الأحياء الجامعية — السنة الثانية · Bachelor Year 2

11تكوّن الأعضاء: بناء طرف رباعي الأرجل

بعد ثلاثة أيام من وضع بيضة الدجاجة، يظهر نتوء بقياس رأس دبوس على كل خاصرة من خواصر الجنين. وبعد أربعة أيام يصير جناحًا، بعضد وكعبرة وزند ورسغ وثلاثة أصابع، بالترتيب الصحيح، بالأطوال الصحيحة، بعضلات موصولة بالعظام الصحيحة. واقطع حافة النتوء المثخنة من الجلد فيتوقف الجناح عن النمو؛ وطعّم شظية من حافته الخلفية على مقدمته فينمي ستة أصابع في صورة مرآة. وبرعم الطرف هو المثال الكلاسيكي على تكوّن الأعضاء — أي بناء عضو من حقل من الخلايا بإشارات تقول كم يبعد كل خلية إلى الخارج وإلى الأمام وإلى الأعلى — والتجارب التي فكّت شفرته من أوضح ما في الأحياء. يتتبع هذا الفصل البرعم من نموه الخارجي إلى هيكله.

11.1 البرعم ومحاوره الثلاثة

تعريف 11.1 (برعم الطرف)

برعم الطرف انتفاخ من الأديم المتوسط للصفيحة الجانبية يغطيه أديم ظاهر، ينشأ في موضع ثابت على امتداد الخاصرة (هو حقل الطرف) حيث تسمح به شفرة Hox لمحور الجسم؛ وسيصنع أديمه المتوسط العظم والغضروف والوتر والأدمة، وستصنع الخلايا المهاجرة إليه من القُطَيعات العضلات. وللبرعم ثلاثة محاور، يحكم كلًا منها مركز إشارة. المحور الداني–القاصي (من الكتف إلى طرف الإصبع): أما العرف الأديمي القمي (AER) فهو شريط مثخن من الأديم الظاهر على امتداد القمة، يفرز عوامل نمو الأرومات الليفية (FGFs) التي تبقي الأديم المتوسط تحته منقسمًا غير متمايز. والمحور الأمامي–الخلفي (من الإبهام إلى الخنصر): أما منطقة النشاط المستقطب (ZPA) فهي كتلة من الأديم المتوسط عند الحافة الخلفية، تفرز المورفوجين Sonic hedgehog (Shh). والمحور الظهري–البطني (من ظهر اليد إلى الراحة): فالأديم الظاهر الظهري يفرز Wnt7a. وبرعما الطرف الأمامي والخلفي متشابهان في المظهر و يستعملان الإشارات نفسها؛ وإنما يختلفان في عامل استنساخ يُعبَّر عنه قبل ظهور البرعم (Tbx5 في الطرف الأمامي، وTbx4 في الخلفي)، ولهذا كان الجناح جناحًا.

برعم طرف الكتكوت من الأعلى، بمراكز إشارته الثلاثة: العرف على امتداد القمة يقود النمو، ومنطقة النشاط المستقطب عند الحافة الخلفية تنمّط الأصابع، والأديم الظاهر الظهري يميّز الظهر عن الراحة.

جنين كتكوت تحت المجهر الإلكتروني الماسح: صف القُطَيعات على امتداد الجذع، وعلى الخاصرة برعم الطرف المجدافي الشكل بعرفه المثخن على امتداد حافته.

11.2 النمو الخارجي: المحور الداني–القاصي

قضية 11.2 (العرف الأديمي القمي)

العرف لازم للنمو الخارجي وعوامل FGF فيه كافية: فالأديم المتوسط تحته، أي منطقة التقدم، ينقسم كل اثنتي عشرة ساعة تقريبًا، والخلايا التي تغادر المنطقة مع تقدم القمة تكف عن الانقسام وتتكثف وتتمايز. ويتكون الهيكل بالترتيب الداني–القاصي — القطعة الجذعية (العضد أو الفخذ)، والقطعة الوسطى (الكعبرة والزند، والظنبوب والشظية)، والقطعة الطرفية (الرسغ والأصابع) — ويُحدَّد كل مقطع بدوره مع نمو البرعم، وتقابل المقاطعُ نطقًا متداخلة من التعبير عن مورّثات Hox (وهي Hoxa/d 9–10 في القطعة الجذعية، و11 في الوسطى، و13 في الطرفية). وينمو برعم الطرف نحو عشرة أضعاف في الطول في أربعة أيام بينما يبقى مدى إشارة العرف بضع مئات من الميكرومترات، فينمّط العرف الطرفَ لا دفعة واحدة بل جبهةً متحركة، كما تضع طابعة صفحةً سطرًا سطرًا.

شواهد. نزع سوندرز (1948) العرف الأديمي القمي من براعم أجنحة الكتاكيت في أطوار متعاقبة: فحين نُزع باكرًا لم يعط البرعم إلا جذمورًا من العضد؛ وحين نُزع بعد يوم أعطى عضدًا وساعدًا بلا يد؛ وحين نُزع متأخرًا أكثر أعطى جناحًا شبه كامل — فكلما تأخرت العملية كان مستوى البتر أقصى، إذن العرف لازم لكل مقطع بدوره. وأنتج تطعيم عرف ثانٍ نموًا خارجيًا ثانيًا؛ وحبة مشبعة بعامل FGF، موضوعة على برعم نُزع عرفه، أعادت طرفًا كاملًا (نيسواندر، 1993)، وحبة موضوعة على الخاصرة بين حقلي الطرفين استحثت طرفًا زائدًا. والفئران التي تفتقر إلى عوامل FGF العرفية بلا أطراف. ∎

تجربة سوندرز. كلما نُزع العرف أبكر كان المفقود من الطرف أكثر، ودائمًا من القمة: فالعرف لازم لكل مقطع وهو يُوضع.

مبرهنة 11.3 (النمو بالانقسام)

البرعم الذي تنقسم خلاياه كل $T$ ساعة يضرب عدد خلاياه في $2^{t/T}$ في زمن $t$ ؛ فأربعة أيام بدورات من اثنتي عشرة ساعة تعطي $2^{8} = 256$ . وإذا نما حجم البرعم ألف ضعف في تلك الأيام الأربعة، وفّر الانقسام عامل 256 وكان على عامل الأربعة الباقي أن يأتي من تضخم الخلايا ومن الحشوة التي تفرزها خلايا الغضروف حولها. وعلى العكس، فالمقطع الذي يستغرق تحديده دورة خلوية واحدة — أي نحو اثنتي عشرة ساعة تفصل بين مستويات البتر المتعاقبة في تجربة سوندرز — يقابل مضاعفة واحدة لمنطقة التقدم.

برهان. $N(t) = N_0 2^{t/T}$ ؛ فمع $t = 96\,\mathrm{h}$ و $T = 12\,\mathrm{h}$ ، يكون $t/T = 8$ . ونسبة العامل المطلوب إلى عامل الانقسام، $1000/256 \approx 4$ ، هي ما يجب أن يوفره النمو غير الانقسامي. ∎

11.3 الأصابع: المحور الأمامي–الخلفي

قضية 11.4 (منطقة النشاط المستقطب)

تحدد منطقة النشاط المستقطب أي إصبع يتكون وأين. فخلاياها تفرز Sonic hedgehog الذي ينتشر عبر البرعم من الحافة الخلفية، وتقرأ خلايا الأديم المتوسط التركيز — والزمن الذي تعرضت له — موضعًا: فأعلى جرعة تعطي الإصبع الأكثر خلفية، والجرع الأدنى تعطي الأصابع الأمامية، ودون عتبة لا يتكون إصبع البتة. وللتدرج الشكل الأسّي الذي في الفصل 10، بطول تناقص من بضع عشرات من الميكرومترات، وتقطع عتباته البرعم إلى بدائيات الأصابع: ففي جناح الكتكوت، من الخلف إلى الأمام، الأصابع 4 و3 و2. ويعطي منبع ثانٍ للإشارة عند الحافة الأمامية طقمًا ثانيًا في صورة مرآة؛ ويعطي منبع أضعف، أو تعرض أقصر، الأصابع الأمامية وحدها من الطقم الزائد. والمورّثة نفسها، في الدور نفسه، تنمّط أصابع كل رباعي أرجل، والطفرة التي تضيف منبعًا أماميًا لبروتين Shh تعطي تعدد الأصابع عند القطط والدجاج والفئران والناس.

شواهد. طعّم سوندرز وغاسيلينغ (1968) كتلة من أديم الحافة الخلفية المتوسط من برعم جناح كتكوت إلى الحافة الأمامية لبرعم آخر: فأنمى المضيف جناحًا بستة أصابع بالترتيب 4-3-2-2-3-4، أي صورة مرآة حول الوسط. وبيّنت تيكل (1975) أن عدد الأصابع الزائدة يتوقف على عدد الخلايا المطعّمة — أي على جرعة. ووجد ريدل وتابن (1993) أن النسيج المطعّم يعبّر عن مورّثة Sonic hedgehog، وأن المورّثة لا يُعبَّر عنها في مكان آخر من البرعم، وأن خلايا هُندست لتعبّر عنها، مطعّمةً أماميًا، أعادت إنتاج التضاعف المرآوي؛ وفعلت حبة من البروتين الشيء نفسه. والطافرات من الدجاج التي فيها رقعة Shh أمامية شاذة لها أصابع أمامية زائدة. ∎

المنطقة المستقطبة. على اليمين: ينتشر Shh من الحافة الخلفية ويحدد تركيزه الهابط الأصابع 4 و3 و2. وعلى اليسار: منطقة ثانية مطعّمة على الحافة الأمامية تصنع تدرجًا ثانيًا وطقمًا من الأصابع في صورة مرآة.

مبرهنة 11.5 (حدود الأصابع من التدرج)

مع Shh بتركيز $c_0$ عند الحافة الخلفية وطول تناقص $\lambda$ ، يقع حد إقليم إصبع عتبته $T_i$ عند $x_i = \lambda\ln(c_0/T_i)$ من الحافة. فمع $\lambda = 50\,\text{µ}\mathrm{m}$ وعتبات $0.6$ و $0.25$ و $0.08$ من $c_0$ للأصابع 4 و3 و2، تكون الأقاليم $0$ – $26$ و $26$ – $69$ و $69$ – $126$ ميكرومترًا، ولا يكوّن النسيج وراء $126\,\text{µ}\mathrm{m}$ إصبعًا. ومضاعفة المنبع تحرك كل حد إلى الخارج بمقدار $\lambda\ln 2 = 35\,\text{µ}\mathrm{m}$ — وهو ما يكفي، في برعم بضع مئات من الميكرومترات، لإضافة إصبع عند الحافة الأمامية؛ ومنبع ثانٍ عند الحافة الأمامية يضع الأقاليم نفسها بالمقلوب.

برهان. من $c(x) = c_0 e^{-x/\lambda}$ ، يكون $c = T_i$ عند $x_i = \lambda \ln(c_0/T_i)$ : أي $50\ln(1/0.6) = 25.5$ ، و $50\ln 4 = 69$ ، و $50\ln 12.5 = 126$ . وتعويض $c_0$ بالمقدار $2c_0$ يضيف $\lambda\ln 2$ إلى كل $x_i$ . ∎

مخطط واحد، وأربعة أطراف: الأطراف الأمامية لإنسان وقط و حوت وخفاش تتشارك العظام نفسها بالترتيب نفسه — قطعة جذعية واحدة، وعظمان في الوسطى، ورسغ، وأصابع — مبنية بمراكز الإشارة نفسها ومختلفة في النمو.

11.4 التنسيق والنحت

قضية 11.6 (المحاور يتحدث بعضها إلى بعض)

تصون المراكز بعضها بعضًا: فعامل FGF من العرف يبقي منطقة النشاط المستقطب معبّرة عن Shh، وShh، عبر مرحّل في الأديم المتوسط، يبقي العرف معبّرًا عن FGF؛ وانزع أيهما يخفت الآخر في غضون يوم. وWnt7a من الأديم الظاهر الظهري لازم للتعبير الكامل عن Shh أيضًا، وهو يقود المصير الظهري للأديم المتوسط (فالفأر الذي يفتقر إليه له راحتان). وهذا التعالق المتبادل حلقة تغذية راجعة موجبة تقفل المحاور الثلاثة معًا: فلا ينمو الطرف إلا حيث يُنمَّط، ولا يُنمَّط إلا حيث ينمو، فلا يصنع البرعم يدًا قط بلا ذراع ولا أصابع من الصنف الخطأ. وحين يتم النمو الخارجي تُكسر الحلقة — فيكف الأديم المتوسط عن الترحيل، ويتوقف Shh، ويضمر العرف — ويتوقف الطرف عن النمو عند قياسه الصحيح.

قضية 11.7 (من النميط إلى العظم)

متى تحددت خلايا الأديم المتوسط المغادرة لمنطقة التقدم تكثفت قضبانًا وصفائح بشكل العظام المقبلة، و تمايزت إلى خلايا غضروفية تفرز حشوة غنية بالكولاجين وعديدات السكريد البروتينية، ووضعت نموذجًا غضروفيًا لكل عنصر هيكلي؛ وتتكون المفاصل حيث يُقال لشريط من الخلايا ألا يصير غضروفًا؛ وتغزو الأوعية الدموية النماذج ويحل العظم محل الغضروف من المركز إلى الخارج، تاركًا صفيحتي نمو عند الطرفين تبقيان العظم يطول حتى البلوغ (التعظم داخل الغضروف). وتهاجر طلائع العضل من القُطَيعات إلى الداخل، فتنقسم وتندمج أليافًا (الفصل 12) وترتبط بأوتار يصنعها الأديم المتوسط الخاص بالطرف. وبين أشعة الأصابع، يُزال النسيج بموت خلوي مبرمج: فخلايا الأنسجة بين الإصبعية، حين يقول لها بروتين مورفوجيني عظمي (BMP)، تفعّل تدميرها الذاتي وتُزال في يوم، فتنفصل الأصابع. والبطة تحتفظ بأغشيتها لأن مثبط BMP يُعبَّر عنه في نسيجها بين الإصبعي؛ والكتكوت الذي يُعطى المثبط نفسه على حبة تنمو له أقدام مكفَّفة.

شواهد. الأديم المتوسط بين الإصبعي المقطوع من برعم رجل كتكوت والمطعّم في مكان آخر يموت في موعده — فالموت جوهري، مقرَّر قبل نزع النسيج؛ والنسيج نفسه من بطة ينجو. وحبات من BMP موضوعة بين أصابع بطة تميت الغشاء؛ وحبات من المثبط غريملين موضوعة بين أصابع كتكوت تنقذه. والفأر الذي يفتقر إلى مستقبل BMP في الطرف يحتفظ بأغشيته. ∎

نحت اليد: تتكثف أشعة الغضروف في المجداف، وتموت الخلايا بينها (بالأحمر)، وتتعظم الأصابع المحرَّرة.

مثال 11.8 (الطرف نفسه، منمّى على نحو مختلف)

جناح الخفاش يد نمت أصابعها من 2 إلى 5 أطول بعدة أضعاف من أصابع الفأر — فمعزِّز لمورّثة طرفية، منقولًا من الخفاش إلى الفأر، يطيل عظام الطرف الأمامي عند الفأر — و نجا نسيجها بين الإصبعي، لأن الغشاء يعبّر عن مثبط BMP الذي تستعمله البطة. وزعنفة الحوت يد فيها سلاميات زائدة وبلا موت بين إصبعي. ورجل الحصان إصبع واحد اختُزل الباقي فيها إلى شظايا. والأفعى بلا أطراف لأن خاصرتها لا تعبّر قط عن الإشارات التي تبدأ البرعم. أما زعانف الأسماك، التي تفتقر إلى قطعة طرفية، فتُبنى بالعرف وبمنطقة النشاط المستقطب نفسيهما لكنها توقف برنامج Hox قبل الطور المتأخر الذي يصنع الأصابع؛ والأحفورة Tiktaalik (وعمرها 375 مليون سنة) تُظهر الرسغ وهو يظهر في زعنفة. فتطور الأطراف في جله تعديل برنامج محفوظ — أي كم يدوم كل طور، وإلى أين يبلغ كل إشارة، وأي الخلايا تموت.

11.5 تمارين

تمرين 11.1 ★

سمِّ محاور برعم الطرف الثلاثة، وسمِّ في كل منها مركز الإشارة وموضعه وإشارته.

حل

حل التمرين 11.1.

الداني–القاصي: العرف الأديمي القمي على امتداد القمة، وعوامل FGF. والأمامي–الخلفي: منطقة النشاط المستقطب عند الحافة الخلفية، وSonic hedgehog. والظهري–البطني: الأديم الظاهر الظهري، وWnt7a.

تمرين 11.2 ★

أعط مقاطع هيكل الطرف الثلاثة وعظام كل منها في ذراع الإنسان ورجله. وأي مورّثات Hox تعلّمها؟

حل

حل التمرين 11.2.

القطعة الجذعية: العضد، والفخذ (Hoxa/d 9–10). والقطعة الوسطى: الكعبرة والزند، والظنبوب والشظية (Hox 11). والقطعة الطرفية: الرسغ واليد، والكاحل والقدم (Hox 13).

تمرين 11.3 ★

اذكر، بالترتيب، الخطوات من رقعة من أديم الصفيحة الجانبية المتوسط إلى إصبع بعظمه ومفصله وعضلته.

حل

حل التمرين 11.3.

تحديد حقل الطرف (Tbx5)؛ ثم نمو البرعم خارجًا تحت عامل FGF العرفي؛ ثم تنميطه بمنطقة النشاط المستقطب والأديم الظاهر الظهري؛ ثم تكثف الخلايا المغادرة لمنطقة التقدم أشعةً؛ ثم تمايز الغضروف؛ ثم تكوّن المفاصل حيث يُكبت الغضروف؛ ثم غزو الأوعية الدموية وحلول العظم محل الغضروف؛ ثم موت الخلايا بين الإصبعية؛ ثم هجرة طلائع العضل من القُطَيعات واندماجها وارتباطها بأوتار.

تمرين 11.4 ★

كيف يبدو الطرف إذا نُزع العرف (أ) حالما يظهر البرعم، (ب) بعد تحديد الساعد، (ج) ولم يُنزع البتة بل عُوّض بحبة من FGF؟

حل

حل التمرين 11.4.

(أ) جذمور بعضد ضئيل أو بلا عضد؛ (ب) عضد وكعبرة وزند بلا يد؛ (ج) طرف كامل — إذ يحل FGF محل العرف.

تمرين 11.5 ★★

مع $\lambda = 40\,\text{µ}\mathrm{m}$ وعتبات $0.5$ و $0.2$ و $0.05$ من تركيز المنبع للأصابع 4 و3 و2، احسب الحدود الثلاثة وعرض إقليم كل إصبع.

حل

حل التمرين 11.5.

$x = 40\ln 2 = 28\,\text{µ}\mathrm{m}$ ، و $40\ln 5 = 64\,\text{µ}\mathrm{m}$ ، و $40\ln 20 = 120\,\text{µ}\mathrm{m}$ : أي أقاليم من 28 و36 و $56\,\text{µ}\mathrm{m}$ .

تمرين 11.6 ★★

تنبّأ بنميط أصابع جناح كتكوت بعد (أ) منطقة نشاط مستقطب كاملة مطعّمة على الحافة الأمامية، (ب) طُعم من ربع ذلك العدد من خلايا المنطقة، (ج) حبة من Shh على الحافة الأمامية تُنزع بعد تعرض قصير. اشرح كلًا منها بالجرعة والزمن.

حل

حل التمرين 11.6.

(أ) 4-3-2-2-3-4، أي طقم مرآوي كامل. (ب) المنبع الأضعف يعطي ذروة أدنى، فلا يُضاف إلا الإصبع ذو العتبة المنخفضة: أي 2-2-3-4. (ج) والتعرض القصير يحدد كذلك الإصبع الزائد الأمامي وحده: أي 2-2-3-4 — فالخلايا تكامل التركيز على الزمن.

تمرين 11.7 ★★

لبرعم طرف كتكوت $5000$ خلية حين يتكون العرف وتنقسم خلاياه كل $12\,\mathrm{h}$ . فكم خلية بعد أربعة أيام؟ وإذا كان للطرف في ذلك الطور $4\times 10^{6}$ خلية، فما الذي يجب أن يكون صحيحًا في الدورة الخلوية أو في موت الخلايا؟

حل

حل التمرين 11.7.

$5000\times 2^{8} = 1.3\times 10^{6}$ . وبلوغ $4\times 10^{6}$ يحتاج إلى $\log_2 800 = 9.6$ مضاعفة، فلا بد أن يكون متوسط الدورة نحو $10\,\mathrm{h}$ ، أو أن يشمل العدّ طلائع العضل التي تهاجر إلى الداخل من القُطَيعات؛ أما موت الخلايا فيزيد التباين سوءًا لا إصلاحًا.

تمرين 11.8 ★★

اشرح لماذا يكون للكتكوت أصابع حرة وللبطة أقدام مكفَّفة، وماذا تفعل حبة من مثبط BMP بين أصابع جنين كتكوت. وماذا يقول لك التوقيت الجوهري للموت بين الإصبعي (فهو يقع في موعده في طُعم) عن الطريقة التي عُلّمت بها الخلايا؟

حل

حل التمرين 11.8.

خلايا الكتكوت بين الإصبعية تتلقى إشارة BMP فتموت؛ وخلايا البطة بين الإصبعية تعبّر عن مثبط BMP فتنجو، فيبقى الغشاء. والمثبط على حبة ينقذ غشاء الكتكوت: فتكون القدم مكفَّفة. والموت في موعده في طُعم يعني أن الخلايا كانت قد عُلّمت قبل النزع — فالقرار يُتخذ باكرًا ويُنفَّذ لاحقًا، ذاتيًا.

تمرين 11.9 ★★

فأر يفتقر إلى Hoxa13 وHoxd13 معًا؛ وآخر يفتقر إلى Hoxa11 و Hoxd11. تنبّأ بهيكل طرفه الأمامي في كل منهما وقل ماذا تبين النتيجة عن العلاقة بين نطق Hox والمقاطع.

حل

حل التمرين 11.9.

بلا Hoxa13 وHoxd13: لا قطعة طرفية — فينتهي الطرف الأمامي عند الرسغ. وبلا Hoxa11 وHoxd11: كعبرة وزند قصيران جدًا ويد ملتصقة بالعضد مباشرة تقريبًا. فكل مقطع يحتاج زوج Hox الخاص به؛ والنطق ليست مجرد علامات بل تعليمات.

تمرين 11.10 ★★★

اشرح التغذية الراجعة الموجبة بين العرف ومنطقة النشاط المستقطب، ولماذا تجعل الطرف متينًا، وماذا كان ليحدث لبرعم لا يستطيع Shh فيه أن يصون FGF. وقابل ذلك بالتغذية الراجعة الموجبة في المخاض في الفصل 8: ما الذي ينهي كل حلقة؟

حل

حل التمرين 11.10.

عامل FGF من العرف يبقي Shh مشتعلًا في منطقة النشاط المستقطب؛ وShh، عبر مرحّل في الأديم المتوسط، يبقي FGF مشتعلًا في العرف. فإشارة كل مركز تشهد أن الآخر يعمل، فلا ينمو طرف قط دون أن يُنمَّط ولا يُنمَّط دون أن ينمو، ويصلح كل منهما فقدًا عابرًا للآخر. ولو عجز Shh عن صون FGF لضمر العرف في غضون يوم ولتوقف النمو الخارجي عند أي مقطع بلغه: أي طرف مبتور. أما حلقة المخاض فينهيها الحدث الذي تقوده — إذ تزيل الولادة المنبه؛ وحلقة الطرف ينهيها التمايز — إذ يكف الأديم المتوسط عن الترحيل حين يتم الطرف.

تمرين 11.11 ★★★

إصبع الخفاش الثالث أطول ثماني مرات من إصبع الفأر نسبةً إلى قياس الجسم. فإذا طال غضروف الإصبع أسّيًا بمعدل $r$ في اليوم خلال نافذة نمو، وكانت نافذة الخفاش أطول بأربعة أيام من نافذة الفأر، فأي $r$ يلزم؟ أعط تغيرين نمائيين (أحدهما في النمو والآخر في موت الخلايا) يصنعان جناحًا من يد.

حل

حل التمرين 11.11.

$e^{4r} = 8$ : ومنه $r = \ln 8/4 = 0.52\,\mathrm{d}^{-1}$ . أما النمو: فتكاثر أطول وأسرع لغضروف الإصبع (بمعزِّز طرفي يرفع تعبير مورّثة نمو في الأصابع). وأما الموت: فنجاة النسيج بين الإصبعي بالتعبير عن مثبط BMP، وهو ما يبقي الغشاء.

تمرين 11.12 ★★★

ينمّط Sonic hedgehog الأنبوب العصبي من صفيحة الأرض (الفصل 10) والأصابع من منطقة النشاط المستقطب. ناقش لماذا يعيد التطور استعمال إشارات قليلة لأعمال كثيرة، وكيف يمكن للجزيئة نفسها أن تعني أشياء مختلفة في أنسجة مختلفة، وماذا يعني هذا في أثر طفرة في مورّثة كهذه.

حل

حل التمرين 11.12.

تُعاد الإشارات لأن وحدة مستقبل–نقل عاملة رخيصة إعادة النشر: فالذي يتغير بين الأنسجة ليس الإشارة بل طائفة المورّثات التي تكون الخلايا المستقبِلة أهلًا لإشعالها، فيعني منحى التركيز نفسه عصبونًا محركًا في موضع والإصبع 4 في آخر. ولذلك تصيب الطفرة في مورّثة كهذه أعضاء كثيرة معًا — فطفرات Shh تعطي الدماغ الأمامي الشمولي وعيوب الأطراف معًا — إلا إذا وقعت في معزِّز نوعي النسيج، فتغيّر عندئذ عضوًا واحدًا فقط، وهكذا يقع معظم التغير التطوري في هذه المورّثات.

11.6 مسألة: جناح يُبنى في أسبوع

مسألة 11.1

مسألة نهاية الأسبوع — متابعة جناح الكتكوت من البرعم إلى الهيكل: نموه بالانقسام، وتوقيت نزوعات العرف عند سوندرز، وحساب تدرج Shh والتنبؤ بتضاعفاته، ونحت الأغشية ومقارنة الجناح بجناح خفاش، وتنتهي إلى عدد المضاعفات وحدود الأصابع والعرض الذي يحتاجه البرعم لتضاعف مرآوي

يظهر برعم جناح الكتكوت عند 3 أيام من الحضن وله $2000$ خلية أديم متوسط وطول $0.4\,\mathrm{mm}$ ؛ وعند 7 أيام يكون الجناح بطول $4\,\mathrm{mm}$ وحجمه $1000$ ضعف حجم البرعم. وخلايا منطقة التقدم تنقسم كل $12\,\mathrm{h}$ . ونزوعات العرف: عند 3.0 أيام يكون الطرف جذمورًا؛ وعند 3.5 أيام عضدًا فقط؛ وعند 4.0 أيام عضدًا وكعبرة وزندًا؛ وعند 4.5 أيام جناحًا ينقصه أطراف الأصابع فقط. وShh: $D = 1 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ ، وعمر نصف $29\,\mathrm{min}$ ؛ والعتبات $0.6$ و $0.25$ و $0.08$ من $c_0$ للأصابع 4 و3 و2. وعرض البرعم (من الخلف إلى الأمام) $600\,\text{µ}\mathrm{m}$ . والأغشية بين الإصبعية: ثلاث مناطق قياس كل منها $300\,\text{µ}\mathrm{m}$ $\times$ $300\,\text{µ}\mathrm{m}$ $\times$ $200\,\text{µ}\mathrm{m}$ ، وخلاياها بحجم $1000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ ، تُزال في $24\,\mathrm{h}$ .

الجزء الأول — النمو.

كم مضاعفة تقع في أربعة أيام؟ وكم خلية تعطي انطلاقًا من $2000$ ؟
قارن ذلك بازدياد الحجم ألف ضعف: فأي عامل يجب أن يوفره تضخم الخلايا والحشوة؟
بأي عامل نما الطول؟ وإذا نما البرعم أسطوانةً ثابتة نصف القطر، فأي عامل حجم كان ليعطي، وماذا يقول الفرق عن الشكل؟
يبلغ عامل FGF العرفي $300\,\text{µ}\mathrm{m}$ داخل الأديم المتوسط. فما كسر البرعم الواقع تحت تأثيره عند 3 أيام وعند 7 أيام؟
اشرح لماذا تنتج إشارة ثابتة المدى في عضو نامٍ تعاقبًا دانيًا–قاصيًا.
خلية تغادر منطقة التقدم عند 4 أيام. فأي مقطع تنضم إليه؟

الجزء الثاني — توقيت المقاطع.

من سلسلة النزوعات، أعط الزمن الذي يكون قد تحدد عنده كل مقطع (القطعة الجذعية، والوسطى، والطرفية).
كم دورة خلوية تفصل بين تحديد المقاطع المتعاقبة؟
اشرح النتيجة بدلالة منطقة التقدم و نطق Hox.
توضع حبة FGF على برعم نُزع عرفه عند 3.5 أيام. تنبّأ بالطرف.
يُطعَّم عرف ثانٍ على السطح الظهري لبرعم سليم عند 3.5 أيام. تنبّأ.
لماذا يكف البرعم عن النمو عند 7 أيام بدل أن يستمر بلا نهاية؟

الجزء الثالث — التدرج.

احسب $k$ و $\lambda$ من أجل Shh.
احسب حدود الأصابع الثلاثة وعروض الأقاليم.
كم يبلغ عرض المنطقة الأمامية التي لا تكوّن إصبعًا في برعم عرضه $600\,\text{µ}\mathrm{m}$ ؟
طفرة تضاعف خرج Shh. أعد حساب الحدود و قل هل يتكون إصبع زائد وأيها.
تُطعَّم منطقة نشاط مستقطب على الحافة الأمامية. فما أدنى عرض للبرعم يتيح طقمًا مرآويًا كاملًا 4-3-2-2-3-4 دون تداخل إقليمي الإصبع 2؟ وهل برعم الكتكوت عريض بما يكفي؟
تنبّأ بالنميط لو كان عرض البرعم $200\,\text{µ}\mathrm{m}$ فقط.
لماذا يعطي طُعم من ربع منطقة النشاط المستقطب النميط 2-2-3-4 فقط؟

الجزء الرابع — النحت والتطور.

احسب عدد الخلايا في الأغشية الثلاثة ومعدل موت الخلايا خلال الإزالة، بالخلايا في الثانية.
تعبّر خلايا البطة بين الإصبعية عن مثبط BMP. تنبّأ بأثر حبة من BMP في غشاء بطة وبأثر المثبط في غشاء كتكوت.
ينمو غضروف إصبع الخفاش أربعة أيام زائدة بمعدل أسّي قدره $0.5\,\mathrm{d}^{-1}$ . فبأي عامل يكون أطول من إصبع الكتكوت؟ وسمِّ تغيرًا ثانيًا يصنع غشاء الجناح.
لبرعم زعنفة سمكة عرف ومنطقة نشاط مستقطب لكن بلا أصابع. فما المفقود، وماذا تُظهر Tiktaalik؟
لو أُنتجت خلايا الأغشية بدل ذلك بالانقسام من $1000$ مؤسِّس عند $12\,\mathrm{h}$ للدورة، فكم كان صنعها ليستغرق؟ وقارن ذلك باليوم الذي تستغرقه إزالتها.
اذكر النتيجة: المضاعفات في أربعة أيام، وحدود الأصابع الثلاثة، وأدنى عرض لتضاعف مرآوي.

حل

حل المسألة 11.1.

1. $96/12 = 8$ مضاعفات: ومنه $2000\times 256 = 5.1\times 10^{5}$ خلية. 2. $1000/256 \approx 4$ : أي تضخم الخلايا وحشوة الغضروف. 3. الطول $\times 10$ ؛ وأسطوانة ثابتة نصف القطر كانت لتعطي $\times 10$ في الحجم؛ ومئة الضعف الزائدة تعني أن نصف القطر نما كذلك نحو عشرة أضعاف — فقد اتسع البرعم مجدافًا وهو يطول. 4. عند 3 أيام $300/400 = 75\,\%$ ؛ وعند 7 أيام $300/4000 = 7.5\,\%$ . 5. القمة وحدها تحت الإشارة؛ ومع تقدم القمة، تغادر الخلايا المتروكة خلفها المنطقةَ بالترتيب الذي صُنعت به، فتُحدد البنى الدانية أولًا والقاصية آخرًا. 6. القطعة الوسطى (الكعبرة والزند)، المحددة بين 3.5 و 4 أيام. 7. القطعة الجذعية بحلول 3.5 أيام، والوسطى بحلول 4.0 أيام، والطرفية بحلول 4.5 أيام (وأطراف الأصابع بعد ذلك). 8. نصف يوم: أي دورة خلوية واحدة. 9. كل دورة تُقضى في منطقة التقدم تقدّم شفرة Hox (9–10، ثم 11، ثم 13)؛ والخلايا المغادرة بعد دورة أو دورتين أو ثلاث تحمل شفرة القطعة الجذعية أو الوسطى أو الطرفية. 10. جناح كامل: فعامل FGF هو ما كان يوفره العرف. 11. نمو خارجي ثانٍ من السطح الظهري: أي بنى قاصية مضاعفة، وطرف زائد. 12. يكف الأديم المتوسط عن ترحيل Shh إلى العرف، فينتهي التعبير عن Shh، ويضمر العرف، وتتمايز الخلايا بدل أن تنقسم: فتُكسر الحلقة التي كانت تصون النمو. 13. $k = \ln 2/1740 = 4.0 \times 10^{-4}\,\mathrm{s}^{-1}$ ؛ و $\lambda = \sqrt{10^{-12}/4\times 10^{-4}} = 50\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 14. $x = 50\ln(1/0.6) = 26$ ، و $50\ln 4 = 69$ ، و $50\ln 12.5 = 126\,\text{µ}\mathrm{m}$ : أي أقاليم من 26 و43 و $57\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 15. $600 - 126 = 474\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 16. يتحرك كل حد إلى الخارج بمقدار $50\ln 2 = 35\,\text{µ}\mathrm{m}$ : فيصير 61 و104 و161. والعروض الثلاثة 61 و43 و $57\,\text{µ}\mathrm{m}$ : فلا ينمو إلا إقليم الإصبع 4، وتُزاح البقية إزاحةً فحسب. فينزاح النميط أماميًا بدل أن يكسب إصبعًا، وتنكمش المنطقة الخالية من الأصابع من 474 إلى $439\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 17. يحتاج كل طقم إلى $126\,\text{µ}\mathrm{m}$ : أي $252\,\text{µ}\mathrm{m}$ على الأقل؛ وفي برعم $600\,\text{µ}\mathrm{m}$ متسع، مع $348\,\text{µ}\mathrm{m}$ من النسيج الخالي من الأصابع في الوسط. 18. عند $200\,\text{µ}\mathrm{m}$ يتداخل التدرجان و يتجمعان: فترى الخلايا الوسطى ما يكفي للإصبع 3 وتزول أقاليم الإصبع 2 — أي 4-3-4 أو 4-3-3-4، وهي أصابع أقل من طقم مرآوي كامل. 19. ربع الخلايا يعطي $c_0/4$ : فلا تبلغ أي خلية عتبة الإصبع 4 ولا الإصبع 3 (أي $0.25 c_0$ عند الحافة نفسها)، و تُتجاوز عتبة الإصبع 2 حتى $50\ln(0.25/0.08) = 57\,\text{µ}\mathrm{m}$ : أي إصبع 2 زائد واحد. 20. $3\times 300\times 300\times 200 = 5.4\times 10^{7}$ $\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ : أي $5.4\times 10^{4}$ خلية؛ وعلى مدى $86\,400\,\mathrm{s}$ ، $0.6$ خلية في الثانية. 21. حبة BMP في غشاء البطة: يموت الغشاء وتنفصل الأصابع؛ والمثبط في غشاء الكتكوت: ينجو الغشاء، فتكون القدم مكفَّفة. 22. $e^{0.5\times 4} = e^{2} = 7.4$ . والتغير الثاني نجاة الغشاء بين الإصبعي بمثبط BMP. 23. الطور المتأخر من التعبير عن Hox 13 الذي يحدد قطعة طرفية، وبقاء العرف: فطية السمكة تصنع أشعة زعنفية بدلًا من ذلك. وزعنفة Tiktaalik تحوي عظامًا شبيهة بالرسغ — أي زعنفة تبدأ أن تصير طرفًا. 24. $5.4\times 10^{4}/1000 = 54$ : ومنه $\log_2 54 = 5.8$ مضاعفة، أي نحو $69\,\mathrm{h}$ ، أي ثلاثة أيام لصنع ما يزيله يوم واحد. 25. ثماني مضاعفات؛ وحدود الأصابع عند 26 و69 و $126\,\text{µ}\mathrm{m}$ ؛ والتضاعف المرآوي يحتاج إلى $252\,\text{µ}\mathrm{m}$ على الأقل.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

برعم الطرف

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد