## 6.2 Differentiatie van het mesoderm: het paraxiale mesoderm

In de derde week van de ontwikkeling ontstaan de verschillende onderdelen van het mesoderm. Eén van deze onderdelen, namelijk het paraxiale mesoderm, zal hier verder besproken worden. Zoals de naam impliceert, bevindt dit mesoderm zich bilateraal (aan beide zijden) van de lichaamsas. Uit het paraxiale mesoderm ontstaan de somitomeren, ook wel de oersegmenten genoemd. Voordat deze segmenten één voor één worden afgesnoerd, wordt het paraxiale mesoderm ook wel het presomitische mesoderm (PSM) genoemd. De afsnoering van de somieten vindt plaats in craniale-caudale richting, zoals vele processen tijdens de embryonale ontwikkeling (figuur 6.2). Deze afsnoering gebeurt met de regelmaat van de klok. Bij de mens ontstaat er iedere 6 uur een nieuw paar somieten, bij de muis iedere 2 uur en bij de kip is dat ieder anderhalf uur. Somietvorming wordt dus zeer strict gereguleerd, namelijk door de cyclische expressie van een aantal genen, zoals Notch en WNT. Door deze nauwgezette vorming, is het tellen van het aantal gevormde somieten een uiterst geschikte methode om de leeftijd van een embryo te bepalen.

De somitomeren in het craniale gebied ontstaan tezamen met de (tijdelijke) lokaal gesegmenteerde neurale plaat, de zogenoemde neuromeren. Vervolgens vallen deze craniale somitomeren uiteen en ontwikkelen tot de schedelbasis en gezichtsspieren. Meer caudaal ontwikkelen de somitomeren zich verder tot somieten. Het eerste somietenpaar ontstaat op ongeveer dag 20. Aan het einde van de vijfde week zijn alle 42-44 paren gevormd. Dit zijn 4 occipitale (achterhoofd), 8 cervicale (hals), 12 thoracale (borst), 5 lumbale (lende), 5 sacrale (heiligbeen) en 8-10 coccygeale (staartbeen) paren. De eerste occipitale en 5-7 coccygeale paren verdwijnen. De rest ontwikkelt zich verder tot de wervelkolom.

Figuur 6.2 Schematische weergave van een dorsaal aanzicht van een humaan embryo van ongeveer 20 dagen. Het amnion is verwijderd. De eerste somietparen zijn gevormd in de midcraniale regio. Craniaal hiervan zijn de neurale vouwen aangegeven. Caudaal is het presomitisch mesoderm nog niet gesegmenteerd en is de neurale plaat nog niet omhoog gevouwen. Craniaal aan bovenzijde; caudaal aan onderzijde.

Bij aanvang van de somietvorming, ondergaan de presomitische cellen eerst een mesenchymale-epitheliale transitie (MET) en groeperen zich in een bolvorm rondom een lumen (holte). Vervolgens ondergaat het ventrale deel van deze cellen weer een epitheliale-mesenchymale transitie (EMT). Deze cellen worden samen het sclerotoom (sclero = hard) genoemd en migreren (bewegen) rondom de neurale buis en de chorda dorsalis. Zij gaan vervolgens differentiëren in de wervels, al dan niet inclusief een rib. Het resterende deel van de somiet, wordt nu het dermomyotoom genoemd (dermo = huid en myo = spier). Cellen van het myotoom ontwikkelen tot rug-, ledematen-, lichaamswand- en skeletspieren. Cellen van het dermatoom ontwikkelen tot dermis (lederhuid, onderhuids bindweefsel) (figuur 6.3).

## 6.2.1 Specificatie van de somieten over de anteriore-posteriore as;
regulatie door Homeoboxgenen

De identiteit van de gevormde wervels verschilt over de anteriore-posteriore (A-P) lichaamsas. Zo zijn lumbale wervels extra groot en sterk om het lichaamsgewicht te kunnen dragen en hebben thoracale wervels ribben om de bortskas te beschermen. De specificatie van de verschillende delen van de A-P as, waaronder de wervels, wordt ook wel patroonvorming genoemd. Dit wordt gereguleerd door de homeoboxfamilie van transcriptiefactoren, gecodeerd door de HOX-genen. Deze transcriptiefactoren zijn evolutionair sterk geconserveerd (dat betekent dat deze transcriptiefactoren over een relatief lange tijd onveranderd zijn gebleven en bij meerdere verwante organismen voorkomen). Daarnaast zijn ze op een unieke manier georganiseerd in het genoom. De genen liggen in zoogdieren achter elkaar in vier paraloge clusters op vier verschillende chromosomen (figuur 6.4 A). Bij Drosophila melanogaster zijn dezelfde genen in enkelvoud aanwezig met een vergelijkbare organisatie. Het zoogdiergenoom is namelijk tweemaal gedupliceerd tijdens de evolutie. De nummering van de homologe HOX-genen loopt van 1 tot 13. De paraloge genen hebben daarnaast een A, B, C of D annotatie. Niet alle genen zijn geconserveerd, een aantal is in de loop der tijd verloren gegaan. De functie van deze genen was ofwel gelijk aan dat van een ander gen, of een ander gen heeft deze functie overgenomen, waardoor het verlies van dit gen geen consequenties had voor de ontwikkeling van het organisme. Voorbeelden van genen die niet meer aanwezig zijn, zijn HOXC1, HOXC2, HOXC3 en HOXD2.

De expressie van de HOX-genen begint in het craniale (anteriore) deel van het embryo. Deze ‘vroege’ HOX-genen hebben een laag nummer en liggen aan de 3’ kant op het chromosoom. De expressie van de genen met een hoger nummer volgt zowel in de tijd als op de lichaamsas, in caudale (posteriore) richting. De ‘late’ genen, het HOX13 cluster, komen dus als laatste en meest caudaal tot expressie (figuur 6.4 B). Deze genen liggen aan de 5’ kant op het chromosoom (figuur 6.4 A). Expressie van HOX-genen begint al in het PSM. Wanneer ‘toekomstige thoracaal somiet’ PSM wordt getransplanteerd naar een meer craniale regio in het embryo, zal deze somiet zich toch ontwikkelen tot een wervel met een rib. De informatie hiervoor ligt dus al vast in het PSM.

De combinatie van HOX-transcriptiefactoren die aanwezig zijn op een bepaald niveau op de lichaamsas bepaalt hoe dit deel van de as zich ontwikkelt. De voorste ledemaatknop, de toekomstige arm, ontstaat bijvoorbeeld in het meest anteriore expressiegebied van HOXC6. Voor de specificatie van ribben, specifiek op thoracale wervels, zijn de HOX6 transcriptiefactoren essentieel. Overexpressie van HOXB6 in muizen leidt tot extra ribben. Daarentegen zorgt HOX10 juist voor remming van ribvorming, in de lumbale wervels. Als HOX10 gemuteerd is, leidt dit ook tot extra ribvorming. De balans tussen deze twee transcriptiefactoren bepaalt dus het al dan niet vormen van een rib op een wervel. De activiteit van HOX6 en HOX10 blijkt in eerste instantie een invloed te hebben op het myotoomdeel van de somiet. In aanwezigheid van HOX6, gaat het myotoom spier-specifieke genen tot expressie brengen, namelijk Myf5 en Myf6. Deze transcriptiefactoren geven op hun beurt weer een signaal door naar het sclerotoom via FGF en PDGF (platelet derived growth factor) signalering. Het sclerotoom wordt dan geïnduceerd tot het vormen van een rib. In aanwezigheid van HOX10 worden Myf5 en Myf6 niet geactiveerd en wordt het sclerotoom ook niet geïnduceerd tot het vormen van ribben. Dit voorbeeld van wervelspecificatie illustreert ook het posteriore prevalentie principe dat geldt voor (de meeste) HOX-genen. Het HOX-gen dat het meest posterior tot expressie komt, onderdrukt de meer anteriore HOX-genen. In bovenstaand voorbeeld betekent dit dat zodra HOX10 tot expressie komt, het effect van het meer anteriore HOX6 gen teniet wordt gedaan.

De expressie van de HOX-genen wordt niet alleen beïnvloed door de aan- of afwezigheid van andere HOX-genen, zoals in het voorbeeld van HOX6 en HOX10, maar ook door de aanwezige concentratie van retinoïne zuur (retinoic acid, RA, een vitamine A metaboliet). De craniale HOX-genen zijn hier erg gevoelig voor, de caudale veel minder. De concentratie van RA is hoog aan de posteriore zijde en laag aan de anteriore zijde (figuur 6.4 C). Als deze concentratie verstoord is, bijvoorbeeld doordat een zwangere vrouw supplementen van deze vitamine inneemt, kan dit leiden tot verstoringen van de specificatie op de A-P as, aangezien de HOX-genen niet op de juiste wijze tot expressie worden gebracht. Dit worden homeotische transformaties genoemd, veranderingen in het genetisch materiaal waardoor een lichaamsdeel omgezet wordt in een ander soortgelijk lichaamsdeel. In het geval van een verhoogde hoeveelheid RA leidt dit tot posteriorizering. Een wervel krijgt dan de identiteit van een wervel die normaliter meer caudaal is gepositioneerd. Denk bijvoorbeeld aan één cervicale wervel met een rib. Het omgekeerde kan ook plaatsvinden. Wanneer de concentratie van RA normaal is, maar diens receptor gemuteerd is, kan het RA signaal niet doorgegeven worden en leidt dit tot een anteriore homeotische transformatie. RA-receptoren zijn op hun beurt ook weer transcriptiefactoren, behorende tot de nucleaire (hormoon) receptor familie. Posteriore en anteriore homeotische transformaties kunnen ook veroorzaakt worden door, respectievelijk, overexpressie of mutatie van HOX-genen zelf. Subtiele transformaties, zoals de hierboven genoemde cervicale rib, hebben meestal geen consequenties voor de levensvatbaarheid. Ernstige transformaties, zoals bijvoorbeeld vele extra ribben, daarentegen wel.