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21- BdS, Lo sviluppo dell’arto dei tetrapodi - Coggle Diagram

- - - - (A) Lillustrazione di un embrione di pollo appena prima della gemmazione dell’arto mostra tre importanti tipi di cellule mesodermiche e la comparsa del campo dell’arto. (B) Orientamento dell’asse e anatomia dell’abbozzo dell’arto. Cresta ectodermica apicale (apical ectodermal ridge, AER); zona ad attivita polarizzante (zone of polarizing activity, ZPA). (C) Disegni schematici dello scheletro di un braccio umano, dell’ala di pollo e della zampa anteriore di un cavallo (per convenzione, alle dita del pollo sono attribuiti i numeri 2, 3 e 4). Le condensazioni cartilaginee che formano le dita si rivelano molto simili a quelle che formano le dita 2, 3 e 4 dei topi e degli esseri umani; tuttavia, nuovi dati sperimentali sembrano indicare che la denominazione corretta potrebbe essere 1, 2 e 3. (A, tratta da Tanaka 2013; B, tratta da Logan 2003.)
- - - - Questa rana Hyla regilla, con arti soprannumerari, é il risultato di un‘infestazione da cisti di trematodi di un girino durante la fase di sviluppo delle gemme degli arti. Le cisti suddividono in modo evidente I’abbozzo dell‘arto in via di sviluppo in molti frammenti, determinando la formazione di arti soprannumerari. Nello scheletro di questa rana adulta, la cartilagine é colorata in azzurro e le ossa sono colorate in rosso. (Fotografia per gentile concessione di S. Sessions.)
- - - - (A) Inizialmente i geni Hox a livello assiale regolano I’espressione di Fgf8 e dell’acido retinoico, che funzionano come segnali antagonisti in grado di indurre l'espressione di Tbx5 essenziale per la formazione iniziale del campo dell’arto anteriore. (B) Modello di circuiti di retroazione positiva tra i fattori che regolano lo sviluppo dell’arto anteriore tra le varie specie. (C) Molti dei segnali essenziali per lo sviluppo dell’arto posteriore sono gli stessi tra pollo e topo e anch’essi generano circuiti di retroazione positiva. Tuttavia alcuni dei fattori iniziali per l'induzione dell‘arto posteriore differiscono fra le specie; per esempio, Islet1 é necessario per la formazione dell’arto posteriore nel topo ma non nel pollo. (A, tratta da Cunningham e Duester 2015.)
  - - - Quindi l’espressione è mantenuta da un meccanismo di feedback positivo che coinvolge l’espressione di fattori WNT e di FGF8 nell’ectoderma adiacente
- - - - Mantiene il mesenchima sottostante proliferativo e plastico.
      - Determina l’asse prossimo-distale
      - Coordina l’azione di fattori che regolano gli assi antero-posteriori e dorso-ventrale
- - - - Se invece si trapianta con AER anche parte del mesenchima si cambia il destino di quella zona
        
        Es.: impianto di AER + mesoderma tardivo in zona di abbozzo precoce fa formare le dita dopo l'omero invece dell'ulna e radio
- - - - Ma ci sono evidenze sperimentali che non sono in accordo con il
        modello della zona di progressione
        
        L’inattivazione di FGF che risulta nel blocco della proliferazione del mesoderma impedisce la formazione degli elementi prossimali ma non di quelli distali
        
        Cellule marcate all’inizio della proliferazione sono già determinate a formare una specifica zona (anche quelle distali)
  - - - Gli effetti della rimozione dell’AER sono spiegabili sulla base del fatto che la zona di morte cellulare indotta dalla rimozione dell’AER è costante mentre le diverse aree di progenitori si accrescono in lunghezza nel tempo
  - - - Fig 19.14 Modelli dello sviluppo dell‘arto. (A) Modello dello sviluppo dell'arto, secondo cui I'asse prossimo-distale é generato da gradienti opposti di acido retinoico (RA) (ombreggiatura azzurra), secreto nell’area prossimale del fianco, e di FGF e Wnt (ombreggiatura rosa) secreti dll’ AER. (B) Procedura di impianto in embrioni di pollo in ui viene rappresentato il trapianto dell'apice della gemma dell’arto nella regione della testa di un altro embrione di pollo.
        
        Le condizioni sperimentaliilustrate sono due: nel primo caso 'apice della gernma non viene trattato; nel secondo, viene trattato inserendo rmicroperl intrise di RA (ali asterischi segnalano la posizione della micropera).risultati dimostrano che Iacido retinoico prossimalizza” I'0sso che si va formando a partire dal ‘mesenchima trapiantato. Gli apici della gemma dell‘arto non trattati formano specifici segmenti cartilaginei dell'arto a seconda della fase di espianto. Tuttavia, quando l'apice della gemma viene trattato con 1 mg/ml di RA, si forma uno scheletro pit! prossimale.
        
        (C)iltrattamento con FGF e Wnt cambia i profil despressione dei fattor di trascrzione prossimo-distali nel mesenchima trapiantato (colorazione scura). Meis? @ specifico per lo stilopodio, Hoxa 1 per lo zeugopodio e Hoxa13 per I'autopodio. Il mesenchima della ‘gemma iniziale dell'arto (stadio 18) pud formare tutti e tre i tipi di cartlagine. Se, perd,il mesenchima viene incubato con Faf8 e Wnt3a, il fattore di trascrizione dell'autopodio Mesenchima (Hoxa13) viene espresso alvel elevati mentre il marcatore dello stilopodio (Mei) & eon nv drasticamente ridotto. Laggiunta di RA in coltura € necessaria per mantenere nelle aree allostadio 18 prossimali la competenza a esprimere Meis! (immagine non mostrata). (A, trata da ‘Macken e Lewandoski 2011; B, tratta da Rosellé-Diez et al. 2011; C, tratta da Cooper et al, 2011, fotografie per gentile concessione degli autori.)
      - Fig 19.15 Regolazione epigenetica dell'espressione dei geni Hox nell’arto di pollo. (A) Hoxa73 non viene espresso in condizioni normali nel corso dell’accrescimento iniziale dell’arto. (B) Tuttavia, l'inibizione della deacetilazione degli istoni ottenuta grazie a microperle rivestite di TSA (che garantisce quindi una maggiore acetilazione e una conformazione pit aperta della cromatina) induce una sovraespressione di Hoxa73 (punte di freccia) causando una grave riduzione dello zeugopodio (vedi parentesi quadre). Gli asterischi indicano la localizzazione delle microperle senza TSA (A, controllo) e con HDAC (B, +TSA). (Tratta da Miguel Torres Sanchez.)
  - - - Zona apicale di progressione: FGF stimola la proliferazione e inibisce la formazione di noduli
      - Zona attiva:
        TGFB stimola la formazione di noduli cartilaginei, ma produce i suoi stessi inibitori che ne limitano la dimensione del nodulo (gli inibitori diffondono più velocemente del TGFB):
      - Zona congelata: Cellule differenziate lontane dagli inibitori
  - - - Tali fattori stimolano la loro stessa sintesi, come anche quella di fattori della matrice cellulare e proteine d’adesione che promuovono I|’aggregazione cellulare. Le cellule attivatrici stimolano, inoltre, la sintesi di inibitori diffusibili dell’aggregazione (tra cui Noggin e galectina-8), impedendo I’adesione cellulare nelle regioni circostanti. Le aree in cui possono formarsi i noduli cartilaginei sono regolate dalla geometria della gemma dell’arto (per esempio rispetto a quante onde di attivazione saranno consentite). Nella “zona congelata” i noduli possono finalmente differenziarsi in cartilagine, “congelando” cosi la configurazione. (Tratta da Zhu et al. 2010.
- - - - Trapianto di ZPA in una zona anteriore della gemma forma un arto con il doppio delle dita a polarità invertita
  - - - La sua espressione ectopica in una zona anteriore mima l'effeto del trapianto di ZPA
  - - - (A) Nella gemma iniziale degli arti inferiori del topo, i progenitori del dito 4 (punto verde) e i progenitori del dito 5 (punto rosso) sono entrambi nella ZPA ed esprimono Sonic hedgehog (in verde chiaro).(B) Nelle fasi successive dello sviluppo degli arti, le cellule che formano il dito 5 esprimono ancora Shh nella ZPA, ma le cellule che formano il dito 4 non lo fanno pit. (C) Quando le dita si formano, le cellule del dito 5 saranno state a contatto con alte concentrazioni di proteina Shh per un tempo maggiore rispetto alle cellule del dito 4. (D) Schema della modalita di specificazione delle dita 4 e 5, in funzione del tempo durante il quale esse sono state esposte a Shh in modo autocrino; il dito 3 é specificato dal tempo durante il quale le cellule sono state esposte a Shh, in modo sia autocrino che paracrino. Infine, il dito 2 @ specificato dalla concentrazione di Shh che le sue cellule hanno ricevuto per diffusione paracrina, mentre il dito 1 é specificato in maniera indipendente da Shh.
  - - - Fig 19.23 Regolazione dell’identita delle dita mediante concentrazione di BMP nello spazio interdigitale, situato posteriormente al dito, e di Gli3.
        
        (A) Schema dell’asportazione di regioni interdigitali (ID). (B) L'asportazione della regione interdigitale 2, tra l'abbozzo del secondo dito (p2) e l’abbozzo del terzo (p3), fa si che il secondo dito modifichi la sua struttura in quella del primo. (C) L'asportazione della regione interdigitale 3 (tra gli abbozzi del terzo e del quarto dito) fa si che il terzo dito si sviluppi con la struttura del secondo. (D) Aspetto delle dita e dei loro spazi interdigitali in un individuo di tipo selvatico (normale). (E, F) Le stesse trasformazioni osservate in (B) e in (C) si possono ottenere inserendo nelle regioni interdigitali microperle sintetiche contenenti l’inibitore Noggin delle BMP. (E) Quando la microperla contenente Noggin (punto verde) é collocata nella regione interdigitale 2, il secondo dito é trasformato in una copia del primo. (F) Quando la microperla di Noggin é posta nello spazio interdigitale 3, il terzo dito é trasformato in una copia del secondo. (Tratta da Dahn e Fallon 2000; Litingtung et al. 2002; fotografie per gentile concessione di R.D. Dahn e J. F. Fallon.)
- - - - Nell’uomo sindrome unghia- rotula (il nome indica le strutture assenti)
  - - - Fig 19.19 Schema del modellamento dorso-ventrale nell’abbozzo dell’arto, mediato da segnali Wnt e BMP. Wnt7a induce un destino dorsale nelle cellule dell’abbozzo dell’arto grazie a Lmx1b, mentre BMP agisce attraverso Engrailed-1 (En1) per regolare il modellamento ventrale dell‘arto.
- - - - (B) Con l’accrescimento della gemma dell’arto, Sonic hedgehog crea un nuovo centro di segnalazione nel mesenchima posteriore che induce una polarita postero-anteriore e attiva anche Gremlin (Grem1), per impedire alle BMP di bloccare la sintesi di FGF nell’AER. Inoltre, Fgf8 in parte opera regolando in maniera differenziale Etv4/S (proteine che appartengono alla famiglia dei fattori di trascrizione E-twenty-six) lungo I’asse antero-posteriore dell’abbozzo dell’arto, sostenendo cosi a sua volta il gradiente di concentrazione di Shh a partire dalla zona posteriore.
        
        (C) il due meccanismi retroattivi che associano I’AER e la ZPA. Nel circuito di retroazione positiva (freccia nera; in basso), i FGF secreti dall’AER (in particolare, Fgf4, 9 e 17) attivano la trascrizione di Shh, stabilizzando la ZPA. Inversamente, nel circuito inibitorio (in rosso; in alto), Shh secreto dalla ZPA attiva Gremlin (Grem1), che blocca le BMP, impedendo cosi l'inattivazione di FGF nell’AER, mediata dalle stesse BMP.Nella fase (D), ha quindi luogo una sintesi mutualmente accelerata sia di Shh (ZPA) che di FGF (AER).
        
        (E) Al crescere della concentrazione di FGF, essa raggiunge il valore soglia necessario per inibire Gremlin. Questo permette alle BMP di iniziare la repressione di FGF e dell’AER. Alla fine, tante pit cellule si moltiplicano nella zona non esprimente Gremlin, tanto il segnale Gremlin nella regione prossima all’AER diventa troppo debole per impedire alle proteine della famiglia BMP di reprimere FGF. (F) A quel punto, I’AER scompare, e si rimuove cosi il segnale che stabilizza la ZPA. Anche la ZPA é poi destinata a scomparire. (A e B, tratte da Fernandez-Teran e Ros 2008; C, tratta da Verheyden e Sun 2008.)
- - - - La sua azione dipende dal contesto: cooperazione con gli altri regolatori dello sviluppo dell'arto
        
        -BMP + Wnt induce tessuto osseo
        
        BMP + FGF (che induce DKK, l'inibitore di Wnt) induce morte
- - - - Inoltre la formazione delle articolazioni è sostenuta da WNT che stimola l’espressione di Gdf5 e dalla presenza di vasi sanguigni, ambedue inibitori della cartilagine
        
        Anche il movimento muscolare è necessario per formare le articolazioni