Lungs Morphogenesis

ЛЕГКИЕ: МОРФОГЕНЕЗ, ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ

From fruitflies to mammals: mechanisms of signalling via the Sonic hedgehog pathway in lung development
Minke van Tuyl* and Martin Post
Respir Res 2000, 1:30-35
Путь передачи сигналов hedgehog участвует в различных процессах развития мух и позвоночных. Каскад hedgehog является также критическим для формирования паттерна ранней респираторной системы. Передача сигналов Hedgehog в легких вовлекает Gli транскрипционные белки, гены-мишени которых пока неизвестны. Bmp4 и Fgf10 регулируют морфогенез ветвления и, по-видимому, не являются мишенями для сигналов hedgehog


Рис.1.Путь передачи сигналов Hh изучен на мухах. В отсутствие Hh, Ptc ингибирует передачу сигналов от Smo. Ci полной длины расщепляется после образования комплекса микротрубочек с некоторыми генами сегментной полярности (fused, costal-2 и suppressor of fused) , а в 75 kDa Ci продукт действует как транскрипционный репрессорный белок. После связывания Hh с Ptc, ингибирующий эффект на Smo прекращается и это ведет к диссоциации комплекса микротрубочек. Если Расщепления Ci не происходит, то Ci активирует транскрипцию генов мишеней.
У человека появление средне-вентральной борозды в переддней кишке непосредственно позади глотки происходит примерно на 4-й неделе развития и является первым признаком образования легких. Затем даринго-трахеальная борозда углубляется и наконец сжимается, отделяясь от передней кишки в виде вентральной трахеи. Трахеальный рудимент растет в каудальном направлении и раздваивается образуяя два бронхиальных легочных зачатка. У мышей трахеальный дивертикул образуется на 9-9.5 день беременности. На следующей ступени первичные бронхиальные почки делятся асимметрично давая два слева и три справа вторичных бронха у человека, один слева и 4 справа у мыши. Каждый вторичный бронх (лобулярный) подвергается дальнейшим ветвлениям и вместе с окружающей легочной мезенхимой дает начало окончательным легочным долям.
В качестве морфогена может выступать секретируемая сигнальная молекула Sonic hedgehog (Shh), гомолог hedgehog (Hh) у Drosophila. У мух передача сигналов Hh участвует в формировании паттерна сегментов, ног, крыльев, глаз и головного мозга. Hh подвергается автокаталитическому расщеплению и дает активный N-терминальный фрагмент, который модифицируется добавлением холестероловой moiety к С-концу. У позвоночных 3 гомолога Hh : Sonic (Shh), Desert (Dhh) and Indian(Ihh). Shh отвечает за формирования паттерна многих органов в том числе и легких. Dhh и Ihh имеют более ограниченную роль в развитии зародышевой линии и скелетной системы, соотв. Путь передачи сигналов Hh законсервирован от мух до человека (Рис. 1). Hh связывается с patched (Ptc), трансмембранным белком, который ингибирует активность smoothened (Smo), другого трансмембранного белка. Репрессия же Smo ведет к активации cubitus interruptus (Ci). В отсутствие Hh, полной длины в 155 kDa Ci, который формирует комплекс с несколькими белками сегментной полярности (fused, costal-2 и suppressor of fused) на микротрубочках, расщепляется, высвобождая репрессирующий транскрипцию в 75 kDa N-терминальный фрагмент. Если клетки связывают Hh, то расщепления не происходит, комплекс микротрубочек диссоциирует и происходит активация генов мишеней. 3 Ci гена позвоночных, gli 1, 2 and 3, идентифицированы.
Shh in lung development
В развивающихся легких мышей экспрессия shh обнаруживается трахеальном дивертикуле, пищеводе и позднее в энтодерме трахеи и легких. Ген shh экспрессируется на низком уровне во всем эпителии и на высоком уровне в растущих дистальных почках. У Shh-null мутантов (shh-/-) мыши обнаруживаются серьезные дефекты передней кишки. Трахея и пищевод не разделены, гипопластичные легкие в виде одиночных долей, мешкообразных по структуре, без признаков ветвления и пролиферации мезенхимы. Однако проксимо-дистальная дифференцировка легочного эпителия не изменена. Экспрессия ptc, gli1 и gli3 в мезенхиме подавлена. Избыточная же экспрессия Shh обусловливает отсутствие функциональных альвеол и увеличение интерстициальной ткани в результате усиленной пролиферации как эпителиальных, так и мезенхимных клеток. Трансгенные особи погибают вскоре после рождения из-за респираторной недостаточности. Дифференцировка клеток, определяемая по экспрессии мРНК SP-A, SP-B , SP-C и CC10, нормальна. Экспрессия ptc mRNA увеличена в таких легких. Это указывает на участие Shh сигналов в морфогенезе ветвления, в предопределении асимметрии между правым и левым легким и в процессе отделения трахеи от пищевода.
Ptc in lung development
Ptc - многократно пронизывающий мембрану белок, функционирует как рецептор Shh. Ptc после связи с Shh репрессирует транскрипцию генов, индуцируемых Shh, включая gli1 и ptc-1. Ptc-1-null мыши погибают между 9.0 и 10.5 днем от нейральных и кардиальных дефектов. В легких ptc экспрессируется на высоком уровне в мезенхиме, соседствующей с терминальными почками, обычно экспрессирующими shh. На низком уровне он экспрессируется также в дистальном экпителии. Уровень мРНК как и shh,снижается к моменту рождения. Ptc активруется в легких при избыточной экспрессии Shh и подавляется в легочной мезенхиме shh-/- мышей, следовательно , действует петля позитивной обратной связи.
Gli in lung development
У мышей zinc-finger транскрипционные факторы, Gli1, Gli2 and Gli3, участвуют в трансдукции сигнала Shh. Все три экспрессируются на высоком уровне в дистальной мезодерме. Избыточная экспрессия Shh в легких обусловливает усиление экспрессии gli1, но не gli2 и gli3.
Gli3-дефицитные мыши жизнеспособны, но легкие у них маленькие, а доли изменены по форме. У них экспрессия shh, ptc, gli1 и gli2 не изменена. Напротив, gli2-null мыши погибают при рождении от тяжелых скелетных и нейральных нарушений. Левое и правое легкое у них не разделены. Трахея и пищевод гипопластичны, но разделены. Экспрессия мРНК SP-C и CC10 не изменена. Пролиферация в мезенхиме снижена. Фенотип gli2-/- очень сходен с таковым у Shh-дефицитных мышей за исключением разделения трахеи и пищевода. Экспрессия Shh гена у gli2-/- не изменена, однако экспрессия ptc и gli1 подавлена. У gli2-/-;gli3-/+ мутантов трахея и пищевод не разделены, легкие гипопластичны без разделения на левцю и правую половины. Gli2-/-;gli3-/- мутанты погибают на 10.5 день эмбриогенеза, не имея трахеи, пищевода и легких. Следовательно, Gli3 важен для формирования передней кишки. Gli1-/- мутанты жизнеспособны и выглядят нормально. Большинство gli1-/-;gli2-/+ двойных мутантов погибает вскоре после рождения с множественными дефектами и маленькими легкими. Доли легких у gli1-/+;gli2-/+ выглядят нормально, тогда как у gli1-/-;gli2-/+ имеется лишь незначительная редукция акцессорной доли. Мутанты Gli1-/-;gli2-/- имеют две очень небольшие доли без ветвления. Следовательно, Gli1 и Gli2 имеют перекрывающиеся функции во время раннего развития легких. Ген Gli2 важен для формирования асимметрического паттерна легких.
Putative Shh target genes in lung development
У дрозофилы Hh регулирует экспрессию Decapentaplegic (dpp). Bmp4 тесно связан с Dpp. Паттерн экспрессии bmp4 очень сходен с таковым shh в легких, с высоким уровнем в дистальных кончиках легких. Однако , bmp4 экспрессируется кроме того в соседней мезенхиме. Избыточная экспрессия Bmp4 в дистальном эпителии легких дает образование маленьких легких с малым количеством веточек и малым количеством расширенных воздушных мешочков. Выявляется снижение экспрессии SP-C, тогда как экспрессия CC10 нормальна, как и экспрессия shh. Не обнаружено существенных отличий в уровне и паттерне экспрессии bmp4 у shh-null мутантов. Bmp4-дефицитные мыши погибают между 6.5 и 9.5 днем развития, до образования зачатков легких. Однако экспрессия Bmp антогониста Noggin в эпителии дистальных легких обусловливает снижение типов дистальных эпителиальных клеток и конкурентное увеличение типов проксимальных клеток. Следовательно, Bmp4 контролирует проксимо-дистальную дифференцировку энтодермы легких.
Bmp4 during lung development
Fibroblast growth factors (Fgf) (branchless у дрозофилы) и их рецепторы (breathless) существенны для ветвления трахей у дрозофилы. Fgf10-null мутанты погибают при рождении с тяжелыми дефектами легких и конечностей. Fgf10 экспрессируется в мезенхиме, окружающей две небольшех легочные почки на 9.5 день развития. Зона клеток с отсутствием экспрессии fgf10 на дистальных кончиках развивается позднее, когда терминальная почка подвергается дихотомическому ветвлению. У fgf10-null мутантов трахея развивается, но правая и левая первичные почки легких не образуются. ‘buds’ выглядят как дизорганизованные мезенхимные массы на дистальном конце трехеи, в которых отсутствует экспрессия shh, wnt2 или bmp4. Сходный фенотип у fgfr2, кодирующего рецептор Fgf10r. Но Fgfr2 может соединяться и с Fgf7, который также участвует в ветвлении легких. Мутанты fgf7-null

Рис. 2. Схематическая модель передачи сигналов Shh/Fgf10/Bmp4 во время морфогенеза ветвления легких. Shh продуцируется и секретируется эпителием на кончиках растущих почек, связывает Ptc в мезенхиме и высвобождает Smo, который активирует Gli2 и Gli3 (зеленые). Fgf10 вырабатывается мезенхимой, лежащей поверх кончиков эпителиальных почек и связывает и активирует Fgfr2 в эпителии, который затем обусловливает хемотактический и митогенный ответ (голубое). Bmp4 экспрессирутся в эпителии растущих почек, слабо и в соседней мезенхиме. Он секретируется и действует на Bmpr, присутствующий как в мезенхиме, так и в эпителии (красное).

не обнаруживают легочного фенотипа (компенсация). Остается неясным является ли Fgf10 мишенью для Shh. Shh м. взаимодействовать негативно с Fgf10. Генетический анализ показывает, что Fgf10 действует выше Shh . Скорее всего Shh и Fgf10 функционируют независимо, но параллельно в развитии легких.
Недавно идентифицирован hip (hedgehog interacting protein), мембранный гликопротеин, который, по-видимому, является негативным регулятором Hh и член SOCS (suppressor of cytokine signalling)-box WD белков, SWip1, который является одним из самых ранних маркеров, отвечающих на Shh в конечностях. Присутствуют ли эти молекулы в легких?

Развитие легких

Формирование паттерна передней кишки и морфогенетическая функция Nkx2.1
Nkx2.1 является гомеобоксным геном, участвующим в позитивной и негативной регуляции специфичных для легких генов. Экспрессия Nkx2.1 выявляется в передней части примитивной передней кишки и в двух основных бронхах примитивных зачатков легких. Он экспрессируется только в эпителии. На поздних стадиях Nkx2.1 экспрессия распространяется на некоторые специфические респираторные эпителиальные клоны и продолжает экспрессироваться на высоком уровне в других. При нулевых мутациях Nkx2.1 у мышей нарушается морфогенез легких, трахея не отделяется от пищевода. Общая трубка от глотки к желудку.
Нарушения экспрессии изоформ сосудистого эндотелиального фактора роста SPs и 10 кДа Clara cell секреторного белка (СС10) указывают на то, что в отсуствие Nkx2.1 происходит арест развития легких на ранней стадии. Nkx2.1 имеет множественные промоторы, содержащие сайты связывания как с общераспространенными, так и специфическими транскрипционными факторами, включая GATA, HNF-3 и сам Nkx2.1.
Эпителиальная дифференцировка энтодермы передней кишки управляется, по крайней мере частично, путем взаимодействий среди HNF-3β, различных других членов forkhead гомологичного семейства, гомеодоменового белка Nkx2.1 и членов семейства GATA. Эти гены взаимодействуют на уровне транскрипции генов-мишеней, обеспечивая экспрессию SP генов и факторов транскрипции. Напр., GATA-6 регулирует SP-A и SP-C; Nkx2.1 - SP-A, SP-B, SP-C, SP-D и СС10; а HNF-3β - SP-B и СС10; Nkx2.1 регулирует и самого себя. Установлено, что hepatocyte forkhead homologue-4, HNF-3β и Nkx2.1 играют критическую роль в детерминации дифференцировки эпителиальных клеток у трансгенных и нулевых мутантных мышей.
Среди секретируемых факторов, играющих критическую роль в развитии легких у мышей - EGF, TGFβ1, FGF-1, -7, 10, HGF, sonic hedgehog. Транскрипционные факторы, такие как N-myc, TTF-1, Gli2 и 3, ретиноидрные рецепторы RARα и β2, также необходимы для нормального развития легких.
НАЧАЛО РАЗВИТИЯ ЛЕГКИХ
Cardoso, (2000)
У мышей зачатки легких появляются с каждой вентро-латеральной стороны энтодермы передней кишки в середине беремености (роды примерно 19-й день) на 9.5 день (21-29 сомитов). Они растут каудально, сближаются на вентральной поверхности и сливаются образуя зачаток легкого. Хронология представлена на рис. 1.
СИГНАЛЫ, УЧАСТВУЮЩИЕ В ИНИЦИАЦИИ ЗАЧАТКОВ ЛЕГКИХ
Функция генов Sonic hedgehog и Gli в эпителиально-мезенхимных взаимодействиях при морфогенезе легких
Семейство hedgehog представлено Sonic, Indian, Desert и Tiggy-Winkle hedgehog белками у млекопитающих. Мыши, гомозиготные по нулевой мутации Shh имеют существенные аномалии в развитии передней кишки и легких. Избыточная экспресия Shh в легочном эпителии с SP-C промотора ведет к гибели вскоре после рождения, большому количеству мезенхимы и отсутствию функциональных альвеол. Подавление функции Shh ведет к редукции ветвления в культуре эмбрионалных легких крыс. Паттерн экспрессии Shh в лекгих сопадает с таковым Nkx2.1. Белок Shh расщепляется на NH2-терминальную часть в 19 кДа и на СООН-терминальный пептид в 26-28 кДа. NH2-терминаьный пептид модифицируется при добавлении холестерола moiety, который действует как якорь для прикрепления к клеточной мембране. СООН-терминалный пептид свободно диффундирует и оказывает удаленные эффекты концентрация-зависимым способом. Растворимый, секретируемый Shh действует на соседние фибробласты путем связывания patched (Ptc) трансмембраннго рецептора. В ответ на связывание Shh Ptc высвобождает ген сегментной полярности smoothened (Smo). Затем Smo активирует белки цинковые пальчики Gli к функции в качестве транскрипционных факторов.
Gli3 нулевые мыши имеют средней тяжести нарушения легких, тогда как у двойные Gli2/Gli3 нулевых мутантов легкие не развиаются и имеется трахео-пищеводная фистула, фенотип, содный с таковым у нулевых мутантов Nkx2.1 и Shh. Нулевые мутанты Gli2 мыши имеют однодольчатые легкие с обеих строн ( по сравнению с 4 долями справа и одной - слева. Следовательно, Shh-Ptc-Gli путь обеспечивает формирование раннего паттерна легких.
Gli семейство транскрипционных факторов (Gli1-3) трансдуцирует Shh сигналы, обнаруживаемые в мезодерме передней кишки. Во время морфогенеза ветвления они экспрессируются в прекрывающихся,но вполне определенных областях легочной мезенхимы. Gli2-/-;Gli3-/- двойные нулевые мутанты погибают на 10.5 день без признаков образвания примитивных легких или трахей. Shh-/- нулевые мутантны формруют легкие, хотя ветвление сильно нарушено. Энтодермальные клетки передней кишки у HNF3β нулевых мутантов не способны формировать кишечную трубку и погибают на 7-9.5 день. Нет данных, что Glis локально экспрессируются в проспективных местах образования легких или что они индуцируют локальную экспрессию диффузных факторов, таких как FGFs или BMPs в мезодерме передней кишки. Нехватка Gli2 и 3 в меньшей степени, но сказывается и на развитии других дериватов передней кишки, зачатков печени и панкреас, которые дегенерируют на поздних стадиях.
Сигналы FGF пути
Ключевым событием индукции зачатков легких является активация FGF-10 в мезодерме. Сигналы FGF-10 опосредуются рецепторами FGFR2-IIIb, чья экспрессия обнаруживается в энтодерме передней кишки и поддерживается в эпителии респираторного тракта. FGF-10 нокаутные мыши формируют нормальные трахеи, но не имеют легких. Идентичный фенотип у мутантов FGFR-2, у которых удален экзон IIIb или разрушен экзон IIIc и делетирован трансмембрнный домен. Высокий уровень экпрессии FGF-9 выявлен в мезотелиальном слое и эпителии эмбриональой кишки и легких на 10.5 день. Сигналы FGF-9 передаются через FGFR-1, которые также присутствуют в ранней легочной мезенхиме. Предплагается, что FGF-9 диффундирует в мезенхиму, активирует там рецепторы FGFR-1 и, по-видимому, регулирует эксрессию мезенхимных генов, включая FGF-10.
Ретиноидные сигналы
Возможно, что ретиноевая кислота и передача сигналов FGF-10 тесно связаны во время легочного морфогенеза. Ретиноевая кислота высоко активна в переденей кишке перед и во время начала развития легких. Retinaldehyde dehydrogenase-2 (RALDH-2), основной РК-синтезирующий энзим, экспрессируется на высоком уровне в вентральной части передней кишки, включая облась, где формируются зачатки легких. RA рецепторы (RAR) повсеместно активируются в преденей кишке на Е9.5. Предплагается, что инициальные сигнальные события, запускающие формирование зачатков легких, ретиноид-зависимы.
Регуляция генов Ноха4 и Ноха5 в легких эмбрионов мыши с помощью ретиноевой кислоты и TGFβ1
Двойной нокаут RAR&alpha/β2 обусловливает агенез левого легкого и гипоплазию правого. all-trans ретиноевая кислота в эксплантантах эмбриональных легких крыс спсобствует развитию проксимальных воздушных путей, супрессируя развитие дистального эпителия. Эптелий проксимальных путей дает бронхиальную часть взрослых легких. Дистальные эпителиальные клетки, напротив, быстро пролиферируют, у их отсутствует окружение в виде гладкомышечных клеток и хряща и они образуют газообменную поверхность легких - респираторные ацинусы.
Известно, что трахейные проксимальные и дистальные мезенхимные клетки специфически способствуют дифференцировке собственного эпителия. Ретиноевая кислота стимулирует пролиферацию как легочной мезенхимы, так и легочного эпителия. Влияние на легочный эпителий косвенное. Она усиливает ветвление эмбриональных легких мышей, но не оказывает влияния на формирование проксимо-дистального паттерна, как это наблюдалось в эксплантантах легких крыс.
В культивируемых легких крыс Ноха2, Ноха5 и Hoxb6 активируются ретиноевой кислотой. Они экспрессируются в легочной мезенхиме. Мыши с отсутствием гена Ноха5 погибают перинатально в результате респираторного дистресса, возникающего в результате специфических дефектов развития легких. В средине беременности у Ноха5 нулевых эмбрионов мезенхимный компартмент дизорганизован, редуцировано ветвление, утолщены стенки альвеол и дизорганизованы проксимальные бронхи и дистальные респираторные пути.
Было показано, что Ноха4 экспрессируется в мезенхимном компартменте легких на ст. Е12.5 и Е15.5. Было установлено, что законсервированный retinoic acid response element (RARE) в 5' фланкирующей области (-2.9 т.п.н.) специфически необходим для экспресси трансгена Hoxa4/lacZ в кишечнике, почках и легких на ст. Е14.5. Было показано, что Ноха4 экспрессируется на униформном высоком уровне в легких в средине беременности и что спецификация его экспрессии м.б. детерминирована оппозитными эффектами all-trans ретиноевой кислоты и TGFβ1. Ноха5 экспрессируется в легких также как и Ноха4. Установлено, что Ноха4 и Ноха5 активируются при культивировании в присутствии all-trans ретиноевой кислоты, которая расширяет домены их экспрессии к периферии эксплантантов. TGFb1 напротив подавляет экспрессию Ноха4 и Ноха5 в культивируемых легких. В легких мыши ретиноевая кислота оказыват эффект проксимализации легких Е12.5 в бессывороточной среде, на это указывает снижение экспрессии дистального маркера сурфактантного белка-С. Отсутствие Ноха4 не сказывается на эффекте проксимализации легких при добавлении экзогенной ретиноевой кислоты. Это м.б. связано с вырожденностью эффектов ретиноевой кислоты, влияющей на несколько Нох генов. Так, еще Hoxb4 ген экспрессируется в легких эмбрионов и плодов и регулируется с помощью RARE.
Предполагается, что члены группы 4 и/или 5 Нох генов участвуют в формированиии паттерна легких у мышей.
Как образуется трахея?
Формирование трахеи начинается с места, где первичные бронхи вступают в контакт (carina). Общепризнанно, что отделение респираторного тракта от передней кишки обеспечивается ростом восходящей tracheoesophageal перегородки. Имеются данные, подтверждающие, что отделение происходит в результате слияния пролиферирующих энтодермальных гребней из боковых стенок передней кишки или в результате спрецифического паттерна запрограммированной гибели клеток в энтодерме на месте проспективного трахео-пищеводного соединения.
Неполное отделение респираторной системы от пищевода относительно частая врожденная аномалия у детей. Общая трахео-пищеводная трубка дает одиночное гипопластическое легкое у эмбрионов с дефицитом витамина А или у RARαβ2 двойных нокаутных мышей. Сходным образом у Shh-/- и Nkx 2.1-/-(TTF-1) мутантов образуются аномальные мешкообразные легкие, возникающие непосредственно из неразделившейся трахео-пищеводной трубки. Трахео-пищеводная фистула со слиянием легких по средней линии обнаружиены у Gli2-/-;Gli3+/- мышей. эти находки говорят о том, что некоторые сигнальные молекулы участвуют в морфогенезе трахеи и легких. Наблюдаение FGF-10-.- и FGFR2-.- нулевых мутантов указывает на то, что FGF сигналы критические для развития легких, но не существенны для дифференцировки трахеи, хотя FGFR-2 обычно экспрессируется на высоком уровне в раннем трахейном эпителии. Другие с высоким сродством к рецептору FGFR-2, такие как FGF-7 также экспресируются в ранних трахеях. Очевидно, что морфогенез трахей и легких скоординированые, но независимые события.
МОРФОГЕНЗ ВЕТВЛЕНИЯ
Начиная примерно с 10.5 дня эмбриогенеза начинается branching morphogenesis, создающий бронхиальное дерево и определяющий проксимо-дистальную ось легких в конце псевдогляндулярной стадии (Е16.6). Инициальные веточки возникают в результате образования почек; в последующих дихотомических подразделениях ВКМ играет, по-видимому, важную роль, накапливаясь в расщепе (clefts).Подробнее об этом ЗДЕСЬ
SP-A: функция и его транскрипционная регуляция
SP-A сначала экспрессируется во время псевдогландулярной стадии развития легких в дистальном тубулярном эпителии. Он накапливается во время развития, достигая максимального уровня во взрослых легких, в которых он продуцируется трахеальными и бронхиальными железистыми клетками, Clara клетками и альвеолярным эпителием типа 2 (АЕС2). SP-A нулевые мыши имеют нормального вида легкие нормальный метаболизм сурфактанта, живут и размножаются нормаьно. Однако сурфактант у таких мышей ингибируется плазменными белками и обнаруживает снижение свойства снижения поверхностного натяжения (surface tension-lowering properties). У них менее эффективно удаляются стрептококки группы В макрофагами.
Nkx2.1, B-Myb, nuclear factor (NF)-1 являются критическими регуляторами SP-A. Nkx2.1 связывает 4 цис-действующихэлемента в SP-A промоторе. Site 3 и 4 взаимодействия участвуют в активации транскрипции. Сайт 1 тесно juxtaposed к NF-1 консенсус-элементу и мутация NF-1 сайта нарушает SP-A транскрипцию и связывание Nkx2.1. Консенсус Myb site 1, необходимый для SP-A экспрессии и фосфорилирования B-Myb, заметно усиливает его активность как транс-активатиора транскрипции SP-A. Фосфорилированный B-Myb принципиально обнаруживается в пролиферирующих клетках, указывая тем самым, что он м.б. важным регулятором экспрессиии SP-A в регенерирующем эпителии. SP-A транскрипционно регулируется с помощью комбинационных взаимодействий повсеместно экспрессируемых транскрипционных факторов.
Мезенхимные сигналы как индукторы эпителиального фенотипа легких
Ветвление (branching) презумптивного легочного эпителия нуждается во взаимодействии с подлежащей мезенхимой. Детерминация дифференцировки дистальных частей легких уже осуществлена к моменту обнаружения зачатков легких, напр., клетки, экспрессирующие SP-C уже присутствуют в инициальных зачатках легких. Трансплантации легочной мезенхимы на эпителий трахей обусловливает морфогенез добавочных веточек, идентичных нормальным периферическим легочным зачаткам: экспрессия SP-C индуцируется в течение 24 ч после трансплантации. Однако эта реакция ограничена коротким промежутком и индуцирует лишь эпителий, компетентный к ответу; эпителий и пищевода, ни кишечника не реагирует. Мезенхима из трахей или бронхов проксимальне дистальных кончиков не способна к индукции. Реципрокные трансплантаци мезенхимы трахей на легочный эпителий приводят к формированию кист и не вызывают ветвления. Показано, что индуктивные события обусловлены растворимыми факторами. FGF7 необходим, но недостаточен для индукции SP-C в эпителии трахей.
Следовательно, легочная мезенхима является мощным индуктором как морфогенеза ветвления, так и экспрессии SP-C в эмбриональных легких.
ПОЗДНИЕ СОБЫТИЯ
Примерно на 17-й день беременности эмбриональные легкие подвергаются sacculation, драматическим изменениям в архитектуре их дистальных часте, которяе являются результатом заметного истончения мезенхимы и уплощения эпителиальных клеток, становящихся пневмоцитами типа I. Кровеносные сосуды и эпителий огчефзщыув, образуя воздушно-кровеносный барьер, превращаются в кармано-подобные трехмерные структуры, мушочки (saccules). Одним из сигналов. негативно влияющих на sacculation, является TGFβ-1.
На поздних стадиях, профили дифференцировки, такие как ворсинчатые и секреторные клетки, выявляются в проксимальных воздушных путях, тогда как клетки типа I обнаруживаются в дистальных сайтах. Дифференцировка клеток типа II и экспрессия сурфактантных белков зависят от многочисленных факторов, таких как GATA-6, Nkx-2.1, HNF3β и C/EBNPα, глюкокордтикоидных гормонови FGFs. Появление ворсинчатых клеток зависит от экспрессии транскрипционного фактора HNF3/forkhead homologue-4 (HFH-4) в проксимальных воздушных путях.
Развитие легких продолжается после рождения в виде процесса alveolation, ведущего к значительному увеличению поверхности альвеол для газообмена в результате образования перегородок в терминальных saccules. У человека альвeолизация начинается пренатально, у мышей же на 5-й день постнатального развития. В регуляции этого процесса принимают участие пути передачи сигналов PDGF, FGF, RA и глюкокортикоидных гормонов.
ЛЕГОЧНАЯ НЕЙРОЭНДОКРИННАЯ СИСТЕМА И ЛЕГОЧНЫЙ МОРФОГЕНЕЗ
Легочные нейроэндокринные клетки среди первых клеток, дифференцирующихся из первичного легочного эпитедлия. Эти клетки окружены уплотнениями из пролиферирующих клеток, они экспрессируют ряд пролиферативных цитокинов, включая кальцитониновому гену родственный белок и бомбезин. Бомбезин-подобные пептиды (BLPs) способствуют морфогенезу ветвления и стимулируют пролиферацию как эпителиальных, так и мезенхимных клеток, АЕС2 дифференцировку, синтез и секрецию сурфактантных фосфолипидов , дифференцировку Clara и нейроэндокринных клеток. Стимулирование синтеза сурфактантных фосфолипидов гастрин-релизинг пептидом у эмбрионов крыс Е20 АЕС зависит от добавления фибробластов из легких плодов. Предполагается, что нейроэндокринные клетки высвобождают BLP и кальцитониновому гену родственный пептид, которые стимулируют липофибробласты в мезенхиме легких к взаимодействию с воздушным эпителием, регулируя тем самым АЕС2 дифференцировку.
КЛЕТОЧНАЯ АДГЕЗИЯ И ПУЛЬМОНАЛЬНАЯ АРХИТЕКТУРА
Ламинины основные белковые компоненты базальных мембран являются гетеротримерными гликопротеинами. Ламинин 1 и 2 постоянно экспрессируются эмбриональным легочным эпителием и мезенхимными клетками. Синтез ламинин-α1 цепи( тем самым и ламинина 1) нуждается в эпителиально-мезенхимном контакте (синтезируется в местах гетеротипических межклеточных контактов). Моноклнальные антитела против этой цепи ламинина обусловливают нарушения формы перибронхиальных клеток и снижают развитие гладкомышечных клеток, на что указывает снижение уровня α- актина и десмина. Ингибирование полимеризации ламининов блокирует сборку базальных мембран, распластывание мезенхимных клеток и дифференцировку гладкомышечных клеток. Следовательно, синтез ламинина регулируется эпителиално-мезензимным взаимодействием и может регулировать развитие гладких мышц, способствуя распластыванию мезенхимных клеток вдоль базальных мембран воздушных путей.
ФУНКЦИЯ ЦИТОКИНОВ В МОРФОГЕНЕЗЕ ЛЕГКИХ И ВОСПАЛЕНИЯХ
Рекомбинантный репликационно-дефицитный аденовирус 5 вектор создан для экспрессии специфич. цитокинов и для рецепторов, эффективно переносящих и экспрессирующих эти гены в легких. Экспрессия гена(ов) начинается в течение нескольких часов и продолжается несколько дней. Геномной интеграции не происходит. С помощью этого вектора изучены провоспалительные и иммуно-регулирующие цитокины. Хемокины, такие как IL-8 и лимфотактин обусловливают накапливание воспалительных клеток, тогда как ингибирующие цитокины, такие как IL-10 интерферируют с функцией цитокинов. В целом, хотя такие факторы обусловливают заметные временные изменения морфологии легких, отсутствуют существенные изменеия при низких и промежуточных уровнях. Цитокины роста и дифференцировки, такие как GMCSF и TGFβ в высоких концентрациях обусловливают накопление матрикса и фиброгенез.
ИНТЕГРАЦИЯ СИГНАЛЬНЫХ СИСТЕМ В МОРФОГЕНЕЗЕ ЛЕГКИХ
Инициация легочного морфогенеза из эпителиальной выстилки передней кишки осуществляется интеграцией сигналов и координацией транскрипции с участием генов HNF-3, Shh, Ptc, Gli2, Gli3, Nkx2.1. Последующие ранние события, затрагивающие не только первичное ветвление трахей, но и организацию событий вторичного и четвертичного ветвления, а также легочный ангиогенез, базируются на реципрокных мезенхимно-эпителиальных и эпителиально-мезенхимных сигналах, обеспечиваемых диффузными пептидами семейства FGF, действующими через FGFRs.
Сигналы других классов ростовых факторов также играют роль. В целом рецепторы ростовых факторов с внутриклеточными тирозин киназными сигнальными доменами, такие как EGF рецепторы, PDGF рецепторы, FGFR, рецептор-1 инсулин-подобного фактора роста и с-Мet являются индуктивными и/или пермиссивными для эмбрионального морфогенеза легких, тогда как активация рецепторов типа I и II для TGFβ с внутриклеточными серин/треониновыми киназными доменами являются ингибиторами легочного морфогенеза.
Устранение сигналов TGF-β или его рецептора обусловливают фенотип сильной избыточной функции в эмбриональных легких мышей. Позитивные ээфекты экзогенного EGF или PDGF-A лигандов усиливаются с устранением сигналов TGF-βIIR, следовательно, эндогенные сигналы TGF-β негативно регулируют EGF и PDGF. Сходным образом устранеие экспрессии бетагликана (TGF-βIIIR) стимулирует морфогенез легких в культуре и строго ингибирует эффективность экзогенных TGF-β лигандов. Белки семейства Smad выступают ключевыми нижестоящими медиаторами TGF-β-рецепторного сигнального пути. Smads2 и 3 связывают TGF-βIR и TGF-βIIR гетеромерные комплексы и фосфорилируются рецепторными серин/треоин киназами. Smads2 и/или 3 могут затем активровать Smad 4, который передает TGF-β сигнал в ядро. Smadas 6и 7 являются ингибиторами активации Smads 2и/или 3. Устранение Smads 2 и 3 или 4 вызывает строгий фенотип избыточной функции в отношении морфогенеза ветвления, сходный с таковым при устранеии TGF-βII или TGF-βIIIR.
Подавление функции murine sprouty2 (mspry2) вызывает строгий фенотип избыточной функции ветвления в культуре ранних эмбриональных легких.
Экспрессия Nkx2.1 подавлена в легочной ткани у недоношенных детенышей человека и бабуина с тяжелой bronchopulmonary dysplasia. Активность же TGF-β1 заметно увелична в трахейной effluent жидкости от недоношенных детей с риском развития бронхопульмональной дисплазии. Таким образом, намечаются мишени для молекулярной терапии.
Сайт создан в системе uCoz