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

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 61 внешних органов многие внутренние органы располагаются асимметрично относительно медиальной плоскости. Например, сердце при нормальном развитии занимает левостороннее расположение, печень – правостороннее.
Асимметричность характерна для укладки кишечника. Полагают, что лево- правая асимметрия имеет адаптивное значение, поскольку она обеспечивает компактное расположение внутренних органов, и создает более эффективные условия для работы сердечно-сосудистой системы. Имеются две логические возможности становления лево-правой асимметрии. Одна из них состоит в том, что лево-правая асимметрия преформирована уже в яйцеклетке. Другая исходит из предположения, что эта асимметрия возникает в ходе развития, например, в результате появления молекул, предопределяющих асимметричность каких-то функций. Была высказана гипотеза ("модель узелкового течения", nodal-flow model), согласно которой становление лево-правой асимметрии у млекопитающих связано с направлением тока жидкости в области узелка на стадии зародышевой полоски. Ресничные клетки узелка гонят имеющуюся здесь жидкость справа налево. Мутация гена динеина, вызывающая остановку биения ресничек, нарушала формирование нормальной лево-правой асимметрии, и положение органа в теле зародыша приобретало рандомизированный, случайный характер.

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 62

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 63
Нейруляция протекает по времени неодинаково в различных частях эмбриона. Замыкание нервной трубки начинается в шейном отделе, а затем распространяется кзади и несколько замедленнее в краниальном направлении, где формируются мозговые пузыри. Примерно на 25 сутки нервная трубка полностью замыкается, с внешней средой сообщаются только два незамкнувшихся отверстия на переднем и заднем концах - передний и задний невропоры. Задний невропор соответствует нейрокишечному каналу. Через 5-6 сут оба невропора зарастают. Из нервной трубки образуются нейроциты и нейроглия головного и спинного мозга, сетчатки глаза и органа обоняния.
При смыкании боковых стенок нервных валиков и образовании нервной трубки появляется группа нейроэктодермальных клеток, образующихся в области соединения нейральной и остальной (кожной) эктодермы. Эти клетки, сначала располагающиеся в виде продольных рядов по обе стороны между нервной трубкой и поверхностной эктодермой, образуют нервный гребень.
Клетки нервного гребня способны к миграциям. В туловище одни клетки мигрируют в поверхностном слое дермы, другие - в вентральном направлении, образуя нейроциты и нейроглию парасимпатических и симпатических ганглиев, хромаффинную ткань и мозговое вещество надпочечников. Часть клеток остается в области нервного гребня, формируя ганглиозные пластинки, которые сегментируются и дают начало спинномозговым узлам.
2. Молекулярные механизмы спецификации
нейроэктодермы
Нейральная индукция – это первый этап спецификации нейроэктодермы, на котором предопределяется развитие нативной эктодермы по нейрональному пути. Нейральным индуктором развития нейроэктодермы является хорда, над которой находится участок эктодермы, дающий в дальнейшем нервную пластинку.
В основе нейральной индукции лежит механизм подавления индукции эпидермального направления развития эктодермы. Это означает, что развитие нативной эктодермы исходно предопределено по нейрональному пути. В частности, у амфибий гены noggin, chordin, follistatin ингибируют экспрессию фактора BMP-4, что приводит к блокировке эпидермального пути развития.
Механизм. В участках, где эктодерма не прилегает к хорде, происходит интенсивная экспрессия транскрипционного фактора BMP-4, который активирует гены, направляющие клетки эктодермы на эпидермальный путь

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 64 развития в результате подавления исходного нейронального пути развития. В то же время, в участке эктодермы, прилегающей к хорде, в результате выработки клетками хорды факторов noggin, chordin, follistatin происходит подавление активности транскрипционного фактора BMP-4, что способствует дальнейшему развитию клеток эктодермы по нейрональному пути.
Вторым ключевым фактором, оказывающим влияние на путь развития эктодермы, является наблюдаемое на ранних этапах эмбриогенеза морфологические изменения, связанные с увеличением высоты клеток эктодермы над хордой (нервная пластинка).
3. Молекулярные механизмы дорсо-вентральной
спецификации нервной трубки
Ключевое значение в дорсо-вентральной спецификации нервной трубки имеет продукт гена Shh. Данный ген участвует в увеличении нейральных валиков, формировании нейрального желоба, нижней пластинки нервной трубки и спецификации клеток нервной трубки. Shh активно экспрессируется и секретируется клетками хорды в виде предшественника, который затем секретируется во внеклеточное пространство в комплексе с холестеролом.
Во внеклеточном пространстве Shh взаимодействует с двумя трансмембранными белками: Patched (ptc) и Smoothened (smo), расположенным на поверхности клеток нервной пластинки, прилегающих к хорде. Ptc белок связывается с Shh, а smo взаимодействует с каскадом трансдукции сигнала внутрь клетки. Это приводит к спецификации вентральной пластинки нервной трубки, в клетках которой в свою очередь также начинает экспрессироваться ген Shh.
В свою очередь, в клетках эктодермы, прилегающих к будущей дорсальной стороне нервной трубки, активно экспрессируется ген Wnt6 и BMP.
Продукты данных генов индуцируют образование будущего нервного гребня и сохраняет экспрессию генов Pax-3, Pax-7 на будущей спинной стороне нервной трубки. Тогда как экспрессия данных генов подавлена на будущей вентральной стороне нервной трубки в результате экспрессии гена в клетках нервной трубки гена Shh. Также ген Shh поддерживает экспрессию гена Pax-6 на будущей вентральной стороне нервной трубки. Будущая дорсальная сторона нервной трубки является источником морфогенов, обуславливающих дорсализацию нервной трубки, а именно белков семейства TGFb (BMP, dorsalin, activin).
Это, в свою очередь, приводит к регионализации экспрессии факторов транскрипции (Mash, Lim, Pax и др.) и сигнальных молекул (Delta, Notch,

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 65
Serrate), что определяет спецификацию нейральных клеток в дорсо- вентральном направлении. В частности, развитию на дорсальной стороне различных вставочных нейронов, а на вентральной стороне – двигательных нейронов.
4. Молекулярные механизмы передне-задней спецификации
нервной трубки
Справа эмбрион мыши на E7. При передне-задней спецификации эмбриональный узелок является первичным организующим центром (его аналогами являются узелок Гензена у птиц, дорсальная губа у амфибий).
Эмбриональный узелок является источником градиентов фактора роста фибробластов (FGF) и ретиноидной кислоты (RA), которые предопределяют развитите структур, характерных для задней части нейронной оси. Узелок также является источником транскрипционных факторов (follistatin, noggin, chordin,
Frzb, dickkopf), которые выполняют роль ингибиторов транскрипционных факторов BMP и Wnt. Кроме того, у млекопитающих передняя висцеральная эндодерма (экстраэмбриональная эндодерма, AVE) является источником индуктивного сигнала, ответственного за индукцию
«мозга» (красные стрелки). AVE продуцирует два фактора: cerberus и dickkopf, которые противодействуют действию транскрипционных факторов Wnt и BMP.
После того, как сформировалась нервная пластинка устанавливаются градиенты Wnt, FGF, RA, предопределяющие развитие задней части нервной трубки. Передняя висцеральная эндодерма, находящаяся под будущей передней большей частью нервной пластинки, начинает экспрессировать факторы
Cerberus и Dickkopf, которые ингибируют факторы Wnt и BMP, тем самым предопределяя дальнейшее развитие структур, характерных для передней части нервно трубки. Позднее, передняя висцеральная эндодерма начинает продуцировать транскрипционный фактор Tlc, который также ингибирует действие Wnt и способствует развитию передней части нервной трубки.
Данный фактор приводит в дальнейшем к преобразованию большей передней части нервной трубки в теленцефалон. В свою очередь, задний мозг подвергается делению на сегмент-подобные компартменты, называемые ромбомерами (на рисунке с 1 по 7).
Также на раннем этапе важным морфологическим маркером является появление «перешейка». Перешеек представляет собой сужение, возникающее в месте соединения между средним и задним мозгом. Регион перешейка

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 66 выполняет роль организатора (пересадка в другой участок нервной трубки приводит к повторению элементов, характерных для среднего и заднего мозга).
В области перешейка экспрессируются 2 гена En-1 и En-2. Продукт гена En-1 экспрессируется в переднюю часть, а En-2 в более заднюю часть нервной трубки из области перешейка, создавая соответствующие градиенты. Нокаут гена En-1 приводит к отсутствию среднего мозга. Нокаут гена En-2 приводит к отсутствию мозжечка. Индукция Engrailed генов обусловлен действием транскрипционного фактора FGF-4, который секретируется аксиальной мезодермой или эндодермой в зависимости от вида организма. FGF-4 индуцирует экспрессию в клетках перешейка двух ключевых морфогена Wnt-1 и FGF-8. Взаимодействие между градиентами белковых продуктов данных морфогенов очень сложные и они отвечают главным образом за формирование региона средний и задний мозг, определяя четкие границы экспрессии соответствующих генов.
Важное значение имеют также транскрипционные факторы Otx2 и Gbx2.
Otx2 ответственен за развитие переднего мозга, а Gbx2 ответственен за формирование заднего и спинного мозга. Otx2 ингибирует FGF-8, а Gbx2 ингибирует Wnt-1. Также Otx2 и Gbx2 взаимно ингибируют друг друга. Все это в совокупности позволяет поддерживать четкие границы экспрессии генов для передних и задних отделов мозга.
5. Дифференцировка нейроэпителиальных клеток на
нейральные и глиальные клетки
В ЦНС Notch играет основную роль в создании разнообразных типов клеток нервной ткани из клеток-предшествениц. Белок Notch участвует в образовании нервных стволовых клеток по механизму латерального ингибирования. Notch сигналинг приводит к репрессии нейронального пути развития эпидермобластов. В результате этого, клетки развиваются по эпидермальному пути. На молекулярном уровне это реализуется в результате репрессии в ядрах соответствующих клеток пронейрональных генов.
Активация данных генов в клетках нейроэктодермы происходит только в результате отсутствия Notch сигналинга, что приводит в итоге к образованию нейробластов. Нейробласты представляют собой нервные стволовые клетки, которые ответственны за образование всей нервной системы, в частности, нейронов, клеток глии и сенсорных органов.
На первоначальном этапе клетки нервной пластинки экспрессируют нейрогенин, Delta и Notch в пронейральном кластере клеток нейроэктодермы.

Молекулярные основы онтогенеза
Полесский государственный университет
Страница 67
Через определенное время одна из клеток в кластере начинает продуцировать значительное количество белка Delta, что приводит к превращению данной клетки в нейрональную клетку предшественницу (нейробласт). При этом происходит активация рецептора Notch в прилегающих к ней соседствующих клеток. Notch действует как трансмембранный транскрипционный фактор. При связывании с лигандом Delta происходит отщепление внутриклеточного домена
Notch с последующим его переносом в ядро клетки. В ядре, соединяясь с фактором Su-(H), Notch активирует соответствующие гены мишени. Это приводит в итоге к латеральному ингибированию нейронального пути развития прилегающих клеток.
Обычно, деление нейробластов приводит к образованию таких же новых нейробластов, но в определенное время деление нейробластов приводит к образованию вторичных клеток-предшественниц, называемых ганглиозные материнские клетки. Гангиозные материнские клетки делятся далее только один раз, давая начало двум родственным клеткам, которые дифференцируются в нейроны и/или глиальные клетки, либо подвергаются апоптозу. В течение каждого деления нейробласт и ганглиозная материнская клетка делятся асимметричным способом, продуцируя потомство с двойной идентичностью (в случае нейробласта – это новый нейробласт и ганглиозная материнская клетка, в случае ганглиозной материнской клетки – это нейроны и/или глиоциты).
Тип образующейся клетки определяется внешними факторами и внутренними механизмами. Внутренние механизмы связаны с появлением поляризованных клеток в процессе деления. Специфические мРНК и белки асимметрично распределяются в различные участки делящейся клетки. В результате этого, образующиеся внешне идентичные дочерние клетки содержат различные мРНК и белки. Полярность клеток определяется апикально расположенными белками Insc и рядом других белков, и базально расположенными белками Prospero и Numb.
К внешним факторам относятся асимметричный размер дочерних клеток и
Notch сигналинг. Активация Notch сигналинга зависит от накопления только в одной из двух дочерних клеток белка Numb. Белок Numb связывается с Notch белком и блокирует его активность.
В результате асимметричного деления клетки и активации белка Notch только в одной из двух дочерних клеток дальнейшее развитие одной дочерней клетки предопределяется Notch сигналингом (Notch-зависимая клетка), а другая дочерняя клетка развивается по исходно предопределенному пути развития
(Notch-независимая клетка). Notch сигналинг создает или способствует активации различных путей дифференциации в различных типах