Homeobox genes and gut development |
|
|---|---|
Гомеобоксные гены и развитие анатомических структурУ мышей помимо 4-х Нох кластеров имеется 'ParaHox' кластер, возможно исходный паралог Нох кластеров, возникший, по-видимому, в результате удвоения родоначально 'ParaHox' кластера генов. ParaHox гены обладают колинеарностью экспрессии как в нервной рубке, так и в кишке и подобно сестринским Нох генам, они очевидно кодируют формирование черепно-хвостового паттерна. У мышей ParaHox кластер состоит из Gsh1, Pdx1 и Cdx2 (5-я хромосома мыши).
Гомеобоксные гены экспрессируются как в энтодермальных, так и мезодермальных компонентах. Предлагается двухфазная модель экспрессии Нох генов. Было установлено, что гены сначала экспрессируются в задней части первичной полоски, а затем экспрессия распространяется кпереди в соответствии с последовательностью Нох генов в хромосоме, занимая перднюю часть послоски и Гензеновский узелок. Эта экспансия не связана с клональным распределением. Затем, по-видимому, дальнейшая экспрессия Нох генов клонально передается потомкам клеток первичной полоски. Это обусловливает сегментную эксперссию позиционной информации вдоль передне-задней оси.
| Эксперссия гомеобоксных генов в кишечнике Кишка формируется гетерогенной смесью клеток, происходящих из дефинитивной энтодермы, мезодермы латеральной пластинки и клеток нервного гребня и каждая из этих популяций м. нести свой собственный Нох код, а также взаимодействовать со своими соседями.На рис. 1 диаграмма распределения Нох генов. Данные имеются не для всех генов.
В отличие от бранхиальных дуг в туловище границы передней экспрессии членов группы м.б. смещены. Так, граница передней экспрессии паралогов группы 2 находится на уровне второй бранхиальной дуги, тогда как группа 3 на уровне 3-й, а группа 4-я на уровне 4-ой. НОх патерн этих групп, специфицирующий ромбомеры, м. переноситься на мезенхиму бранхиальных дуг, путем миграции клеток НГ. Клетки НГ, мигрирующие в глоточную облшасть находятся в положении, чтобы инструктировать соседние эктодермальные, энтодермальные и мезодермальные ткани. Дивертикул передней кишки и окружающая его мезодерма, не происходящая из клеток НГ, могут иметь и свой собственный код позиционной информации.
Dispersed homeobox genesParaHox кластер строго экспрессируется в энтодерме кишки и на позднизъх стадиях. Gsh1 участвует в развитии аденогипофиза, хотя это и эктодермальный дериват (карман Ратке) у млекопитающих, у рыб миксин его гомолог энтодермального происхождения. Экспрессия Pdx1 начинается на 8.5 дпк у мышей в дорсальных клетках кишки и ограничивается на 9-й день презумптивной дуоденальной областью и клетками дорсальной и латеральной части вентральной панкреатической почки. На 13.5 дпк большинство эпителиальных клеток панкреатического протока и панкреатического примордия метятся, но к 17.5 дню окрашивание начинает ограничиваться бета-клетками эндокринной части поджелудочной железы и эпителием дуаденальных ворсинок.
Cdx2, гомологиный caudal дрозофилы, экспрессируется у мышей во внеэмбриональных мембранах. Начинает обнаруживатья на 8.5 день в эпителии кишеник, хвостовой почки, задней части нервной трубки и в пресегментнальной параксиальной мезодерме. На 12.5 дпк только эпителий кишки реагирует с Cdx2 антителами. Его экспрессия начинается ростральне печеночного дивертикула и распросраняется до проксимальной части колона. У взрослых его экспрессия сохраняется в проксимальной части колона, постепенно снижаясь в илеум и оуогтгь краниально и каудально в дистальных частях колона.
У позвоночных известны еще cad гомологи. У мышей Cdx1 и Cdx4. Они не сцеплены с ParaHox кластером в хромосоме 5. Cdx1 экспрессирется в раннем развитии мыши, но в эндотерме кишки только после 14.5 дпк. Cdx4 времено экспрессируется между 7 и 10 дпк, начиная с задне части первичной полоски и распространяясь кпереди (подобно Нох). Кроме того он экспрессируется в задней части нейроэктодермы, пресегментальной пластинке параксиальной мезодермы, латеральной пластинке мезодермы и задней кишке.
3 гомолога сфв известно у кур. CdxA экспрессия в разивающейся энтодерме кишки выявляеся с 11 ст (=9дпк мыши). CdxC (по-видимому, гомолог Cdx2) экспрессируется в кишечном эпителии во время развития. Экспрессия CdxB в дефинитивной мезодерме не обнаруживется (иследованы только ранние стадии).
Роль гомеозисных генов в развитии и функционировании кишеникаМутации часто не бнаруживают своих эффектов в кишечнике из за высокой вырожденности (redundancy). Мутанты по Ноха3 обнаруживают нарушения в тимусе и паращитовидных железах и имеют гипопластичные щитовидные железы. Нокаут Нохс4 вызывает блокаду просвета пищевода и нарушает его мускулатуру. Нулевые мутации Hoxd12 и Hoxd13 обусловливают отсутствие анального сфинктера, что ведет к пролапсу прямой кишки.
Предполагается, что взаимодействие Cdx2 с Pdx1, который не способен к нормальной трансактиввации Cdx2, м. обусловливать caecal аномалии. Нулевые мутации генов кластера ParaHox давали фенотипы более четко связанные с сайтами их эмбриональной экспрессии, чем случаи Нох генов, по-видимому, из-за меньшей вырожденности. У нулевых мутантов Pdx1 хотя панкреатическая почка начинает развиваться, она неспособна давать поджелудочную железу. В панкреатическом зачатке отсуствует инсулин- или амилаза-позитивные клетки, но глюкагон-экспрессирующие клетки м. формироваться. Краниальная часть дуоденум не формирует ворсинок и остается выстланной кубическим эпителием и в ней отсутствуют Бруннеровы железы.
Нулевые гомозиготы Cdx2 погибают при имплантации, у гетерозигот возникают полип-подобные повреждения с очень высокой частотой в проксимальной части колона, во всей области нормальной экспрессии Cdx2. Не обнаруживается нарушений вне этой области. Авт. интерпретируют наблюдаемые изменения как настоящий передний гомеотический сдвиг, связанный с трансформацией кишечного эпителия в более ростральный фенотип (желудочный). У этих гетерозигот обнаруживается также передний гомеозисный сдвиг в аксиальном склете.
Нулевые гомозиготы Cdx1 вызывают передний гомеозисный сдвиг в аксиальном скелете, который распространяется еще больше кпереди, чем у гетерозигот Cdx2. Аномалий в кишенике не выявлено.
Взаимоотношения между гомеозисными генамиПолучены доказательства того, что первичная детерминация энтодермы кишеника предопределяет дифференцировку. Однако имеются также доказательства и того, что висцеральный (спланхноплевральный) слой латеральной пластинки мезодермы частично участвует в формировании паттерна энтодермы, это м.б. поздние паттерн-формирующие события, следующие за передачей инициирующих сигналов от энтодермы к мезодерме. Так, Cdx2 экспрессия модулируется компонентами базальных мембран. Предполагается, что фибробласты могут модифицировать функцию и организацию покрывающего кишечного эпителия путем модификации базальных мембран. Например, было показано, что при формировании передне-заднего паттерна ЦНС у мышей Cdx белки трансдуцируют позиционную информацию непосредственно Нох генам и это позволяет предположить, что активация различных Нох генов осуществляется разныи концентрациями Cdx белков. Нормальная экспрессия Нох генов в виде передене-заднего паттерна завиист от передне-заднего градиента эмбрионального FGF и что это м.б. опосредовано активацией caudal гомолога Xcad3 у Чутщзгыю Так как некоторые Нох гены экспрессируются в кишечной энтодерме, то возможно, что их появление м.б. резуельтатом ранней эксрессии гомологов caudal.
Ясно, что не только Нох и ParaHox гены детерминируют позиционную информацию и норальный морфогенез кишечника. И другие транскрипционные факторы, такие как дивергентный гомеобоксный ген Hlx или ген winged helix транкрипционного фактора Fkx6, по-видимому, играют важную (возможно фундаментальную) роль. Напр., Hlx экспрессия начинается на 9.5 дпк в мезодерме средней и задней кишки; на 12.5 дпк транскрипты обнаруживаются в мезенхиме, окружающей развивающиеся печень, желчный пузырь и кишечник, но не в эпителии этих структур.
На рис. 2 представлена спекулятивная модель регионализации кишечника. Сплошными стрелками показаны установленные, а штриховыми предполагаемые взаимоотношения. Члены кластера генов ParaHox необходимы для регионального развития панкреато-дуоденального эпителия и толстой кишки. Предполагается, что продукты ген Cdx у позвоночных регулируют передне-заднюю экспрессию Нох генов со стадии гаструляции. Shh экспрессируется на самых ранних стадиях развития задней части кишечника и является кандидатом на роль индуктивного сигнала, управляющего инициальными событиями в морфогенезе задней кишки, с предедачей сигнала от энтодермы к мезодерме. Patched, кандидат на роль рецептора Shh экспрессируется в висцеральной мезодерме, в непосредственной близости к энтодермальному сайту экспрессии Shh взадней кишке мышей и кур. Возможно, что HNF-3β может регулировать экспрессию Shh в кишечной энтодерме. Дифференцировака интерстинальных клеток код контролем Cdx2 модулируется компонентами базальных мембран ( в частности ламинином 1). Мезенхима кишечника может выдавать инструктивную информацию для энтодермы.
|