Эмбриональный миогенез
Стадии развития зародыша
Формирование организма от зиготы (оплодотворенной яйцеклетки) до зародыша проходит через три фундаментальных этапа:
Происхождение мышц
Далее начинается сегментация зародыша и формирование различных тканей организма. Здесь мы отследим только процесс формирования скелетных мышц.
К концу 3-й недели эмбрионального развития параксиальная мезодерма начинает делиться на сомиты (первичные сегменты) — парные образования, похожие на чередующиеся шарики вдоль нервной трубки.
К 6-й неделе сомитогенез заканчивается. Изначально закладывается 42–44 пары сомитов, однако позже хвостовые сегменты редуцируются, и у эмбриона остается около 38–39 пар.
Сомиты отделяются друг от друга поперечными соединительнотканными перегородками — миосептами. Такая изначальная сегментация частично сохраняется у человека даже после рождения (например, поперечные сухожильные перемычки на прямой мышце живота).
Далее каждый сомит делится на 3 части:
Миотом разрастается вперёд и делится на дорсальную часть — мышцы спины, и вентральную — мышцы живота, боков и конечностей.
В каждый миотом прорастают ветви спинномозговых нервов с того же уровня (спинномозговые нервы делятся на задние — для спины, и передние — для живота). Мышцы из одного миотома иннервируются одной нервной ветвью. Если миотомы срастаются (как в прямой мышце живота), мышца получает нервы от всех.
Отдельный путь у мышц головы и шеи. Большинство из них не из сомитов туловища, а из затылочных (инфрахиоидные мышцы) и шейных (глубокие мышцы шеи) сомитов, или из несегментированной параксиальной мезодермы головы (экстраокулярные мышцы), или из мезодермы жаберных дуг (жевательные, мимические и некоторые мышцы шеи).
- Дробление → образование бластулы.
- Гаструляция → формирование 3 зародышевых листков (эктодерма, мезодерма, энтодерма).
- Нейруляция → закладка хорды и нервной трубки (осевой основы тела).
Происхождение мышц
Далее начинается сегментация зародыша и формирование различных тканей организма. Здесь мы отследим только процесс формирования скелетных мышц.
К концу 3-й недели эмбрионального развития параксиальная мезодерма начинает делиться на сомиты (первичные сегменты) — парные образования, похожие на чередующиеся шарики вдоль нервной трубки.
К 6-й неделе сомитогенез заканчивается. Изначально закладывается 42–44 пары сомитов, однако позже хвостовые сегменты редуцируются, и у эмбриона остается около 38–39 пар.
Сомиты отделяются друг от друга поперечными соединительнотканными перегородками — миосептами. Такая изначальная сегментация частично сохраняется у человека даже после рождения (например, поперечные сухожильные перемычки на прямой мышце живота).
Далее каждый сомит делится на 3 части:
- Миотом (дает начало скелетным мышцам туловища и конечностей).
- Дерматом (дает начало дерме — соединительнотканной основе кожи).
- Склеротом (дает начало элементам осевого скелета: хрящам и костям).
Миотом разрастается вперёд и делится на дорсальную часть — мышцы спины, и вентральную — мышцы живота, боков и конечностей.
В каждый миотом прорастают ветви спинномозговых нервов с того же уровня (спинномозговые нервы делятся на задние — для спины, и передние — для живота). Мышцы из одного миотома иннервируются одной нервной ветвью. Если миотомы срастаются (как в прямой мышце живота), мышца получает нервы от всех.
Отдельный путь у мышц головы и шеи. Большинство из них не из сомитов туловища, а из затылочных (инфрахиоидные мышцы) и шейных (глубокие мышцы шеи) сомитов, или из несегментированной параксиальной мезодермы головы (экстраокулярные мышцы), или из мезодермы жаберных дуг (жевательные, мимические и некоторые мышцы шеи).
Далее происходит миграция — некоторые из мышц перемещаются, формируя очертания тела. В зависимости от миграции их делят на:
1. Аутохтонные (местные) мышцы
Развиваются на месте своего возникновения из миотомов туловища, без миграции (от греч. autos — сам, chthon — земля; туземная).
Примеры: глубокие мышцы спины (разгибатели позвоночника).
2. Трункофугальные мышцы
Развиваются из миотомов туловища, но их дистальные концы мигрируют к конечностям (от лат. truncus — туловище, fugere — бежать, удаляться).
Примеры: большая и малая ромбовидные мышцы (происходят из шейно-грудных миотомов, но крепятся к лопатке), передняя зубчатая мышца.
3. Трункопетальные мышцы
Возникают в закладках конечностей, но проксимальные концы мигрируют на туловище (от лат. truncus — туловище, petere — направляться).
Примеры: большая и малая грудные мышцы.
По иннервации, которая закладывается на стадии миотома, всегда можно определить происхождение мышцы — нерв следует за мышцей от места ее происхождения.
1. Аутохтонные (местные) мышцы
Развиваются на месте своего возникновения из миотомов туловища, без миграции (от греч. autos — сам, chthon — земля; туземная).
Примеры: глубокие мышцы спины (разгибатели позвоночника).
2. Трункофугальные мышцы
Развиваются из миотомов туловища, но их дистальные концы мигрируют к конечностям (от лат. truncus — туловище, fugere — бежать, удаляться).
Примеры: большая и малая ромбовидные мышцы (происходят из шейно-грудных миотомов, но крепятся к лопатке), передняя зубчатая мышца.
3. Трункопетальные мышцы
Возникают в закладках конечностей, но проксимальные концы мигрируют на туловище (от лат. truncus — туловище, petere — направляться).
Примеры: большая и малая грудные мышцы.
По иннервации, которая закладывается на стадии миотома, всегда можно определить происхождение мышцы — нерв следует за мышцей от места ее происхождения.
Формирование мышц из миотомов
Дальнейшее развитие мышечной системы происходит несколькими путями.
Продольное расщепление единой мышечной массы миотома приводит к образованию двух и более самостоятельных мышц. Классический пример — трапециевидная и грудино-ключично-сосцевидная мышцы, которые развиваются из одной первоначальной мышечной закладки.
Тангенциальное (слоистое) расщепление вентральной части миотомов способствует образованию нескольких мышечных слоёв с различным направлением волокон. Так формируются наружная косая, внутренняя косая и поперечная мышцы переднебоковой стенки живота.
Срастание соседних миотомов приводит к формированию крупных многосегментных мышц. Например, прямая мышца живота образуется в результате слияния вентральных частей нескольких соседних миотомов, а группа общих разгибателей спины — из сливающихся мышечных масс эпаксиальных отделов.
Такие мышцы иннервируются нервами из нескольких сегментов спинного мозга — что отражает их происхождение.
Частичное замещение мышечных волокон соединительной тканью в ходе дифференцировки приводит к образованию сухожилий и апоневрозов.
Апоневрозы — это не результат апоптоза, а следствие постепенного фиброзного замещения части мышечной закладки в процессе морфогенеза.
Например, сухожильный шлем головы — широкая сухожильная пластинка, соединяющая лобное и затылочное брюшки затылочно-лобной мышцы.
Дальнейшее развитие мышечной системы происходит несколькими путями.
Продольное расщепление единой мышечной массы миотома приводит к образованию двух и более самостоятельных мышц. Классический пример — трапециевидная и грудино-ключично-сосцевидная мышцы, которые развиваются из одной первоначальной мышечной закладки.
Тангенциальное (слоистое) расщепление вентральной части миотомов способствует образованию нескольких мышечных слоёв с различным направлением волокон. Так формируются наружная косая, внутренняя косая и поперечная мышцы переднебоковой стенки живота.
Срастание соседних миотомов приводит к формированию крупных многосегментных мышц. Например, прямая мышца живота образуется в результате слияния вентральных частей нескольких соседних миотомов, а группа общих разгибателей спины — из сливающихся мышечных масс эпаксиальных отделов.
Такие мышцы иннервируются нервами из нескольких сегментов спинного мозга — что отражает их происхождение.
Частичное замещение мышечных волокон соединительной тканью в ходе дифференцировки приводит к образованию сухожилий и апоневрозов.
Апоневрозы — это не результат апоптоза, а следствие постепенного фиброзного замещения части мышечной закладки в процессе морфогенеза.
Например, сухожильный шлем головы — широкая сухожильная пластинка, соединяющая лобное и затылочное брюшки затылочно-лобной мышцы.
Миогенез: формирование мышечных волокон
В учебниках отечественной школы миогенез обычно описывают как последовательность 4–5 морфологических стадий — от миобластической до стадии зрелого мышечного волокна.
В современной западной клеточно-биологической литературе акцент делают не столько на форме клеток, сколько на молекулярных и клеточных событиях: последовательном включении миогенных регуляторных факторов (прежде всего Myf5, MyoD и MyoG) и двух волнах слияния клеток — первичном и вторичном миогенезе.
По сути, оба описания говорят об одном и том же процессе, но с разных точек зрения.
В упрощённой морфологической схеме выделяют следующие стадии:
Далее, рассмотрим, что происходит на молекулярно-клеточном уровне:
1. Пролиферация миобластов
Миобласты интенсивно делятся (митозом), увеличивая пул клеток-предшественников. На этом этапе их пути развития расходятся (в учебной схеме их делят на две линии):
2. Первичный миогенез
Миоциты сливаются друг с другом, образуя первичные миотубулы — первые многоядерные мышечные структуры. На этом этапе уже начинают проявляться первые слабые сокращения.
На ранних стадиях ядра располагаются в центре, а сборка миофибрилл начинается на периферии волокна (миотубулы) и постепенно продвигается к центру. По мере заполнения центральной части миофибриллами ядра оттесняются на периферию. Одновременно редуцируется шероховатая ЭПС, из гладкой ЭПС формируется саркоплазматический ретикулум, нарастает митохондриальная сеть.
Критическую роль в росте миотубул играет механическое напряжение: удлиняющаяся костная (хрящевая) ткань создает натяжение прикрепленных миотубул, ориентируя их рост. В свою очередь, сокращения развивающихся мышц генерируют нагрузку на кость, стимулируя правильное формирование скелета.
3. Вторичный миогенез
На этом этапе вокруг первичных миотубул начинается вторая волна слияния миобластов. Этот процесс идет по двум направлениям:
В итоге вторичные миотубулы составят основную популяцию зрелых волокон, тогда как выросшие первичные также сохраняются и входят в состав зрелой мышцы.
Параллельно аксоны мотонейронов устанавливают контакты с развивающимися волокнами. На этом этапе каждое волокно иннервируется сразу несколькими мотонейронами (полинервация).
4. Созревание и финальная спецификация
Формирование нервно-мышечных связей — двусторонний процесс:
На этом этапе завершается полинервация — каждое мышечное волокно остается связано только с одним мотонейроном.
Уникальное исключение составляют экстраокулярные мышцы глаз: в них на всю жизнь сохраняется популяция истинно тонических волокон с множественной иннервацией, обеспечивающих сверхточное удержание взгляда.
5. Завершение структурной организации
Формирующаяся базальная мембрана охватывает снаружи мышечное волокно вместе с прилегающими к нему миосателлитоцитами: сателлиты располагаются в узком пространстве между базальной мембраной и плазмолеммой волокна, образуя с ним единую структурно-функциональную единицу.
При этом снаружи базальной мембраны, в интерстициальном (межклеточном) пространстве мышцы, остаётся популяция других стволовых клеток-предшественников. Вместе с классическими сателлитами они формируют камбиальный резерв мышцы, который будет задействован при гипертрофии и регенерации на протяжении всей жизни
В учебниках отечественной школы миогенез обычно описывают как последовательность 4–5 морфологических стадий — от миобластической до стадии зрелого мышечного волокна.
В современной западной клеточно-биологической литературе акцент делают не столько на форме клеток, сколько на молекулярных и клеточных событиях: последовательном включении миогенных регуляторных факторов (прежде всего Myf5, MyoD и MyoG) и двух волнах слияния клеток — первичном и вторичном миогенезе.
По сути, оба описания говорят об одном и том же процессе, но с разных точек зрения.
В упрощённой морфологической схеме выделяют следующие стадии:
- Миобластическая — активация и интенсивная пролиферация (размножение клеток).
- Миосимпластическая — продолжающаяся пролиферация и начало дифференцировки (слияние клеток).
- Миотубулярная — дифференцировка и рост мышечных трубочек.
- Мышечные волокна — окончательная дифференцировка и начало функции.(Параллельно развиваются соединительнотканный каркас, капиллярная сеть и иннервация).
Далее, рассмотрим, что происходит на молекулярно-клеточном уровне:
1. Пролиферация миобластов
Миобласты интенсивно делятся (митозом), увеличивая пул клеток-предшественников. На этом этапе их пути развития расходятся (в учебной схеме их делят на две линии):
- Линия 1 (будущие волокна): часть миобластов под действием MyoD и MyoG выходит из клеточного цикла, дифференцируется в миоциты, выстраивается в цепочки и готовится к слиянию.
- Линия 2 (будущие стволовые клетки): другая часть обособляется, переходит в состояние покоя и становится миосателлитоцитами.
2. Первичный миогенез
Миоциты сливаются друг с другом, образуя первичные миотубулы — первые многоядерные мышечные структуры. На этом этапе уже начинают проявляться первые слабые сокращения.
На ранних стадиях ядра располагаются в центре, а сборка миофибрилл начинается на периферии волокна (миотубулы) и постепенно продвигается к центру. По мере заполнения центральной части миофибриллами ядра оттесняются на периферию. Одновременно редуцируется шероховатая ЭПС, из гладкой ЭПС формируется саркоплазматический ретикулум, нарастает митохондриальная сеть.
Критическую роль в росте миотубул играет механическое напряжение: удлиняющаяся костная (хрящевая) ткань создает натяжение прикрепленных миотубул, ориентируя их рост. В свою очередь, сокращения развивающихся мышц генерируют нагрузку на кость, стимулируя правильное формирование скелета.
3. Вторичный миогенез
На этом этапе вокруг первичных миотубул начинается вторая волна слияния миобластов. Этот процесс идет по двум направлениям:
- Часть поздних миобластов сливается с уже существующими первичными миотубулами, обеспечивая их дальнейший рост и добавление новых ядер.
- Другая часть миобластов сливается друг с другом, образуя вторичные миотубулы. При этом они используют поверхность первичных миотубул как физическую опору (пространственный шаблон) для правильной ориентации, после чего отделяются в самостоятельные мышечные трубочки.
В итоге вторичные миотубулы составят основную популяцию зрелых волокон, тогда как выросшие первичные также сохраняются и входят в состав зрелой мышцы.
Параллельно аксоны мотонейронов устанавливают контакты с развивающимися волокнами. На этом этапе каждое волокно иннервируется сразу несколькими мотонейронами (полинервация).
4. Созревание и финальная спецификация
Формирование нервно-мышечных связей — двусторонний процесс:
- Внутренняя программа: Еще до контакта с нервом первичные миотубулы имеют базовую предрасположенность к быстрому или медленному типу, отражённую в ранней экспрессии соответствующего миозина.
- Взаимное распознавание: При установлении синапсов волокна активно влияют на выбор нейрона. Медленные волокна экспрессируют молекулы, отталкивающие «быстрые» аксоны, — тем самым обеспечивается специфичная иннервация.
- Финальная фиксация: Паттерн импульсной активности мотонейрона окончательно закрепляет тип волокна. У взрослого человека при изменении нагрузки или реиннервации возможна частичная перестройка типа.
На этом этапе завершается полинервация — каждое мышечное волокно остается связано только с одним мотонейроном.
Уникальное исключение составляют экстраокулярные мышцы глаз: в них на всю жизнь сохраняется популяция истинно тонических волокон с множественной иннервацией, обеспечивающих сверхточное удержание взгляда.
5. Завершение структурной организации
Формирующаяся базальная мембрана охватывает снаружи мышечное волокно вместе с прилегающими к нему миосателлитоцитами: сателлиты располагаются в узком пространстве между базальной мембраной и плазмолеммой волокна, образуя с ним единую структурно-функциональную единицу.
При этом снаружи базальной мембраны, в интерстициальном (межклеточном) пространстве мышцы, остаётся популяция других стволовых клеток-предшественников. Вместе с классическими сателлитами они формируют камбиальный резерв мышцы, который будет задействован при гипертрофии и регенерации на протяжении всей жизни