Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Тип хордовых (Chordata) обладает иерархически организованным набором признаков, определяющие их отличие от других типов и позволяющие выделить их в отдельную, филогенетически более развитую, таксономическую группу. Среди основных основных характеристик типа выделяют наличие осевого эндоскелета в виде хорды, или нотохорда (гр. нотон — спина, хорде — струна) [1] — гибкого осевого стержня, который дал название всему типу. Она функционально и онтогенетически связана с другими ключевыми синапоморфиями хордовых, такими как дорсально расположенная нервная трубка, глоточные жаберные щели и постанальный хвост, формируя единый план строения [1, 2].

Хорда выполняет важную структурную роль в эмбриональном периоде и обеспечивает гидростатический каркас для ундуляционного передвижения на стадии личинки и у некоторых взрослых особей, у которых отсутствует развитый позвоночник (рисунок 1) [3]. Помимо этого, за счет расположения по срединной линии в центре зародыша и активации сигнальных путей, хорда отвечает за паттернирование окружающих тканей и развертывание одного из механизмов регуляции онтогенеза – эмбриональной индукции [4]. Синтезируя ряд морфогенов, хорда контролирует установление передне-задней и билатеральной асимметрии тела [4-6], а также формирование нервной трубки [7], склеротома [8, 9], поджелудочной железы [6] и сердечно-сосудистой системы и [10-12]. Это объясняет ее априорное наличие на ранних этапах развития у всех представителей типа, даже у тех, у кого она впоследствии редуцируется. 

В эволюционном ряду хордовых выделяют три подтипа: головохордовые (Cephalochordata), отделившиеся самыми первыми, оболочники (Urochordata или Tunicata) и позвоночные (Vertebrata), образующие родственную группу [13, 14]. Структура хорды у них гомологична [3], она представлена внутренним слоем клеток и наружной оболочкой [4] (перихордальный внеклеточный матрикс [15]), однако существуют различия между особями в клеточном строении и в дальнейшем развитии.

У представителей Cephalochordata – ланцетников (Branchiostoma, или Amphioxus) – хордовый стержень постоянный, клетки организованы в виде плотного «монетного столбика» и содержат миофибриллы из парамиозина, формируя сократительный миохордальный комплекс. Внеклеточный матрикс представлен базальной мембраной, с которой клетки связаны посредством полудесмосом, и плотным слоем коллагеновых волокон, обеспечивающим механическую прочность [2, 13, 14].

Подтип Urochordata включает в себя три класса: аппендикулярии (Appendicularia), которые сохраняют хорду на протяжении всей своей жизни, сальпы (Thaliacea) и асцидии (Ascidiacea). У последних хорда на стадии личинки преобразуется в эпителиоподобную трубочку вокруг заполненных жидкостью просветов, что обеспечивает подвижность личинки, необходимую для расселения, и полностью дегенерирует в ходе метаморфоза путем апоптоза [4, 13].

Хордовый орган у подтипа Vertebrata в эмбриональном периоде проходит стадию «стопки монет» («плотного клеточного тяжа») и претерпевает значительные изменения у каждого из общепринятых семи классов [13, 14]. В дальнейшем у хрящевых (Chondrichthyes) и костных рыб (Osteichthyes), земноводных (Amphibia) и пресмыкающихся (Reptilia) остатки хордового тяжа сохраняются внутри костных или хрящевых позвонков, у птиц (Aves) он исчезает совсем, у млекопитающих (Mammalia) трансформируется в студенистое ядро межпозвонковых дисков [13, 14, 16, 17]. Среди современных позвоночных хорда пожизненно сохраняется у представителей пяти групп: 1. круглоротые (Cyclostomata); 2. цельноголовые (Holocephali) из хрящевых рыб; 3. осетрообразные (Acipenseriformes) из лучеперых рыб (Actinopterygii); 4. латимерии (Latimeria) и 5. двоякодышащие (Dipnoi) из лопастеперых рыб (Sarcopterygii) [2, 13]. Схема сохранения хордовых структур у взрослых особей в филогенетическом ряду представителей типа хордовых представлена на рис. 1.

 

РАЗВИТИЕ ХОРДЫ В ФИЛОГЕНЕЗЕ

В вопросе эволюционного сценария возникновения хордовых, формирования специфического плана строения тела и характерных структур существуют две основополагающие теории: первая утверждает, что отдельные органы и системы гомологичны таковым у других представителей билатеральных животных, а вторая считает, что они возникли de novo в ходе эмбриогенеза [3, 14].

 

Гипотеза общего предшественника

Хорда как структура была открыта в Санкт-Петербурге отечественным сооснователем эмбриологии К.М. Бэром в 1828 году у куриных эмбрионов. В дальнейшем исследования ланцетников и асцидий его учеником, А.О. Ковалевским, позволили установить их связь с позвоночными животными и предположить наличие общего предка. Комментируя работы А.О. Ковалевского, Ч. Дарвин утверждал, что «…у нас есть основания полагать, что в чрезвычайно отдаленный период существовала группа животных, во многих отношениях напоминающих личинок современных асцидий, которые разделились на две большие ветви: одна из них отстала в развитии и произвела современный класс асцидий, а другая поднялась до вершины эволюции животного царства, дав начало позвоночным» [3]. В результате этих открытий начали выдвигаться предположения о других таксонах, которые могли бы являться основой для перехода от беспозвоночных к позвоночным и могли бы содержать гомологичные структуры.

Опираясь на данные А. О. Ковалевского и на гипотезу инверсии дорсально-вентральной (D-V) оси тела, К. Земпер и А. Дорн в 1875 году утверждали, что эволюционно хорду можно проследить до волокон, которые тесно связаны с брюшной нервной цепью кольчатых червей. Выдвигались различные предположения о ее гистологической идентификации: мышечное или хрящевое происхождение или трансформация из сифона – трубчатого отдела кишечника [3, 14]. С развитием молекулярно-генетических методов версия сценария кольчатых червей была возрождена в 2015 году. Д. Арендт и соавт. идентифицировали аналогичные факторы транскрипции (Brachyury, Foxa, Foxd, twist, групп Soxd и Soxe) и сигнальные молекулы (Noggin и Hedgehog), участвующие в формировании хорды, в области средней линии мезодермы представителя аннелид. В дальнейшем эти клетки дифференцируются в структуру, описанную как «медиальная вентральная продольная мышца» и названную аксохордом. Таким образом, было выдвинуто предположение о гомологии и о необходимости поиска аксохордоподобной структуры у других билатеральных животных [18-20].

В 1886 году У. Бетсон представил подробный вариант преобразования позвоночных из кишечнополостных полухордовых (беспозвоночные из группы вторичноротых). Он предположил, что гомологом хорды был стомохорд - короткий дивертикул, выступающий спереди из щечной области и действующий как точка опоры для облегчения волнообразного плавания [3]. В дальнейшем были опубликованы результаты, подтверждающие эту теорию: во-первых, стало известно, что D-V инверсия оси тела произошла именно при переходе от нехордовых вторичноротых к хордовым [21], а во-вторых, обе структуры являются источником сигнального пути Hedgehog [22]. Однако, были также выдвинуты доказательства того, что они, вероятно, являются гомоплазиями, так как стомохорд имеет региональные ограничения и не имеет какой-либо тесной связи с опорно-двигательной мускулатурой [23]. К тому же, не удалось выявить экспрессию других генов, задействованных в формировании хорды [24].

В результате развития новых методов исследования и формирования в конце двадцатого века новой области биологии - эволюционной биологии развития (evo-devo) – Д. Арендт и соавт. предложили вариант перехода от общего предка, подобного кольчатым червям, через промежуточное звено кишечнополостных. В этом случае в качестве гомолога хорды рассматривалась срединно-вентральная брыжейка – пигохорд [25].

На протяжении практически двух веков выдвигались также и другие варианты, которые не получили достаточного обоснования или были опровергнуты молекулярной филогенетикой: теория происхождения от немертин, членистоногих, форонид, книдарий и иглокожих [3]. В целом, убедительных доказательств того, что у более древних и менее эволюционно развитых особей есть какие-либо предшественники хорды, не существует.

В 2000-х годах К. Лоу и соавт. была модифицирована теория гемихордоподобного предка, ткани которого могли бы дать начало системам органов хордовых в результате D-V инверсии и благодаря наличию сложных доменов экспрессии генов. По его мнению, кишечнополостные не имеют какой-либо структуры, гомологичной хорде. Вместо этого он предложил идею того, что она развилась впервые из клеток, расположенных вдоль средней части дорсальной стороны архентерона (первичной кишки) [21, 26-28].

 

Гипотеза возникновения de novo

Теория формирования хорды de novo в пределах хордовых была выдвинута еще в 1955 году Н. Берриллом, согласно которому он появился у предковой личинки оболочника в результате мутации, вызвавшую вакуолизацию вдоль крыши архентерона. В дальнейшем хорда развила личиночный хвост в одной и той же области de novo дифференцировки осевых мышц [3]. Н. Сато поддержал идею наличия у хордовых общего предка в виде личинки, напоминающей головастика, в результате модификации образа жизни и для обеспечения более эффективного способа добычи пищи, а также предложил аборально-дорсальную (A-D) гипотезу для объяснения механизма формирования хорды. A-D гипотеза предполагает возникновение хорды на аборальной стороне личинки предка, которая впоследствии трансформировалась в то, что называется дорсальной стороной [29].

Таким образом, в настоящий момент наиболее актуальными являются два возможных варианта возникновения хордовых: гипотеза D-V инверсии и A-D гипотеза. Однако, они не противоречат друг другу, а должны взаимно учитываться при решении вопроса морфогенеза хорды как в условиях эволюционного развития, так и в пределах одной особи [30].

РАЗВИТИЕ ХОРДЫ В ОНТОГЕНЕЗЕ

Формирование хорды связано с так называемым «организатором» эмбрионов позвоночных [14]. Первоначально он идентифицирован у амфибий, представляет собой область в гаструле позвоночных, которая индуцирует формирование дорсально-вентральной эмбриональной оси, способствуя при этом развитию осевой мезодермы, включая прехордальную пластинку и саму хорду. У амфибий эта область является дорсальной губой бластопора, у других были найдены гомологичные участки: эмбриональный щит костистых рыб, узел Генсена у цыпленка и узел эмбрионов мыши. Переход от дорсального организатора к хордомезодерме (которая по одной из версий развивается из мезэнтодермы [3]) происходит на ранних стадиях гаструляции и контролируется сложной генно-регуляторной сетью [4].

 

Морфогенез хорды у человека

Описания развития хорды у человека за последние годы претерпели некоторые изменения благодаря современным методам анализа и трехмерной реконструкции гистологических срезов человеческих эмбрионов [31].

Развитие хорды происходит между 7 и 12 стадиями Карнеги [32, 33] (примерно 15-30 дни развития) и включает три последовательные фазы (рис. 2):

1. Хордальный вырост, стадия Карнеги 8 (17-19 дней). В процессе гаструляции клетки, мигрирующие через узел Генсена, краниально формируют полый клеточный тяж, который встраивается в крышу энтодермы первичной кишки. В это время существует временный нейрально-кишечный канал, соединяющий амниотическую полость и полость желточного мешка[34].
2. Хордальная пластинка, стадии Карнеги 9-10 (19-23 дня). В результате слияния дна хордального выроста с подлежащей энтодермой формируется уплощенная хордальная пластинка, которая временно становится частью крыши первичной кишки. Нейрально-кишечный канал редуцируется, а зачаток хорды остается связанным с дорсально расположенной нервной пластинкой [31].
3. Дефинитивная хорда, стадии Карнеги 11-12 (23-30 дней). Клетки хордальной пластинки начинают отделяться от энтодермы путем инвагинации и формируют солидный, цилиндрический тяж — предшественник дефинитивной хорды. Процесс начинается в средней части эмбриона и распространяется одновременно в краниальном и каудальном направлениях [35].

 

Механизм конвергентного растяжения

В последующем происходит удлинение осевых структур, включая хорды, с помощью ключевого клеточного механизма конвергентного растяжения, в ходе которого клетки хордомезодермы встраиваются (интеркалируют) друг между другом вдоль медиолатеральной оси. Это приводит к сужению ткани в поперечном направлении (конвергенция) и ее одновременному удлинению вдоль передне-задней оси (растяжение) [36].

Высокоорганизованная клеточная миграция регулируется неканоническим сигнальным путем Wnt/планарной клеточной полярностью (PCP), предоставляющий клеткам информацию об их ориентации в плоскостях тела. Однако, до сих пор остается нерешенным вопрос поляризационного сигнала, на который реагирует путь PCP [37]. Нарушения в генах PCP-пути приводят к срыву конвергентного растяжения, формированию аномально широкой осевой линии и, как следствие, к тяжелым дефектам закрытия нервной трубки, таким как краниорахишизис (мутация loop-tail у мышей в гене Vangl2) [38]. Еще одним важным фактором в конвергентном растяжении может быть Fgf3, который вырабатывается в нижней пластинке развивающейся нервной трубки [39].

В конце стадии конвергентного растяжения клетки хорды начинают удлиняться. Движущей силой является образование окружного сократительного кольца в дополнении к сократительным пузырькам на базальной поверхности клеток. В состав сократительных элементов входит актин, миозин II, кофилин, тропомиозин и талин [40].

 

Клеточная дифференцировка и формирование вакуолей

После морфогенеза клетки дифференцируются, разделяясь на две основные популяции: наружный слой эпителиоподобных клеток, формирующих оболочку хорды, и внутренние клетки, которые в дальнейшем вакуолизируются на стадии формирования позвонков. Процесс дивергентного выбора направления дифференцировки  контролируется сигнальным путем Notch [5].

Ключевым в формировании хорды как структуры является образование крупных внутриклеточных вакуолей, которые накапливают воду и создают высокое внутриклеточное давление, придавая хорде жесткость и упругость [41]. Эти вакуоли являются лизосомо-подобными органеллами, экспрессирующими ген LAMP1 и возникающими в результате транспорта протонов водорода (H⁺) за счет работы V-ATФазы [5, 41, 42]. Однако, pH среды внутри вакуолей остается нейтрально, что может быть объяснено экспрессией предполагаемого натрий-зависимого гена аминокислоты/протонного антипортера Slc38a8 мембраной клеток у Данио-рерио и шпорцевой лягушки. V-ATФаза переносит протоны внутрь вакуолей, а антипортер использует градиент протонов для активного транспорта нейтральных аминокислот (преимущественно глутамина) из цитоплазмы, совершая при этом обмен. Накопление аминокислот создает высокое осмотическое давление, которое затягивает воду через аквапорины, приводя к увеличению вакуолей в размерах [43].

В процессе переноса веществ участвуют также белки эндосомального транспорта, такие как Rab32a [5, 41, 42], и белки-коатамеры (COPI), обеспечивающие ретроградный транспорт из транс-Гольджи в сеть цис-Гольджи и ЭПР [4, 40]. У Данио-рерио экспрессируются три субъединицы компонентов COPI: copa, copb1 и copb2, у шпорцевой лягушки специфично экспрессируется copz1. Работа белков-коатамеров контролируется транскрипционным фактором xbp1, обычно связанный с ответом на стресс ЭПР [40].

У рыб был найден белок десмоглеин, потеря которого вызывает дефекты вакуолизированных клеток и приводит впоследствии к порокам развития позвоночника [44].  К дополнительным регуляторам также относятся киназа Dstyk и фосфатаза Inppl1a. При мутации в гене, кодирующем киназу Dstyk, вакуоли изначально фрагментированы, что приводит к снижению тургора и развитию сколиоза, напоминающего врожденный сколиоз человека [45]. В свою очередь, Inppl1a регулирует метаболизм фосфоинозитидов на мембране вакуоли, контролируя её размер независимо от слияния [46].

Вакуолизация у Данио-рерио и шпорцевой лягушки (анамнии) происходит на ранних стадиях, в то время как у мышей (амниоты) наблюдается только когда формируются позвонки [47]. Это может быть результатом того, что эмбрионы млекопитающих развивают значительную структуру скелета до рождения и не используют удары хвостом с использованием хорды. В этом случае программа вакуолизации (гены Rab32a, Slc38a8) запускается позже и слабее, чем у анамний. Слабо вакуляризированные клетки хорды не могут противостоять механическому давлению растущего хряща позвонков и мигрирует в межпозвонковые пространства (рис. 3).

 

Сравнительный анализ онтогенеза у других представителей

У ланцетника хорда формируется из дорсальной стенки архентерона без выраженного конвергентного растяжения, а ее удлинение обеспечивается в основном пролиферацией клеток [40, 48].

У асцидий хорда образуется из небольшого числа клеток-предшественниц в результате удлинения за счет изменения формы клеток и нагнетания жидкости во внеклеточный просвет [48]. В этом молекулярном механизме ключевым ферментом является матриксная металлопротеиназа Nas15, которая локализуется на апикальной поверхности клеток и ремоделирует внеклеточный матрикс в просвете, позволяя ему расширяться. Процесс также зависит от актомиозиновой сократимости, которая обеспечивает поддержание формы клеток при формировании трубки [49, 50].

Разные клеточные и морфогенетические механизмы наиболее соответствуют конкретным условиям развития и требованиям жизненного цикла у различных особей, будь то быстрый рост для личиночной локомоции или замедленное созревание для выполнения сигнальных функций [43].

 

ГЕННО-РЕГУЛЯТОРНАЯ СЕТЬ

Иерархически организованная генно-регуляторная сеть состоит из ключевых транскрипционных факторов и консервативных сигнальных путей, которые контролируют специализацию, морфогенез и дифференцировку клеток. Процесс формирования хорды от специализации до дифференцировки клеток по хордальному пути представлен на рис. 4.

 

Транскрипционный фактор Tbxt (ранее Brachyury)

Основным регулятором, необходимым для спецификации хорды и всей задней мезодермы, является ген Tbxt (Brachyury) у млекопитающих или tbxta (ранее no tail/ntl) у рыб.

У мыши основным является Т-боксный ген Tbxt, который действует на ключевые компоненты сигнальных путей Wnt (Wnt3a, Axin2), FGF (Fgf8) и другие важные транскрипционные факторы, такие как Foxa1, Foxa2 и Noto [51].  Исследование 2023 года показало, что для активации экспрессии Foxa2 необходима также механическая целостность внеклеточного матрикса и натяжение цитоскелета. Это приводит к транслокации YAP/TAZ в ядро клеток хорды, связывании с TEAD-факторами и активации Foxa2 [52]. В дальнейшем активируется сигнальный путь Hedgehog, конвертируя при этом механический сигнал в морфогенный, который паттернирует нервную трубку и сомиты. Присутствие продукта гена Tbxt настолько характерно для хорды, что считается в медицине диагностическим признаком хордомы — опухоли из хордоподобной ткани [53].

У Данио-рерио аналогом Tbxt является tbxta, который регулирует компоненты Wnt-сигналинга (wnt8), гены, контролирующие клеточную миграцию (snai1a), и гены Delta-Notch пути (deltaD) [54]. Ключевой мишенью tbxta является также ген floating head (flh/noto), который способствует развитию хорды за счет подавления избыточного миогенеза в осевой мезодерме, действуя как антагонист другого T-box гена, spadetail (spt/tbxtb) [54, 55]. Также, ген wdr81 у Данио-рерио отвечают за формирование нормальных вакуолей и необходим для поддержания экспрессии клеток ntl [4, 5].

Сигнальные пути, активированные Tbxt, у разных позвоночных консервативны, однако остальные значительно дивергировали, что может объяснять различия конечной тканевой дифференцировки хорды [56-58].

 

Сигнальный путь Wnt

Путь Wnt выполняет две различные, но взаимосвязанные функции в развитии хорды, действуя через канонической и неканонический каскады. Первый, канонический путь, представляет собой Wnt/β-catenin, и необходим для первоначальной спецификации клеток-предшественниц хорды в области узла совместно с сигналом Nodal [11]. В дальнейшем, он обеспечивает поддержание хордальной дифференцировки этих клеток и удлинение структуры в каудальном направлении. Генетическое удаление β-катенина в хорде приводит к ее укорочению, поскольку начинают экспрессироваться маркеры гены энтодермы (CDH1) [59]. Этот путь также формирует петлю положительной обратной связи с Tbxt, где Wnt активирует Tbxt, а тот, в свою очередь, активирует гены Wnt-сигналинга [60].

Второй, неканонический путь (Wnt/PCP), является основным катализатором конвергентного растяжения [38].  Лиганды, такие как Wnt5a и Wnt11, активируют этот каскад через белок Dishevelled, что приводит к активации малых ГТФаз (RhoA) и JNK-киназы. Это, в свою очередь, вызывает реорганизацию актинового цитоскелета и изменение миграции клеток, что необходимо для их интеркаляции [61].

 

Сигнальный путь Hedgehog

Hedgehog сигналинг выполняет две основные функции: внешнюю (паттернирование окружающих тканей) и внутреннюю (обеспечение собственной структурной целостности). Градиент концентрации морфогена Sonic Hedgehog определяет судьбу клеток в вентральной части нервной трубки и индуцирует дифференцировку склеротома в сомитах, запуская формирование позвонков [8, 9]. Внутренняя функция заключается в обеспечение формирования прочной внеклеточной оболочки хорды, которая удерживает клетки вместе и позволяет им противостоять внутреннему тургорному давлению. При генетическом удалении рецептора Hedgehog -пути Smoothened вокруг хорды оболочка не образуется, клетки теряют свою компактную организацию, рассеиваются по окружающим тканям и не могут в дальнейшем сформировать полноценное студенистое ядро межпозвоновых дисков [62].

 

Сигнальный путь Notch

Notch-сигналинг обеспечивает разделение клеточных путей и индуцирует их развитие по разным направлениям дифференцировки. Например, у Данио-рерио он способствует формированию гипохорды, расположенной вентральнее, что обеспечивает увеличение числа хордальных клеток [54, 63]. У амниот Notch отвечает за дивергентное разделение на клетки-предшественники нервной трубки и клетки хорды [64]. В дальнейшем, Notch-зависимый механизм латерального ингибирования разделяет клетки-предшественницы хорды на два типа: внутренние вакуолизированные и наружные клетки оболочки [5]. Также, он поддерживает чувствительность нейральных предшественников к SHH на уровне транскрипционных факторов семейства Gli [65].

Ключевые гены и сигнальные пути в развитии хорды представлены в табл. 1.

СТРОЕНИЕ ХОРДЫ И ИММУНОФЕНОТИП КЛЕТОК

Строение хорды во всех трех подтипах хордовых гомологично, то есть имеет единое эволюционное происхождение. Однако, на клеточном и тканевом уровнях она демонстрирует выраженную морфологическую изменчивость, отражающую адаптацию к разным условиям жизни, размерам тела и локомоторным потребностям. Общая архитектоника состоит из двух компонентов в различных соотношениях: внутренняя масса клеток, окруженная прочной внеклеточной оболочкой (перихордальным матриксом).

 

Внутренний слой клеток

На эмбриональной и плодной стадиях позвоночных и у некоторых взрослых особей, сохраняющих хорду на протяжении всей жизни, она выполняет функцию гидростатического скелета и состоит из двух четко разграниченных популяций клеток: хордоцитов и хордобластов. Камбиальный слой у хорды, но есть источники клеток в эмбриональном периоде (такие как узел Генсена), которые условно можно назвать «камбиальными». Внутренние вакуолизированные клетки (хордоциты) крупного размера, содержат несколько заполненных жидкостью внутриклеточных вакуолей, которые занимают почти весь объем цитоплазмы и оттесняют ядро и органеллы к периферии.

На мембранах гигантских вакуолизированных клеток расположены впячивания, кавеолы, которые выдерживают постоянное циклическое давлений. При механическом растяжении клетки (например, при изгибе тела) кавеолы уплощаются, предоставляя обеспечивая дополнительную площадь мембраны и предотвращая её лизис. Потеря ключевых белков кавеол — кавеолина-1 (Cav1) или кавина-1 (Cavin1) — приводит к разрушению клеток хорды под действием мышечных сокращений [66, 67].

 

Внеклеточный перихордальный матрикс

Хордоциты окружены наружными клетками оболочки — хордобластами, формирующими слой эпителиоподобных клеток, обеспечивающие синтез и секрецию компонентов перихордальной оболочки, а также имеющие камбиальное значение (например, у амфибий и рептилий [68]).

Оболочка, или перихордальный внеклеточный матрикс (ВКМ), состоит из нескольких слоев соединительной ткани с четкой ориентацией волокон. Внутренний слой (базальная мембрана, внутренняя эластическая мембрана) прилегает непосредственно к клеткам оболочки и состоит в основном из ламининов. Промежуточный круговой слой состоит из плотно упакованных коллагеновых фибрилл преимущественно II типа, которые ориентированы циркулярно, то есть опоясывают хорду по окружности. Наружный слой (наружная эластическая мембрана) содержит коллагеновые и эластичные волокна, ориентированные преимущественно продольно или под углом к продольной оси хорды, формируя перекрестную винтовую (cross-helical) структуру. Такая ортогональная организация волокон позволяет преобразовывать радиальное давление от вакуолей в продольную жесткость, необходимую для сопротивления сжатию при плавании [69]. Примеры строения хорды у позвоночных представлен на рис. 5.

 

Основными компонентами ВКМ являются коллагены различных типов: коллаген II, VIII, IX (связывает коллаген II с другими компонентами ВКМ) и X (появляется в областях будущей оссификации) типов [40]. Ламинины и фибронектин обеспечивают адгезию клеток и организацию матрикса, причем фибронектин особенно важен на стадии конвергентного растяжения. Протеогликаны, в частности кератансульфат, связывают воду и способствуют созданию тургорного давления. Прочность всей конструкции обеспечивается ферментом лизилоксидазой, который катализирует образование поперечных сшивок между волокнами коллагена и эластина [15, 40]. Мутации в генах, кодирующих белки ВКМ или ферменты их модификации, приводят к дефектам оболочки, нарушению биомеханики хорды и, как следствие, к тяжелым деформациям позвоночника. Основные белковые компоненты ВКМ представлены в табл. 2.

 

Сравнительная характеристика хорды у других представителей типа

У ланцетников хорда состоит из внутренних клеток в виде «стопки монет», которые содержат поперечно-полосатые миофибриллы из парамиозина, регулирующие жесткость хорды. Внутренний слой ВКМ представляет собой базальную мембрану, с которой клетки хорды соединены полудесмосомами, а наружный состоит из плотных коллагеновых волокон [48, 70].

Хорда оболочников организована наиболее просто и состоит из малого и строго фиксированного числа эпителиоподобных клеток (около 40 у Асцидии) [71]. Вместо вакуолей тургорное давление создается за счет накопления жидкости в общем внутреннем внеклеточном просвете. Оболочка вокруг клеток также организована значительно проще и состоит из плотной базальной мембраны [49, 72]. Сравнительная характеристика представлена в табл. 3.

  

МЕДИЦИНСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ХОРДЫ В ПОСТНАТАЛЬНОМ ПЕРИОДЕ

 

Студенистое ядро межпозвонковых дисков

Хорда позвоночных является основным катализатором морфогенеза позвоночного столба и оссификации на поздних стадиях развития, сама подвергаясь при этом дегенерации. Небольшие участки хорды сохраняются в межпозвонковых областях, образуя студенистое ядро  — центральную, гелеобразную часть межпозвонкового диска [4, 14, 15, 73], выполняющую амортизирующую функцию [62]. В результате прямохождения и постоянного давления у человека клетки хордального происхождения в студенистом ядре постепенно замещаются мелкими хондроцитоподобными клетками [74]. Это замещение происходит за счет того, что во взрослом периоде у человека хордальные клетки имеют крайне низкий митотический индекс (почти не делятся). Однако, в студенистом ядре были обнаружены небольшие популяции стволовых клеток (клетки-предшественницы студенистого ядра), экспрессирующие маркеры Tie2 (рецептор Ang-1) и GD2 (дисиалоганглиозид). Несмотря на аваскулярную природу ткани, сигнальный путь Tie2/Ang-1 играет здесь неканоническую роль, обеспечивая выживание и поддержание недифференцированного состояния прогениторов. Доказано, что Tie2+ и GD2+-положительные клетки обладают клоногенностью, мультипотентностью и высоким уровнем экспрессии хордального маркера TBXT, однако их численность прогрессивно снижается с возрастом, что коррелирует с необратимой дегенерацией межпозвонкового диска [75, 76].

При исследовании преобразования хорды в студенистое ядро выявлено, что формирование позвонков и диска у мышей происходит одновременно. Клетки хорды в мезенхиме, из которых образуются позвонки, отсутствуют. Потеря клеток хорды в этих областях не является результатом массовой гибели, а формирование студенистого ядра не сопровождается интенсивной пролиферацией. На основании были сделаны выводы о том, что клетки хорды «сжимались» или «выталкивались» в области позвоночного столба, где формировались диски [73]. Разные стадии развития хорды и ее переходы в студенистое ядро межпозвонковых дисков у млекопитающих на примере человека представлены на рис. 6.

 

Маркерами клеток хорды в настоящее время считаются SHH, TBXT, соотношение аггрекан/Col2>20, отражающие хордальное происхождение клеток. Недавнее исследование показало, что PAX1 и FOXF1 также могут быть специфичными для хордальных клеток маркерами, экспрессируемыми значительно выше, чем в клетках хондрогенных [77].

 

Регенеративная медицина

В этом медицинском контексте клетки хорды и их производные могут рассматриваться как инструмент для регенеративной медицины [78]. Исследования показывают, что кондиционированная среда от клеток хорды способна индуцировать дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток в направлении студенистоподобного фенотипа ядра с некоторыми характеристиками развивающихся межпозвонковых дисков [79].

Следует отметить, что у некоторых животных, например, у Данио-рерио, хордобласты наружной оболочки обладают регенеративным потенциалом и способны дифференцироваться в новые вакуолизированные клетки после повреждения. Понимание сигналов, запускающих эту пластичность (например, роль wt1b-позитивных клеток), может помочь разработать методы активации эндогенных клеток-предшественниц студенистое ядра в межпозвонковых дисках человека [66, 78, 80].

 

Хордома

Помимо этого, остаточные клетки хорды могут дать начало редкому злокачественному новообразованию, хордоме, характеризующееся экспрессией ключевого маркера TBXT. Данные о роли YAP/TAZ в развитии хорды могут открыть новые мишени для терапии хордомы, так как этот путь часто гиперактивен в злокачественных новообразованиях и связан с устойчивостью к лечению [81].

В 2024 году была создана первая in vitro модель сегментированной хорды человека из плюрипотентных стволовых клеток, которая воспроизводит процессы элонгации и сегментации, недоступные для изучения у эмбрионов человека. На разработанной модели возможен скрининг лекарств от врожденных дефектов позвоночника (сколиоз, spina bifida) и изучения ранних этапов развития хордомы [82].

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Хорда (нотохорд) представляет собой эволюционную структуру, определившую план строения тела всего типа Chordata. Являясь не просто временным эмбриональным органом, она выполняет функции гидроскелета и сигнального центра, координирующего паттернирование окружающих тканей — нервной трубки, сомитов и энтодермы.

Проведенный анализ литературы демонстрирует глубокую эволюционную консервативность механизмов развития хорды. Несмотря на морфологические различия между подтипами (от мышечных пластинок ланцетника до вакуолизированных клеток позвоночных), генетическая программа, управляемая геном TBXT (ранее Brachyury) и сигнальными путями Wnt/PCP, Hedgehog и Notch, остается единой. Механическая прочность обеспечивается за счет процесса вакуолизации клеток и формирования сложного перихордального внеклеточного матрикса, способного выдерживать высокое осмотическое давление.

В постнатальном периоде клетки пульпозного ядра межпозвонковых дисков человека имеют прямое хордальное происхождение. В ткани диска были обнаружены редкие популяции прогениторных клеток (Tie2+/GD2+), способных к самообновлению и дифференцировке. Истощение пула этих клеток коррелирует с возрастными дегенеративными изменениями позвоночника, что делает их потенциальной мишенью для клеточной терапии. Кроме того, понимание молекулярного профиля хорды (в частности, роли TBXT) важно для диагностики и лечения хордомы — злокачественной опухоли, возникающей из остатков эмбриональной хорды.

Таким образом, изучение хорды вышло за рамки классической эмбриологии и стало междисциплинарной областью, связывающей эволюционную биологию развития (Evo-Devo) с вертебрологией и онкологией. Дальнейшие исследования механизмов поддержания жизнеспособности хордальных клеток в аваскулярной среде могут стать основой для разработки методов биологической реставрации межпозвонковых дисков.

About the authors

Irina Sorochanu

Avtsyn Research Institute of Human Morphology of Petrovsky National Research Centre Of Surgery

Author for correspondence.
Email: ipsorochanu@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6909-8937
SPIN-code: 4072-3845
Russian Federation

Roman V. Deev

Avtsyn Research Institute of Human Morphology of Petrovsky National Research Centre Of Surgery

Email: romdey@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-8389-3841
SPIN-code: 2957-1687

MD, Cand. Sci. (Medicine), Assistant Professor

References

Supplementary files