3. Formazione della notocorda e definizione dell'asse corporeo
Specificazione dei progenitori del mesoderma assiale e del cordamesoderma
Negli umani, le prove meccanicistiche dirette sulla formazione della notocorda rimangono comparativamente limitate; di conseguenza, il quadro cellulare e molecolare deriva principalmente da modelli di vertebrati trattabili sperimentalmente, in particolare topo, pulcino, Xenopus e pesci zebra. Durante la gastrulazione, i progenitori del mesodermo assiale originano da territori associati all'organizzatore, tra cui la linea primitiva e il nodo negli amnioti e la regione dell'organizzatore dorsale negli anfibi, generando successivamente i lignaggi cordamesodermico e notocordale. La segnalazione di Nodal svolge ruoli centrali e dipendenti dal contesto nell'induzione del mesendoderma, nella formazione dell'organizzatore e nella specificazione dei progenitori assiali, mentre la segnalazione canonica di Wnt/β-catenina promuove la formazione della linea primitiva e lo sviluppo del mesodermo posteriore. La segnalazione di FGF contribuisce alla specificazione mesodermica, al mantenimento dei progenitori e ai comportamenti cellulari morfogenetici. Queste vie operano attraverso reti regolatrici limitate temporalmente e spazialmente anziché come cascate lineari indipendenti.
I fattori di trascrizione Brachyury (T) e Foxa2 sono componenti importanti delle reti regolatrici che controllano la linea primitiva, il mesodermo assiale e lo sviluppo della linea mediana. Nel topo, T è richiesto per il normale sviluppo mesodermico posteriore e assiale, mentre Foxa2 è richiesto per la funzione dell'organizzatore/nodo e per lo sviluppo delle strutture della linea mediana assiale.
Meccanismi cellulari della morfogenesi della notocorda
La morfogenesi della notocorda dipende da riarrangiamenti cellulari coordinati, tra cui la convergenza ed estensione e l'intercalazione mediolaterale, che allungano e restringono il tessuto assiale in sviluppo. Nello Xenopus, i meccanismi associati alla polarità cellulare planare e la segnalazione delle GTPasi della famiglia Rho regolano i comportamenti cellulari polarizzati alla base dell'estensione convergente. L'adesione dipendente da caderina, la contrattilità dell'actomiosina e il rimodellamento del citoscheletro contribuiscono inoltre all'organizzazione tissutale e alla morfogenesi assiale. Ulteriori processi, tra cui cambiamenti localizzati della forma cellulare e costrizione apicale, contribuiscono a eventi morfogenetici specifici dell'organizzatore, del nodo o della regione assiale in modo dipendente dal modello e dallo stadio di sviluppo.
Nei teleostei, le cellule della notocorda subiscono successivamente una pronunciata vacuolizzazione, generando grandi vacuoli intracellulari la cui formazione coinvolge organelli correlati ai lisosomi e che contribuiscono meccanicamente all'allungamento dell'asse corporeo. Questo processo specializzato è particolarmente ben caratterizzato nel pesce zebra e non si deve dare per scontato che avvenga in modo identico in tutte le specie di vertebrati.
Vie molecolari nella formazione dell'asse anteroposteriore e dorsoventrale
L'antagonismo di BMP all'interno dei territori associati all'organizzatore stabilisce ambienti con segnalazione di BMP localmente bassa che contribuiscono alla strutturazione dorsoventrale. La notocorda in sviluppo esprime Sonic hedgehog (Shh) e funge da principale fonte precoce di segnalazione assiale. Il Shh derivato dalla notocorda contribuisce all'induzione e alla strutturazione delle identità ventrali del tubo neurale, dopodiché anche la piastra del pavimento (floor plate) diventa un importante centro di segnalazione che esprime Shh. Il Shh influenza inoltre il mesodermo parassiale adiacente e contribuisce alla strutturazione dei somiti.
La strutturazione anteroposteriore emerge attraverso interazioni tra Wnt, FGF, acido retinoico e altri segnali di sviluppo regolati spazialmente e temporalmente. L'asimmetria sinistra-destra viene iniziata tramite meccanismi associati al nodo che stabiliscono l'attivazione asimmetrica della via di segnalazione di Nodal. La notocorda funge anche da linea mediana strutturale e tessuto di segnalazione che contribuisce all'organizzazione e al mantenimento dell'architettura embrionale bilaterale.
Approcci sperimentali e reagenti per lo studio della notocorda e della stabilizzazione dell'asse
Gli studi meccanicistici combinano mappatura del destino e tracciamento genetico del lignaggio, trapianto di tessuti, saggi di espianto e ricombinazione, approcci genetici di perdita e guadagno di funzione e live imaging. Il tracciamento del lignaggio basato su Cre/loxP nel topo, gli esperimenti di innesto nel pulcino, il knockdown mediato da morfolino e la sovraespressione di mRNA nello Xenopus, e le perturbazioni basate su mutanti, transgenici e CRISPR nel pesce zebra hanno consentito l'analisi diretta dei progenitori assiali e dello sviluppo della notocorda. L'ibridazione in situ whole-mount e l'immunofluorescenza sono routinemente utilizzate per risolvere l'espressione di marker quali T, Foxa2, Shh e marker assiali o notocordali specifici di specie. La perturbazione farmacologica della segnalazione di FGF, Wnt, BMP o Hedgehog integra gli approcci genetici ma richiede un'attenta interpretazione a causa della dipendenza dalla dose, della tempistica di sviluppo, della regolazione incrociata tra le vie e dei potenziali effetti indiretti sulla morfogenesi tissutale.