי שנוצר Neural Tube, התאים שבתוכו מתחילים לעבור התמיינות עצבית. המוח מורכב יותר, ולכן נתמקד בעיקר ב־Neurogenesis של חוט השדרה (Spinal Cord Neurogenesis).

Ventricular zone ו־Mantle zone

בתוך ה־Neural Tube מבחינים בין אזורים תפקודיים.

בתאי ה־progenitor יכולה להתרחש חלוקה א-סימטרית: תא אחד שומר על תכונות progenitor ונשאר קרוב לחלל, ותא שני מתחיל התמיינות, נע לצדדים, ומצטרף ל־Mantle zone. בהמשך הוא יתחיל לשלוח אקסונים.

גרדיאנטים של Shh, BMP ו־Wnt

ההתמיינות לאורך הציר הדורסלי-ונטרלי של חוט השדרה תלויה בגרדיאנטים של סיגנלים.

Sonic Hedgehog (Shh) מתבטא תחילה ב־Notochord, ובהמשך גם ב־Floor Plate של ה־Neural Tube. כך נוצר מקור ונטרלי של Shh.

בצד הדורסלי פועלים סיגנלים אחרים, בעיקר BMP ו־Wnt.

העיקרון הוא שכל תא ב־Neural Tube רואה שילוב אחר של סיגנלים לפי מיקומו:

לכן לאורך הציר הדורסלי-ונטרלי נוצרים דומיינים של פקטורי שעתוק. כל דומיין כזה תורם לספציפיקציה של אוכלוסיית נוירונים אחרת.

הוזכר גם ש־Primary cilia חשובים בהקשר של Shh signaling.

Shh והפרדה בין ימין ושמאל במוח

Shh מתבטא בקו האמצע הוונטרלי. בהקשר של המוח, הוא שומר על הפרדה בין הדומיין הימני לדומיין השמאלי (הוא לא ״מגדיר״ את ציר ימין-שמאל, אלא מונע איחוי בין שני הצדדים).

כאשר Shh נפגע, עלול להופיע איחוי בין ההמיספרות (Holoprosencephaly). Shh מתפקד כאן כמו חיץ לאורך ה־midline, ומונע איחוי בין שני הצדדים.

Somitogenesis: יצירת סומיטים

במקביל ל־Neurulation, משני צידי ה־Neural Tube נמצא ה־Paraxial mesoderm. ממנו נוצרים הסומיטים.

בתמונה שבה מסירים את ה־Surface ectoderm ורואים את העובר מהצד הדורסלי, אפשר לזהות:

Somitogenesis הוא תהליך שבו ה־Presomitic mesoderm עובר פרגמנטציה ליחידות חוזרות שנקראות סומיטים.

בזמן שה־Tailbud מאריך את הציר לכיוון פוסטריורי, בצד האנטריורי של ה־PSM נוצרים זוגות חדשים של סומיטים משני צידי ה־Neural Tube.

קצב יצירת זוגות סומיטים ו־Segmentation clock

לכל מין יש קצב יחסית קבוע של יצירת זוג סומיטים אחד לאורך הציר הקדמי-אחורי.

הדיוק הזה מלמד שיש מנגנון תזמון מולקולרי - Segmentation clock - שמכתיב את מחזוריות יצירת הסומיטים.

S-1, S0 ו־S1

שלושה מצבים סביב יצירת סומיטים:

במהלך יצירת סומיטים מתרחש MET: תאים מזנכימליים ב־PSM מקבלים מאפיינים אפיתליאליים ומסתדרים כמבנה כדורי. סביב הסומיט נוצרת ממברנה בזלית, ובתאים ההיקפיים מופיעים מאפיינים אפיתליאליים כמו N-cadherin ו־Adherens junctions. במרכז נשארים תאים פנימיים שנראים מזנכימליים יותר.

זאת דוגמה נוספת למוטיב שחוזר בהתפתחות: תאים עוברים שוב ושוב בין מצב אפיתליאלי למצב מזנכימלי באמצעות EMT ו־MET.

Mesp2 כ־Master Regulation Gene

בדומיין שמוגדר כ־S-1 מופיע ביטוי של Mesp2. הביטוי מוגבל בזמן: מופיע בחלון קצר, מפעיל תוכנית סגמנטציה, ואז נעלם.

לכן Mesp2 מתפקד כ־Master Regulation Gene של יצירת סומיטים: הוא לא יוצר הכל לבדו, אבל כן מפעיל את תוכנית הסגמנטציה באזור שכבר הגיע לשלב המתאים.

סומיטים אינם נוצרים באזור הראש. מקור עצמות הגולגולת שונה. לעומת זאת, עמוד השדרה, הצלעות וחלק גדול משרירי השלד קשורים לסומיטים.

התמיינות סומיטים

לאחר שסומיט נוצר, הוא עצמו עובר התמיינות פנימית. כל אזור בו נחשף לסיגנלים מהרקמות שסביבו, ולכן מקבל גורל אחר.

מקורות הסיגנלים סביב הסומיט:

החלוקה הראשונית:

Sclerotome

החצי הוונטרלי של הסומיט הופך ל־Sclerotome. תאי ה־Sclerotome עוברים EMT, הופכים לתאים מזנכימליים, נודדים ומקיפים את ה־Notochord ואת ה־Neural Tube.

תאי ה־Sclerotome הם המקור המרכזי לחוליות, לצלעות ולחלקים של השלד האקסיאלי.

Dermomyotome, Myotome ו־Dermatome

החצי הדורסלי של הסומיט יוצר את ה־Dermomyotome. ממנו נוצרים שני מרכיבים עיקריים:

ב־Dermomyotome מבחינים בשתי שפות:

התאים בשפות האלה עוברים Delamination / EMT ונכנסים בין ה־Sclerotome לבין ה־Dermomyotome. כך נוצרת שכבת Myotome, שממנה יתפתחו תאי השריר.

Syndetome

חלק מתאי ה־Sclerotome מתמיינים ל־Syndetome. זה המקור לגידים (רקמה שמחברת בין שריר לעצם). אז כל סומיט תורם לא רק לשלד ולשריר, אלא גם לחיבור המכני ביניהם.

חוליות, שרירים וגידים

יצירת עמוד השדרה

המשך יבוא.