Кости: развитие
Bone development B.R. Olsen, A.M. Reginato, W. Wang Ann. Rev. Cell Dev. Biol. 2000. V. 16. P. 191-220
	Развитие черепнолицевых костей Исследовния на мышахи курах показали, что клетки нейральнго гребня от каудалной части среднего мозга и ромбомера 1 и 2 мигрируют в первую бранхиальную дугу, давая верхнюю и нижнюю челюсть, молоточек и наковальню и области височной кости, тогда как клетки второй бранхиальной дуги, дающие стремячко, стиловидный отросток и височную кость и частичного гиоидную кость, происходят из ромбомера 4. Клетки нейрального гребня дают также касти своюа черепа, такие как фронтальная и париетальная кости. Предопределение клето нейрального гребня стать костными зависит от их взаимодействия с эпителиальными клетками. Цитокиновые сигналы от покрывающего эпителия активируют сигнальные пути и транскрипционные факторы в подлежащей мезенхиме, мезенхима в свою очередь секретирует молекулы, контролирующие рост и дифференцировку эпителия. Большое число генов участвует в черепнолицевом развитии. Синдромы Waardenburg типа 1 и 3 обусловлены мутациями РАХ3, который экспрессируется обычно в дорсальной области нервной трубки во время образования нейрального гребня и начала миграции. Мутаци потери функции РАХ3 обусловливают анаомалии развития черепнолицевых костей и мягких тканей, кроме того частичный альбинизм, потеря слуха, повышенный риск spina bifida, расщепления губы/неба и аномалий лопаток. Мутации с заменой аспарагинового остатка гистидином в зфшкув домене характеризуются помимо черепнолицевого фенотипа нарушениями развития рук (ulnar deviation) без пигментных аномалий. Другой Рах ген Рах9 также экспрессируется в мезенхиме, производной нейрального гребня, участвующей в развитии черепнолицевом и зубов. Кроме того он экспрессируются в развивающемся осевом склете и конечностях, в производных эпителия глоточных карманов Нарушения развития скелета конечностей Брахидактилия типа С вызывается мутациями в CDMP1 (cartilage-derived morphogenetic protein 1 = GDF5, growth and differentiation factor 5), которые обусловливают функциональную гаплонедостаточность. Гомозиготность по нулевому аллелю Gdf5 у мышей ведет к брахиподизму. Гомозиготность по CDMP1 мутации у человека вызывает acromesomelic dysplasias. Малый рост, сопровожадемый укорочением предплечий и ног, а также длинных костей кистей и стоп. Гомозигтность по нулевому аллелю CDMP1 обусловливает acromesomelic dysplasis Hunter-Thompson типа. При более тяжелом типа Пкуиу пациенты имеют нулевой аллель на одной хромосоме и аллель с доминантно-негативной мутацией на другой хромосоме. Мутантный белок сохраняет способность давать гетродимеры с ВМР и препятствует их секреции. Взаимодействие с передачей сигналов ВМР обусловливает наследуемое отсутствие проксимальных межфаланговых соединений, слияние костей запястья ищиколотки и кондуктиную глухоту. Это нарушение, называемое proximal symphalangism, обусловлено мутациями ВМР-связывающей молекулы noggin. Мутации noggin ассоциирцют также с синдромом множественных дизостозов, который характеризуется слиянием некоторых суставов ( коленных, тазобедренных, межпозвонковых) помимо суставов рук и ступней. Аномалии костей конечностей, ассоцированые с нарушениями в сердце или грудных тканей при Holt-Oram и ulmar-mammary синдромах обусловлены мутациями транскрипционных факторов TBX5 и TBX3, соотв. ТВХ5 экспрессируется в развивающихся передних конечностях, но не в задних, тогда как ТВХ4 наоборот, тольно в задних. Гомеодоменовый транскрипционный фактор Pitx1 является вышестоящим регулятором Tbx4. Его эктопическая экспрессия в крыловых зачатках кур делает их более похожими на ноги. При Greig cephalopolysyndactyly делеция или укорочение гена транскрипционного фактора GLI3, репрессора транскрипции с цинковыми пальчиками, стоящего ниже на пути передачи сигналов sonic hedgehog, обусловливает образование широкого большого пальца ног, полидактилии, синдактилии и черепнолицевых аномалий. Pallister-Hall синдром с фенотипом, перекрывающим синдром Greig и изолрованной постаксиальной полидактилией с добавочными пальцами на ульнарной и фибуляной стороне кистей и стоп обусловливается мутациями сдвига в Gli3. У мышей мутация Gli3 обусловливает фенотип extra-toes (xt) и polydactyly Nagoya (Pdn). Один из генов мишеней для сигналов sonic hedgehog является Sall1, транскрипционный фактор с цинковыми пальчиками, гомолог spalt дрозофилы, экспрессируется во всех областях связанных с передачей сигналов Shh, включая хорду, кончности и структуры, производные урогенитального гребня. Синдром Townes-Brocks обусловливается мутацией SALL1 он характеризуется черепнолицевыми аномалиями, аномалиями рук с полидактилией, а также почечными и анальными аномалиями. Shh конитролирует также передне-заднюю экспрессию Hoxd генов/ HOXD13 наиболее 5' ген кластера обусловливает синдактилию между пальцами 3 и 4 и пальцами ног 4 и 5 и удвоение пильцев рук в синдактиличной складке рук. Все мутации связаны с in-frame экспансией тракта в 15 полиаланиновых остатков в N-тарминальной области HOXD13 (избыточность функции). Известна и мутация сдвига рамки (нулевой алель?), она дает тот же фенотип на руках, но отличается по проявлению в стопах (наличие рудиментарного пальца между метатарзусами 1 и 2. Хондрогенез - роль Sox генов SOX9 вызывает редкую и тяжелую форму карликовости campomelic dysplasia (CD). У пациентов обнаруживается искривление и ангуляция длинных костей, гипоплазия лопаток и таза, аномалии позвоночного столба, уменьшение числа ребер и небольшой хондрокраниум, приводящий к черепнолицевым аномалиям. Скелетные аномали часто связаны с XY sex reversal. Sox9 транскрипты обнаруживаются во всех прехондрогенных мезенхимных конденсатах между 8.5 и 9.5 днем эмбриогенеза мыши с пиком экспрессии на 11.5-14.5 день. Подобно коллагену типа II (Col2a1) Sox9 экспрессируется на высоком уровне во всех прехондроцитах и хондроцитах. В соответствии с XY реверсией, Ыщч9 экспрессируется также в генитальном гребне. В ростовых пластинках длинных костей Sox9 и Col2a1 уровень высок как в покоящихся, так и пролиферирующих хондроцитах, тогда как Sox9 выключается в гмпертрофированных хондроцитах, а Col2a1 транскрипты продолжают обнаруживаться. Sox9 необходим для экспрессии специфичных для хряща компонентов внеклеточного матрикса, таких как коллаген II,IX и XI и большого протеогликанового аггрекана. Sox9, связываясь с первым интромном энхансера Col2a1 непосредственно активирует экспрессию Col2a1. Sox9 нулевыые клетки остаются в надкостнице и не дифференцируются в хондроциты. Идентифицировано около 20 Sox генов с 50% идентичностью в HMG домене из 79 амнокислотных остатков. L-Sox5 и Sox6 также участвуют в экспрессии Col2a1. Они, по-видимому, образуют большой комплекс с Sox9 и другими ядерными белками в хондроцитах. Созревание хондроцитов и контроль инвазии кровеносных сосудов в хрящ Хондроциты в центральной области хряща подвергаются дальнейшему созреванию в гипертрофичеакие хондроциты, которые выходят из клеточного цикла и синтезируют ВКМ, отличающийся по составу от ВКМ пролиферирующего хряща. Ангиогенные факторы, секретируемые гипертрофическими хондроцитами индуцруют ызкщгешт ангиогенез от надкостницы. С сосудами проникают остеобласты, остеокласты т гематопоэтические клетки. В результате бразуется первичный центр оссификации. Внутри этих центров матрикс гипертрофического хряща деградирует, гипертрофические хондроциты подвергаются апоптозу, остеобласты замещают исчезающий хрящ трабекулами кости и формируется костный мозг. В то же самое время остеобласты в надкостнице формируют манжетку компактной кости вокруг средней части (диафизов) хряща, так что первичные центры оссификации оказываются внутри костной трубки. На одном или обоих концах (эпифизах) хряща формируются вторичные центры оссификации, остается пластинка хряща (ростовая пластинка) между эпифизами и диафизом. ММР-9 и возможно другие металлопротеиназы необходимы для нормального апоптоза гипертрофических хондроцитов. У гомозигот Cbfa1 нулевых мышей не происходит врастания кровеносных сосудов в хрящ. Следовательно, остаобласт-индуцирующий транскрипционный фактор Cbfa1 м. прямо или косвенно контролировать экспрессию VEGF и ангиогенез в соединении между ростовой пластинкой и трабекулярной костью. Ростовая пластинка и рост кости Идентифицирован Indian hedgehog (Ihh), член семейства Hh. Ihh является стимулятором пролиферации хондроцитов ростовой пластинки, он препятствует гипертрофии хондроцитов. Его экспрессия у мышей начинается еще в прехондроцитах в раннем развитии, но ограничивается прегипертрофическими хондроцитами ростовой пластинки после рождения. Мыши, гомозиготные по нулевой мутации Ihh имеют тяжелую карликовсть и отсутствие эндохондрального образования кости.Пролиферация хондроцитов заметно редуцирована и созревание в гипертрофные хондроциты нарушена. Установлено, что активированный PTHrP рецептор может восстанавливать нарушенное созревание хондроцитов у Ihh-дефицитных мышей. Ihh стимулирует экспрессию PTHrP в пеиартикулярных перихондральных клетках. PTHrP, по-видимому. препятсвует гипертрофии хондроцитов в ростовой пластинке и сохраняет пул клеток выше гипертрофической зоны в пролиферативном состоянии. Эффекты PTHrP опосредуются ЗЕРкЗ рецептором, П белок-купированным рецептором. Т.обр., Ihh и периартикулярный перихондральный PTHrP посредством компонетов петли обратной связи регулируют пропорцию пролиферирующих и гипертрофических хондроцитов в ростовой пластинке. Активирующие мутации в гене рецептора PTHrP обусловливают Jansen metaphyseal chondrodysplasia с крайними нарушениями метафизов длинных костей. Мутации с потерей функции этого гена обнаруживаются при Blomstrand chondropdysplasia, характеризующейся избыточным скелетным созреванием. ВМР м. не только представлять собой нижестоящий медиатор передачи сигналов Ihh, но и м. быть позитивным индуктором Ihh экспрессии. Передача сигнаов через рецепторы ретиноевой кислоты такж м. играть роль, так как индуцируемый ею ген Stra6 экспрессируется в языко-образной области вокруг ростовой пластинки на уровне Ihh-продуцирующих прегипертрифических хондроцитов. Активирующие мутации FGFR3 обусловливают ахондроплазию, наиболее частую карликовость у человека, а также гипохондроплазию, thanatophoric dysplasia и синдром Crouzon c acanthosis nigricans. Рост-задерживающие эффекты этих мутаций показывают, что через FGFR3 ингибируется пролиферация хондроцитов и экспрессия Ihh. Целенаправленная делеция Fgfr3 у мышей ведет напротив к избыточному росту скелета. Дифференцировка и функция остеобластов Остеобласты, возникающие из мезенхимных клеток отвечают за отложение костного матрикса. Ключевым регулятором дифференцировки остеоластов и их функции является Cbfa1, гомологичный гену Кгте дрозофилы. Кость не образуется у гомозиготных Cbfa1-дефицитных мышей, хотя хрящевой скелет формируется нормально. Гаплонедостаточность Cbfa1 обусловливает cleidocranial dysplasia (CCD) у мышей и людей. Задержка закрытия краниальных швов и родничков, гипоплазия или аплазия ключиц, аномалии зубов, включая задержку прорезывания молочных и постоянных зубов и добавочные постоянные зубы. Помимо участия в дифференцировке остеобластов Cbfa1 необходим также для отложения костного матрикса зрелыми остеобластами ( у некоторых пациентов с тяжелой CCD имеется остеопороз). Cbfa1 взаимодействует с промоторами некоторых костных белков, включая osteocalcin, bone sialoprotein, щелочную фосфатазу и коллаген типа I. Гипертрофия хондроцитов в некоторых зачатках хряща нуждается в Cbfa1. Так как низкий уровенть экспрессии Cbfa1 может обнаруживаться в гипертрофических хондроцитах ростовых пластинок дикого типа, то это ведет к предположению, что Cbfa1 помимо индукции дифференцировки остеобластов необходим или является лимитирующим фактором гипертрофии хондроцитов и м. б. необходим для экспрессии VEGF и ангиогенеза во время эндохондральной оссификации. Наконец, Cbfa1 м. контролировать экспрессию коллагеназы 3 (ММР-13) в гипертрофических хондроцитах. ВКМ в развитии скелета Гены, кодирующие α1(I) и α2(I) цепи для колагена типа I, обусловливают osteogenesis imperfecta (OI). Это группа скелетных нарушений, характеризующихся ломкостью костей. поерей слуха, олубыми склерами и вутештщпутуышы шьзукаусенф. Огромное большинство пациентов с OI имеют нефункциональный или нулевой аллель гена коллагаена I. Мутации, затрагивающие С-терминальный пептид цепи проколлагена типа I предупреждают включение мутантной цепи в тримерную молекулу и обусловливает фенотип средней тяжести. Пациенты с более тяжелым фенотипом имеют обычно точковую мутацию в triple-helical домене или α1(I) b α2(I) цепи, которая изменяет кодон для глицина в bulkier аминокислотный остаток. Мутантная цепь участвует в формировании тримера о вызывает доминантный негативный эффект, дестабилизируюя тройную спираль. Фенотип в основном предопределяется величиной секреции молекул мутантного колагена в костнвй матрикс и последующего включения в колагеновые фибриллы. Колаген типа II, гомотример, кодируемый COL2A1, является основным коллагеновым компонентом хряща, стекловидного тела глаз, nucleus pulposus межпозвонковых дисков и текториальной мембраны уха. Мутации его вызывают спектр дефектов, известных как type II collagenopathies. Тяжесть варьирует от летальности ( achondrogenesis type II, hypochondrogenesis) к тяжелой карликовости (spondyloepiphyseal dysplasia congenita, Kniest dysplasia) и нормальному росту с ранним началом остеоартрита (Stickler синдром и др). У пациентов с мутацией COL2A1 возможна отслойка сетчатки и потеря слуха. Ряд минорных колагенов (типа IX,X,XI и XII) также являются компонетами хряща. Коллаген типа ШЧ является гетеромерным нефибриллярным коллагеном, состоящим из 3-х разных α цепей , α 1(IX),α2(IX) и α3(IX), которые коэкспрессируют в хряще и других хрящ-подобных тканях с коллагеном типа II. Молекулы коллагена IX локализуются на поверхности фибрил, где они поперечно связываются с остатками в N- и С-телопептидах коллагена типа ШШ. Мутации коллагена IX вызывают multiple epiphyseal displasia (MED), клинически и генетически гетерогенное заболевание со средним ростом и ранним началом остеоартритов. В некоторых семьям мутация сплайсинг-сайта COL9A2 ведет к пропуску экзона 3 в α 2(IX) транскриптах. В других семьях наблюдается сходный пропуск экзона 3 в α 3(IX). Коллаген типа Х, член семейства коллагенов с короткой цепью, является гомотримером, экспрессирующимся в гипертрофических ходроцитах во время эндохондральной оссификации. Мутации COL10A1 обусловливают аутосомно диминатное нарушение Schmid metaphyseal chondrodysplasia, которая характеризуется искривлением ног, задержкой роста нижних конечностей и coxa vara. Все мутации обнаружены в С-терминальном в тщтекшзду-рудшсфд ТС1 домене молекулы и мутантные цепи не участвуют в формировании тримерной молекулы и не секретируется хондроцитами. Коллаген типа XI минорный коллаген хряща кополимеризуется в коллагеном типа II и по-видимому, регулирует диаметр фибрил. Он гетеротример, состоящий из продуктов 3-х разных генов COL11A1,COL11A2 и COL2A1. Мутации в COL11A1 обусловливают Ьфкырфдд или Ыешслдук синдром. Нулевые мутации COL2A1 гена вызывают типичный синдром Ыешслдук ( с витроретинальной дегенерацией и менее частой потерей слуха), тогда как сплайсин мутация COL11A1 отвечает за синдром Marshall (с обычной потерей слуха и менее частой витроретинальной дегенерацией). Мутации COL11A2 гена ассоциируют с Ыешслдук-подобным синдромом без вовлечения глаз. Не исключена возможность того, что коллагены IX и XI, расположенные на поверхвности коллагеновых фибрил в хряще связываются рецепторами тирозин киназы хондроцитов и модулируют клеточные процессы прямой передачей сигналов через такие рецепторы. Мутации, затрагивающие аггрекан и другие связывающие белки вызывают тяжелую карликовость, это указывает на то, что они влияют на клеточную кинетику ростовых пластинок. Мутантные мыши cartilage matrix deficiency (cmd) имеют короткие конечности, хвост и рыло, расщепление неба и нарушения межвозвонковых дисков. В ростовых пластинках нехватка связывающего белка вызывает уменьшение отложения аггрекана в гипертрофической зоне и снижение числа пригипертрофических и гипертрофических хондроцитов. Большой гепаран сульфат протеогликан, перлекан, имеет разные модули организации в 5 доменах, которые способны связывать разные другие малые и большие молекулы, включая FGF2, FGF7, фибронектин, гепарин, ламинин, PDGF-BB и интегрны. Перлекан способствует хондрогенной дифференцировке. Нулевые мыши имеют тяжелые аномалии ростовых пластинок. Очевидно, перлекан защищает ВКМ хряща против матричных протеаз. Однако благодаря свой способности связывать и секвестрировать факторы роста, такие как FGF, он м. модулировать цитокинами обеспечиваемые пути передачи сигналов в ростовой пластинке.

Исследовния на мышахи курах показали, что клетки нейральнго гребня от каудалной части среднего мозга и ромбомера 1 и 2 мигрируют в первую бранхиальную дугу, давая верхнюю и нижнюю челюсть, молоточек и наковальню и области височной кости, тогда как клетки второй бранхиальной дуги, дающие стремячко, стиловидный отросток и височную кость и частичного гиоидную кость, происходят из ромбомера 4. Клетки нейрального гребня дают также касти своюа черепа, такие как фронтальная и париетальная кости. Предопределение клето нейрального гребня стать костными зависит от их взаимодействия с эпителиальными клетками. Цитокиновые сигналы от покрывающего эпителия активируют сигнальные пути и транскрипционные факторы в подлежащей мезенхиме, мезенхима в свою очередь секретирует молекулы, контролирующие рост и дифференцировку эпителия.

Большое число генов участвует в черепнолицевом развитии. Синдромы Waardenburg типа 1 и 3 обусловлены мутациями РАХ3, который экспрессируется обычно в дорсальной области нервной трубки во время образования нейрального гребня и начала миграции. Мутаци потери функции РАХ3 обусловливают анаомалии развития черепнолицевых костей и мягких тканей, кроме того частичный альбинизм, потеря слуха, повышенный риск spina bifida, расщепления губы/неба и аномалий лопаток. Мутации с заменой аспарагинового остатка гистидином в зфшкув домене характеризуются помимо черепнолицевого фенотипа нарушениями развития рук (ulnar deviation) без пигментных аномалий.

Другой Рах ген Рах9 также экспрессируется в мезенхиме, производной нейрального гребня, участвующей в развитии черепнолицевом и зубов. Кроме того он экспрессируются в развивающемся осевом склете и конечностях, в производных эпителия глоточных карманов

Нарушения развития скелета конечностей

Брахидактилия типа С вызывается мутациями в CDMP1 (cartilage-derived morphogenetic protein 1 = GDF5, growth and differentiation factor 5), которые обусловливают функциональную гаплонедостаточность. Гомозиготность по нулевому аллелю Gdf5 у мышей ведет к брахиподизму. Гомозиготность по CDMP1 мутации у человека вызывает acromesomelic dysplasias. Малый рост, сопровожадемый укорочением предплечий и ног, а также длинных костей кистей и стоп. Гомозигтность по нулевому аллелю CDMP1 обусловливает acromesomelic dysplasis Hunter-Thompson типа. При более тяжелом типа Пкуиу пациенты имеют нулевой аллель на одной хромосоме и аллель с доминантно-негативной мутацией на другой хромосоме. Мутантный белок сохраняет способность давать гетродимеры с ВМР и препятствует их секреции. Взаимодействие с передачей сигналов ВМР обусловливает наследуемое отсутствие проксимальных межфаланговых соединений, слияние костей запястья ищиколотки и кондуктиную глухоту. Это нарушение, называемое proximal symphalangism, обусловлено мутациями ВМР-связывающей молекулы noggin. Мутации noggin ассоциирцют также с синдромом множественных дизостозов, который характеризуется слиянием некоторых суставов ( коленных, тазобедренных, межпозвонковых) помимо суставов рук и ступней.

Аномалии костей конечностей, ассоцированые с нарушениями в сердце или грудных тканей при Holt-Oram и ulmar-mammary синдромах обусловлены мутациями транскрипционных факторов TBX5 и TBX3, соотв. ТВХ5 экспрессируется в развивающихся передних конечностях, но не в задних, тогда как ТВХ4 наоборот, тольно в задних. Гомеодоменовый транскрипционный фактор Pitx1 является вышестоящим регулятором Tbx4. Его эктопическая экспрессия в крыловых зачатках кур делает их более похожими на ноги.

При Greig cephalopolysyndactyly делеция или укорочение гена транскрипционного фактора GLI3, репрессора транскрипции с цинковыми пальчиками, стоящего ниже на пути передачи сигналов sonic hedgehog, обусловливает образование широкого большого пальца ног, полидактилии, синдактилии и черепнолицевых аномалий. Pallister-Hall синдром с фенотипом, перекрывающим синдром Greig и изолрованной постаксиальной полидактилией с добавочными пальцами на ульнарной и фибуляной стороне кистей и стоп обусловливается мутациями сдвига в Gli3. У мышей мутация Gli3 обусловливает фенотип extra-toes (xt) и polydactyly Nagoya (Pdn).

Один из генов мишеней для сигналов sonic hedgehog является Sall1, транскрипционный фактор с цинковыми пальчиками, гомолог spalt дрозофилы, экспрессируется во всех областях связанных с передачей сигналов Shh, включая хорду, кончности и структуры, производные урогенитального гребня. Синдром Townes-Brocks обусловливается мутацией SALL1 он характеризуется черепнолицевыми аномалиями, аномалиями рук с полидактилией, а также почечными и анальными аномалиями.

Shh конитролирует также передне-заднюю экспрессию Hoxd генов/ HOXD13 наиболее 5' ген кластера обусловливает синдактилию между пальцами 3 и 4 и пальцами ног 4 и 5 и удвоение пильцев рук в синдактиличной складке рук. Все мутации связаны с in-frame экспансией тракта в 15 полиаланиновых остатков в N-тарминальной области HOXD13 (избыточность функции). Известна и мутация сдвига рамки (нулевой алель?), она дает тот же фенотип на руках, но отличается по проявлению в стопах (наличие рудиментарного пальца между метатарзусами 1 и 2.

Хондрогенез - роль Sox генов

SOX9 вызывает редкую и тяжелую форму карликовости campomelic dysplasia (CD). У пациентов обнаруживается искривление и ангуляция длинных костей, гипоплазия лопаток и таза, аномалии позвоночного столба, уменьшение числа ребер и небольшой хондрокраниум, приводящий к черепнолицевым аномалиям. Скелетные аномали часто связаны с XY sex reversal. Sox9 транскрипты обнаруживаются во всех прехондрогенных мезенхимных конденсатах между 8.5 и 9.5 днем эмбриогенеза мыши с пиком экспрессии на 11.5-14.5 день. Подобно коллагену типа II (Col2a1) Sox9 экспрессируется на высоком уровне во всех прехондроцитах и хондроцитах. В соответствии с XY реверсией, Ыщч9 экспрессируется также в генитальном гребне. В ростовых пластинках длинных костей Sox9 и Col2a1 уровень высок как в покоящихся, так и пролиферирующих хондроцитах, тогда как Sox9 выключается в гмпертрофированных хондроцитах, а Col2a1 транскрипты продолжают обнаруживаться.

Sox9 необходим для экспрессии специфичных для хряща компонентов внеклеточного матрикса, таких как коллаген II,IX и XI и большого протеогликанового аггрекана. Sox9, связываясь с первым интромном энхансера Col2a1 непосредственно активирует экспрессию Col2a1. Sox9 нулевыые клетки остаются в надкостнице и не дифференцируются в хондроциты.

Идентифицировано около 20 Sox генов с 50% идентичностью в HMG домене из 79 амнокислотных остатков. L-Sox5 и Sox6 также участвуют в экспрессии Col2a1. Они, по-видимому, образуют большой комплекс с Sox9 и другими ядерными белками в хондроцитах.

Созревание хондроцитов и контроль инвазии кровеносных сосудов в хрящ

Хондроциты в центральной области хряща подвергаются дальнейшему созреванию в гипертрофичеакие хондроциты, которые выходят из клеточного цикла и синтезируют ВКМ, отличающийся по составу от ВКМ пролиферирующего хряща. Ангиогенные факторы, секретируемые гипертрофическими хондроцитами индуцруют ызкщгешт ангиогенез от надкостницы. С сосудами проникают остеобласты, остеокласты т гематопоэтические клетки. В результате бразуется первичный центр оссификации.

Внутри этих центров матрикс гипертрофического хряща деградирует, гипертрофические хондроциты подвергаются апоптозу, остеобласты замещают исчезающий хрящ трабекулами кости и формируется костный мозг. В то же самое время остеобласты в надкостнице формируют манжетку компактной кости вокруг средней части (диафизов) хряща, так что первичные центры оссификации оказываются внутри костной трубки. На одном или обоих концах (эпифизах) хряща формируются вторичные центры оссификации, остается пластинка хряща (ростовая пластинка) между эпифизами и диафизом.

ММР-9 и возможно другие металлопротеиназы необходимы для нормального апоптоза гипертрофических хондроцитов. У гомозигот Cbfa1 нулевых мышей не происходит врастания кровеносных сосудов в хрящ. Следовательно, остаобласт-индуцирующий транскрипционный фактор Cbfa1 м. прямо или косвенно контролировать экспрессию VEGF и ангиогенез в соединении между ростовой пластинкой и трабекулярной костью.

Ростовая пластинка и рост кости

Идентифицирован Indian hedgehog (Ihh), член семейства Hh. Ihh является стимулятором пролиферации хондроцитов ростовой пластинки, он препятствует гипертрофии хондроцитов. Его экспрессия у мышей начинается еще в прехондроцитах в раннем развитии, но ограничивается прегипертрофическими хондроцитами ростовой пластинки после рождения. Мыши, гомозиготные по нулевой мутации Ihh имеют тяжелую карликовсть и отсутствие эндохондрального образования кости.Пролиферация хондроцитов заметно редуцирована и созревание в гипертрофные хондроциты нарушена.

Установлено, что активированный PTHrP рецептор может восстанавливать нарушенное созревание хондроцитов у Ihh-дефицитных мышей. Ihh стимулирует экспрессию PTHrP в пеиартикулярных перихондральных клетках. PTHrP, по-видимому. препятсвует гипертрофии хондроцитов в ростовой пластинке и сохраняет пул клеток выше гипертрофической зоны в пролиферативном состоянии. Эффекты PTHrP опосредуются ЗЕРкЗ рецептором, П белок-купированным рецептором. Т.обр., Ihh и периартикулярный перихондральный PTHrP посредством компонетов петли обратной связи регулируют пропорцию пролиферирующих и гипертрофических хондроцитов в ростовой пластинке.

Активирующие мутации в гене рецептора PTHrP обусловливают Jansen metaphyseal chondrodysplasia с крайними нарушениями метафизов длинных костей. Мутации с потерей функции этого гена обнаруживаются при Blomstrand chondropdysplasia, характеризующейся избыточным скелетным созреванием.

ВМР м. не только представлять собой нижестоящий медиатор передачи сигналов Ihh, но и м. быть позитивным индуктором Ihh экспрессии. Передача сигнаов через рецепторы ретиноевой кислоты такж м. играть роль, так как индуцируемый ею ген Stra6 экспрессируется в языко-образной области вокруг ростовой пластинки на уровне Ihh-продуцирующих прегипертрифических хондроцитов.

Активирующие мутации FGFR3 обусловливают ахондроплазию, наиболее частую карликовость у человека, а также гипохондроплазию, thanatophoric dysplasia и синдром Crouzon c acanthosis nigricans. Рост-задерживающие эффекты этих мутаций показывают, что через FGFR3 ингибируется пролиферация хондроцитов и экспрессия Ihh. Целенаправленная делеция Fgfr3 у мышей ведет напротив к избыточному росту скелета.

Дифференцировка и функция остеобластов

Остеобласты, возникающие из мезенхимных клеток отвечают за отложение костного матрикса. Ключевым регулятором дифференцировки остеоластов и их функции является Cbfa1, гомологичный гену Кгте дрозофилы. Кость не образуется у гомозиготных Cbfa1-дефицитных мышей, хотя хрящевой скелет формируется нормально. Гаплонедостаточность Cbfa1 обусловливает cleidocranial dysplasia (CCD) у мышей и людей. Задержка закрытия краниальных швов и родничков, гипоплазия или аплазия ключиц, аномалии зубов, включая задержку прорезывания молочных и постоянных зубов и добавочные постоянные зубы. Помимо участия в дифференцировке остеобластов Cbfa1 необходим также для отложения костного матрикса зрелыми остеобластами ( у некоторых пациентов с тяжелой CCD имеется остеопороз). Cbfa1 взаимодействует с промоторами некоторых костных белков, включая osteocalcin, bone sialoprotein, щелочную фосфатазу и коллаген типа I.

Гипертрофия хондроцитов в некоторых зачатках хряща нуждается в Cbfa1. Так как низкий уровенть экспрессии Cbfa1 может обнаруживаться в гипертрофических хондроцитах ростовых пластинок дикого типа, то это ведет к предположению, что Cbfa1 помимо индукции дифференцировки остеобластов необходим или является лимитирующим фактором гипертрофии хондроцитов и м. б. необходим для экспрессии VEGF и ангиогенеза во время эндохондральной оссификации. Наконец, Cbfa1 м. контролировать экспрессию коллагеназы 3 (ММР-13) в гипертрофических хондроцитах.

ВКМ в развитии скелета

Гены, кодирующие α1(I) и α2(I) цепи для колагена типа I, обусловливают osteogenesis imperfecta (OI). Это группа скелетных нарушений, характеризующихся ломкостью костей. поерей слуха, олубыми склерами и вутештщпутуышы шьзукаусенф. Огромное большинство пациентов с OI имеют нефункциональный или нулевой аллель гена коллагаена I. Мутации, затрагивающие С-терминальный пептид цепи проколлагена типа I предупреждают включение мутантной цепи в тримерную молекулу и обусловливает фенотип средней тяжести. Пациенты с более тяжелым фенотипом имеют обычно точковую мутацию в triple-helical домене или α1(I) b α2(I) цепи, которая изменяет кодон для глицина в bulkier аминокислотный остаток. Мутантная цепь участвует в формировании тримера о вызывает доминантный негативный эффект, дестабилизируюя тройную спираль. Фенотип в основном предопределяется величиной секреции молекул мутантного колагена в костнвй матрикс и последующего включения в колагеновые фибриллы.

Колаген типа II, гомотример, кодируемый COL2A1, является основным коллагеновым компонентом хряща, стекловидного тела глаз, nucleus pulposus межпозвонковых дисков и текториальной мембраны уха. Мутации его вызывают спектр дефектов, известных как type II collagenopathies. Тяжесть варьирует от летальности ( achondrogenesis type II, hypochondrogenesis) к тяжелой карликовости (spondyloepiphyseal dysplasia congenita, Kniest dysplasia) и нормальному росту с ранним началом остеоартрита (Stickler синдром и др). У пациентов с мутацией COL2A1 возможна отслойка сетчатки и потеря слуха.

Ряд минорных колагенов (типа IX,X,XI и XII) также являются компонетами хряща. Коллаген типа ШЧ является гетеромерным нефибриллярным коллагеном, состоящим из 3-х разных α цепей , α 1(IX),α2(IX) и α3(IX), которые коэкспрессируют в хряще и других хрящ-подобных тканях с коллагеном типа II. Молекулы коллагена IX локализуются на поверхности фибрил, где они поперечно связываются с остатками в N- и С-телопептидах коллагена типа ШШ. Мутации коллагена IX вызывают multiple epiphyseal displasia (MED), клинически и генетически гетерогенное заболевание со средним ростом и ранним началом остеоартритов. В некоторых семьям мутация сплайсинг-сайта COL9A2 ведет к пропуску экзона 3 в α 2(IX) транскриптах. В других семьях наблюдается сходный пропуск экзона 3 в α 3(IX).

Коллаген типа Х, член семейства коллагенов с короткой цепью, является гомотримером, экспрессирующимся в гипертрофических ходроцитах во время эндохондральной оссификации. Мутации COL10A1 обусловливают аутосомно диминатное нарушение Schmid metaphyseal chondrodysplasia, которая характеризуется искривлением ног, задержкой роста нижних конечностей и coxa vara. Все мутации обнаружены в С-терминальном в тщтекшзду-рудшсфд ТС1 домене молекулы и мутантные цепи не участвуют в формировании тримерной молекулы и не секретируется хондроцитами.

Коллаген типа XI минорный коллаген хряща кополимеризуется в коллагеном типа II и по-видимому, регулирует диаметр фибрил. Он гетеротример, состоящий из продуктов 3-х разных генов COL11A1,COL11A2 и COL2A1. Мутации в COL11A1 обусловливают Ьфкырфдд или Ыешслдук синдром. Нулевые мутации COL2A1 гена вызывают типичный синдром Ыешслдук ( с витроретинальной дегенерацией и менее частой потерей слуха), тогда как сплайсин мутация COL11A1 отвечает за синдром Marshall (с обычной потерей слуха и менее частой витроретинальной дегенерацией). Мутации COL11A2 гена ассоциируют с Ыешслдук-подобным синдромом без вовлечения глаз.

Не исключена возможность того, что коллагены IX и XI, расположенные на поверхвности коллагеновых фибрил в хряще связываются рецепторами тирозин киназы хондроцитов и модулируют клеточные процессы прямой передачей сигналов через такие рецепторы.

Мутации, затрагивающие аггрекан и другие связывающие белки вызывают тяжелую карликовость, это указывает на то, что они влияют на клеточную кинетику ростовых пластинок. Мутантные мыши cartilage matrix deficiency (cmd) имеют короткие конечности, хвост и рыло, расщепление неба и нарушения межвозвонковых дисков. В ростовых пластинках нехватка связывающего белка вызывает уменьшение отложения аггрекана в гипертрофической зоне и снижение числа пригипертрофических и гипертрофических хондроцитов.

Большой гепаран сульфат протеогликан, перлекан, имеет разные модули организации в 5 доменах, которые способны связывать разные другие малые и большие молекулы, включая FGF2, FGF7, фибронектин, гепарин, ламинин, PDGF-BB и интегрны. Перлекан способствует хондрогенной дифференцировке. Нулевые мыши имеют тяжелые аномалии ростовых пластинок. Очевидно, перлекан защищает ВКМ хряща против матричных протеаз. Однако благодаря свой способности связывать и секвестрировать факторы роста, такие как FGF, он м. модулировать цитокинами обеспечиваемые пути передачи сигналов в ростовой пластинке.

Bone developmentB.R. Olsen, A.M. Reginato, W. Wang

Ann. Rev. Cell Dev. Biol. 2000. V. 16. P. 191-220