تقسم وتشكل قطع في فقاريات

Segmentation and somitogenesis in vertebrates -



التقسم وتشكل القطع في الفقاريات

                                                                           سهير قاطرجي

تطور الوريقة الوسطى جانب المحورية

القطع الجسدية والتعضي

الضبط المورثي لتشكل القطع الجسدية

ظاهرة التقطع  في أثناء التشكل الجنيني

مورثات تنظيم التنامي أو المورثات المتماثلة

التقسمsegmentation    في علم الجنين هو انقسام البيضة الملقحة (المخصبة) zygote انقسامات خيطية عديدة متتالية تُشَكِّل الجنين الذي يتنامى في مراحل متتالية تتضمن تَشَكُّل قطع جسدية somites يختلف مصيرها بحسب موقعها في الجسم، تنتهي بتكون الكائن الفقاري الكامل.

يختلف نمط تقسم البيضة الملقحة بين الفقاريات المختلفة تبعاً لكمية المح وتوزعه في سيتوبلاسما (هيولى) الخلية البيضية القليلة المح الذي يكون كذلك متجانساً. يكون هذا التقسم عند الثدييات المشيمية placental Mammals، وكذلك عند الإنسان، تقسماً كلياً متساوياً، أي يطرأ على كامل الخلية البيضية، فتنتج  خلايا متماثلة الحجم.

أما البرمائيات وبعض الأسماك العظمية البدائية فيكون نمط التقسم الكلي عندها غير متساوٍ، ويشمل كامل الخلية البيضية التي تمتاز بكونها طرفية المح، ويكون في قطبها الحيواني أسرع مما هو عليه في قطبها الإعاشي، وينتج من هذا التقسم خلايا صغيرة الحجم كثيرة العدد في القطب الحيواني، وخلايا كبيرة الحجم قليلة العدد في القطب الإعاشي.

في عالَم الحيوان أيضاً بيوض غزيرة المح، مثل بيوض الزواحف والطيور والأسماك الغضروفية، يتصف التقسم عندها بكونه تقسماً جزئياً، ويسمى أيضاً التقسم القرصي. يحدث هذا النمط من تقسم السيتوبلاسما الفعالة فقط وليس في كامل الخلية البيضية؛ لذا فإنه لا يتم في كتلة المح، وبذلك يتشكل ما يسمى القرص المُنشِئ blastodisc الذي سيعطي الجنين.

ومهما اختلف نمط تقسم البيضة الملقحة لدى الفقاريات فإنه سيؤدي في كل الأحوال إلى مرحلة التويتة morula، لأن الجنين في هذه المرحلة يشبه حبة التوت، فهو كتلة من الخلايا المتجاورة المتراصة، لا تلبث أن تظهر فراغات بينها، ثم تتجمع هذه الفراغات في تجويف وحيد يعرف بالجوف الأصل blastocoel، وتدعى هذه المرحلة من التنامي الجنيني بالجسم الأصلي blastula. يتألف جنين الفقاريات عندها من وريقة واحدة هي الأدمة الأصلblastoderm .

تبدأ بعدها هجرة خلوية من الناحية العلوية ومن جانبي تلك الأدمة، وتصل الخلايا المهاجرة إلى الناحية الخلفية للجنين، ثم تنخمص إلى داخله مشكلةً كثافة خلوية تدعى مركز التشكل. تتطاول الكثافة الخلوية هذه إلى الأمام، يرافق ذلك استمرار هجرة الخلايا لتشكل الخط الابتدائي يتقدمه تكثف خلوي يدعى عقدة هِنسِن Hensen’s node. يمثل الخط الابتدائي الطريق الذي تسلكه الخلايا المهاجرة، وهذا ما يوجد لدى الطيور والثدييات، في حين توجد لدى البرمائيات بنيةٌ جنينية أخرى تقوم بهذا الدور ألا وهي المنفذ الأصلي blastopore، الذي تمر عبره الخلايا المهاجرة من المحيط إلى داخل الجسم الأصلي.

ومهما يكن طريق الهجرة الخلوية، سواء عبر الخط الابتدائي، كما في الطيور والثدييات (الشكل1) أم عبر المنفذ الأصلي كما في البرمائيات (الشكل 2)، فإن هذه الهجرة الخلوية تؤدي إلى تشكيل الوريقة الوسطى  mesodermوالوريقة الداخليةendoderm ، فيصبح الجنين مؤلفاً من ثلاث وريقات: خارجية ectoderm ووسطى وداخلية. كما تؤدي تلك الهجرة إلى تشكل المعي البدئي archenteron، وهكذا يصل الجنين في تناميه إلى مرحلة المعيدة gastrula.

الشكل (1) جنين الطيور في مرحلة المعيدة المبكرة مع أول تراجع لعقدة هِنسِن.

الشكل (2) جنين البرمائيات في مرحلة المعيدة المبكرة.

إن أول ما يتشكل بدءاً من الوريقة الوسطى لدى الفقاريات هو الحبل الظهري notochord الذي يشكل محور الجنين. ويستمر بعده ظهور البنى الأخرى وتمايزها مع تراجع الخط الابتدائي وعقدة هنسن، إذ تستمر هجرة المزيد من خلايا الوريقة الوسطى عبر الخط الابتدائي وتتكثف على جانبي الحبل الظهري مشكلةً ما يدعى بالوريقة الوسطى جانب المحورية paraxial mesoderm . تبدأ هذه العملية من الناحية الرأسية من الجنين وتستمر حتى الناحية الخلفية منه.

ومع استمرار الهجرة الخلوية يتشكل على جانبي الوريقة الوسطى جانب المحور تكثفات خلوية أخرى أكثر بُعداً عن المحور الجنيني تدعى الوريقة الوسطى البينية intermediate mesoderm، وما تبقى من خلايا الوريقة الوسطى الجانبية يُشَكل صفيحةً مسطحة تدعى بالصفيحة المتوسطة الجانبيةlateral mesoderm  (الشكل 3).

الشكل (3) تكثفات الوريقة الوسطى.

 إن هذه التكثفات الثلاثة من الوريقة الوسطى ستعطي بُنىً متخصصة لجسم الكائن الفقاري كما يوضح المخطط (4).

الشكل (4) مخطط يوضح مصير الخلايا المهاجرة لتشكيل مشتقات الوريقة الوسطى.

تتمايز الوريقة الوسطى جانب المحورية لتشكل القطع الجسدية somites، وتتمايز الوريقة الوسطى البينية لتشكل الجهاز البولي وجزءاً من الجهاز التناسلي، وتعطي الصفيحة الجانبية طبقتين خلويتين هما:

1- طبقة بطنية تتحد مع الوريقة الداخلية تحيط بالأحشاء، وتدعى الأدمة الوسطى الحشوية visceral mesoderm.

2- طبقة ظهرية تتحد مع الوريقة الخارجية وتساهم في بناء جدار الجسم والأطراف، وتدعى الأدمة الوسطى الجدارية parietal mesoderm .

تطور الوريقة الوسطى جانب المحورية

تأخذ الوريقة الوسطى جانب المحورية في بداية تشكلها هيئة تكثفات خلوية على جانبي الحبل الظهري، تتطور فيما بعد إلى بداءات قطع somitomeres (الشكل 5).

الشكل (5) تشكل بداءات القطع.

تُظهر الفحوص بالمجهر الإلكتروني على أجنة الأسماك والبرمائيات والزواحف والطيور والثدييات أن بداءات القطع هذه تبدأ بالظهور على شكل تقطع طفيف في الوريقة الوسطى المجاورة للحبل الظهري بدءاً من النهاية الرأسية للجنين، ويستمر هذا التقطع حتى النهاية الذيلية للجنين وبشكل متدرج. 

تتطور معظم بداءات القطع فيما بعد إلى لويحات قرصية تدعى القطع الجسدية somites (الشكل 6)، إذ تتحول الخلايا المحيطية لبداءات القطع من خلايا ميزنشيمية إلى خلايا ظهارية، فتشكل بذلك نسيجاً ظهارياً حول القطعة الجسدية، أما الخلايا الداخلية فتبقى ميزنشيمية.

الشكل (6) شكل القطع الجسدية، التي يزداد عددها مع تقدم عمر الجنين.

 

لقد تبين أنه في جميع الأنواع المدروسة من الفقاريات لا تتطور الأشفاع السبعة الأولى من بَداءات القطع إلى قطع جسدية، إنما تُشَكِّل العضلات المخططة للوجه والرقبة والصدر.

وتتمايز الأشفاع الثامنة والتاسعة والعاشرة من بداءات القطع لدى جنين الإنسان -كما في أجنة الفقاريات الأخرى- إلى القطع الجسدية الأولى والثانية والثالثة على التوالي، ويتوالى تَحَوُّل بَقِيَّة بداءات القطع التالية بتدرج، حتى النهاية الذيلية. 

 يبدأ تمايز أول قطعة جسدية -أي تحولها من بداءة قطعة إلى قطعة جسدية- في اليوم 20 من التنامي الجنيني لدى الإنسان، وفي اليوم 30 يكون قد اكتمل تشكل القطع الجسدية كلها، وعددها لدى الإنسان 42 -44 شفعاً. يضمر العديد من القطع الذيلية في أثناء التنامي الجنيني ويبقى في النهاية 37 شفعاً.

القطع الجسدية والتعضي

تؤلف القطع الجسدية التعضي المتقطع للجسم ولتمايز القطع الجسدية وهجرتها أهمية كبيرة في تطور مخطط جسم الجنين بأكمله، إذ إن القطع تمنح معظم الهيكل المحوري لجسم الكائن الفقاري بما في ذلك العمود الفقري وجزء من العظم القفوي والعضلات الإرادية للرقبة والأطراف، كما تساهم في أدمة الرقبة والجذع.

1- تُشارِك الأشفاع الأربعة الأولى من القطع الجسدية في تطور الجزء القفوي من الجمجمة، وتساهم  في بنية العظام حول الأنف والعيون والأذن الداخلية، وتساهم أيضاً في تشكل العضلات الخارجية للعين، وكذلك عضلات اللسان.

2- تدعى الأشفاع الثمانية التالية من القطع الجسدية القطع الرقبية، وهي تشارك أيضاً في تشكيل العظم القفوي، كما تساهم في تشكيل الفقرات الرقبية والعضلات المرافقة لها، وكذلك الأدمة في منطقة الرقبة.

3- تدعى الأشفاع الاثنا عشر التالية القطع الصدرية، وهي تُشَكِّل الفقرات والعضلات والعظام في منطقة الصدر، وتشكل أيضاً الأدمة الصدرية وجزءاً من جدار البطن. كما تهاجر بعض خلايا القطع الرقبية والقطع الصدرية لتساهم في بنية براعم الأطراف العلوية.

4- تدعى الأشفاع الخمسة التي تلي القطع الصدرية القطع القَطَنية، وهي تشكل الفقرات القَطَنِيَّة وعضلات البطن والأدمة البطنية، كما تهاجر خلايا من القطع القطنية لتساهم في بناء براعم الأطراف السفلية وفي تشكيل عضلة الساق.

5- تدعى الأشفاع الخمسة التي تلي القطع القَطَنِيَّة القطع العَجُزِيَّة، وهي تشكل العَجُز وأدمته وعضلاته.

6- وأخيراً هناك القطع العصعصية الثلاث التي تبقى بعد تفكك القطع الذيلية وتَلاشيها مُشَكِّلَةً  العُصْعُص coccyx.

الضبط المورثي لتشكل القطع الجسدية

تعتمد عملية تشكل القطع الجسدية somitogenesis على آليات توقيتٍ وتَدَرُّجٍ. فالإشارات الناجمة عن المُوَرِّثَتَيْن   Notch  و Wntتنظم توقيت ذلك التشكل، في حين يُحَدِّد التدرج في تركيز عامل النمو  Fibroblast Growth  Factor (FGF) تَمَوْضُع كُلِّ قطعةٍ على المحور الرأسي- الذيلي للجنين، وبذلك تتشكل القطعة تلو الأخرى على ذلك المحور تدريجياً.

وأظهرت الدراسات أن نظام Notch يساهم في تشكيل الحدود القطعية، إذ عند ارتباط البروتينات DLL1 و  DLL3ببروتين المورثة Notch تُفَعِّلُه، فيقوم بتنظيم عمل المورثة HES1 المسؤولة عن تشكيل النصف الخلفي للقطعة.

إن تشكل الطبقة الظهارية المحيطة بالقطع الجسدية يضبطه عمل بروتينات الفيبرونِكتين  fibronectin وN-كادهِرين N-cadherin، إضافة إلى عمل الـبروتيناتMESP2  وباراكسيز Paraxis، كما يُنَظِّم عملَ الـبروتين MESP2 إشارات Notch، أما عمل البروتين باراكسيز Paraxis فتنظمه طرائق تمايز الخلايا الهيكلية cytoskeleton.

وهناك مورثات hox (التي تنتمي إلى عائلة المورثات المتماثلة (homeobox تُنَظِّم توضع القطع على المحور الرأسي- الذيلي (الأمامي- الخلفي) للجنين، وتكتسب كلُّ قطعةٍ هويتَها الخاصة بها وتحدد منتجاتها (الشكل 7).

االشكل (7) تمايز القطع الجسدية ودور المورثات المتماثلة  في تحديد تموضعها على المحور الأمامي الخلفي لجسم الجنين.

وقد أثبتت التجارب أن نقل قطعة إلى مكان آخر في أثناء التشكل الجنيني يؤدي إلى إعطاء هذه القطعة مشتقاتها نفسها في ذلك المكان الذي هو غير مكانها الطبيعي. وبخلاف ذلك فإن الخلايا المعزولة من القطعة- أياً كانت- تستطيع إعطاء أي نوع من البُنى بحسب المكان المنقولة إليه، فهي تملك مرونة كبيرة في المقدرة على التمايز حتى مرحلة متأخرة من التطور القطعي.

ظاهرة التقطع  في أثناء التشكل الجنيني

لا يقتصر التقطع على الوريقة الوسطى جانب المحورية التي تعطي القطع الجسدية، بل يتكرر أيضاً في أثناء التنامي الجنيني لكثير من البنى، إذ يتطور الأنبوب العصبي بطريقة التقطع ليتشكل الدماغ بأقسامه المختلفة:

1- دماغ أمامي prosencephalon سيعطي دماغاً نهائياً telencephalon ودماغاً بينياً diencephalon.

2-   دماغ متوسط mesencephalon مؤلف من قطعة واحدة.

3- دماغ مَعيني rhombencephalon مؤلف من عدة قطع تدعى في مرحلة التطور الجنيني بالقطع المعينية rhombomeres.

ويحدث التقطع   في الأقواس البلعومية التي تساهم في بناء الوجه والرقبة لدى الفقاريات العليا.

لقد وجد الباحثون أن هناك علاقة بين تقطع الأقواس البلعومية وتقطع الدماغ، وهي أشبه بعلاقة رياضية هندسية، إذ رأوا أن هناك خلايا تنطلق من الانثناءين العصبيين لمنطقة مؤخرة الدماغ المتوسط والقطعتين الأماميتين من الدماغ المَعيني لتسكن القوس البلعومية الأولى التي ستتمايز فيما بعد إلى الفكين، في حين تنطلق خلايا من الانثناءين العصبيين للقطعتين العصبيتين الثالثة والرابعة من الدماغ المعيني لتسكن القوس البلعومية الثانية. وتنطلق خلايا من الانثناءين العصبيين للقطعة العصبية السادسة لتسكن القوس البلعومية الثالثة. وتنطلق خلايا من الانثناءين العصبيين للقطعة العصبية السابعة لتسكن القوس البلعومية الرابعة (الشكل 8).

 

الشكل (8) العلاقة الوثيقة بين القطع الدماغية والأقواس البلعومية.

تدعى هذه الخلايا المهاجرة خلايا العُرف العصبي neural crest، وهي من طبيعة وريقة خارجية. وعندما تهاجر لتسكن منطقة الأقواس البلعومية فإنها تتحد مع خلايا من طبيعة وريقة وسطى؛ فتشكلا معاً ما يدعى بالوريقة الوسطى الخارجية mesectoderm التي يتشكل منها معظم بنى الوجه.  

لاتقتصر ظاهرة التقطع  على الفقاريات فحسب، بل توجد أيضاً في أثناء التنامي الجنيني لدى الحلقيات ومفصليات الأرجل. لقد أظهرت دراسات عديدة على ذبابة الخل، ودراسات أخرى على الفقاريات، أن المورثات المتماثلة (مورثات تنظيم التنامي) تضبط ذلك التشكل المتقطع في أثناء التنامي الجنيني (الشكل 9). 

الشكل (9) التشكل القطعي لدى جنين ذبابة الخل كما في جنين الفأر.

مورثات تنظيم التنامي أو المورثات المتماثلة

 تأتي أهمية هذه المورثات في الحياة الجنينية لكونها:

  - مسؤولة عن التمحور الجنيني، أي تحديد المحور الرأسي –الذيلي، والمحور الإنسي– الوحشي للجنين، إذ تتميز بأن ترتيبها على الصبغيات -وكذلك وقت تعبيرها- منظم ومحدد لأنها المسؤولة عن تحديد توضع الأعضاء على المحور الأمامي الخلفي anteroposterior axis الرئيسي لجسم الكائن.

- مسؤولة عن تمايز القِطَع، إذ تُعَبِّر تلك المورثات عن نفسها في البنى المتقطعة مثل الدماغ والأقواس البلعومية والقطع الجسدية.

- كونها من أوائل المورثات المُعَبِّرَة في أثناء التكون الجنيني، وهي تنشط فقط في الفترة الجنينية، فهي مسؤولة عن تركيب بروتينات خاصة تدعى عوامل النسخ transcription factor  التي تعمل بدورها عوامل ضابطة ومُنَظِّمَة لنسخ مورثات أخرى، إذ تتثبت هذه البروتينات -أي عوامل النسخ- على مورثات معينة لِتُحَرِّض تعبيرها، فتبدأ البنى الجنينية بالتشكل المتدرج، وبذلك تتحكم مورثات التنامي هذه في تعبير كل مورثات الكائن الأخرى (المورثات الوظيفية) منذ أول خلية تُشَكِّل جسمه، فتعطي أوامرها للمورثات الوظيفية التي يجب أن تنطلق لِتُشَكِّل عضواً محدداً، وبذلك تعطي مورثات التنامي  للخلايا هَوِيّاتها، وبالتالي أشكالها ومكانها الصحيح بحسب المخطط الشكلي العام لجسم كل كائن. وهي أيضاً من يضع الاستراتيجية والخطة التصورية الكاملة التي ستطبقها المورثات الوظيفية في الوقت والمكان والهيئة المناسبة لتعطي نوع الكائن وتحدد خصائصه بكل الأعضاء.

- كونها مسؤولة عن ضبط التوازن بين الانقسام الخلوي والموت الخلوي المبرمج apoptosis.

سيؤدي أي خلل في تعبير هذه المورثات سيؤدي إلى طفرة تظهر على شكل تشَوُّهٍ خَلْقي أو قد يؤدي إلى صفات جديدة تستمر عبر الأجيال، وبالتالي ظهور أنواع أو سلالات جديدة، أي ما يسمى بظاهرة الاشتقاق خلال مسيرة التطور. علماً بأن هذه المورثات موجودة عند كل الأحياء، وعند مختلف الشعب: رخويات أو مفصليات أرجل أو فقاريات بالترتيب نفسه والشيفرة نفسها، وتشابه بنسبة تفوق 90% مما أذهل العلماء.

مراجع للاستزادة: -  A. Chipman, ‎ Cellular Processes in Segmentation (Evolutionary Cell Biology), CRC Press 2020. -  M. E. Pownall, H. V. Isaacs, FGF Signalling in Vertebrate Development, Morgan & Claypool Life Sciences; 2010.

---

- التصنيف : علم الحياة (البيولوجيا) - النوع : علم الحياة (البيولوجيا) - المجلد : المجلد التاسع مشاركة :