תוכן העניינים:
- תחילת הגסטרולציה: מאפיבלסט ל־Primitive Streak
- יצירת Mesoderm ו־Definitive endoderm
- זמן, מיקום ומפת גורלות באפיבלסט
- Axial Mesoderm, Node ו־Notochord
- מיקום ה־Primitive Streak והכפלת ציר
- Snail ויצירת Mesoderm
תחילת הגסטרולציה: מאפיבלסט ל־Primitive Streak
העובר נמצא בשלב ה־Egg cylinder. המבנה הבסיסי שצריך לזכור:
| רכיב | מיקום/תפקיד בשלב הזה |
|---|---|
| ${\color{blue}\blacksquare}$ Epiblast | מקור התאים שייצרו את גוף העובר |
| ${\color{#00a651}\blacksquare}$ Visceral endoderm | שכבה חיצונית שעוטפת את ה־Egg cylinder |
| ${\color{grey}\blacksquare}$ Extra-embryonic ectoderm | אזור פרוקסימלי חוץ־עוברי |
| ${\color{#A8F53A}\blacksquare}$ AVE | אזור שנוצר מנדידת DVE ומגדיר את הצד האנטריורי |
ה־AVE מגדיר את הצד anterior. הצד הנגדי מוגדר כ־posterior, ושם מתחיל ה־Primitive Streak.
ה־Primitive Streak ${\color{red}\blacksquare}$ הוא אזור באפיבלסט שבו תאים עוברים EMT ו־Ingression. הם יוצאים מתוך שכבת האפיבלסט ונכנסים למרווח שבין ה־Epiblast לבין ה־Visceral endoderm.
בתחילת ה־Primitive Streak, התאים הראשונים שיוצאים נעים בשני דפוסים עיקריים:
- לטרלית (הצידה) - הצידה, סביב ה־Egg cylinder.
- פרוקסימלית (למעלה) - לכיוון ה־Extra-embryonic ectoderm.
ה־AVE לא משתתף ישירות ביציאת התאים מה־Primitive Streak. הוא קובע איפה יהיה anterior, ובעקבות זה הצד הנגדי הופך ל־posterior, שבו מתחיל ה־Primitive Streak.
מה קורה לתא שעובר EMT
תאי האפיבלסט הם תאים אפיתליאליים: הם מסודרים בשכבה, מחוברים זה לזה, ויש להם קוטביות apical-basal. כדי לצאת דרך ה־Primitive Streak הם צריכים להפוך לתאים מזנכימליים נודדים. הפעם הצבעים השתנו כך שצהוב זה אפיבלסט, וירוק זה primitive streak (PS) ותאים מזנכימלים.
המעבר כולל כמה שלבים:
| שלב | מה קורה |
|---|---|
| Adhesion disassembly | התא מפרק קשרים שמחזיקים אותו בתוך שכבת האפיתל, למשל adherens junctions ו־tight junctions |
| Apical constriction | הצד האפיקלי של התא מתכווץ, והתא משנה צורה |
| Basement membrane degradation | הממברנה הבזלית שמתחת לאפיבלסט מתפרקת באזור היציאה |
| Extension | מרכז המסה של התא נע לכיוון בזלי (הגרעין בכיוון אפיקלי?); התא מתארך לכיוון היציאה |
| Rounding up | התא מתכדר סביב מרכז המסה החדש ונמצא מחוץ לשכבת האפיבלסט |
| Migration | התא המזנכימלי מתחיל לנדוד |
Epiblast epithelial cell
↓ adhesion disassembly
↓ apical constriction
↓ basement membrane degradation
↓ extension + rounding up
Mesenchymal cell
↓ migration
 |  |
בחתך באזור ה־Primitive Streak רואים את ההבדל בין שני מצבים: תאי האפיבלסט מסודרים כתאים אפיתליאליים עמודיים, ואילו התאים שיוצאים דרך ה־streak משנים צורה, מאבדים את הארגון האפיתליאלי ונעשים מזנכימליים.
בחתך לטרלי, רחוק מאזור ה־Primitive Streak עצמו, רואים את התאים שכבר יצאו ונודדים בין ה־Epiblast לבין ה־Visceral endoderm. ה־Visceral endoderm עצמו הוא אפיתל שטוח יחסית (squamous epithelium), ועדיין מתפקד כשכבה אפיתליאלית.
יצירת Mesoderm ו־Definitive endoderm
התאים שיוצאים דרך ה־Primitive Streak הם מקור מרכזי ל־Mesoderm. חלק מהם יישארו מזודרמליים, וחלק יעברו בהמשך MET וייכנסו לשכבת ה־Visceral endoderm כדי ליצור Definitive endoderm.
בתחילת הגסטרולציה נוצרים בעיקר תאים שנודדים לכיוון חוץ־עוברי. בסוף הגסטרולציה כבר יש שכבת מיזודרם רחבה בין האפיבלסט לבין ה־Visceral endoderm, ובאזורים מסוימים תאים שמקורם במיזודרם נכנסים לתוך ה־Visceral endoderm והופכים לאנדודרם עוברי.
Extra-embryonic mesoderm, Amnion ו־Chorion
התאים הראשונים שיוצאים מה־Primitive Streak נודדים לכיוון ה־Extra-embryonic ectoderm ותורמים ל־Extra-embryonic mesoderm.
התנועה הזאת משתתפת ביצירת הקרומים החוץ־עובריים:
| קרום | מקור כללי שתואר בשיעור |
|---|---|
| Amnion | שכבה שנוצרת משילוב של תאי Epiblast ותאי Mesoderm שנדדו מוקדם |
| Chorion | קשור לרקמות חוץ־עובריות שמושפעות מנדידת התאים המזודרמליים ומהארגון מחדש באזור החוץ־עוברי |
האמניון לא נוצר פשוט כתא בודד או שכבה אחת. תאי מיזודרם שנודדים מוקדם יוצרים שינוי מכני ומרחבי, והאפיבלסט משתתף ביצירת שכבה חדשה באזור הזה.
Definitive endoderm
ה־Visceral endoderm הוא רקמה חוץ־עוברית. במהלך הגסטרולציה נכנסים לתוכו תאים שמקורם ב־Primitive Streak. התאים האלה עברו תחילה EMT ויצאו כאוכלוסייה מזודרמלית/mesendodermal, ובהמשך עוברים MET ונעשים תאים אפיתליאליים בתוך שכבת האנדודרם.
כך נוצרת שכבת ה־Definitive endoderm - האנדודרם העוברי האמיתי.
Epiblast
↓ EMT through Primitive Streak
Mesendodermal cells
↓ MET into Visceral endoderm layer
Definitive endoderm
חלק מתאי ה־Visceral endoderm מוחלפים בהדרגה על ידי התאים החדשים. לכן בשלב מעבר אפשר לראות תערובת: תאי Visceral endoderm חוץ־עובריים לצד תאים שמקורם ב־Epiblast ועומדים להפוך ל־Definitive endoderm.
זמן, מיקום ומפת גורלות באפיבלסט
כדי להבין גסטרולציה צריך להפריד בין שתי סקלות: סקלת זמן וסקלה טופוגרפית.
סקלת זמן
סקלת הזמן מתארת את התקדמות העובר כולו:
| שלב | מה מתרחש |
|---|---|
| Early Primitive Streak | ה־Primitive Streak מתחיל בצד הפוסטריורי |
| Mid Primitive Streak | ה־streak מתקדם לכיוון הדיסטלי, ותאים ממשיכים לצאת ממנו |
| Late Primitive Streak | ה־streak מגיע לנקודה הדיסטלית ביותר |
סקלה טופוגרפית
הסקלה הטופוגרפית מתארת מיקום לאורך ה־Primitive Streak:
| אזור | משמעות |
|---|---|
| Posterior level of the streak | החלק הפוסטריורי של ה־streak |
| Intermediate level of the streak | האזור האמצעי |
| Anterior Primitive Streak (APS) | החלק האנטריורי ביותר של ה־streak, קרוב לנקודה הדיסטלית |
שתי הסקלות קשורות, אבל הן לא מתארות אותו דבר. גם כשה־Primitive Streak מתקדם קדימה, תאים עדיין יכולים לצאת מהאזורים הפוסטריוריים שלו. לכן תמיד צריך לשאול שתי שאלות:
- מתי התא יצא?
- מאיזה אזור ב־Primitive Streak הוא יצא?
שתי התשובות יחד קובעות את התרומה של התא.
Fate map של האפיבלסט
 |  |
Fate map היא מפה שמראה למה אזורים שונים באפיבלסט יתרמו בהמשך. זו מפה ניסויית: מסמנים אזור באפיבלסט, עוקבים אחריו, ורואים איפה הצאצאים שלו נמצאים מאוחר יותר.
המפה מנבאת גורל לפי מיקום, אבל הגורל עדיין תלוי בהקשר. תא שנמצא באזור מסוים יתרום בדרך כלל לרקמה מסוימת, אך אם מעבירים אותו לסביבה אחרת הוא יכול לקבל גורל אחר.
- Fate map = מיקום באפיבלסט מנבא תרומה עתידית
- הגורל נקבע בפועל במהלך המעבר ב־Primitive Streak
סדר יציאת התאים
הסדר שתואר בשיעור:
| שלב/אזור יציאה | תרומה עיקרית |
|---|---|
| יציאה מוקדמת מהאזור הפוסטריורי | Extra-embryonic mesoderm |
| יציאה מוקדמת במקביל | Primordial germ cells (PGCs) |
| שלבי ביניים | Lateral plate mesoderm, Paraxial mesoderm, Cardiac mesoderm |
| APS / שלב מאוחר | Axial mesoderm ו־Mesendoderm |
| Mesendoderm | תאים שיעברו MET וייצרו Definitive endoderm |
ה־PGCs נוצרים מוקדם מפני שצריך לשמור עליהם לאורך ההתפתחות. בשלב הזה עדיין אין אשכים או שחלות, אבל תאי שורת הנבט צריכים להיווצר, להישמר, ובהמשך לנדוד לאזור שבו יתפתחו איברי המין.
ה־Cardiac mesoderm יוצא יחסית מוקדם, נע לטרלית ובהמשך קדימה, ויוצר את ה־Cardiac fields. הלב נוצר מוקדם משום שהעובר צריך מערכת שתתמוך בהמשך ההתפתחות. התאים שיוצרים את הלב אינם נוצרים במקום הסופי של הלב; הם יוצאים מה־Primitive Streak, נודדים, ורק אחר כך מתארגנים בשדות הקרדיאליים.
שלוש שכבות הנבט
בסוף הגסטרולציה מתקבלות שלוש שכבות נבט:
| שכבה | מקור במהלך הגסטרולציה | תרומות עיקריות שהוזכרו |
|---|---|---|
| Ectoderm | תאי Epiblast שלא יצאו דרך ה־Primitive Streak | מערכת העצבים המרכזית והפריפרית, אפידרמיס של העור |
| Mesoderm | תאים שיצאו דרך ה־Primitive Streak ונשארו מזודרמליים | מערכת הדם וכלי הדם, שריר, עצם, סחוס, רקמות חיבור ורכיבים באיברים פנימיים |
| Definitive endoderm | תאים שיצאו דרך ה־Primitive Streak, עברו MET ונכנסו לשכבת האנדודרם | אפיתל מערכת העיכול ובהמשך תרומות לאיברים כמו כבד, ריאות ולבלב |
האיברים ייווצרו בהמשך דרך אינטראקציות בין השכבות האלה. למשל, ה־Notochord שמקורו ב־Axial mesoderm מתקשר עם האקטודרם ומשרה התפתחות עצבית.
Axial Mesoderm, Node ו־Notochord
ה־Axial mesoderm הוא המיזודרם שנמצא בקו האמצע של העובר, ה־midline. הוא נוצר בשלבים המאוחרים של ה־Primitive Streak, באזור ה־APS.
בשיעור הוגדרו כמה מרכיבים של ה־Axial mesoderm:
| מרכיב | תיאור קצר |
|---|---|
| Prechordal plate (PCP) | חלק קדמי של ה־Axial mesoderm |
| Anterior head process (AHP) | רכיב נוסף של ה־Axial mesoderm |
| Notochordal plate | רצועה מרכזית שנוצרת ממרכיבי ה־Axial mesoderm |
| Node | מבנה שמופיע בשלב מאוחר ומשתתף בקביעת ציר ימין-שמאל |
כאשר ה־Primitive Streak מגיע לנקודה הדיסטלית, תאים ממשיכים לצאת ממנו. חלקם נעים הצידה, אבל חלק צר נע לאורך ה־midline לכיוון anterior. כך נוצרת רצועת ה־Axial mesoderm.
Node וציר ימין-שמאל
ה־Node הוא השלב שבו מתחילים להגדיר את הציר left-right. עד עכשיו עסקנו בעיקר ב־anterior-posterior וב־dorsal-ventral. ציר ימין-שמאל נקבע מאוחר יותר, סביב הופעת ה־Node.
הסיבה שזה חשוב פשוטה: איברים פנימיים אינם מסודרים באופן סימטרי. הלב, למשל, צריך להגיע לצד שמאל. כדי שזה יקרה, העובר צריך להגדיר מוקדם מהו ימין ומהו שמאל.
בשיעור הוזכר שב־Node יש primary cilia, ושהם קשורים לקביעת ציר ימין-שמאל. המנגנון המפורט יידון בהמשך.
יצירת Notochord
 |  |
ה־Notochord נוצר מתוך ה־Axial mesoderm לאורך קו האמצע. תחילה נוצרת Notochordal plate, ובהמשך התאים מתארגנים למבנה גלילי.
המנגנון המרכזי שתואר הוא Apical constriction:
- בצד האפיקלי של התא יש טבעת actomyosin.
- הטבעת מתכווצת.
- הצד האפיקלי נעשה צר יותר.
- התאים משנים צורה יחד ויוצרים קיפול/התארגנות פנימה.
כאן צריך להבחין בין Apical constriction לבין EMT:
| תהליך | מה קורה לתאים |
|---|---|
| EMT ב־Primitive Streak | התאים מפרקים קשרים, מאבדים ארגון אפיתליאלי ויוצאים כתאים מזנכימליים |
| Apical constriction ביצירת Notochord | התאים משנים צורה יחד, תוך שמירה על ארגון קבוצתי, כדי ליצור מבנה מסודר |
ה־Notochord נוצר לאורך זמן, ולא באירוע חד־פעמי. בהמשך ה־Node נע פוסטריורית, ותאים שנשארים מאחור תורמים להמשך בניית ה־Notochord לאורך ה־midline.
ה־Notochord חשוב לא רק כמבנה פיזי. הוא שולח אותות לאקטודרם שמעליו ומשתתף בהשראת התפתחות מערכת העצבים.
Axial mesoderm / Notochord
↓ signaling to ectoderm
Neural development
מיקום ה־Primitive Streak והכפלת ציר
לפני שה־Primitive Streak מתחיל, יש בעובר גרדיאנטים של BMP, Nodal activity ו־Wnt3. אחרי נדידת DVE ל־AVE, הגרדיאנטים עוברים מארגון proximal-distal לארגון anterior-posterior.
בצד הפוסטריורי מתקבל ריכוז גבוה של:
- BMP signaling
- Nodal activity
- Wnt3
- כנראה גם FGF
הריכוז הזה מגדיר איפה יופיע ה־Primitive Streak.
Brachyury ו־OTX2
Brachyury, שנקרא גם T, הוא מרקר של הצד הפוסטריורי ושל ה־Primitive Streak. בבדיקות ביטוי (RNA in situ hybridization) אפשר לראות אותו באזור שבו מתחיל ה־streak.
OTX2 הוזכר כמרקר שקשור לאזור הראש. יחד, הביטוי של Brachyury ושל OTX2 עוזר להבחין בין הצד הפוסטריורי לבין הצד האנטריורי.
Cerberus1 ו־Lefty1
ה־AVE מבטא מעכבים שמגבילים את פעילות המסלולים בצד האנטריורי. בין המעכבים שהוזכרו:
| מעכב | מסלול/פעילות |
|---|---|
| Cerberus1 | מעכב בין היתר Nodal, BMP ו־Wnt |
| Lefty1 | מעכב Nodal |
| Dkk1 | מעכב Wnt signaling |
כאשר מורידים רק Cerberus1, הפנוטיפ חלש יחסית, כנראה בגלל יתירות בין המעכבים. כאשר מורידים גם Cerberus1 וגם Lefty1, הגרדיאנטים אינם מוגבלים בצורה תקינה, ויכולים להיווצר שני מוקדים של Primitive Streak.
שני מוקדים כאלה יכולים להתקדם וליצור עובר עם ציר נוסף. זה מדגים את התפקיד של המעכבים: הם לא יוצרים את הראש בעצמם, אלא מגבילים את פעילות Nodal/Wnt/BMP כך שה־Primitive Streak יופיע במקום אחד בלבד.
Wnt3 ו־Axis duplication
בניסוי gain of function מבטאים Wnt3 במקום נוסף בעובר. ביטוי אקטופי של Wnt3 יכול ליצור מוקד נוסף של Primitive Streak.
זה נקרא Axis duplication: לעובר נוצרת התחלה של ציר נוסף.
הניסוי מציג את Wnt3 כגורם שיכול להספיק להפעלת תוכנית Primitive Streak במקום חדש.
| מושג | משמעות |
|---|---|
| Necessary | התהליך צריך את הגן; אם מורידים אותו, התהליך נפגע |
| Sufficient | הוספת הגן במקום חדש מספיקה כדי להפעיל שם את התהליך |
בבני אדם יש מקרים של Conjoined twins. ה־Axis duplication הוא מנגנון אפשרי להבנת מצבים כאלה, בזהירות: אי אפשר להוכיח ישירות את המנגנון בבני אדם מתוך המודלים האלה, ויש גם אפשרויות אחרות כמו איחוי של עוברים.
Snail ויצירת Mesoderm
לקראת סוף השיעור הוצג פקטור השעתוק Snail.
Snail הוא:
- Transcription factor
- מסוג Zinc finger
- פועל בעיקר כרפרסור של גנים
ב־RNA in situ hybridization רואים ש־Snail מתבטא באזור ה־Early Primitive Streak. המיקום הזה מתאים לתפקיד ב־EMT וביצירת Mesoderm.
Snail loss of function
בניסוי loss of function משווים עובר תקין לעובר מוטנט ל־Snail.
בעובר תקין רואים התקדמות של גסטרולציה ויצירה של:
- Ectoderm
- Mesoderm
- Endoderm
- Amnion
- Chorion
במוטנט ל־Snail מופיעים כמה שינויים מרכזיים:
- אין Amnion תקין.
- אין Chorion תקין.
- כמעט אין Mesoderm תקין.
- ה־Epiblast עדיין קיים.
- תאים מצטברים מתחת לאזור ה־Primitive Streak, אך אינם מתנהגים כתאים מזנכימליים תקינים.
בחתכים של המוטנט רואים חללים קטנים, lacunae, בתוך התאים שהיו אמורים להיות מזודרמליים. זה מתאים למצב שבו התאים התחילו תהליך יציאה, אבל לא השלימו EMT תקין ולא קיבלו זהות מזנכימלית תקינה.
הנקודה העיקרית:
- Snail מתבטא ב־Early Primitive Streak
- Snail דרוש ל־EMT תקין
- בלי Snail אין יצירת Mesoderm תקינה