Файл: Учреждение образования полесский государственный университет в. Т. Чещевик молекулярные основы.pdf

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 76 образуют различные типы клеток мезодермы, что связано с экспрессией соответствующих транскрипционных факторов. Содержащие bHLH домен транскрипционные факторы MesP необходимы для формирования передней мезодермы. В частности, отсутствие MesP1 транскрипционного фактора приводит к аномальному морфогенезу сердца. Мутации MesP1/MesP2 генов приводят к нарушению формирования кранио-кардиальной и параксиальной мезодермы. В формировании задней мезодермы участвует T-бокс содержащий транскрипционный фактор (tbx6).

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 77
ТЕМА 15
МОЛЕКУЛЯРНО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ
СОМИТОГЕНЕЗА У ПОЗВОНОЧНЫХ
1. Общая характеристика сомитогенеза.
2. «Молекулярные часы» сомитогенеза.
1. Общая характеристика сомитогенеза
Индуцирующие сигналами со стороны хорды, нервной трубки и мезодермы боковой пластинки, предопределяющими развитие сомитов являются (Shh, Wnt-l,3, NT-3, ВМР4, FGF). Сомиты появляются с обеих сторон нервной трубки одновременно. После объединения клеток в параксиальной мезодерме образуются сомитомеры, что указывает на отсутствие полного разделения между сегментами.
Наружные клетки подвергаются мезенхимально-эпителиальному переходу, образуя эпителий вокруг каждого сомита. Внутренние клетки сомитомеров образуют мезенхиму. Образование сомита может быть вызвано клетками, секретирующими белок Noggin.
Количество сомитов зависит от вида и не зависит от размера эмбриона. Судьба клеток мезодермы, которые должны превратиться в сомиты, предопределена уже до момента образования сомитов. Клетки в пределах каждого из сомитов имеют определенную спецификацию в зависимости от того, в какой части сомита они расположены.
Далее сомиты дифференцируются на дерматом, миотом и склеротом.
Дерматом образуется из дорсальной части параксиальной мезодермы сомита и ответственен за развитие кожи (дермы).
Миотом – это часть сомита, ответственная за образование мышц. Каждый миотом разделяется на эпимер
(спина) и гипомер (перед). Миобласты гипомера образуют грудные мышцы и мышцы передней стенки живота. Миобласты эпимера образуют мышцы шеи и спины, утрачивая свой сегментарный характер. Склеротом образует позвонки и реберные хрящи и часть затылочной кости, кости скелета.
2. «Молекулярные часы» сомитогенеза
Развитие сомитов зависит от «молекулярных часов» сомитогенеза, которые обусловлены колебанием сигналов Notch и Wnt. Возникающая волна белков
Notch и Wnt обусловлена градиентом белка FGF, который убывает в

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 78 рострально-каудальном направлении. Сомиты образуются один за другим, причем каждый новый сомит образуется на каудальной стороне предыдущего.
Временной интервал колебания сигналов белков Notch и Wnt при формировании сомитов не является универсальным и зависит от биологического вида.
В результате Notch сигналинга формируются границы сомитов. Лигандами рецептора Notch являются Delta (DLL1 и DLL3), мутации которых приводят к различным дефектам. Белок Notch активирует ген HES1, который определяет каудальную половину сомита. Активация Notch включает LFNG, который, в свою очередь, блокирует рецептор Notch. Активация Notch также включает ген
HES1, который инактивирует LFNG, повторно активируя рецептор Notch и, таким образом, возникают осцилляции активности рецептора Notch, что составляет основу «молекулярных часов». Ген MesP2 индуцирует ген EPHA4, который вызывает взаимодействие по типу отталкивания, что отделяет сомиты друг от друга, вызывая их сегментацию. Действие EPHA4 определяется границами сомитов, в установлении которых участвует ген EPHB2.
Спецификация сомитов определяется активностью генов Hox семейства.

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 79
ТЕМА 16
МИОГЕНЕЗ, ФОРМИРОВАНИЕ ПОЧКИ И СЕРДЦА В
ЭМБРИОНАЛЬНЫЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ
1. Молекулярные механизмы миогенеза.
2. Молекулярные механизмы формирования почки.
3. Молекулярные механизмы закладки и образования сердца.
1. Молекулярные механизмы миогенеза
Миогенез – это образование мышечой ткани при эмбриональном развитии.
Мышечные волокна образуются в результате слияния миобластов в многоядерные волокна (миотрубки). На раннем этапе развития эмбриона миобласты могут либо размножаться, либо дифференцироваться в миотрубки.
Если в окружающей среде присутствуют факторы роста (например, FGF), то миобласты будут пролиферировать (делиться). В случае значительного снижения концентрации фактора роста (FGF), миобласты подвергаются терминальной дифференцировке в миотрубки.
Основные этапы дифференциации миобластов:
1) Выход из клеточного цикла и начало экспрессии специфических генов.
2) Выравнивание миобластов друг с другом.
3) Слияние миобластов. Решающее значение имеют присутствие ионов кальция и металлопротеиназ (мелтрины).
Ключевые гены и кодируемые ими белковые факторы в миогенезе:
1. MEFs – способствуют миогенезу.
2. SRF – необходим для экспрессии генов альфа-актина, ответственного за формирование поперечно-полосатых мышц.
3. MRFs – миогенные регуляторные факторы (MyoD, Myf5, Myf6,
Myogenin).
Стадии миогенеза:
1) Деламинация (Гены PAX3 и c-Met). Ген PAX3 опосредует транскрипцию гена c-Met и отвечает за активацию экспрессии гена MyoD, который стимулирует регенеративную способность сателлитных клеток.
Высокий уровень экспрессии гена PAX3 наблюдается в эмбриональный период и в меньшей степени на стадиях развития плода. Данный фактор экспрессируется в мигрирующих гипаксиальных клетках и клетках дермомиотома и не экспрессируется при развитии мимических мышц. Мутации

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 80 в гене Pax3 могут вызывать различные осложнения.
2) Миграция. (Гены c-Met и LBX1). Ген LBX1 отвечает за развитие и организацию мышц в дорсальной части передних конечностей, а также за движение дорсальных мышц в конечности после деламинации. При нокауте гена LBX1 мышцы конечностей не смогут правильно сформироваться. c-Met белок является рецептором тирозинкиназы, который необходим для выживания и пролиферации мигрирующих миобластов. Нокаут гена c-Met нарушает вторичный миогенез и предотвращает формирование мускулатуры конечностей.
3) Пролиферация. (Гены PAX3, c-Met, Mox2, Myf5, MyoD). Ген Mox2 играет важную роль в индукции мезодермы и региональной спецификации.
Нарушение функции Mox2 белка препятствует размножению миогенных предшественников и приводит к патологическому формированию мышц конечностей. Ген Myf5 необходим для правильной пролиферации миобластов.
Myf5 считается самым ранее экспрессируемым регуляторным генным фактором в миогенезе. Если гены Myf-5 и MyoD инактивированы, скелетные мышцы будут полностью отсутствовать.
4) Детерминация. (Гены Myf5, MyoD). Одна из наиболее важных стадий в миогенезе требует нормального функционирования генов Myf5 и MyoD для нормального развития миогенных клеток. Мутации по данным генам приводят к формированию клеток немышечного фенотипа. Одновременный нокаут генов
Myf5 и MyoD также приводит к полному отсутствию скелетных мышц.
Особенностью MyoD белкового фактора является то, что он напрямую активирует свой собственный ген. Это означает, что полученный белок связывает ген MyoD и продолжает цикл производства белка MyoD. Между тем, экспрессия гена Myf5 регулируется Shh, Wnt1 и самим MyoD.
5) Дифференциация. (Гены Миогенин, MyoD, Myf6). Мутации в данных генах будут приводить к нарушению развития и созревания миоцитов.
Миогенин необходим для слияния миогенных клеток-предшественников с новыми или ранее существовавшими волокнами. Миогенин усиливает экспрессию генов, которые уже активированы в организме. Удаление миогенина приводит к почти полной потере дифференцированных мышечных волокон и серьезной потере массы скелетных мышц в боковой / вентральной стенках тела. Ген Myf-6 (MRF4) важен для дифференцировки миотрубок и специфичен для скелетных мышц. Мутации в Myf-6 могут провоцировать расстройства, в том числе мышечную дистрофию Беккера.
Во взрослом организме стволовые клетки мышечной ткани представлены в виде сателлитных клеток, в регуляции экспрессии которых важную роль

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 81 играет ген PAX7. Сателлитные клетки являются миобластами в состоянии покоя и прилегают к сарколемме соседних мышечных волокон. Данные клетки имеют решающее значение для восстановления мышц, но имеют очень ограниченную способность к размножению. Активируемые такими стимулами, как травма или высокая механическая нагрузка, сателлитные клетки необходимы для регенерации мышц у взрослого организма. Кроме того, сателлитные клетки способны дифференцироваться в костную или жировую ткань. Мутации гена Pax7 препятствуют образованию сателлитных клеток и, в свою очередь, постнатальному росту мышц.
Формирование скелетных мышц. Во время эмбриогенеза дермомиотом и/или миотом в сомитах содержат миогенные клетки-предшественники, которые будут развиваться в будущую скелетную мышцу. Детерминация дермомиотома и миотома регулируется сетью регуляторных генов, которая включает гены, содержащие T-box (tbx6, ripply1 и mesp-ba). Скелетный миогенез зависит от строгой регуляции различных подгрупп генов, направленных на дифференциацию миогенных клеток-предшественников в миофибриллы. Основные факторы транскрипции при формировании скелетных мышц являются MyoD, Myf5, миогенин и MRF4. MyoD и Myf5 позволяют дифференцировать миогенные клетки-предшественники в миобласты, а затем миогенин дифференцирует миобласты в миотрубки. MRF4 важен для блокирования транскрипции мышечно-специфических промоторов, позволяя предшественникам скелетных мышц расти и пролиферировать до дифференцировки.
Транскрипционный фактор (TCF4) фибробластов соединительной ткани участвует в регуляции миогенеза, показывая тесную связь развития мышц с соединительной тканью во время эмбрионального развития. Данный фактор заставляет клетки миотома продуцировать белок MyoD, тем самым стимулируя развитие клеток по пути мышечных клеток. Белок MyoD также регулирует развитие определенного типа мышечного волокна и его созревание. Низкие уровни TCF4 способствуют миогенезу быстрых и медленных мышечных волокон.
Регуляция миогенной дифференцировки клеток контролируется двумя путями: путь фосфатидилинозитол-3-киназы/Akt и путь Notch/Hes, которые работают совместно для подавления транскрипции MyoD. O-подсемейство белков FOXO играет критическую роль в регуляции миогенной дифференцировки, поскольку они стабилизируют связывание Notch/Hes.
Нокаут FOXO1 у мышей увеличивает экспрессию MyoD, изменяя распределение быстрых и медленных волокон.

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 82
2. Молекулярные механизмы формирования почки
У млекопитающих почка возникает из промежуточной мезодермы, расположенной между параксиальной мезодермой и мезодермой латеральной пластинки. Три различных системы почек образуются во время внутриутробной жизни у млекопитающих: пронефрос, мезонефрос и метанефрос. Первые две почечные системы приводят к образованию временных структур, а метанефрос образует постоянную почку. Метанефрос начинает развиваться из зачатка мочеточника (UB), который представляет собой ветвящуюся эпителиальную трубку, развивающуюся из Вольфова канала (WD) и мезенхимальных клеток, которые возникают из промежуточной мезодермы. Органогенез почек зависит от серии взаимных индуктивных взаимодействий между UB и метанефрической мезенхимой (MM).
Сигналы от MM инициируют развитие почек, вызывая образование UB из
WD. UB проникает в ММ и подвергается серии повторяющихся ветвлений под влиянием мезенхимальных сигналов. В свою очередь, вновь образованный UB побуждает окружающий его MM конденсироваться и агрегировать вокруг его кончиков, превращаясь в мезенхиму шапки (CM). СМ последовательно дифференцируется в претубулярные агрегаты, и эти структуры подвергаются
МЕТ (мезенхимально-эпителиальной трансформации) с образованием почечных везикул (RV), которые пролиферируют, образуя запятые и S- образные тела (SB), а затем нефроны. В то же время часть неиндуцированной мезенхимы идет по нестромальному пути развития с образованием клеток, участвующих в структурной поддержке и созревании нефрона. Параллельно с этим процессом дифференцировки дистальная часть SB сливается с собирательными протоками, а проксимальные части этих структур становятся сильно васкуляризованными (оплетены большим количеством капилляров и сосудов) и образуют клубочки. В целом считается, что большинство эпителиальных клеток нефрона происходят из MM, тогда как эпителий UB генерирует собирательные протоки и самые дистальные канальцы (DTs).
Эпителиальные клетки, происходящие из мезенхимы, становятся высокоспециализированными и экспрессируют маркеры, специфичные для клубочковых подоцитов (PT), клеток восходящей и нисходящей частей петли
Генле и дистальных канальцев.
Odd1 (или Osr1) является одним из самых ранних генетических маркеров клеток-предшественников почки и впервые активируется в этих клетках.
Транскрипты Odd1 обнаруживаются по всей промежуточной мезодерме / нефрогенному шнуру и в MM. Экспрессия Odd1 необходима для экспрессии