Islets of Langerhans
ОСТРОВКИ ЛАНГЕРГАНСА
Larsson, 1998.
Островки Лангерганса разбросаны по всей поджелудочной железе. Они состоят из 4 основных типов клеток: инсулин-продуцирующих бета (В) клеток; глюкагон-продуцирующих альфа (А) клеток; соматостатин-продуцируюих дельта (D) клеток и панкреатических полипептид-продуцирующих РР (или F) клеток. У разных видов могут быть дополнительные эндокриные клетки, в частности серотонин-продуцирующие энтерохромаффинные клетки. У человека и некоторых др видов островки дольчатые. Помимо островков эндокринные клетки часто разбросаны в протоках и между экзокринными клетками. В частности РР клетки встречаются в дуоденальной или uncinate доле панкреас.	У млекопитающих поджелудочная железа развивается из двух выростов (вентральная и дорсальная почка) из примитивной передней кишки. Оба зачатка состоят из энтодермальных клеток, окруженных мезенхимными. Предположение, что клетки островков происходят из нероэктодермы, не подтвердилось. Тем не менее клетки островков и близкие к ним эндокринные клетки кишечника обладают многими общими фенотипическими характеристиками с нейроэктодермальными клетками. Они содержат энзимы (напр., тирозин гидроксилазу, допа декарбоксилазу, нейрон-специфическую энолазу), определенные белки (напр.,хромагранины, PGP, синаптофизин), нейроэндокринные пептиды (напр., соматостатин, инсулин, глюкагон, гастрин, холецистокинин, субстранция Р,тиротропин-рализинг гормон) и биогенные моноамины. Ряд гомоеобоксных факторов участвует в развитии нейральных структур (напр., Isl1, NeuriD/Beta 2, Pax 4, Pax 6) оказалось, что кроме того они важны и для развития и функции островковых клеток. Дополнительные гомеобоксный белок pancreatic (-antral)-duodenal homeobox, Pdx1 (также наз. Ipf1, Stf1,Idx1) необходим как для эндокринных, так и экзокринных частей панкреас. Pdx1 необходим также для созревания гастриновых клеток в антруме желудка и для созревания рострального дуоденального эпителия. Экспрессия Pdx1 обнаруживается в большинстве клеток ранних дорсальной и вентральной почек. Эндокринные клетки могут обнаруживаться даже в самых самых ранних зачатках. Они экспрессируют глюкагон пептид тирозин тирозин (PYY) и инсулин.Лишь на поздних стадиях развития обнаруживается экспрессия NPY и появляются РР клетки. PYY и другие члены PP-fold семейства пептидов связываются с семейством рецепторов, содержащих 7 трансмембранных доменов и относящихся к G-protein coupled суперсемейству рецепторов. Y1 рецепторы предпочитают PYY, NPY, они располагаются в клетках паренхимы панкреас в непосредственной близи к PYY-продуцирующим эндокринным клеткам. Таким образом, самые ранние эндокринные клети, по-видимому, мультигрмональные и коэкспрессируют PYY и глюкагон. Некоторые клетки кроме того экспрессируют и инсулин. Подавляющее большинство последних типов клеток оказываются негативными в отношении Pdx1. Большинство же Pdx1-позитивных клеток являются гормон-негативными. Ранние глюкагон-иммунореактивные клетки обладают и Рах 6 иммунореактивностью. Разрушение гена Рах 6 вызывает уменьшение или прекращение дифференцировки глюкагоновых клеток, нарушению образования островков и уменьшению экспресиии других островковых гормонов. Ген Рах 4 необходим для формирования панкреатических инсулиновых и соматостатиновых клеток. Мезенхима, окружающая панкреатические зачатки существенна для их роста и дифференцировки. Гомеобоксный белок Isl1 экспрессируется как мезенхимными клетками, окружающими дорсальную почку, так и эндокринными клетками в почке. Делеция Isl1 обусловливает отсутствие образования дорсальной мезенхимы и экзокринных и эндокринных клеток дорсального зачатка панкреас. Вентральный зачаток, который появляется позже, развивается нормально. Добавление панкреатической мезенхимы дикого типа восстанавливает образование экзокринных, но не эндокринных клеток. У мутанов Isl1 экспрессия дорсальной почкой Pdx1 сильно редуцирована, но не изменена в нормально развивающейся вентрлальной почке. Для обеих почек характерно отсутствие экспрессии Shh и Indian hedgehog (Ihh), которые обычно экспрессируются во всех энтодермальных производных. Трансген Shh под контролем Pdx1 промотора/энхансера вызвает дифференцировку мезенхимы в гладкие мышцы, а панкреатическая энтодерма обнаруживает признаки как кишечной, так и панкреатической дифференцировки. Появление при этом инсулиновыхклеток указыват нато, что путь мезенхимных инструкций для формирования эндокринных клеток полностью не перекрыт. Недавно обнаруженный гомеобоксный фактор Nkx6.1 обнаруживает паттерн экспрессии, сходный с Pdx1. Так, Nkx6.1 экспрессируется в антруме желудка и в В клетках панкреас. Однако он не экспрессируется в двенадцатиперстной кишке. В ранних панкреатических зачатках Nkx6.1 иммунореактивность присутствует в большинстве ядер за исключением большинства ранних мультигормональных клеток. В ходе развития Nkx6.1 и Pdx1 постепенно исчезают из ядер паренхимных клеток и ограничиваются эндокринными клетками. Эти изменения очень заметны на 15-17 день развития плодов крыс. Этот период характеризуется большими структурными и биохимическими перестройками. В это время появляются ультраструктурно распознаваемые В клетки и панкреатический инсулин и инсулиновая мРНК и зимоген подвергаются быстрому увеличению Во время этого вторичного перехода впервые появляются клетки инсулин-позитивные, но глюкагон-негативные, что связывают с появлением В клеток. Выявляется 3 типа инсулин иммунореактивных клеток: 1) инсулин+глюкагон+PYY позитивные клетки; 2) инсулин+PYY позитивные и 3) иммнопозитивные только по инсулину клетки. Два последних типа клеток обнаруживают строгую ядерную иммунореактивность по Pdx1 Nkx6.1. Pdx1 необходим для экспрессии Nkx6.1 Ряд других маркеров, включая глюкозный транспортер 2 (Glut-2), high affinity NGF receptor (Trk-A) и плодный антиген 1 (FA-1)/preadipicyte factor-1 (pref-1) обнаруживают экспрессию в панкреас, сходную с таковой для Pdx1 Nkx6.1. Следовательно, эти белки первоначално экспрессируемые гормон-негативными паренхимными или протоковыми клетками позднее экспрессируются в большинстве В-клеток. Мультигормональные клетки (1) обычно появляются в кластерах вместе с глюкагон-иммунопозитивными клетками. Оба типа клеток обнаруживают иммунореактивность для TGFβ-семества лиганда активина. Во время вторичного перехода клетки иммунопозитивные по инсулину, но негативные по глюкагону впервые появляются в паренхиме вне этих кластеров. Эти новые инсулиновые клетки экспресируют Pdx1 Nkx6.1, тгда как мульигормональные клетки в основном негативны по этим гомеобоксным белкам. Возможно, что мультигормональные предшественники мигрируют из глюкагоновых кластеров и дифференцируются в инсулиновые клетки, однако возможно и то, что гормон-негативные парехимные клетки в близи этих кластеров индуцируются к продукции инсулина. Потентным индуктором является активин, который вместе с фактором роста гепатоцитов и бетацеллулином индуцирует продукцию мнсулина в панкреатической AR4-2J аденокарциномной клеточной линии. Изучение кинетики показывает, что большинство вновь появившихся инсулиновых клеток возникет в результате дифференцировки гормон-негативных клеток-предшественников скорее, чем в результате деления гормон-позитивных клеток. Мультигормональные же клетки обнаруживают довольно высокий индекс мечения. Формирование островков и судьба мультигормональных клеток Сигнальные молекулы семейства TGFβ ингибируют клеточную пролиферацию. Так, воздействие активина ведет к остановке синтеза ДНК AR4-2J клетками. Терминальная дифференцировка инсулиновых клеток м.б. связана с редукцией пролиферативной способности, возможно с помощью TGFβ-зависимого пути. Мультигормональны клетки остаются в основном в кластерах глюкагонных клеток в течение последующих дней развития. Во время и после вторичного перехода обнаруживается увеличение клеток иммунопозитивных только по инсулину. Агрегаты этих клеток формируют кластеры инсулиновых клеток с помощью кадхеринов. Нарушение образования островов обнаруживается у мутантов Рах 6 или NeuroD/Beta2 может быть объяснено дефективной экспрессией кадхеринов или других молекул клеточной адгезии (CAMs). Одновременно кластеры глюкагоновых клеток более удлинненной формы частично окружают кластеры инсулиновых клеток. Со временем образуются типичные островки с периферическим краем из глюкагоновых клеток, окружающих инсулиновые клетки. В течение этого периода инсулин + глюкагон иммунопозитивные клетки остаются вместе с глюкагоновыми клетками. После образования островков Инсулин+глюкагон иммунореактивные клетки обнаруживаются в мантии, но никогда в сердцевине. В постнатальный период такие мультигормональные клетки постепенно становятся чрезвычайно редкими, но все еще располагаются в мантии островков. Они никогда не обнаруживаются у взрослых. Очевидно глюкагон+инсулин иммунореактивные клетки являются предшественниками глюкагоновых клеток скорее, чем инсулиновых. Однако нельзя исключить возможность, что мультигормональные клетки постепенно элиминируются в процессе апоптоза. Разные возможности представлены на рис. Большинство панкреатических гормонов обнаруживается на низком уровне во время протодифференцированной стадии и затем резко возрастает во время вторичного перхода. РР транскрипты обнаруживаются (RT-PCR) уже на ст. 30 сомитов (Е10-Е10.5) у мышей, с помощью антисыворотки перед рождением - белок. Показано, что PYY экспрессируется всеми рано развивающимися эндокринными панкреатическими клетками. Ряд других гормонов, включая гастрин,секретин, тиротропин-релизинг гормон и субстанцию Р, также временно экспрессируются в развивающейся поджелудочной железе. Клинические и трансгенные исследования указывают на то, что гастрин и TGFα могут стимулировать формирование островковых клеток. Функциональная роль других пептидов еще не изучена.

У млекопитающих поджелудочная железа развивается из двух выростов (вентральная и дорсальная почка) из примитивной передней кишки. Оба зачатка состоят из энтодермальных клеток, окруженных мезенхимными. Предположение, что клетки островков происходят из нероэктодермы, не подтвердилось. Тем не менее клетки островков и близкие к ним эндокринные клетки кишечника обладают многими общими фенотипическими характеристиками с нейроэктодермальными клетками. Они содержат энзимы (напр., тирозин гидроксилазу, допа декарбоксилазу, нейрон-специфическую энолазу), определенные белки (напр.,хромагранины, PGP, синаптофизин), нейроэндокринные пептиды (напр., соматостатин, инсулин, глюкагон, гастрин, холецистокинин, субстранция Р,тиротропин-рализинг гормон) и биогенные моноамины.

Ряд гомоеобоксных факторов участвует в развитии нейральных структур (напр., Isl1, NeuriD/Beta 2, Pax 4, Pax 6) оказалось, что кроме того они важны и для развития и функции островковых клеток. Дополнительные гомеобоксный белок pancreatic (-antral)-duodenal homeobox, Pdx1 (также наз. Ipf1, Stf1,Idx1) необходим как для эндокринных, так и экзокринных частей панкреас. Pdx1 необходим также для созревания гастриновых клеток в антруме желудка и для созревания рострального дуоденального эпителия. Экспрессия Pdx1 обнаруживается в большинстве клеток ранних дорсальной и вентральной почек. Эндокринные клетки могут обнаруживаться даже в самых самых ранних зачатках. Они экспрессируют глюкагон пептид тирозин тирозин (PYY) и инсулин.Лишь на поздних стадиях развития обнаруживается экспрессия NPY и появляются РР клетки.

PYY и другие члены PP-fold семейства пептидов связываются с семейством рецепторов, содержащих 7 трансмембранных доменов и относящихся к G-protein coupled суперсемейству рецепторов. Y1 рецепторы предпочитают PYY, NPY, они располагаются в клетках паренхимы панкреас в непосредственной близи к PYY-продуцирующим эндокринным клеткам.

Таким образом, самые ранние эндокринные клети, по-видимому, мультигрмональные и коэкспрессируют PYY и глюкагон. Некоторые клетки кроме того экспрессируют и инсулин. Подавляющее большинство последних типов клеток оказываются негативными в отношении Pdx1. Большинство же Pdx1-позитивных клеток являются гормон-негативными.

Ранние глюкагон-иммунореактивные клетки обладают и Рах 6 иммунореактивностью. Разрушение гена Рах 6 вызывает уменьшение или прекращение дифференцировки глюкагоновых клеток, нарушению образования островков и уменьшению экспресиии других островковых гормонов. Ген Рах 4 необходим для формирования панкреатических инсулиновых и соматостатиновых клеток.

Мезенхима, окружающая панкреатические зачатки существенна для их роста и дифференцировки. Гомеобоксный белок Isl1 экспрессируется как мезенхимными клетками, окружающими дорсальную почку, так и эндокринными клетками в почке. Делеция Isl1 обусловливает отсутствие образования дорсальной мезенхимы и экзокринных и эндокринных клеток дорсального зачатка панкреас. Вентральный зачаток, который появляется позже, развивается нормально. Добавление панкреатической мезенхимы дикого типа восстанавливает образование экзокринных, но не эндокринных клеток.

У мутанов Isl1 экспрессия дорсальной почкой Pdx1 сильно редуцирована, но не изменена в нормально развивающейся вентрлальной почке. Для обеих почек характерно отсутствие экспрессии Shh и Indian hedgehog (Ihh), которые обычно экспрессируются во всех энтодермальных производных. Трансген Shh под контролем Pdx1 промотора/энхансера вызвает дифференцировку мезенхимы в гладкие мышцы, а панкреатическая энтодерма обнаруживает признаки как кишечной, так и панкреатической дифференцировки. Появление при этом инсулиновыхклеток указыват нато, что путь мезенхимных инструкций для формирования эндокринных клеток полностью не перекрыт.

Недавно обнаруженный гомеобоксный фактор Nkx6.1 обнаруживает паттерн экспрессии, сходный с Pdx1. Так, Nkx6.1 экспрессируется в антруме желудка и в В клетках панкреас. Однако он не экспрессируется в двенадцатиперстной кишке. В ранних панкреатических зачатках Nkx6.1 иммунореактивность присутствует в большинстве ядер за исключением большинства ранних мультигормональных клеток. В ходе развития Nkx6.1 и Pdx1 постепенно исчезают из ядер паренхимных клеток и ограничиваются эндокринными клетками.

Эти изменения очень заметны на 15-17 день развития плодов крыс. Этот период характеризуется большими структурными и биохимическими перестройками. В это время появляются ультраструктурно распознаваемые В клетки и панкреатический инсулин и инсулиновая мРНК и зимоген подвергаются быстрому увеличению Во время этого вторичного перехода впервые появляются клетки инсулин-позитивные, но глюкагон-негативные, что связывают с появлением В клеток. Выявляется 3 типа инсулин иммунореактивных клеток: 1) инсулин+глюкагон+PYY позитивные клетки; 2) инсулин+PYY позитивные и 3) иммнопозитивные только по инсулину клетки. Два последних типа клеток обнаруживают строгую ядерную иммунореактивность по Pdx1 Nkx6.1. Pdx1 необходим для экспрессии Nkx6.1

Ряд других маркеров, включая глюкозный транспортер 2 (Glut-2), high affinity NGF receptor (Trk-A) и плодный антиген 1 (FA-1)/preadipicyte factor-1 (pref-1) обнаруживают экспрессию в панкреас, сходную с таковой для Pdx1 Nkx6.1. Следовательно, эти белки первоначално экспрессируемые гормон-негативными паренхимными или протоковыми клетками позднее экспрессируются в большинстве В-клеток.

Мультигормональные клетки (1) обычно появляются в кластерах вместе с глюкагон-иммунопозитивными клетками. Оба типа клеток обнаруживают иммунореактивность для TGFβ-семества лиганда активина. Во время вторичного перехода клетки иммунопозитивные по инсулину, но негативные по глюкагону впервые появляются в паренхиме вне этих кластеров. Эти новые инсулиновые клетки экспресируют Pdx1 Nkx6.1, тгда как мульигормональные клетки в основном негативны по этим гомеобоксным белкам. Возможно, что мультигормональные предшественники мигрируют из глюкагоновых кластеров и дифференцируются в инсулиновые клетки, однако возможно и то, что гормон-негативные парехимные клетки в близи этих кластеров индуцируются к продукции инсулина. Потентным индуктором является активин, который вместе с фактором роста гепатоцитов и бетацеллулином индуцирует продукцию мнсулина в панкреатической AR4-2J аденокарциномной клеточной линии.

Изучение кинетики показывает, что большинство вновь появившихся инсулиновых клеток возникет в результате дифференцировки гормон-негативных клеток-предшественников скорее, чем в результате деления гормон-позитивных клеток. Мультигормональные же клетки обнаруживают довольно высокий индекс мечения.

Формирование островков и судьба мультигормональных клеток

Сигнальные молекулы семейства TGFβ ингибируют клеточную пролиферацию. Так, воздействие активина ведет к остановке синтеза ДНК AR4-2J клетками. Терминальная дифференцировка инсулиновых клеток м.б. связана с редукцией пролиферативной способности, возможно с помощью TGFβ-зависимого пути. Мультигормональны клетки остаются в основном в кластерах глюкагонных клеток в течение последующих дней развития. Во время и после вторичного перехода обнаруживается увеличение клеток иммунопозитивных только по инсулину. Агрегаты этих клеток формируют кластеры инсулиновых клеток с помощью кадхеринов. Нарушение образования островов обнаруживается у мутантов Рах 6 или NeuroD/Beta2 может быть объяснено дефективной экспрессией кадхеринов или других молекул клеточной адгезии (CAMs). Одновременно кластеры глюкагоновых клеток более удлинненной формы частично окружают кластеры инсулиновых клеток. Со временем образуются типичные островки с периферическим краем из глюкагоновых клеток, окружающих инсулиновые клетки. В течение этого периода инсулин + глюкагон иммунопозитивные клетки остаются вместе с глюкагоновыми клетками. После образования островков Инсулин+глюкагон иммунореактивные клетки обнаруживаются в мантии, но никогда в сердцевине. В постнатальный период такие мультигормональные клетки постепенно становятся чрезвычайно редкими, но все еще располагаются в мантии островков. Они никогда не обнаруживаются у взрослых. Очевидно глюкагон+инсулин иммунореактивные клетки являются предшественниками глюкагоновых клеток скорее, чем инсулиновых. Однако нельзя исключить возможность, что мультигормональные клетки постепенно элиминируются в процессе апоптоза. Разные возможности представлены на рис.

Большинство панкреатических гормонов обнаруживается на низком уровне во время протодифференцированной стадии и затем резко возрастает во время вторичного перхода. РР транскрипты обнаруживаются (RT-PCR) уже на ст. 30 сомитов (Е10-Е10.5) у мышей, с помощью антисыворотки перед рождением - белок. Показано, что PYY экспрессируется всеми рано развивающимися эндокринными панкреатическими клетками. Ряд других гормонов, включая гастрин,секретин, тиротропин-релизинг гормон и субстанцию Р, также временно экспрессируются в развивающейся поджелудочной железе. Клинические и трансгенные исследования указывают на то, что гастрин и TGFα могут стимулировать формирование островковых клеток. Функциональная роль других пептидов еще не изучена.

ОСТРОВКИ ЛАНГЕРГАНСА

Формирование островков и судьба мультигормональных клеток