3. Bildung der Chorda und Festlegung der Körperachse
Spezifikation von axialen Mesoderm- und Chordamesoderm-Progenitoren
Beim Menschen sind direkte mechanistische Belege für die Bildung der Chorda dorsalis (des Notochords) vergleichsweise begrenzt; folglich leitet sich der zelluläre und molekulare Rahmen hauptsächlich von experimentell zugänglichen Wirbeltitiermodellen ab, insbesondere Maus, Huhn, Xenopus und Zebrafisch. Während der Gastrulation entstehen axiale Mesodermprogenitoren aus Organisator-assoziierten Gebieten, einschließlich des Primitivstreifens und des Knotens bei Amnioten sowie der dorsalen Organisatorregion bei Amphibien, und erzeugen anschließend Chordamesoderm- und Notochord-Linien (Chorda-dorsalis-Linien). Die Nodal-Signalisierung spielt zentrale, kontextabhängige Rollen bei der Mesendoderminduktion, der Organisatorenbildung und der Spezifikation axialer Progenitoren, während die kanonische Wnt/β-Catenin-Signalisierung die Primitivstreifenbildung und die posteriore Mesodermentwicklung fördert. Die FGF-Signalisierung trägt zur Mesodermspezifikation, zum Erhalt der Progenitoren und zu morphogenetischen Zellverhaltensweisen bei. Diese Signalwege wirken über zeitlich und räumlich begrenzte Regulierungsnetzwerke und nicht als unabhängige lineare Kaskaden.
Die Transkriptionsfaktoren Brachyury (T) und Foxa2 sind wichtige Komponenten der Regulierungsnetzwerke, die den Primitivstreifen, das axiale Mesoderm und die Mittellinienentwicklung steuern. Bei der Maus wird T für die normale posteriore mesodermale und axiale Entwicklung benötigt, während Foxa2 für die Organisator-/Knotenfunktion und die Entwicklung axialer Mittellinienstrukturen erforderlich ist.
Zelluläre Mechanismen der Notochord-Morphogenese
Die Notochord-Morphogenese hängt von koordinierten zellulären Umlagerungen ab, einschließlich Konvergenz und Extension sowie mediolateraler Interkalation, welche das sich entwickelnde axiale Gewebe verlängern und verschmälern. Bei Xenopus regulieren mit der planaren Zellpolarität assoziierte Mechanismen und die Signalisierung durch Rho-Familie-GTPasen polarisierte Zellverhaltensweisen, die der konvergenten Extension zugrunde liegen. Cadherin-abhängige Adhäsion, Aktomyosin-Kontraktilität und Zytoskelett-Remodeling tragen zudem zur Gewebeorganisation und axialen Morphogenese bei. Zusätzliche Prozesse, einschließlich lokalisierter Zellformänderungen und apikaler Konstriktion, tragen in Modell- und entwicklungsstadiumabhängiger Weise zu spezifischen morphogenetischen Ereignissen des Organisators, des Knotens oder der axialen Region bei.
Bei Knochenfischen durchlaufen Notochordzellen anschließend eine ausgeprägte Vakuolisierung, wodurch große intrazelluläre Vakuolen entstehen, an deren Bildung lysosomenbezogene Organe beteiligt sind und die mechanisch zur Verlängerung der Körperachse beitragen. Dieser spezialisierte Prozess ist beim Zebrafisch besonders gut charakterisiert und sollte nicht in allen Wirbeltierarten als identisch ablaufend angenommen werden.
Molekulare Signalwege bei der anteroposterioren und dorsoventralen Achsenbildung
Der BMP-Antagonismus innerhalb von Organisator-assoziierten Gebieten etabliert lokal niedrig-BMP-Signalisierungsumgebungen, die zur dorsoventralen Musterbildung beitragen. Das sich entwickelnde Notochord exprimiert Sonic hedgehog (Shh) und fungiert als wichtige frühe axiale Signalquelle. Vom Notochord abgeleitetes Shh trägt zur Induktion und Musterung ventraler Neuralrohridentitäten bei, wonach die Bodenplatte ebenfalls zu einem wichtigen Shh-exprimierenden Signalzentrum wird. Shh beeinflusst zusätzlich das angrenzende paraxiale Mesoderm und trägt zur Somitengliederung bei.
Die anteroposteriore Musterung entsteht durch Wechselwirkungen zwischen Wnt, FGF, Retinsäure und anderen räumlich und zeitlich regulierten Entwicklungssignalen. Die Links-Rechts-Asymmetrie wird durch Knoten-assoziierte Mechanismen initiiert, die eine asymmetrische Aktivierung des Nodal-Signalwegs etablieren. Das Notochord fungiert zudem als strukturelle Mittellinie und Signalgewebe, das zur Organisation und Aufrechterhaltung der bilateralen embryonalen Architektur beiträgt.
Experimentelle Ansätze und Reagenzien zur Untersuchung des Notochords und der Achsenetablierung
Mechanistische Studien kombinieren Schicksalskartierung und genetische Abstammungsverfolgung, Gewebetransplantation, Explantat- und Rekombinationsassays, genetische Loss- und Gain-of-Function-Ansätze sowie Lebendzell-Bildgebung. Das Mäuse-Cre/loxP-basierte Lineage-Tracing, Hühnertransplantationsversuche, Xenopus-Morpholino-vermittelter Knockdown und mRNA-Überexpression sowie Zebrafisch-Mutanten-, transgene und CRISPR-basierte Perturbationen haben eine direkte Analyse axialer Progenitoren und der Notochordentwicklung ermöglicht. Ganze In-situ-Hybridisierung und Immunfluoreszenz werden routinemäßig eingesetzt, um die Expression von Markern wie T, Foxa2, Shh und artspezifischen axialen oder Notochord-Markern aufzulösen. Die pharmakologische Pertubation der FGF-, Wnt-, BMP- oder Hedgehog-Signalisierung ergänzt genetische Ansätze, erfordert jedoch aufgrund der Dosisabhängigkeit, des Entwicklungszeitpunkts, der Signalweg-Cross-Regulation und potenzieller indirekter Effekte auf die Gewebemorfogenese eine sorgfältige Interpretation.