Somitogênese e Campo de Membros
Somitos
Origem mesodérmica (Paraxial)
Originam: Ossos e cartilagens do
tronco, músculos esqueléticos e
derme dorsais
PADRONIZAÇÃO
Modificações de
forma e contatos
intercelulares,
dependente de
movimentos
celulares
A)
Epithelial cells
•••~.
~~
•
~4"'~~-w "A~~
~1(.
•
~~~~~~ ~,Ly~,Ly~~P?-
~~ : r~~~~~~~~~~~~~
~~-·
~~~~?~~~~$v
Mesenchymal cells
Formed
som i te
B)
:l7
/iFTill"F]~~~~~~.-P'~
Somite
forming
Mesoderma
Intermediário
Mesoderma
Paraxial
Notocorda
Rins e Gônadas
Mesoderma Lateral
Sistema Vascular e
Músculo, Hematopoiético
Anexos
ossos,
cart., etc Extraembrionários
O que será formado a partir dos somitos?
À medida que o somito amadurece/diferencia
ele “desmancha” no sentido antero/posterior
(i.e. anterior amadurece primeiro)
(A) 2-day embryo
Central
dermamyotome
Epidermis
Neural tube
Som i te
>) Late 4-day embryo
(A)
Central
dermamyotome
Epidermis
Dorsal root -+---tt-\\
ganglia
Neural tube
o
Sclerotome
Myotome
Myotome
Sclerotome
Hypax.ial ornitic bud
Estrutura da pele e músculo subjacente
EPIDERME
DERME
MÙSCULO
3-day embryo
2-day chlck embryo
Dorsal
neural
tube
/epidermis
Dorsal
4-day embryo
dermomyotome
myotome
Dorsal
dermatome
Lateral
-migrating
muscle
cells
O sclerotome D dermomyotome
Dermátomo
derme
Miótomo
Músculo
Esclerótomo
vértebras e
costelas
Os esclerótomos se RESSEGMENTAM para
formar as vértebras
Esclerótomos individuais
Fusão da região posterior do
Esclerótomo A com a região
anterior do Esclerótomo B
A
A
B
B
Sulco
neural
c
o
Esclerótomo
O Estágios na história de vida de um somito em um embrião humano.
fase epitelial do somito no estágio de tubo pré-neural. r
a transformação epiteliomesenqu1mal da porção ventromedial no esclerótomo. C aparência de um m1ótomo separado do dermomiótomo original.
_ fase IniCial da quebra do dermátomo ep1telial em fibroblastos dérm1cos.
A
Quadro 6.1 Compartimentos dos somitos
e seus derivados
Ectododerme
\
/ Dermomiótomo
Tubo
Esclerótomo
Ventral: corpos vertebrais e seus discos intervertebrais
Lateral: costelas distais, alguns tendões
Dorsal: parte dorsal do arco neural, processo espinhoso
Central: pedículos e partes ventrais dos arcos neurais, costelas
proximais, ou processos transversos das vértebras
Mediai (meningótomo): menmges e vasos sanguíneos das
meninges
Artrótomo
Discos intervertebrais, superfícies articulares vertebrais e costelas proximais
Dermátomo
Derme, lâmina da escápula
Miótomo
Dorsomedial: músculos das costas Intrínsecos (epaxial)
Ventrolateral: músculos dos membros ou músculos da parede
ventrolateral do corpo (hipoaxial)
Neurótomo
Células endoneurais e perineural
Sindetomo
Tendões da musculatura epax1al
neural ~
~
Miótomo
Esclerótomo dorsal
Esclerótomo central
Esclerótomo lateral
"- Endoderme
8
,--..... /
Dermátomo
Sindetomo
Meningótomo
Tubo
-"'\1~----.;;,__ Esclerótomo
central
Adaptado de Christ B, Huang R, Scaal M: Dev Dyn 236:2383, 2007.
Esclerótomo
ventral
Esclerótomo
lateral
Organização de somitos nas fases de desenvolvimento inicial ( '
e final (B). (Baseado em Christ 8, Huang R, Scaal M: Anat Embryol 208:333-350,
2004)
Mas como surgem os somitos periodicamente em pares???
Ordem específica ao longo do
eixo ântero-posterior
Células-tronco somitogênicas em
torno do nó (Epiblasto)
(Somitômeros)
Pareados
Modelo de Frente de Onda +
Relógio de segmentação (FGF8 e
seus amigos)
FGF8 + Ácido Retinóico regulam
padronização e propagação
FGF8  Frente de onda
Padronização ântero-posterior precoce
Valor posicional (Identidade Posicional)
Adquirido precocemente também!!
Proliferação
Por proliferação FGF8 ↓ e Ác. Retinóico ↑
Frente de onda = limiar de concentrações permissivas de FGF8 e RA onde é
disparada a DETERMINAÇÃO
Mesp-2 é expresso NESTE limiar.
Frente de Determinação e Frente de Segmentação
Após o limiar passar pelas células do mesoderma pré-somítico inicia-se o relógio
de segmentação
Expressão periódia de c-hairy e lunatic fringe
Ephrina B
Ephrina B
O gene hairy1 é expresso periodicamente no mesoderma présomítico
Fase I: células pré-somíticas caudais expressando hairy1
Fase II: desaparecimento da expressão de hairy1 caudal
Fase III: formação do somito e restrição da expressão de Hairy a porção posterior do somito a
ser formado
Hairy 1 e o relógio de segmentação
O “relógio” interno serviria para :
1) Definir o grupo de células que farão parte do mesmo somito
2) Definir o momento da formação de um somito
~
Notch\
Lfringe _.
Clock
Mesp2
Modelo para determinação de segmentos no
mesoderma presomítico
Fgf8
A formação antero-posterior de somitos é determinada por
uma “Onda” de FGF gerada pela região mais posterior do
embrião
Olivier Pourquié, "Segmentation and somitogenesis in vertebrates," in
AccessScience
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I
SJ~ O
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11
DI
o
o
--
Segmentação
Eph A – Ephrina B
O sistema Ephrina-ephrina de formação de fronteiras teciduais:
Ephrina (Eph) = Receptor tirosina quinase de membrana
Ephrina = Ligante
transmembrana
Nature Reviews Molecular Cell Biology 3, 475-486 (July 2002)
Ephrinas e a determinação do limite somítico
In situ para EphA4
(Durbin et al., 1998)
O contato do Receptor Ephrina (anterior) pelo
ligante ephrina (posterior) causa repulsão celular
Develop. Growth Differ. (2008) 50, S149–S155
Durbin L et al. Genes Dev. 1998;12:3096-3109
©1998 by Cold Spring Harbor Laboratory Press
Os fatores de transcrição do “relógio” interno induzem a
expressão do Receptor Ephrina
mesp1
EphA4
Wnt-6 (ectodérmico)
Paraxis (mesodérmico)
Snail
Shh e nogging  Pax1  explosão de mitose e perda de N-caderinas células epiteliais
voltam a morfologia mesenquimal (mesênquima secundário)
A
~ ~ Mesoderme
~·\
~
intermediário
Paráxis
c
Pax-1, Pax-9,
Noggin
B
Pax-3
c-met
Pax-1 ,
Pax-9 /
Pax-1, Pax-9
Esclerótomo
M!obla~I?S ; :~:
m1gratonos
Fíg 6 1
Eventos moleculares envolvidos na diferenciação dos somitos. Moléculas de Sinalização são representadas por setas pretas. S1na1s
inibitórios são representados por linhas vermelhas. Os genes expressos em tecidos responsivos estão Indicados em itálico. BMP. proteína morfogenétlca
óssea; SF, fator de dispersão; Shh, sonic hedgehog. (Adaptado de Brand-Saberi B and others· lnt J Dev B•ol40.477-420., 1996.)
Digits, segments, somites…
A type of structure which is frequently encountered in higher organisms
consists of a sequence of similar but not identical substructures. Segments in
insects, the somites and the digits of vertebrates are examples. Usually their
total number is precisely regulated
As the basic mechanism we proposed
that cell states are involved that locally
exclude each other but activate each
other on long range
Meinhardt and Gierer (1980); J. theor.
Biol., 85, 429-450
Digits, segments, somites…
This mechanism found strong
support by the later discovered
logic in the engrailed-wingless
interaction: engrailed and wingless
are locally exclusive; engrailed
activates wingless in the adjacent
cell via hedgehog. In turn, wingless
molecules, transported in vesicles,
are absolutely required for the
engrailed activation in the
neighboring cell. As predicted,
wingless and engrailed activation is
autocatalytic. In engrailed, the selfenhancement is direct, that of
wingless involves sloppy paired.
Digits, segments, somites…
To illustrate the properties of such a type of interaction I used the following set
of equations:
2
∂a c s p a
∂2a
=
− α a + Da 2 + ρ0
∂t
∂x
r
∂p c sa p 2
∂2 p
=
− α p + Dp 2 + ρ0
r
∂t
∂x
∂r
= c s p a 2 + c sa p 2 − β r
∂t
∂sa
∂ 2 sa
= γ (a − sa ) + Dsa 2
∂t
∂x
∂s p
∂2sp
= γ ( p − s p ) + Dsp
∂t
∂x 2
This is Eq. 12.1 from the 82-book; only g1
and g2 is substituted by a and p as a label
for the compartmental specifications
a and p describe the local autocatalytic
feedback loops, sa and sp the mutual
long-ranging help. In this example it is
assumed that the mutual repression
occurs by a common repressor
r
which
is produced by both autocatalytic loops
and that acts on both. This mutual local
exclusion has the consequence that in
one cell only one of the feedback loop
can be active. Booth loops require the
help from the other cell state;
a and p
expressing cells will appear next to
each other.
The mutual repression can also be
direct (see below)
Digits, segments, somites…
To illustrate the properties of such a type of interaction I used the following set
of equations:
2
∂a c s p a
∂2a
=
− α a + Da 2 + ρ0
∂t
∂x
r
∂p c sa p 2
∂2 p
=
− α p + Dp 2 + ρ0
r
∂t
∂x
∂r
= c s p a 2 + c sa p 2 − β r
∂t
∂sa
∂ 2 sa
= γ (a − sa ) + Dsa 2
∂t
∂x
∂s p
∂2sp
= γ ( p − s p ) + Dsp
∂t
∂x 2
In this simulation the homogeneous
distribution of a and p becomes instable,
high a and high p expression occur in
adjacent cells.
This mechanism show a good sizeregulation after partial removal of one cell
type.
Digits, segments, somites…
2
∂a c s p a
∂2a
=
− α a + Da 2 + ρ0
∂t
∂x
r
∂p c sa p 2
∂2 p
=
− α p + Dp 2 + ρ0
r
∂t
∂x
∂r
= c s p a 2 + c sa p 2 − β r
∂t
∂sa
∂ 2 sa
= γ (a − sa ) + Dsa 2
∂t
∂x
∂s p
∂2sp
= γ ( p − s p ) + Dsp
∂t
∂x 2
If the autocatalytic components are not
diffusible, the border between the two regions
will be absolutely sharp. This is the case in the
engrailed-wingless interaction for the
compartment formation in Drosophila: the clonal
borders are sharp and cannot be moved, as
observed.
However, if only one cell type remain, a partial
reprogramming may be possible (as observed
after fragmentation of of imaginal discs)
Digits, segments, somites…
2
∂a c s p a
∂2a
=
− α a + Da 2 + ρ0
∂t
∂x
r
∂p c sa p 2
∂2 p
=
− α p + Dp 2 + ρ0
r
∂t
∂x
∂r
= c s p a 2 + c sa p 2 − β r
∂t
∂sa
∂ 2 sa
= γ (a − sa ) + Dsa 2
∂t
∂x
∂s p
∂2sp
= γ ( p − s p ) + Dsp
∂t
∂x 2
An important feature of such a system is that
it can generate stripes. Since the different
cell types need each other for mutual
stabilization, a long common border leads to
a most stable situation. The ability to form
stripes is required for many such systems.
(In this simulation above pattern formation is
initiated by a slightly higher level of p (red) in
the right half of the field).
Digits, segments, somites…
∂a
∂t
∂2a
c a2
− α a + Da 2 + ρ0
2
2
(a + p ) ( sa + ε / p )
∂x
∂p
∂2 p
c p2
=
− α p + Dp 2 + ρ0
2
2
∂t (a + p ) s p
∂x
∂sa
∂ 2 sa
= γ (a − sa ) + Dsa 2
∂t
∂x
∂s p
∂t
= γ ( p − s p ) + Dsp
(see Eq. 12.2 in the 82-book)
∂2sp
∂x 2
In this alternative example, the interaction
between the two feedback loops occurs
not by a long-ranging mutual activation but
by a self-inhibition (a2/sa). In competing
systems, a help for the other feedback
loop or a self-inhibition is equivalent. The
mutual exclusion is direct (a2 + p 2 ).
The term ε / p in the first equation can
lead to a threshold decisive for a transition
for between an oscillating and an excitable
system (see below).
Combining oscillations and spatial pattterning
To see how the oscillation derived for
insect segmentation and patterning in
space can be combined, it is essential to
see that the mechanism shown above can
act also as an oscillator. For instance, if
only A cells are present, the P-cell state
will get strong support, while the support
of the A state by the P cells is missing.
Thus, cells will switch from A to P and for
the same reason back to A, i.e, they will
oscillate between the two states. This
works in the same way if self-inhibition is
involved.
Now imagine that only one A cell exists
initially at the anterior end. The direct Pneighors will be be stabilized, while the
other will continue to oscillate. With each
complete cycle there would be one new pair
of A/P specifications (half-somites).
Conversion of an oscillating pattern into a
periodic pattern that is stable in time
In this way the oscillation gives rise to a
regular pattern in space. The non-trivial
prediction was made that a boundary
between a stable and an oscillating pattern
sweeps from anterior to posterior over the
field.
This raises, however, the question:
what makes the first border?
Position
Combining oscillations and spatial pattterning
The assumption was that at the
posterior terminal position a
gradient is generated and that a
certain concentration is required
to keep the oscillation going.
Cells below a threshold are
unable to oscillate.
Now it is clear that this prediction
was correct, the gradient shown
in the simulation in yellow has
been identified as FGF.
Palmeirim et al. (1997). Cell 91, 639-648
A comparison with the observation of Palmeirim et al., 1997 shows the striking
correspondence between the 82-model and the 1997 observation.
Combining oscillations and spatial pattterning
ε
A switch between an oscillating or
an excitable system can be
accomplished by a baseline
inhibitor level or a MichaelisMenten type constant. If ε is large
enough, the a activation can no
longer trigger spontaneously since
the denominator remains finite. The
positional information p (yellow)
lowers the influence of ε . Thus, if p
is high enough (in the posterior),
the system oscillates, otherwise it is
arrested in the p state.
∂a
c a2
∂2a
=
− α a + Da 2 + ρ0
2
2
∂t (a + p ) ( sa + ε / p )
∂x
(Hox) gene activation under the influence of the
oscillation
The aim was to also explain the
sequential activation of specifying
genes. The model proposed offered a
very convenient mechanism. The
number of the oscillations a cell has
been made corresponds
unambiguously to its position. Each
more posteriorly located pair of halfsomites proceeds exactly through one
more oscillation cycles. As shown
above for insects, this can be used to
activate specifying (HOX) genes
(lowest panel)
Although the precise mechanism of the coupling between the oscillation and Hox gene
activation is still unclear, there is some evidence for it:
Dubrulle, et al., (2001). Fgf signaling controls somite boundary position and regulates
segmentation clock control of spatiotemporal hox gene activation. Cell 106,219-232
Zakany et al., (2001). Localized and transient transcription of hox genes suggests a link
between patterning and the segmentation clock. Cell 106,207-217
https://www.youtube.com/watch?v=9wrBROwoRSk
Ainda temos ?????
Região Posterior
EphA4
Região Anterior
Limites laterais
O mesoderma paraxial não tem sinalização BMP
A expressão de noggin na região paraxial inibe BMP,
permitindo a somitogênese
O que acontece se adicionarmos noggin A MAIS do
lado direito?
Genes Hox e identidade antero-posterior dos
somitos
Genes Hox
Superfamília Homeobox
Fatores de transcrição
4 agrupamentos em
vertebrados
Colinearidade
Anterior
definido/posterior nem
tanto
genes Hox
a4
a9
a11
aJO
b9
b4
c5
cB
c6
d4
C1
c9
elO
--,....-- d9d10
51
T1
DDDDDDDDDDDDDD· · · · · ·
c11
d71d12
mesoderme
Ca1
• • • • • • • • • vértebras
somitos
••••••••••
b4
a4
c4
vértebras
Ca1
a9
=======::j
bl
c5
c6
cB
c9
dB
d9
d10
d11d12
=======~
genes Hox
C=cervical T=torácica L=lombar S=sacral Ca=caudal
Chick
Mo use
mesoderme
Código de barras
Transformação homeótica
Comprometimento precoce
A notocorda inibe a sinalização do BMP (Bone Morphogenic
Protein), um ligante da família TGF-beta
Existe um gradiente
antero-posterior de Wnt,
BMPs, FGFs e ácido
retinóico
Esta diferença de expressão persiste até estágios posteriores
Àcido
Retinóico
O ácido retinóico determina o padrão de expressão de Hox
nos somitos
normal
Sem ácido
retinóico
Ácido retinóico altera a identidade das vértebras
CONTROLE
LIMITE POSTERIOR
Campo de Membro
Mesoderme da
Mesoderme
paraxial
Tubo
neural
placa l a t e \
Anterior
Ectoderme
Broto do
membro
A
Veia
umbilical
direita
Posterior
Veia
umbilical
esquerda
Fig. 10.1 Secção transversal através do tronco em um estágio inicial do
desenvolvimento dos brotos dos membros, mostrando sua localização em
relação à dos somitos (dermátomo) e às outras estruturas importantes.
O broto do membro é uma saliência da parede do corpo (mesoderma da
placa lateral).
Fig. 10.2 A, Interações moleculares envolvidas na iniciação do desenvolvimento dos membros. FGF. fator de crescimento dos fibroblastos. 8 ,
Ausência de formação dos membros anteriores após eliminação do Tbx-5
nos membros. (B, De Minguillon c; De!Buono J, Logan MP: DevCe/1 8:75-84, 2005).
O padrão axial gerado pelos Hox é refinado por outros genes
Tbx5
Membro
Tbx4
Posterior
Forelimb
bud
)
Ectopic Tbx4
expresston
Hindlimb
)
bud
@
2000 Sinauer &sociates, Iw::.
O mesoderma pré-somítico produz FGF10
O FGF10 não é mais produzido na região entre os futuros membros
O FGF10 dos futuros brotos de membros induz a produção de FGF8 do ectoderma
superficial, que por sua vez mantém a produção de FGF10
Lembra algo...
Tubo neural
Axônios sensitivos e células
de Schwann vindos da crista neural
Axônios motores vindos
do tubo neural
Mioblastos e precursores
das células endoteliais
derivados dos somitos
Mesoderme vindo
da placa lateral
Células endoteliais
vindas dos vasos
do tronco
Células pigmentares
vindas da crista neural
Fig. 10.1 O Os diferentes tipo de células que penetram no broto
de membro.
Crista Ectodérmica Apical
2
c
u
Fig 10.7 Micrografia eletrônica de varredura de um embrião humano
de 5 semanas (1O mm). Os brotos do braço e da perna (asteriscos) estão
no estágio de remo achatado. C, coração; U, cordão umbilical; 1, 2, arcos
farfngeos 1 e 2. (De Jirásek JE: Atlas of human prenatal morphogenesis, Amsterdam, 1983, Martinus Nijhoff).
Fig 10.8 Os três superiores, Efeito da remoção da crista ectodérmica
apical em estágios sucessivamente posteriores do desenvolvimento do
broto da asa de ave. Quanto mais maduro o broto de asa, maior é a
quantidade de elementos esqueléticos que se formam após a remoção
da crista apical. As estruturas ausentes são mostradas em cinza-claro.
Embaixo, Desenvolvimento normal de um broto de asa não intocado.
(Baseado em Saunders JW J Exp Zoo/708:363-403, 7948).
Zona de Atividade Polarizadora
FGF8
ZAP  Shh
Segmentação de membros
Hox!!!
Padronização de eixos