Отоцист позвоночных, который дает структуры внутреннего уха, инвагинирует из поверхностного эпителия заднего мозга, соседствующего с ромбомерами 5 и 6 (r5 и r6). Индукция отоциста нуждается в сигналах от нейроэпителия заднего мозга, так что неудивительно, что мутации, затрагивающие формирование паттерна области r4-r6 м. вызывать выраженные дефекты в развитии внутреннего уха. Hoxa1 активируется в r4-r6 примерно в то время, когда начинает развиваться отоцист, а его целенаправленное нарушение у мышей ведет к уродствам вестибулярного аппарата и улитки. Pasqualetti et al. показали, что эти дефекты м.б. устранены с помощью суб-тератогенных доз vitamin A, производного ретиноевой кислоты(RA).
Хотя избыток RA м. тяжело нарушать развитие заднего мозга, однако Pasqualetti et al. показали, что доза в 5 mg kg-1 не является тератогенной у эмбрионов дикого типа при применении с 8 дня post coitum (dpc). Используя эту дозу, они показали, что вестибулярные и кохлеарные структуры м.б. частично или полностью восстановлены у Hoxa1-/- эмбрионов при воздействии между 8.0 и 8.75 dpc. Воздействие вне этого временного периода не восстанавливало нормального фенотипа, указывая тем самым, что имеется ограниченное временное окошко, во время которого реакция на RA м. компенсировать потерю функции Hoxa1.
Авт. затем анализировали изменения экспрессии генов в ответ на воздействие RA. Hoxb1, kreisler и Fgf3 обычно экспрессируемые в r4-r6 области, подавлены у Hoxa1-/- эмбрионов. У эмбрионов же, обработанных RA на 8.0 dpc + 2 ч, экспрессия всех трех генов временно восстанавливалась. Однако, эмбрионы, подвергшиеся действию RA на 8.75 dpc, обнаруживали активацию только Fgf3, при этом развитие внутреннего уха все еще было восстановленным. Это указывает на то, что экспрессия Fgf3 м.б. достаочной для восстановления структур внутреннего уха у эмбрионов Hoxa1-/- и что RA м. замещать функцию Hoxa1 по активации Fgf3 сигнального пути.
Весь мембранозный лабиринт, включая периферические нейроны, происходит из отического пузырька, который в свою очередь возникает из эпибранхиальной плакоды поверхностной эктодермы. Последовательная экспрессия паттерн-формирующих генов в отическом зачатке создает региональные молекулярные различия, которые иницируют различные программы клеточной пролиферации, миграции, гибели и дифференцировки в специфических местах отоциста. Это ведет к созданию гистогенетических доменов и трансформации отического зачатка в мозаику, которая формирует мембранозный лабиринт путем точного трехмерного расположения составляющих эпителиальных клеток в виде вестибулы, т.е. трех полукружных каналов с гребнями, utricle и saccule с их macule и слуховым подразделом, т.е. улитку с ее органом Корти (у млекопитающих).
Региональная спецификация: формирование паттерна улитки и вестибулярного аппарата (Represa et al., 2000)
Известно, что как хордальная мезодерма, так и эмбриональный задний мозг вносят свой вклад в индукцию развивающегося отического примордия, который необходим для спецификации и инвагинации отической плакоды. Во время формирования отоциста у мышей (Е11) этот отический зачаток становится мозаичным для развития сенсорных структур внутреннего уха по отношению дорсо-вентральной, передне-задней и латеро-медиальной осей. Дорсальная часть (pars superior) отоциста детерминируется на этой стадии к образованию вестибулярных структур, т.е. полукружных каналов и ассоциированных с ними гребешков, и вентральную часть (pars inferior), запрограммированную к дифференцировке в улитку с ее кортиевым органом. Картированиме мышинного отоциста представлено на рис. 1. передний полукружный канал и связанный с ним гребешок развивается из дорсо-передней части отоциста Латеральный полукружный канал происходит из дорсо-латеральной стенки отоциста, а связанный с ним гребешок из дорсо-латеральной передней секции. Задний полукружный канал и связанный с ним гребешок формируется из дорсо-задней части отоциста. Маточка и ее макула происходят из верхней средней трети медиальной и латеральной стенки отоциста. Мешочек и его макула происходят из нижней средней трети медиальной стенки отоциста. Улитковый проток и его сенсорный эпителий развивается из передней и задней отбластей pars inferior.
Разделение зачатка внутреннего уха на проспективную вестибулярную и слуховую сенсорную области связано с ограничением доменов генной экспрессии во время ранних стадий отического развития ( от плакоды к пузырьку). Дорсо-латеральная область, которая формирует вестибулярный эпителий, экспрессирует HMx2,Hmx3,dlx3,mshc,mshD,Sox9,p75,Imx1,gbx3,sek1,BMP7,igf1 гены. Вентро-медиальная область, из которой формируется слуховой эпителий, экспрессирует гены Pax2,dlx4,fgf2,fgf3,BMP4,notch,Ncam. На рис. 2 суммированы эти патерны экспрессии генов.
Одна из моделей спецификации судьбы клеток, что подобные паттерны генной экспрессии объясняют регионализацию развития сенсорных рецепторов. Нулевая мутация одиночного вентрального паттерн-формирующего гена Рах2 нарушает формирование улитки. Рах2 транскрипты экспрессируются в вентро-медиальной обасти отоциста, а внутреннее ухо Рах2 нулевых мутантов обнаруживает полный агенез улитки.
Однако более типичным является перекрывающееся действие генов во время развития внутреннего уха, например, перекрывающийся паттерн экспрессии двух очень сходных гомеобокс-содержащих генов (Hmx2 и Hmx3) в верхней (дорсо-латеральной) части отоциста. Оба эти гена экспрессируются рано, транскрипты Hmx3 присутствуют уже в плакоде. Однако нулевая мутация в гене Hmx3 обусловливает лишь ограниченный вестибулярный дефект (слтяние маточки и мешочка и отсутствие горизонтального гребня). Это указывает на то, что имеется перекрывание функций этих генов в зачатке уха.
Формирование паттерна тканей и спецификация судьбы клеток
Во время развития внутреннего уха серия имеет место серия предопределений судьбы: например, нейрональная-ненейрональная,сенсорная-несенсорная, волосковые-поддерживающие клетки.
Одним из самых ранних морфогенетичесих событий является утолщение вентралной стенки отического пузырька, сопровождаемое раслоением и эмиграцией нейробластов от нейрогенной области в подлежащую мезенхиму для формирования ганглия VIII нерва. На эмбрионах кур и перепела было установлено, что потенциал образования нейронов детерминируется между стадией плакоды и пузырька. Таким образом, выбор фенотипа нейробластных клеток для кохлеарного и вестибулярного ганглия происходит после необратимой детерминации отического бокала (слуховой ямки) и маркирует стартовую точку спецификации судьбы клеток в слуховом зачатке. Нейробласты могут обнаруживаться отслаивающимися от передне-вентральной области отического бокала. На рис 3С,Д показан пример спецификации области нейрогенеза, выявляемый в результате аномальной дорсальной позиции ганглия VIII нерва эмбриона, у которого отический бокал был эксприментально ротирован на 180 градусов после установления дорсо-вентральной оси. Некоторые гомологи позвоночных генов насекомых (nitch,delta,serrate), обусловливающие латералную ингибицию, присутсуют в отических зачатках кур во время во время сегрегации клона нейробластов. Конкурентно со спецификацией нейрогенной области в отическом бокале кур ген ВМР4 экспрессируется в двух участках, которые фланкируют эту нейрогенную область. Ген neurogenin-1 (ngn-1) обязателен для детерминации нейробластов в отическом зачатке мышей, так как у нулевых мутантов отсутствует как вестибулярный (Scarpa's), так и слуховой (spiral) ганглий.
Другим критическим онтогенетическим решением является спецификация сенсорных и не-сенсорных групп клеток в слуховом зачатке. Группы различных генов экспресируются параллельно с генерацией сенсорных и не-сенсорных участков на слуховые и вестибулярные сенсорные рецепторы. Несколько классов генов экспрессируется при этом: (1) гены, кодирующие транскрипционные факторы, такие как dlx-3,dlx4,GH6,SOHO-1,otx1,otx2,mshC,mshD,Hmx2,Hmx3,Pax2; (2)гены, кодирующие секретируемые факторы, напр., fgf-2,fgf-3,wnt-3,Xwnt-4,BMP-4,BMP-5; (3) гены, кодирующие тирозин-киназные рецепторы, например, ret и sek-1. Некоторые из этих генов специфичны для будущего сенсорного эпителия, например, dlx2,dlx4,mshC,mshD,Ghax7,mix1,msa1,BMP-4,sek 1,p75,Ncam,GCR, тогда как другие гены, такие как BMP7 и Lcam, экспрессируются в не-секреторных областях т один ген экспрессируется как в сенсорных, та и несенсорных областях, Hmx3.
ВМР4 является одним из самых ранних маркеров будущего сенсорного эпителия во внутреннем ухе. Паттерн экспрессии гена ВМР5 (сходного с ВМР4) преходящий и исчезает на стадии развития отического пузырька. Экспрессия генаВМР7 является обширной и начинается на стадии отической плакоды. На 5-й день эмбриогенеза кур паттерны экспрессии ВМР4 и ВМР7 отличаются среди вестибулярных и слуховых сенсорных рецептров. В вестибуле экспрессия гена ВМР7 сегрегирует от области основной сенсорной ткани в начале дифференцировки, тогда как экспресия ВМР4 концентрируется в области поддерживающих клеток. Напротив экспрессия гена ВМР7 в улитке становится ограниченной сенсорной тканью и в ходе развития локализуется в поддерживающих клетках, тогда как экспрессия гена ВМР4 локализуется в области будущих волосковых клеток. Помимо ВМР4 Msx-1 и Р75 (пан-нейтрофиновый рецептор низкого сродства) являются маркерами развивающихся гребешков. У эмбрионов кур передний и задний гребешок появляются первыми последовательно сначала в макуле мешочка, затем в латеральных гребнях, базилярных папиллах и lagenda, в макеле маточки и макуле neglecta. В развивающемся внутреннем ухе мышей наблюдается сходная последовательность возникновения сенсорных рецепторов, которая может предопределяться последовательной экспрессией ВМР4, lunatic fringle (Fng) и Brn 3.1 генов. Гены otx1 и otx2 (мышиные ортологи гена orthodenticle(Otd) дрозофилы) экспрессируются в области, предназначенной для формирования как вестибулярных, так и слуховых структур. Нулевые мутации гена otx1 поврежадют как слуховые, так и встибулярные структуры сенсорных рецепторов. Нулевые мутации otx2 обусловливают раннюю гибель эмбрионов до начала отического морфогенеза.
После окончания спецификации сeнсорных органов происходит следующий этап спецификация волосковых и поддерживающих клеток. Мышиный ген Brn3.1, Pou-доменовый транкриционный фактор, экспрессируется во всех сенсорных областях отоциста. Мутации этого фактора обусловливают потерю волосковых клеток всего внутреннего уха. Созревание поддерживающих клеток также, по-видимому, нарушено у этих мутантов. Это указывает на то, что необходимы активные взаимодействия волосковых и поддерживающих клеток для выживания клона поддерживающих клеток. Волосковые и поддерживющие клетки возикают из общего предшественника и не сегрегируют вплоть до позднего развития внутреннего уха. Анализ двух новых нулевых мутантов Jagged-1 и Math1 показал, что Notch-Delta путь передачи сигналов и Math1 участвуют в онтогенетическом выборе между волосковыми и поддерживающими клетками в развивапющемся внутреннем ухе мышей.
Следующий шаг спецификация развития отической капсулы и перилимфатических пространств, обеспечивающих защиту и питание перепончатого (membranous) лабиринта. Костный лабиринт внутреннего уха формируется в результате эндохондрального образования кости, процесса, связанного с реципрокным взаимодействием между эпителием отоциста и окружающей периотической мезенхимой. Должны существовать гены, контролирующе дифференцировку и морфогенез эндохондрального костного лабиринта. Эти гены кодируют секретируемые факторы, включая членов семейств TGFbeta, FGF и ВМР. В ответ на индукцию с помощью FGFs( напр., FGF2,FGF3) хондрогенная дифференцировка периотической мезенхимы начинается с формирования клеточных конденсатов. Конденсированная мезенхима дифференцируетс в хрящ под действием секретируемых факторов, включая TGFalpha и ВМР2а, образуюя плностью хондрифицированную отическую капсулу, которая позднее служит как матрица для последующего формирования костного лабиринта.
|
Сайт создан в системе
uCoz