>У позвоночных положение непарных органов асиметрично относительно лево-правостронней ( left-right (LR)) оси тела. Каждая структура располагается неслучайно по отношению к средней линии и ее положение обозначается как situs solitus,например, у человека положение сердца, желудка и селезенки сдивнуто влево . Аберантное развитие LR оси может приводить к рандомизации положения отдельных органов ( randomization of individual organ position (situs ambiguus)) или к зеркальному обратному положению всех латерализованных структур (situs inversus). Ранее был картирован локус для situs abnormalities у человека , HTX1, в Xq26.2 путем анализа сцепленя в одной семье (LR1) и путем определения делеций у неродственных мужчин с situs ambiguus (Family LR2).Из этой области клонирован ZIC3, ген, кодирующий предполагаемый фактор транскрипции с цинковыми пальчиками. Идентифицированы 1 мутация сдвига рамки считывания, 2 missense и 2 nonsense мутации. в семейных и спорадических случаях situs ambiguus. Аллель со сдвигом рамки считывания ассоциирован также с situs inversus у некоторых гетерозиготных женщин . Это указывает на то, что ZIC3 функционирует на ранних стадиях формирования LR-оси Gebbia et al 1997). Рандомизация направления образования сердечной петли отмечается и у мутантных мышей no turning (nt)

Ген мыши nodal и его гомолог у кур и Xenopus является одним из первых асимметрично экспрессирующихся вдоль лево-правосторонней оси до формирования асимметрии органов. Нарушения паттерна экспрессии мышиного nodal and куринного гомолога cNR 1 связаны с дефектами развития лево-правосторонней асимметрии и образования сердечной петли.

У эмбрионов мыши асимметричная левосторонняя экспрессия nodal обнаруживается в левой латеральной мезодерме на ранней сомитной стадии, предшествующей образованию сердечной петли. Нарушение паттерна экспрессии nodal обнаружено у мышей с мутациями, нарушающими cardiac situs. Так, мыши, гомозиготные по inv имеют аномальный паттерн nodal, от правостороннего ассоциирующего с situs inversus (Lowe et al 1996; Collignon et al 1996) до рострального укорочения ( rostral truncation) ассоциирующего со случайным или ambiguous cardiac looping ( Collignon et al 1996) . Мыши, гомозиготные по iv мутации имеют случайную лево-правостороннюю ориентацию и изменчивый паттерн экспрессии nodal (Lowe et al 1996).Нормальный паттерн экспрессии Xenopus гомолога nodal Xnr 1 сходен с таковым у эмбрионов кур и мышей, с асмметричной экспрессией в левой латеральной мезодерме во время стадии хвостовой почки. Показано, что нормальный паттерн экспрессии Xnr 1 у Xenopus варьирует и что его экспрессия нарушается воздействиями, которые нарушают право-левостороннее развитие . Показатель аномальной экспрессии Xnr 1 коррелирует с долей cardiac reversal.Более того структуры дорсальной средней линии, включая хорду, и/или гипохорд и нейральную донную пластинку, регулируют Xnr 1 до спецификации лево-правосторонней ориентации сердца путем репрессии экспрессии Xnr 1 в правой латеральной пластинке мезодермы во время закрытия нервной трубки (Lohr et al., 1997).

Экстирпация клеток дорсальной средней линии на стадии 15 нарушает экспрессию Xnr 1 .Xnr 1 при этом экспрессируется эктопически в правой латеральной пластине мезодермы , так что экспрессия Xnr 1 становится билатеральной . Только экстирпация на ст 15 вызывает билатаральную экспрессию и рандомизированную кардиальную асимметрию. Следовательно, негативные регуляторные сигналы воспринимаются Xnr 1 правой, но не левой латеральной пластинкой мезодермы . Эмбриологические и генетические экспреименты на Xenopus и zebrafish указывают на то, что клетки дорсальной средней линии необходимы для нормальной лево-правосторонней ориентации сердца ( Danos and Yost 1996 ). Клетки средней линии регулируют как асимметричную экспрессию Xnr 1 так и ориентацию сердца между стадиями 15 и 20. Латеральная мезодерма располагается между дорсальной и вентральной средней линией и может использоваться intermediary для проведения сигналов между клетками противоположных сторон эмбриона. Предполагается, что сигналы идут от средней линии через соматические ткани к латеральным пластинкам, специфицируя экспрессию Xnr 1. Специфицированная ассимметрия Xnr 1 может затем передавать прямо или косвенно сигнал примордию сердца для спецификации лево-правосторонней его ориентации.

Ген Shh обнаруживает асимметричную левостороннюю экспрессию и может затрагивать situs эмбрионального поворота и кишки, в дополнение к сердцу. Аномальная двусторонняя экспрессия Shh не приводит к левостороннему изомерзму (с двух сторон симметричный эмбрион, имеющий две левых стороны) ни к фенотипу полного situs inversus . Аномальная экспрессия Shh на правой стороне узелка ведет к двусторонней экспрессии гена nodal и дает heterotaxia-подобное состояние, где различные аспекты laterality определены независимо. Положение сердца изменеяется при эктопической экспрессии Shh и активина. Однако, наиболее нижестоящий ген, идентифицированный в L\R пути, nodal, был функционально не связан с laterality сердца . Эктопическая (правосторонняя) экспрессия nodal способна затронуть положение сердце , это подтверждается тем, что randomization сердца laterality, наблюдаемая при Shh и activin эктопической экспрессии, была результатом изменений в экспресии nodal, и что nodal, вероятно, регулирует положение сердце эндогенно. Первым определяющим асимметричным сигналом в лево-правстороннем пути формирования паттерна является Shh, который у эмбрионов кур первоначально экспрессируется по всему узелку Гензена, но становится ограниченным левой стороной на стадии 4 (+). Очевидно, что ограничение Shh expression может быть результатом репрессии вышестоящим activin-подобным фактором, потому что эктопический activin белок способен подавлять экспрессию Shh на левой стороне узла, также как и стимулировать ectopic expression обычно правостороннего маркера, активинового рецептора cAct-RIIa. Член этого семейства, Activin betaB, действительно экспрессируется асимметрично, только на правой> стороне узла Гензена, в соответствующее время для этого, чтобы быть эндогенным асимметричным активиновым сигналом. Применение follistatin-нагруженных бусинок устраняет ассиметрию в экспрессии Shh, что согласуется с подавлением экспрессии эндогенного члена activin-BMP суперсемейства. Итак, Activin betaB функционирует в эмбрионе цыпленка, чтобы обеспечить Shh асимметрию( Levin et al., 1997 ). Влияние гена активна подтверждается также асимметричной экспрессией рецептора активина cAct-RIIA у эмбрионов кур и характерными нарушениями у нулевых мутантов мыши по рецептору активина IIB(Act-RIIB).Итак, асимметричная экспрессия активина справа от узла обусловливает репрессию справа Shh, в результате чего его экспрессия ограничивается левой стороной(стадия 4 у эмбрионов кур). В это же время происходит услиение экспрессии слева от полоски непосредственно за узлом гена HNF3β (транскрипционного фактора,родственного гену forkhead дрозофилы).Роль его неясна, предполагается, что он участвует в поддержании экспресии Shh слева от узла.

В сердце эмбрионов с отсутствием гомеобоксного гена Nkx2-5, которое не формирует петлю сердечной трубки,левосторонняя экспрессия гена eHand устраняется. Однако экспрессия не меняется в сердце Sc1-/- ,где форомирование петли слабое из-з гематопоэтической недостаточности и было правосторонним в сердце inv/inv эмбрионов с situs inversus. По-видимому, экспресия еHand усиливается в производных пула для левой половины сердца как один из ответов на индуктивный сигнал от L/R аксиальной системы, и что eHand контролирует внутренне присущий морфогенетический путь ,существенный для образования петли. Одни из аспектов ответа на L/R информацию находится под Nkx2-5 homeobox контролем( Biben C, Harvey 1997 ).

Имеются также данные, указывающие на то, что лево-правостронняя асимметрия контролируется также с помощью пути передачи сигналов Wnt (Xwnt-8, beta-catenin, or Siamois )у эмбрионов ксенопус( Nascone et al., 1997 ) и белков внеклеточного матрикса.

Молекула, названная флектином flectin (flectere, in L., to bend or to loop), обнаруживает билатерально асимметричную локализацию в ранней сердце-формирующей мезодерме и продолжает экспрессироваться асимметрично четко организованным способом в кардиальном геле во время образования петли сердечной трубкой. Это большая молекуля внеклеточного матрикса идентифицирована с использованием моноклональных антител F-22 . Флектин обнаруживает определенный протстранственно-временной паттерн экспрессии внеклеточного матрикса во время развития сердца птиц. Асимметричная экспрессия флектина обнаруживается на стадии 7+/8- (примерно 24 ч развития около стадии 3-х сомитов). Она преимущественно экспрессируется в левой прекардиальной мезодерме. Между стадиями 12 и 14 флектин продолжает экспрессироваться асимметрично в миокарде и локализуется на высоком уровне на базальной стороне миокарда и в кардиальном геле, распространяясь до поверхности эндокардиальных клеток. В той же самой плоскости петлеобразующей части сердца она дифференциально организована в кардиальном геле на конвексной ( convex)стороне и на наружной области петли . Редуцированная экспрессия видима спереди и сзади вдоль сердечной трубки . Инициальная асимметрия сохраняется во всем тубулярном сердце. На стадии 22 (Embryonic Day 3.5), интенсивность иммунолокализации флектина существенно снижается с Л-П асимметрией менее выраженной или отсутсвущей . Флексин экспрессируется снова на 10 день в сердце эмборионов. Экспрессия флексина модулируется ретиноидами. У витамин-А- дефицитных эмбрионов перепела экспрессия флексина в сердце снижена и дизорганизована , как и другие компоненты ВКМ, представляющие кардиальный гель( Tsuda et al., 1996 ).

Так, показано, что левое и правое прекардиальные поля отличаются по своей чувствительности к ретиноевой кислоте. Воздействие ретиноевой кислоты на правое прекардиальное поле во время гаструляции рандомизирует процесс формирования сердечной петли, воздействие на левое прекардиальное поле обусловливает situs inversus , но только при высоких концентрациях. Идентифицированы два белка внеклетчоного матрикса, сердце-специфический лектин-ассоциированный матричный белок-1 (hLAMP1) и сходный с фибриллином белок, распознаваемый с помощью антител JB3, которые распределяются асимметрично в прекардиальных полях на стадии головного отростка . У нормальных эмбрионов экспрессия JB3 усиливается в правом прекардиальном поле , а экспрессия hLAMP-1 в левом. Воздействие ретиноевой кислоты нарушает экспрессию этих белков по способу, согласующемуся с последующей латеральностью сердца : воздействие ретиноевой кислоты, которое рандомизирует направление сердечной петли ( equalized) или делает обратным лево/правостороннее распределние JB3 и hLAMP-1 до слияния сердечных трубок . Существование асимметрично экспрессирующихся белков ВКМ в прекардиальных областях указывает на то, что взаимодействия между кардиоцитами и их окружающей средой могут участовать в детерминации heart laterality determination и образовании петли сердца (looping)( Smith et al., 1997 )

Diverse initiation in a conserved left–right pathway?

H Joseph Yost
Current Opinion in Genetics & Development 1999, 9, No. 4:422-426.

Conservation of asymmetric expression patterns in lateral plate mesoderm

Nodal, член семейства TGF-β межклеточных сигнальных молекул, экспрессируется в левой латеральной пластинке мезодермы кур [4], мышей [6] [7], лягушек [7] [8] и рыбок данио [9•] [10•]. Большая часть мезодермы латеральной пластинки, в которой экспрессируется nodal, вносит вклад в билатеральрно симметричные структуры, однако соседняя мезодерма дает асимметричные структуры. Паттерны экспрессии nodal нарушаются у laterality mutants мышей, таких как iv [7], inv [6] [7], ft [11] и no turning [12]. IV кодирует left–right dynein (LRD) [13], а INV кодирует inversin, внутриклеточный белок с Ank/Swi6 повторами [14•] [15•]. Kроме того, экспрессия nodal нарушается при действии на ранних эмбрионов факторов, нарушающих laterality, таких как нарушение экспрессии Sonic hedgehog (Shh), activin или FGF8 у кур [4] [16••] [17],экспрессии Vg1 или семейства доминантно негативных рецепторов TGF- β у Xenopus [18] [19••], экстирпация клеток средней линии [8] или нарушения щелевых соеднинений [20••]. анализ эктопической экспрессии nodal на правой стороне у кур [21] или лягушек [22] выявил стохастичность ориентации сердца. т.о., nodal скорее всего выступает как медиатор между ранними сигналами и спецификацией left–right информации в зачатках сердца и др. органов.

Lefty2,другой член семейства TGF-β , также экспрессируется в левой латеральной пластинке мезодермы мыши [23] [24]. как и в случае nodal, паттерн экспрессии Lefty2 нарушен у laterality мутантов iv [23], inv [23], ft [11], nt [12], lefty1 [25••] and KIF3B [26••]. семейство Lefty является важным компонентом left–right пути [25••] [27•] [28•]. Downstream of Nodal: Pitx2 and the execution of left–right morphogenesis

Pitx2, член семейства bicoid гомеобокс-содержащих транскрипционных факторов отвечает за синдром Reiger [29] и экспрессируется билатерально в цефалической мезодерме и ткани гипофиза. Pitx2 экспрессируется на левой стороне кардиальной трубки и кишки у кур [30•] [31••] [32••] [33••] [34•] [35••], мышей [[25••], [32••] [33••] [34•]], frog [33••] [35••], и рыбок данио [28•] [35••]. асимметричная экспрессия pitx2 персистирует в зачатках органов после временной асимметричной экспрессии nodal .

две линии доказательств указывают на то, что pitx2 является нижестоящим компонентом на left–right signaling пути. во-первых, паттерн экспрессии pitx2 нарушается у laterality мутантных мышей, коррелируя с нарушением ориентации органа. Гомозиготные iv/iv эмбрионы имеют стохастическую ориентацию органов и паттерн экспрессии (билатеральный, левый, правый или отсутствие экспрессии) pitx2 [32••] [33••] [35••]. Передний домен экспрессии pitx2 является билатеральным у мутантов lefty1, которые имеют торакальный левый изомеризм [25••]. У inv/inv эмбрионов left–right ориентация органов инвертирована (зеркальна по отношению к норме) и pitx2 экспрессируется на правой, а не на левой стороне [33••]. Во-вторых,паттерн экспрессии pitx2 у кур или Xenopus нарушается эктопической экспрессией left–right генов (reviewed in [5•]). у кур, эктопическая экспрессия Shh справа индуцирует билатеральную экспрессию pitx2 [30•] [31••] [32••] [33••]. Shh-блокирующие антитела слева уменьшают слева нормальную экспрессию left-sided nodal [16••] и pitx2 [31••]. эктопическая экспрессия nodal справа индуцирует pitx2 на правой стороне у эмбрионов кур [31••] [32••] [33••] или лягушек [35••]. следовательно, nodal стоит выше pitx2 , а Shh , по крайней мере у кур, выше обоих.

эктопическая экспрессия pitx2 у кур [31••] [33••] или лягушек [35••] нарушает left–right развитие и оказывает дополнительные эффекты. эктопическая экспрессия pitx2 справа не индуцирует nodal и не нарушает экспрессии cSNR1 [31••], который обычно экспрессируется в правой латеральной пластинке мезодермы [36]. Эктопическая экспрессия pitx2 у кур увеличивает частоту кардиального изомеризма [31••] [33••]. Logan et al. [31••] предприняли попытку одновременно элиминировать Shh–Nodal–Pitx2 путь слева с помощью Shh-блокирующих антител и активровать pitx2 справа с помощью инфекции pitx2-экспрессирующим вирусом. это устраняло кардиальный изомеризм и давало left–right инверсию у 30% эмбрионов.

Tаким образом, pitx2 left–right асимметричная экспрессия высоко законсервирована у позвоночных и pitx2 находится ниже nodal. должна быть батарея генов, которые регулируются с помощью pitx2 и ко-факторов во время left–right морфогенеза.
Upstream of Nodal: left–right coordinator, node and midline

Tри отдельных сигнальных центра должны обеспечивать на паттерн асимметричной экспрессии nodal: клетки латеральнее узла, называемые left–right coordinator (LRC); клетки узла, посредством асимметричной экспрессии генов и/или monocilia activity; и клетки средней линии. экспериментны на эмбрионах лягушек подтвердили, что асимметричный процессинг белка члена семейства TGF-β , Vg1, на левой латеральной стороне эмбрионов лягушки иницирует лево-правостороннюю ось [19••]. эктопическая экспрессия Vg1 после процессинга на правой стороне инвертирует лево-правостороннюю ось, включая экспрессию nodal [19••]. соответственно, экспрессия доминантно-негативных рецепторов или лигандов, которые взаимодействуют с Vg1 signaling на левой стороне эмбриона ведет к стохастическому left–right развитию [19••]. хирургическая ротация узелка у ранних эмбрионов кур указывает на то, что возникновение ассиметричной экспрессии генов в узелке зависит от сигналов, возникающих вне узелка [16••], вообще-то латеральные клетки сравнимы с LRC лягушек. осложняется еще тем, что асимметричная экспрессия в узелке отсутствует у non-avian эмбрионов.

Клетки узелка имеют специализированные monocilia [26••] [37] [38], которые дефектны у мутантов по kinesin KIF3B [26••], kinesin KIF3A [39•] or hepatocyte nuclear factor/forkhead homologue 4 [40•]. LRD также экспрессируется в клетках узелка [13]. соответственно, каждый из этих мутантов имеет laterality дефекты. Движения узелковых моноцилий (monocilia) могут управлять асимметричным распределением внеклеточных частиц, они дефектны у KIF3B мутантов [26••] (reviewed in [41]). Однако вряд ли асимметричные движения monocilia формируют барьеры между двумя сторонами узелка или окружающей латеральной тканью, препятсвуя дисперсии информации (Fig. 1). Клетки, которые мигрируют через узелок во время гаструляции образуют срединную линию эмбриона, хорду, hypochord и вентральную донную пластинку нервной трубки. Средняя линия является существенной для left–right развития или путем формирования барьера или путем передачи сигналов латеральным тканям [5•] [42] [43].

Figure 1 Left–right pathway. Left–Right Coordinator (LRC) и узелок участвуют в инициации left–right развития. У мышей, моноцилии узелка движут внеклеточные частицы влево. Движения моноцилий обеспечивают перераспределние сигнальных молекул , которые эксспресируются симметрично в латеральной ткани (стрелка влево), или создают барьер (bar signs)для поддержания различий между двумя сторонами узелка, которые инициируются в латеральной ткани (LRC). Некоторые гены экспрессируются асимметрично внутри узелка кур. Эти ранние события обеспечивают асимметричную экспрессию nodal и lefty2 слева (у кур) cSnR1 справа. Поддержание асимметрии в латеральной пластинке мезодермы зависит от эмбриональной срединной линии [5•].

Conclusions and perspectives: diverse origins that converge at left–right phylotypic stages?

Модель с привлечением LRC, узелка и средней линии не является, по-видимому, исключительной (Fig. 1). Столь же вероятно, что разные группы позвоночных используют разные механизмы инициации left–right оси и каждый механизм конвергирует с асимметричным распределением nodal, lefty и pitx2 (Fig. 2).

Figure 2 Model: the left–right (L–R) phylotypic stages. The Left–Right Coordinator (LRC), gap junction communication (GJ), node monocilia movement and asymmetric gene expression in the node have each been implicated in the initiation of left–right development and the establishment of nodal expression on the left side of the embryo. The mechanisms that initiate left–right axis formation might have diverged in an individual taxon; however, each passes through a constrictive phase of highly conserved nodal expression patterns, during the left–right phylotypic stages, analogous to the phylotypic 'developmental hourglass' stages indicative of the zootype along the anterior–posterior axis (reviewed in [45]). Although the pathway to left–right morphogenesis can be perturbed late in development, the initiation of the left–right axis occurs early, either before or coincident with the formation of the node at the beginning of gastrulation, and is specified in lateral tissues during early neurula stages. It is striking that the proposed left–right phylotypic stages are coincident with the phylotypic stages of Hox gene patterning along the anterior–posterior axis. Each individual organ primordium derives its left–right information from the phylotypic stages, which subsequently regulates unique aspects of organ morphogenesis.

Я предполагаю, что имеются 'left–right zootype', определяемые с помощью законсервированного паттерна left–right экспрессии генов (Fig. 2). Такой 'left–right zootype' в чем-то анологичен anterior–posterior zootype, предложенному Slack et al. [44], который базируется на паттерне законсервированной экспрессии HOX генов (reviewed in [45]); однако, left–right zootype м.б. ограничен хордовыми.

В модели left–right zootype стадии высоко законсервированной nodal (и вообще-то lefty2 и pitx2) экспрессии в левых латеральных тканях отражают спецификацию лево-правосторонней оси и м.б. определены как 'left–right phylotypic stages' для индивидуального таксона (Fig. 2). Это указывает на то, что по крайней мере одна чать пути вниз от nodal, и вообще кардиальный органогенез, высоко чувствительны к селективному давлению , дающему в результате асимметричную экспрессию nodal. Ступени на пути к верхним left–right phylotypic stages должны быть способными к дивергенции. Позднее в ходе развития, после left–right phylotypic stages, генетические пути, которые регулируют морфогенез left–right асимметрии различных органов , таких как сердце, кишка и головной мозг могут дивергировать и даже теряться для некоторых структур в разных таксонах.

ESTABLISHMENT OF VERTEBRATE LEFT- RIGHT ASYMMETRY
Hiroshi Hamada, Chikara Meno, Daisuke Watanabe & Yukio Saijoh
Nature Reviews Genetics 3, 103 -113 (2002)

Left-right (L/R) асимметрия предоставляет уникальную возможность для изучения клеточных и молекулярных механизмов возникновения асимметрии.

Нарушение симметрии у мвшей м. б. связано с однонаправленным током жидкости вокруг узла, который генерируется с помощью ротационных движений моноцилий (monocilia).

(Рис.1.) | Four steps of left–right asymmetric morphogenesis.

Факторы, родственные трансформирующему фактору роста, , Nodal и Lefty2, действуют как асимметричные сигналы. Nodal является левосторонним детерминантом, тогда как Lefty2 является антогонистом, который ограничивает продолжительность и место действия Nodal.

(Рис.2.) | Genetic pathway for the determination of left–right asymmetry.

Nodal и Lefty2 м. представлять собой реакционно-диффузионную систему, которая усиливает L/R различия. Теоретическая модель описывает две диффундирующие молекулы, одна из которых является активатором, которая стимулирует как собственный синтез, так и синтез своего партнера, который является ингибитором, диффундирующим более быстро, чем активатор.

(Рис.3.) | The node and monocilia.

Структуры срединной линии необходимы, чтобы разделять левую и правую половины эмбриона. Lefty1 функционирует как специфический барьер срединной линии.

(Рис.4.) | Actions of Nodal and the Lefty proteins.

Фактор транскрипции Pitx2 опосредует сигналы Nodal и отвечает за создание лево-сторонней морфологии мнеогих висцеральных органов.

(Рис.5.) | Asymmetric expression of Nodal, Lefty1, Lefty2 and Pitx2.

Хотя Nodal, Lefty белки и Pitx2 выполняют законсервированные роли у позвоночных, однако различные стратегии м.б. использованы для организации асимметричной экспрессии Nodal.

(Рис.6.) | Transcriptional relationship between Nodal and the Lefty genes.

(Рис.7.) | Model for the reaction–diffusion system in left–right determination.

(Box.1) Two types of cilium

(animated online)

Асимметрия лево-правосторонняя

Diverse initiation in a conserved left–right pathway?