Dlaczego palce nie wyrastają nam na ramionach i skąd kolano wie, że nie jest łokciem?

03-02-2016
Spójrzcie w dół. Wszyscy macie po dwie ręce i dwie nogi. Każda z kończyn ma pięć palców i jest lustrzanym odbiciem tej drugiej. Co więcej, obydwie nasze ręce i obydwie nogi są niemal identycznej długości, wyrastają dokładnie na tych samych wysokościach po obydwu stronach ciała i generalnie są do siebie niesamowicie podobne, mimo że są też przecież tak bardzo… inne. A co tam nawet ręce i nogi – niezależnie, czy będziemy rozmawiać o skrzydle gołębia, psiej łapie, czy foczej płetwie, plan budowy wszystkich tych – tak skrajnie różnych – kończyn jest w zasadzie taki sam. Zaskakujące? Skąd w ogóle wzięły się te kończyny? Dlaczego palce dłoni nie wyrastają nam na łokciach? Czemu kolano nie zamienia się miejscem z ramieniem i skąd duży paluch u stopy wie, że ma ustawić się na jej skraju, a nie pośrodku? Jak to się dzieje, że ręka i noga – choć mają w zasadzie ten sam plan budowy – rozwijają się w tak różny sposób?

Ręka, noga, mózg na ścianie

Zacznijmy od tego, że rozwój kończyn to całkiem wdzięczna dziedzina badań embriologicznych. Wszystko dlatego – i wiem, zabrzmi to dziwnie – że kończyny nie są zarodkom niezbędne do przeżycia. Pomyślcie sami – jeśli na wczesnym etapie rozwoju, ktoś pozbawiłby was serca, albo zmodyfikował geny konieczne do prawidłowego funkcjonowania wątroby, czy mózgu, nie mielibyście szans, by przyjść na świat. Tymczasem kończyny wcale nie są niezbędne do tego, by reszta organizmu rozwinęła się prawidłowo, dlatego manipulowanie genami związanymi z ich wykształceniem jest względnie proste, pozwala na pozyskiwanie szerokiej wiedzy  o tym, w jaki sposób różnicują poszczególne części rąk i nóg i ostatecznie sprawia, że wiemy na ten temat całkiem sporo. Choć oczywiście wciąż nie wiemy wszystkiego. No… Tak właściwie i tak wiemy bardzo mało. Ale o tym za moment.

Czwarty wymiar

Zacznijmy od tego, że kończyny rozwijają się tak właściwie w czterech wymiarach:

  • pierwszy z nich – proksymalno-dystalny – wyznacza oś łączącą ramię z dłonią albo biodro ze stopą,
  • drugi, zwany po angielsku anterior-posterior – tę, która biegnie od kciuka (lub dużego palucha u stóp) do najmniejszego palca,
  • trzeci, zwany dorsal-ventral, rozdziela część grzbietową kończyny od jej wewnętrznej strony,
  • czwartym wymiarem jest natomiast czas.

Ustalenie się każdej z trzech osi kontrolowane przez inny zestaw czynników – genów i białek. To ich stężenia i gradienty przekazują komórkom informację na temat ich względnego położenia i zadania, które muszą wykonać. Na początku muszą jednak wiedzieć, gdzie w ogóle mają się zgromadzić.

IMG_3493

Komórki wczesnego zawiązka kończyny ustalające swoją pozycję. Schemat.

Bo wiecie, kończyny nie wyrastają sobie ot tak, byle gdzie, a miejsce, w którym powstanie ich zawiązek musi być ściśle określone. U ludzi zawiązki kończyny górnej pojawiają się zawsze na wysokości pierwszego kręgu piersiowego, w miejscu najbardziej oddalonym od centrum ciała, dokładnie na granicy części brzusznej i grzbietowej, a w wyznaczeniu tego miejsca swój udział ma m.in. gen Hox6. W okolicy, z której za jakiś czas wyrośnie ręka pojawia się grupa specjalnie oddelegowanych do tego zadania komórek, ułożonych w kształt kółeczka. Co ciekawe, jeśli w tym momencie pomiędzy komórkami tymi wytworzy się jakaś bariera, każda z oddzielonych części przekształci się w osobną kończynę. Skąd to wiadomo? Między innymi z eksperymentu przeprowadzonego przez samą naturę, kiedy to w amerykańskich jeziorach zaobserwowano nagłe pojawienie się mnóstwa żab z więcej niż czterema kończynami. Okazało się, że w wodzie pojawiły się pasożytnicze płazińce, które atakowały żabie larwy i zagnieżdżały się w przypadkowych miejscach ich wzrastających ciał. Jeśli za miejsce zamieszkania wybrały sobie akurat zawiązek kończyn, dzieląc go przy tym na kilka części, żaby wykształcały ponadprogramową liczbę odnóży.

Okej. A skąd zawiązek kończyny wie, że jest ręką, a nie nogą?

Zabawne, ale wciąż nie znamy odpowiedzi na to najbardziej podstawowe pytanie.

IMG_3494

Zawiązek kończyny ukrywający przed światem swoją tajmnicę. Schemat.

Póki co wiadomo jedynie, że w przypadku kur jednym z wielu, ale chyba najważniejszym czynnikiem różnicującym są geny Tbx5 i Tbx4. Ten pierwszy podlega ekspresji w górnej części ciała, a drugi – w dolnej, dając sygnał komórkom zawiązków kończyn do tego, by różnicowały one odpowiednio w skrzydła i nogi. Udowodniono eksperymentalnie, że jeśli na zawiązek działać będą obydwa geny w równych proporcjach, powstała później kończyna będzie hybrydą i wykształci się jako… skrzydłonoga. Zależność ta nie sprawdza się niestety u myszy i prawdopodobnie także u ludzi.

Załóż czapkę, zawiązku! Zawiązku, załóż czapkę!

Kiedy komórki tworzące zawiązki kończyn są już na swoich miejscach i wiedzą, czy mają przeobrazić się w nogę lub rękę, na każdym z zawiązków powstaje… czapeczka. Dokładniej rzecz biorąc, czapeczka apikalna, znana także jako AER (ang. apical ectodermal ridge). Jak doskonale wszystkim wiadomo, czapeczka od zarania dziejów uchodzi za symbol władzy i autorytetu, dlatego też czapeczka apikalna jest dla kończyny głównym centrum sygnałowym i koordynującym wzrost wszystkich struktur. Pozbawienie zawiązka kończyny czapeczki kończy się jednym – zaprzestaniem jej wzrostu. Przeprowadzono eksperymenty, w trakcie których przeszczepiano czapeczkę apikalną z zawiązka nogi na czapeczkę apikalną z zawiązka skrzydeł. Kończyna która wykształcała się z takiej struktury była skrzydłem, na końcu którego wyrastała ponadprogramowa, w pełni rozwinięta (!) noga.

Jakie są zadania czapeczki? Po pierwsze, czapeczka utrzymuję warstwę komórek tuz pod sobą w plastycznym i zdolnym do proliferacji (czyli namnażania się) stanie, umożliwiając wzrost kończyny na długość. Po drugie, pobudza ona i utrzymuje na właściwym poziomie ekspresję specjalnych cząsteczek, które warunkują ustalenie się osi kciuk-mały palec. I po trzecie – reaguje ze specjalnymi białkami mającymi wpływ na zróżnicowanie części grzbietowej i spodniej dłoni i stóp, przekazując odpowiednim komórkom informacje o ich położeniu i instrukcje, w jaki sposób powinny różnicować.

Łokieć, ramię, czy nadgarstek?

Dobra, to jak to jest z tym różnicowaniem kończyny? Skąd komórki w zawiązku ręki wiedzą, że część z nich ma wejść w skład ramienia, a część – nadgarstka i dłoni? Co do tej skomplikowanej kwestii, naukowcy wysnuli już co najmniej trzy teorie. Na początku zwolennicy każdej z nich kłócili się między sobą, potem zgodzili się co do tego, że wszystkie trzy są błędne, aż w końcu w 2007 opracowali czwartą, zupełnie nową, która obowiązuje do dziś. Na czym ona polega?

Wyobraźmy sobie, że zawiązek kończyny wygląda jak… pół parówki wystającej z ciał (bo tak w gruncie rzeczy jest). Na jej najbardziej odległym końcu znajduje się czapeczka apikalna, która wydziela do wnętrza substancję zwaną FGF. Zadaniem FGF jest niedopuszczenie do tego, by w komórkach doszło do tworzenia się niewielkich skupisk tkanki chrzęstnej. Gradient stężenie FGF sprawia, że można wnętrze tej parówkowej kończyny podzielić na trzy strefy:

IMG_3495

W strefie najbliżej czapeczki komórki pozostają plastyczne i ciągle się dzielą. Komórki strefy środkowej odbierają nieco mniej FGF-u i przez to zaczynają tworzyć granule chrzęstne, natomiast komórki najbliżej ciała zarodka nie odbierają FGF-u już praktycznie wcale i rozpoczynają proces tworzenia chrząstki, z której w późniejszym etapie powstanie kość (jako pierwsza – ramieniowa lub udowa). Nasza kończynowa parówka wydłuża się, dobudowując wszystkie kości na długość, aż ostatecznie, by dopełnić wspaniałości tego mięsnego jeża powstać muszą…

Paluszki!

Teraz do akcji wkracza jedno z moich ulubionych białek, a mianowicie białko Sonic hedgehog. Lubię je głównie dlatego, że przypomina mi swoją nazwą zespół electro z lat 80′, ale ja nie o tym miałam. Teraz nadszedł bowiem czas na zróżnicowanie paluszków i – o dziwo – to właśnie upływ minut i godzin ma w tym wypadku kluczowe znaczenie. Tak jak na różnicowanie większości tkanek zarodka wpływ mają raczej stężenia i gradienty konkretnych substancji, tak tożsamość palców ustala się w dużej mierze na podstawie tego, jak długo w konkretnym z nich wydzielane jest białko Sonic hedgehog. Najdłużej stwierdza się jego obecność w najmniejszym palcu, a najkrócej w kciuku i dużym paluchu stopy. Stężenie białka ma w tym wypadku mniejsze znaczenie, choć gdy nie ma go wcale – w dłoniach i stopach pojawi się tylko jeden paluszek. Jest jeszcze jedna sprawa…

Po co nam błony?

Pewnie słyszeliście kiedyś o tym, że każdy z nas jako zarodek miał między palcami błonę, dzięki której wyglądał jak skrzyżowanie człowieka z kaczką. Po co nam ta dziwna struktura, która przecież i tak zanika?

Okazuje się, że na tożsamość palców wielki wpływ ma także właśnie ta tkanka, która spaja je wszystkie i wkrótce potem ulega apoptozie. Udowodniono eksperymentalnie, że usunięcie błony spomiędzy palców sprawia, że stają się one wszystkie swoimi kopiami – palec drugi nie różni się od pierwszego, a trzeci od czwartego. Co więcej – jeśli przeszczepić tkankę oddzielającą na przykład palec czwarty od piątego pomiędzy kciuk i palec wskazujący, te dwa ostatnie otrzymają niewłaściwą informację o własnym położeniu, różnicując w palce przypominające palec serdeczny i środkowy. Istotną rolę odgrywa tu białko oznaczane jako BMP, którego różne stężenie wydaje się być źródłem informacji pozycyjnej dla każdego z palców.

Pod sam koniec tego wielkiego show na scenę wkracza jeszcze gen Wnt7, który podlega ekspresji wyłącznie po grzbietowej stronie kończyn. U myszy, które celowo pozbawiane były tego genu, dochodziło do rozwoju kończyn z podeszwami po ich obydwu stronach.

I choć wydaje się, że teraz wszystko jest już załatwione, tak naprawdę u ludzi rozwój kończyn będzie kontynuowany przez kolejne 20 lat po urodzeniu, w czasie których każda z rąk i każda z nóg urośnie, stopy wysklepią się, chrząstki skostnieją, a palce nauczą się jak wykonywać precyzyjne ruchy – od wkładania jedzenia do buzi i lepienia koślawych kulek z plasteliny, aż po pisanie pięknych liter i granie Bajlando na gitarze.

Fajne są te nasze kończyny.

Buzi!