Neural Crest
НЕЙРАЛЬНЫЙ ГРЕБЕНЬ (НГ)и БРАНХИАЛЬНЫЕ ДУГИ

Бранхиальные дуги заполняются клетками из двух источников: параксиальной мезодермы и нервного гребня. Из клеток параксиальной мезодермы впоследствие возникают мышцы, некоторые скелетные элементы и сосудистая ткань, из клеток нервного гребня формируются элементы периферической нервной системы, соединительная ткань, хрящи и элементы желез( Selleck and Bronner Fraser 1996). Основные же части желез внутренней секреции возникают из энтодермального слоя глоточных карманов Достигнув бранхиальных дуг, часть клеток нервного гребня проникает в стенки артерий бранхиальных дуг и спускается в тракт оттока сердца. Клетки нервного гребня дают начало гладкомышечным клеткам, адвентициальным фибробластам и другим немышечным клеткам среднего и интимного слоя аортальных дуг (Bergwerff et al., 1998)., они принимают участие в закрытии артериального протока (ductus arteriosus).	Несколько факторов участвует в стимуляции и направлении миграции клеток НГ, включая адгезивные клеточные молекулы такие как тенасцин, фибронектин, ламинин и их рецепторы интегрины. Гуморальные факторы , такие как факторы роста или нейротрнасмиттеры также участвуют в миграции НГ. Доказательства того, что серотонин ( 5 HT) и некоторые его рецепторы участвуют в этом процессе также получены ( Moiseiwitsch and Lauder 1995 ). Имеются доказательства того, что большинство клеток НГ, возникающее их ромбомеров 3 и 5 гибнет на ранних этапах развития. Однако исследования других авторов указывает на то, что клетки НГ из этих ромбомеров вносят свой вклад в мезенхиму 2-й и 3-й бранхиальных дуг (Nieto et al., 1995).Показано, что некоторые клетки НГ пересекают межсегментные границы до начала латеральной миграции из нервной трубки. Экспрессия гена Krox-20 и osteopontin ограничена такой постотической популяцией, возникающей из ромбомеров 5 и 6. Мезэнцефалический и ромбэнцефалический уровни происхождения гипобранхиального скелета (lower jaw and hyoid bone) определены внутри нервных складок на ст. 5 сомитов. Экспрессия некоторых генов (Hoxa-2, Hoxa-3 и Hoxb-4) обнаруживается в бранхиальных дугах эмбрионов кур и перепела на 3-й день эмбрионального развития (E3) и E4. Впервые было установлено, что эсцизия на ст. 5 сомитов от midmesencephalon вниз до r8 сопровождается регенерацией клеток НГ , способных компенсировать вызываемые нехватки. Если билатеральная эксцизия сопровождается односторонней гомотопической трансплантацией дорсальной нервной трубки от эмбрионов перепела, то создается ситуация односторонней эксцизии, при этом миграция трансплантированных односторонних клеток НГ (quail-labelled) оказывается билатеральной и компенсирует отсутствующие производные НГ . Способность промежуточных и вентральных частей нервной трубки давать клетки НГ тестировали путем удаления ромбэнцефалической части нервной трубки кур и замещения ее или одно- или двухсторонними вентральными частями нервной трубки перепела той же стадии развития. Не выявлено клеток НГ, происходящих из вентральной части нервной трубки, однако не отмечено и недостатка в производных НГ. Клетки НГ регенерировали из концов прооперированной области. Клетки НГ перепела были видны мигрирующими продольно с рострального и каудального концов проопрерированной области и заполняющими бранхиальные дуги между ними . Показано, что эти клетки НГ усиливают скорость своей пролиферации и меняют свое миграторное поведение без нарушения их Нох кода (Couly et al., 1996). Удаляли дорсальные части заднего мозга на более поздних стадиях развития для изучения нарушений миграторного поведения и/или экспрессии генов в популяциях НГ ростральнее и каудальнее оперированной области. Эти результаты сравнимы с теми, что получены при неправильном направлении клеток НГ при ротации ромбомеров. После хирургического удаления дорсальных r5 и r6 до стадии 10 сомитов , r4 клетки НГ мигрируют вдоль нормальных путей в направлении второй бранхиальной дуги. Сходным образом , r7 клетки НГ мигрируют первоначально в четвертую бранхиальную дугу. Когда аналогичное удаление произведено на стадии 10-12 сомитов, то заметное увеличение числа DiI/Hoxa-3-позитивных клеток из r7 наблюдается в третьей бранхиальной дуге. Кроме того некоторые DiI-меченные r4 клетки мигрируют в отсутствующую область заднего мозга и третью бранхиальную дугу. Во время их миграции субнабор этих r4 клеток активирует Hoxa-3, транскрипты обычно ими не экспрессируемые. Уровень Krox20 транскриптов повышен после удаления популяции клеток НГ , мигрирующих из r4, каудальнее r3 и ростральнее r3. Выживыющие в течение длительного времени после двухстороннего удаления обладают нормальными хрящами гиоидного комплекса, производными НГ, указывая тем самым, что неправильно мигрирующие r4 и r7 клетки вносят свой вклад в краниальные производные в соответствии с их новой локализацией. Напротив, неправильное направление миграции клеток НГ после рострокаудальной ротации r4 through r6 вызывает снижение экспрессии Hoxa-3 в третьей бранхиальной дуге и соответствующий дефицит производных третьей бранхиальной дуги структур гиоидного аппарата. Эти результаты демонстрируют что предшественники НГ/нервной трубки в заднем мозге могут компенсироваться с помощью нарушенных траэкторий миграции и паттернов генной экспрессии , когда соседние клетки НГ удалены, но неспособны компенсировать соответствующим образом, если присутствующий НГ задает неправильное направление миграции после ротации нервной трубки (Saldivar et al., 1997). В этом случае клетки НГ колонизируют ближайшую доступную бранхиальную дугу. При этом нервный гребень из областей, соседствующих с трансплантированным участком, посылают значительно большее число клеток в бранхиальные дуги, чем в норме, в результате бранхиальные дуги содержат смешанные популяции клеток, не встречающиеся в норме. После ротации в результате чего в гребене меняются местами участки, предназначенные для первой и третьей дуг, экспрессия генов hoxa-2 и hoxa-3 происходит в эктопических сайтах в результате чего перестраивается обычный для бранхиальных дуг Нох-код. Формируется лицевой скелет со всеми обычными компонетами, но добавляются эктопические структуры первой дуги. Если при ротации меняются местами участки НГ для 2-й и 3-й бранхиальных дуг, то персистирует аномальный НОх код и выявляются существенные дефекты гиоидного скелета. Предполагается, что внутренне присущие свойства НГ влияют на пространственную организацию структур, даваемых бранхиальными дугами, смешение популяций клеток может давать изменение Нох кода и нарушать морфологию скелета (Hunt et al., 1998) Известно, что детерминация ромбомеров нервной трубки и соответствующих сегментов нервного гребня предопределяется так называемым Нох-кодом, т.е. комбинацией гомеобоксных генов. Известно, что клетки нервного гребня, заселяющие вторую бранхиальную дугу, экспрессируют гены паралоги группы pb (Hox-2), заселяющие третью дугу – экспрессируют гены групп pb и Zen/pb (Hox-2 и Нох-3), заселяющие 4-ю дугу – pb, Zen/pb и Dfd (Нох-2+Нох-3+Нох-4) и заселяющие 6-ю дугу – экспрессируют гены групп pb, Zen/pb, Dfd и Src (Нох-2+Нох-3+Нох4+Нох-5). Результаты по антисмысловому таргеттингу (Kirby et al., 1997) Нох генов указывают на то, что изменения Нох кода в клетках кардиального нервного гребня и возможно соответствующих сегментов параксиальной мезенхимы могут влиять на число и качественные особенности каудальных бранхиальных дуг. Исходя из этого можно было предположить, что изменение любого компонента такого кода должно нарушать его. Мы просмотрели работы, посвященные мутационным изменениям генов паралогов групп Нох-2-5. Лишь нарушения генов паралогов Нoх-3 группы (Ноха-3a, Hoxb-3 и Hoxd-3) меняли Нох-код клеток нервного гребня во всех трех каудальных бранхиальных дугах (Manley, Capecchi, 1998). У мышей, гомозиготных по нулевой мутации Ноха-3, отсутствует тимус, паращитовидные железы, редуцирована щитовидная железа и подчелюстные ткани и обнаруживается широкий спектр аномалий структур, формирующих горло. Кроме того у них нередко обнаруживаются дефекты сердца и артерий и черепно-лицевые аномалии. У бестимусных Ноха-3 мутантных мышей в задней части третьего глоточного кармана отмечается существенная редукция клеток НГ,экспрессирующих pax-1 ген. У мутантных pax-1 мышей также обнаруживается существенная гипоплазия тимуса. Очевидно ген Ноха-3 необходим для поддержания экспрессии pax-1(Manley, Capecchi, 1998). Hoxa-3 ген экспрессируется и в энтодерме глотки, дающей щитовидные железы и в 4-м глоточном кармане, дающем ультимобранхмльные тела. Эти струтуры у мутантных Ноха-3 мышей также нарушены Так как нарушения генов Нох-3 группы вызывают у мышей разной степени выраженные гомеозисные трансформации первых двух шейных позвонков, то можно предположить, что и у человека при синдромах группы CATCH22 могут встречаться подобные трансформации. Однако как известно синдромы группы CATCH22 связаны с делецией 22q11 хромосомы 22 человека, тогда как кластер НОХА генов у человека расположен в положении 7p15-p14.2, кластер НОХВ в – 17q21-q22, кластер НОХС в – 12q-13, HOXD в –2q31-q32. Следовательно, гены паралоги группы Нох-3 не входят в состав генов, гаплонедостаточность которых обусловливает синдромы группы CATCH22. Однако клетки нервного гребня остаются единственным типом клеток, которые участвуют в формировании столь разнообразных структур. Следовательно, если не гены, детерминирующие качественные особенности сегментов нервного гребня, то может быть гены, стоящие выше или ниже этой цепи звена, окажутся ответственными за нарушения при этих синдромах. Более того это могут оказаться гены совсем другого пути, например, гены обеспечивающие столь специфическую миграцию клеток нервного гребня (гены адгезивности или гены, обеспечивающие структуру внеклеточного матрикса). Ясно одно, что в патогенезе данных синдромов скорее всего играют свою роль нарушения функции клеток нервного гребня.

Несколько факторов участвует в стимуляции и направлении миграции клеток НГ, включая адгезивные клеточные молекулы такие как тенасцин, фибронектин, ламинин и их рецепторы интегрины. Гуморальные факторы , такие как факторы роста или нейротрнасмиттеры также участвуют в миграции НГ. Доказательства того, что серотонин ( 5 HT) и некоторые его рецепторы участвуют в этом процессе также получены ( Moiseiwitsch and Lauder 1995 ).

Имеются доказательства того, что большинство клеток НГ, возникающее их ромбомеров 3 и 5 гибнет на ранних этапах развития. Однако исследования других авторов указывает на то, что клетки НГ из этих ромбомеров вносят свой вклад в мезенхиму 2-й и 3-й бранхиальных дуг (Nieto et al., 1995).Показано, что некоторые клетки НГ пересекают межсегментные границы до начала латеральной миграции из нервной трубки. Экспрессия гена Krox-20 и osteopontin ограничена такой постотической популяцией, возникающей из ромбомеров 5 и 6.

Мезэнцефалический и ромбэнцефалический уровни происхождения гипобранхиального скелета (lower jaw and hyoid bone) определены внутри нервных складок на ст. 5 сомитов. Экспрессия некоторых генов (Hoxa-2, Hoxa-3 и Hoxb-4) обнаруживается в бранхиальных дугах эмбрионов кур и перепела на 3-й день эмбрионального развития (E3) и E4. Впервые было установлено, что эсцизия на ст. 5 сомитов от midmesencephalon вниз до r8 сопровождается регенерацией клеток НГ , способных компенсировать вызываемые нехватки. Если билатеральная эксцизия сопровождается односторонней гомотопической трансплантацией дорсальной нервной трубки от эмбрионов перепела, то создается ситуация односторонней эксцизии, при этом миграция трансплантированных односторонних клеток НГ (quail-labelled) оказывается билатеральной и компенсирует отсутствующие производные НГ . Способность промежуточных и вентральных частей нервной трубки давать клетки НГ тестировали путем удаления ромбэнцефалической части нервной трубки кур и замещения ее или одно- или двухсторонними вентральными частями нервной трубки перепела той же стадии развития. Не выявлено клеток НГ, происходящих из вентральной части нервной трубки, однако не отмечено и недостатка в производных НГ. Клетки НГ регенерировали из концов прооперированной области. Клетки НГ перепела были видны мигрирующими продольно с рострального и каудального концов проопрерированной области и заполняющими бранхиальные дуги между ними . Показано, что эти клетки НГ усиливают скорость своей пролиферации и меняют свое миграторное поведение без нарушения их Нох кода (Couly et al., 1996).

Удаляли дорсальные части заднего мозга на более поздних стадиях развития для изучения нарушений миграторного поведения и/или экспрессии генов в популяциях НГ ростральнее и каудальнее оперированной области. Эти результаты сравнимы с теми, что получены при неправильном направлении клеток НГ при ротации ромбомеров. После хирургического удаления дорсальных r5 и r6 до стадии 10 сомитов , r4 клетки НГ мигрируют вдоль нормальных путей в направлении второй бранхиальной дуги. Сходным образом , r7 клетки НГ мигрируют первоначально в четвертую бранхиальную дугу. Когда аналогичное удаление произведено на стадии 10-12 сомитов, то заметное увеличение числа DiI/Hoxa-3-позитивных клеток из r7 наблюдается в третьей бранхиальной дуге. Кроме того некоторые DiI-меченные r4 клетки мигрируют в отсутствующую область заднего мозга и третью бранхиальную дугу. Во время их миграции субнабор этих r4 клеток активирует Hoxa-3, транскрипты обычно ими не экспрессируемые. Уровень Krox20 транскриптов повышен после удаления популяции клеток НГ , мигрирующих из r4, каудальнее r3 и ростральнее r3. Выживыющие в течение длительного времени после двухстороннего удаления обладают нормальными хрящами гиоидного комплекса, производными НГ, указывая тем самым, что неправильно мигрирующие r4 и r7 клетки вносят свой вклад в краниальные производные в соответствии с их новой локализацией. Напротив, неправильное направление миграции клеток НГ после рострокаудальной ротации r4 through r6 вызывает снижение экспрессии Hoxa-3 в третьей бранхиальной дуге и соответствующий дефицит производных третьей бранхиальной дуги структур гиоидного аппарата. Эти результаты демонстрируют что предшественники НГ/нервной трубки в заднем мозге могут компенсироваться с помощью нарушенных траэкторий миграции и паттернов генной экспрессии , когда соседние клетки НГ удалены, но неспособны компенсировать соответствующим образом, если присутствующий НГ задает неправильное направление миграции после ротации нервной трубки (Saldivar et al., 1997).

В этом случае клетки НГ колонизируют ближайшую доступную бранхиальную дугу. При этом нервный гребень из областей, соседствующих с трансплантированным участком, посылают значительно большее число клеток в бранхиальные дуги, чем в норме, в результате бранхиальные дуги содержат смешанные популяции клеток, не встречающиеся в норме. После ротации в результате чего в гребене меняются местами участки, предназначенные для первой и третьей дуг, экспрессия генов hoxa-2 и hoxa-3 происходит в эктопических сайтах в результате чего перестраивается обычный для бранхиальных дуг Нох-код. Формируется лицевой скелет со всеми обычными компонетами, но добавляются эктопические структуры первой дуги. Если при ротации меняются местами участки НГ для 2-й и 3-й бранхиальных дуг, то персистирует аномальный НОх код и выявляются существенные дефекты гиоидного скелета. Предполагается, что внутренне присущие свойства НГ влияют на пространственную организацию структур, даваемых бранхиальными дугами, смешение популяций клеток может давать изменение Нох кода и нарушать морфологию скелета (Hunt et al., 1998)

Известно, что детерминация ромбомеров нервной трубки и соответствующих сегментов нервного гребня предопределяется так называемым Нох-кодом, т.е. комбинацией гомеобоксных генов. Известно, что клетки нервного гребня, заселяющие вторую бранхиальную дугу, экспрессируют гены паралоги группы pb (Hox-2), заселяющие третью дугу – экспрессируют гены групп pb и Zen/pb (Hox-2 и Нох-3), заселяющие 4-ю дугу – pb, Zen/pb и Dfd (Нох-2+Нох-3+Нох-4) и заселяющие 6-ю дугу – экспрессируют гены групп pb, Zen/pb, Dfd и Src (Нох-2+Нох-3+Нох4+Нох-5). Результаты по антисмысловому таргеттингу (Kirby et al., 1997) Нох генов указывают на то, что изменения Нох кода в клетках кардиального нервного гребня и возможно соответствующих сегментов параксиальной мезенхимы могут влиять на число и качественные особенности каудальных бранхиальных дуг. Исходя из этого можно было предположить, что изменение любого компонента такого кода должно нарушать его. Мы просмотрели работы, посвященные мутационным изменениям генов паралогов групп Нох-2-5. Лишь нарушения генов паралогов Нoх-3 группы (Ноха-3a, Hoxb-3 и Hoxd-3) меняли Нох-код клеток нервного гребня во всех трех каудальных бранхиальных дугах (Manley, Capecchi, 1998). У мышей, гомозиготных по нулевой мутации Ноха-3, отсутствует тимус, паращитовидные железы, редуцирована щитовидная железа и подчелюстные ткани и обнаруживается широкий спектр аномалий структур, формирующих горло. Кроме того у них нередко обнаруживаются дефекты сердца и артерий и черепно-лицевые аномалии.
У бестимусных Ноха-3 мутантных мышей в задней части третьего глоточного кармана отмечается существенная редукция клеток НГ,экспрессирующих pax-1 ген. У мутантных pax-1 мышей также обнаруживается существенная гипоплазия тимуса. Очевидно ген Ноха-3 необходим для поддержания экспрессии pax-1(Manley, Capecchi, 1998). Hoxa-3 ген экспрессируется и в энтодерме глотки, дающей щитовидные железы и в 4-м глоточном кармане, дающем ультимобранхмльные тела. Эти струтуры у мутантных Ноха-3 мышей также нарушены

Так как нарушения генов Нох-3 группы вызывают у мышей разной степени выраженные гомеозисные трансформации первых двух шейных позвонков, то можно предположить, что и у человека при синдромах группы CATCH22 могут встречаться подобные трансформации.

Однако как известно синдромы группы CATCH22 связаны с делецией 22q11 хромосомы 22 человека, тогда как кластер НОХА генов у человека расположен в положении 7p15-p14.2, кластер НОХВ в – 17q21-q22, кластер НОХС в – 12q-13, HOXD в –2q31-q32. Следовательно, гены паралоги группы Нох-3 не входят в состав генов, гаплонедостаточность которых обусловливает синдромы группы CATCH22.

Однако клетки нервного гребня остаются единственным типом клеток, которые участвуют в формировании столь разнообразных структур. Следовательно, если не гены, детерминирующие качественные особенности сегментов нервного гребня, то может быть гены, стоящие выше или ниже этой цепи звена, окажутся ответственными за нарушения при этих синдромах. Более того это могут оказаться гены совсем другого пути, например, гены обеспечивающие столь специфическую миграцию клеток нервного гребня (гены адгезивности или гены, обеспечивающие структуру внеклеточного матрикса). Ясно одно, что в патогенезе данных синдромов скорее всего играют свою роль нарушения функции клеток нервного гребня.