РАННЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ КИШЕЧНОЙ ТРУБКИ |
|
|---|---|
|
Наружный слой(и) трубки состоит сначала из гладких мышц, происходящих из латеральной пластинки спланхнической мезодерма. Внутренний просветный выстлан эпителием, происходящим из эктодермы в наиболее переденей ее части (рот) и наиболе задней (анус). Остальная часть эпителия происходит из энтодермы Roberts, (2000) .
Критической для формирования ранней кишки является инвагинация дефинитивной энтодермы и последующий рост и дифференцировка сосденей спланхнической мезенхимы. В результате двух инвагинаций на переднем конце (anterior intestinal portal,AIP) и на заднем (caudal intestinal portal, CIP) образуются два конца и начинается интернализация кишки. Предполагается, что в образовании AIP активно участвуют быстрый рост краниального конца ЦНС (ст. головной складки). Однако у акраниальных/ацефалических эмбионов AIP образуется нормально, а у некоторых мутантов нарушено только образование AIP, но не развитие краниума. Следовательно, инвагинация AIP м.б. активной специфичной для энтодермы функцией.
CIP инагинация является зеркальным отражением более ранней AIP инвагинации, но этот процесс изучен хуже. Обе трубки растут и удлинняются в направлении друг друга.
|
Описано несколько факторов, экспрессрующихся в ранней энтодерме. Один из членов семейства GATA транскрипционных факторов связывается специфически с GATA цис-элементом промоторов и усиливает гены-мишени. Gata-1, 2, 3 важны длдя гематопоэза, GATA-4, 5 и 6 важны для развития сердца и кишки, они экспрессируются в примитивной кардиальной мезодерме и в сердце в течение всего развити. Они активируют активность некоторых сердце-спцфических генов. GATA-4 экспрессируется в очень ранней дефинитивной энтодерме AIP, а нулевые мутантоы имеют множественные аномалии, указывающие на его участие в формировании AIP и в ранних морфогенетических движениях, необходимых для закрытия стенки тела. очевидно, что критической функцией GATA-4 является регуляция образования AIP и латеральных вентральных складок тела. Передняя энтодерма присуствует у этих мутантных эмбрионов, следовательно, другие факторы ответственны за индукцию дефинитивной энтодермы.
Передняя дефинитивная энтодерма нуждается в зиготической активации по крайней мере одногоизвестного фактора, HNF3β forkhead domain.wunged helix транскрипционного фактора, который экспрессируется на ст. поздней первичной полоски в дефинитивной энтодерме. HNF3β-/- мыши не способны формировать энтодерму передней или средней килки. Следовательно. формироание задней энтодермы контролируется другим фактором.
Эпителиально-мезенхимные взаимодействияОтсутствуют морфологические отличия между частями кишечной трубки, формируемой в результате эленгации AIP и CIP. Первичная кишечная трубка выстлана одиночным слоем кубического/цилиндрического эпителия и окружена слоем спланхнической мезодермы. По мере роста и дифференцировки мезодермы в гладкие мышцы кишечная трубка меняет свою морфологию, обнаруживаются четкие демаркации в переденей, средней и задней кишке (рис.2).
Изменения морфологии просветного эпителия существенно задерживаются по отношению к большому паттерну региональной специфической дифференцировке трубки. У эмбрионов кур большие региональные отличия обнаруживаются на ст. Е3-5, а эпителиальные различия не обнаруживаются вплоть до Е10, а четкие отличия появляются только на ст. Е18-21. У некоторых позвоночных подлежащая функциональная дифференцировка появляется после рождения.
Имеется онтогенетическое окно, поcле которого примитивная кишечная энтодерма, хотя все еще морфологически недифференцирована оказыватся детерминированной и развивается в соответствии в регионально специфицированный эпителий, при культивировании с различными тканями, включая и вителлиновые мембраны.Однако на ранних стадиях развития, окончательная дифференцировка примитивной энтодермы должна зависеть от передне-задней области ее соседней мезодермы. Напр., ранняя gizard энтодерма может дифференцироваться как провентрикулярный эпителий, если ко-культивируется с провентрикулярной мезодермой. Итак, мезодерма управляет ультимативным эпителиальным патерном в кишке, но и энтодерма обладает индуктивной способностью. Дефинитивная энтодерма, ко-культивруемая с соматической мезодермой стимулирует образование гладких мышц (спланхнических или висцеральных) скорее, чем скелетных.
Влияние мезодермы на паттерн энтодермы обусловливет первичную спецификацию морфологии, которая может и не включать в себя всей эпителиальной цитодифференцировки. Так, некоторые специфические для средней кишки эпителиальные цитодифференцировки, по-видимому, обладют клеточно актономными/клеточно-специфическими свойствами. Специфическая для средней кишки эпителиальная экспрессия переваривающих энзимов сохраняется даже, если воздейстовать гетерологической мезодермой. Следовательно, энтодерма средней кишки должна иметь некоторые эпителиальные клетки с автономными свойствами.
Shh кодирует сигнальные молекулы, участвующие в формировании паттерна нескольких регионов эмбриона, включая почки конечностей, сомиты, нервную трубку. Shh экспрессируется в энтодерме кишки и ее производных. Его самая ранняя энтодермальная экспрессия ограничивается энтодермой AIP и CIP до их инвагинации. Shh не является сигналом, который инициирует их инвагинацию. У мутантов нарушено развитие пищевода с большим просветом и дизорганизованной или отсуствующей соседней мезодермой. Следовательно, Shh энтодермальный сигнал необходим для развития мезодермы, для ее рекрутирования или других аспектов формирования ее паттерна. Рецепторы Shh присутствуют в мезодерме.
У позвоночных известны 2 гомолога dpp, экспрессирующиеся в кишке: Bmp2 и Bmp4. В первичной задней кишке в самое раннее время Shh экспрессия обнаруживается в CIP области, при этом Bmp4 экспрессируется в соседеней мезенхимной мезодерме. Ырр эктопически индуцирует экспрессию Bmp4 в спланхнической мезодерме, которая затем контролирует разитие здесь гладких мышц кишки. Во время раннего морфогенеза gizzard ( область желудка у эмбрионов кур с самыми толстым слоем гладких мышц) Bmp4 не обнаруживается и Shh не может его индуцировать. При эктопической экспрессии Bmp4 в примитивном пшяяфкв возникает лишь тоненький слой гладких мышц. Следовательно, Bmp4 негативно регулирует развитие гладких мышц кишки. Позднее в формировании паттерна кишки те же самые факторы могут играть другую паттернирующую роль.
Bmp2 экспрессируется на поздних стадиях в течение короткого промежутка времени, ограничиваясьобластью мезодермы желудка у кур. Bmp2 в это время важен для мезодермально-энтодермальных взаимодействий. необходимых для образования собственно желез в эпителии желудка. Это пример поздней функции.
МОЛЕКУЛЯРНЫЙ КОНТРОЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕДНЕ-ЗАДНЕГО ПАТТЕРНА КИШКИ3 больших АР области кишки интернализуются в полость тела. Имеется мнгочисленная информация о том, как Нох гены формируют паттерн кишки. Abd-B подобные Нох гены экспрессируются в мезодерме задней части среденй кишки и в задней кишке. У эмбрионов кур показано, что Abd-B подобные Нох гены А и В кластеров имеют регионально ограниченную экспрессию с границами, демаркирующими морфологически обнаружимые маркеры в средней и задней кишке. Передние области кишки позвоночных, также, по-видмому, имеют ограниченные паттрены экспрессии Нох генов, привязанные к морфологическим границам, как это имеет место у аннелид и дрозофилы.
В местах соединений больших регионов кишки имеются сфинктеры разлиыных размеров и важности. Следовательно, экспрессия границ в сфинктерах важна для формирования паттерна кишки.
Желудок птиц состоит из двух камер. Переднаяя, провентрикулюс, это железистый желудок, экспрессирующий желудок-специфические энзимы, такие как пепсиноген. За ним находится gazzard (зоб), специализированное образование, заменяющее функцию жевания. Он характеризуется толстой мускулатурой и специализированным многослойным кератинизированным слущивающимся эпителием, покрытым толстым слоем кератина. Эпителий gizzard может менять свои характеристикипри совместном культивировании с провентрикулярной мезодермой. Провентрикулярная энтодерма при ко-культивировании с gizzard мезодермой приобретает gizzard фенотип и не экспрессирует пепсиноген.
На ранних стадиях (до Е7 у эмбрионов кур) Bmp2 и 4 перестают экспрессироваться в примитивной мезодерме пшяяфкв, но продолжают экспрессироваться в примитивной провентрикулярной мезодерме. Эти факторы необходимы для формирования нормального паттерна эпителия провентрикулюса. Соединение передней кишки со средней отграничивает желудок спереди, а двенадцатиперстная кишка - сзади. Пилорический сфинктер (ПС) имеется у большинства животных. Многие факторы ограничивают свою экспрессию в месте ПС. Сюда входят и факторы, экспрессия которых ограничена мезодермой кпереди от ПС в желудке ( или пшяяфкв): Bapx2/Nkx3.2 и те что ограничены мезодермой кзади в тонкой кишкой: Wnt5a, Bmp4. Прересекается ПС доменом экспрессии генов: Nkx2.5 и 2.3. Кроме того некоторые факторы экспрессируются в энтодерме этой области (ограниченные ПС и задней областью - CdxA и Pdx1; и ПС и передней областью - Sox2, Six2).(Рис. 4)
В позднем развитии Shh-Bmp4 энтодерм-мезодермальные сигналы важны для ингибирования скорее, чем для стимуляции дифференцировки гладких мышц. У кур на ст. Е6, когда слой гладких мышц уже сформирован Bmp4 экспрессируется в подслизистой, мезодермальная ткань непосредствено соседствующая с Shh экспрессирующей энтодермой, не дифференцируется в слой гладких мышц. Следовательно, Shh редуцирует развитие гладкомышечных белков.
Установлено, что экспрессия Bmp4 в gizzadr не выявляется вплоть до ст Е7 (примерно Е4), хотя в остальных регионах мезодермы кишки он обнаруживатеся. В это время Bmp4 нельзя идцировать и эктопической избыточной эксрессией Shh.
Два из 13-х паралогов AbdB класса (Ноха13 и Hoxd13) участвуют в развитии задней кишки. У нулевых Hoxd13 мышей наблюдается анально/ректальный пролапс, возможно в результате недоразвития анального сфинктера. Мышцы анального сфинктера дизорганизованые и тонкие. Мыши несущие нулевые аллели обоих генов имеют более тяжелые дефекты анального сфинктер и отсутствие анального отверстия. Самая задняя часть кишки у кур, клоака, имеет общее кишечное и урогенитальное отверстие. У человека мутация гена Ноха13 обусловливает синдром, куда входит генитальный фенотип.
Нох гены играют также роль в паттернировании эпителия регионов кишки также. Так, эктопическая экспрессия Hoxd13 в мезодерме средней кишки у эмбрионов кур обусловливает индукцию там эпителия по морфологии, соотвествующего задней кишке. Следовательно, мезодермальная экспрессия Нох генов участвует в мезодермально-энтодермальных взаимодействиях, формирующих паттерн эпителия.
Shh, экспрессирующийся в энтодерме может активировать экспрессию Нох Abd-B подобных генов в мезодерме кишки. На ст 13 наблюдается гнездо или кластер таких генов вокруг энтодермы CIP, экспрессирующей Shh. Shh является также индуктором Нох генов в конечностях.
ФОРМИРОВАНИЕ ДОРСО-ВЕНТРАЛЬНОГО ПАТТЕРНА КИШКИПозднее, когда формируется дорсо-вентральная полярность кишки меняется паттерн экспрессии Shh, так что он исключается из области вентральной энтодермы, где происходит активное почкование. Вентральные сигналы ингибируют экспрессию Shh на этом полюсе энтодермы.
Вентральная спецификация передней кишки необходима для органогенеза щитовидной железы и легких и связана с классом гомеобокс содержащих транскрипционных факторов. Nkx2.1 ограничивает свою экспрессию в кишке вентральной частью энтодермы переденей кишки, местами, где должны отпочковаться зачатки щитовидной железы и легких. У нулевых трансгенных мышей обнаруживается агенез паренхимы легких и хотя тироидный рудимент образуется, он никогда не раздваивается и не развивается в железу. полной вентрализации трахеи от пищевода (первая ступень органогенеза легких) не происходит, вмсто этого образуется одиночный некомпартментали зованный просвет сложного фенотипа, содержащий элементы как трахеи, так и пищевода. Бронхи выпячиваются билатерально из уродливого просвета, но неспособны давать нормальные легкие.
Развитие панкреас начинается с эвагинации энтодермы в виде двух почек из заднего конца передней кишки, вентрального и дорсального. Они сливаются, вентральная почка предоминирует, но движется дорсально в результате ротации средней кишки. Pdx1 гомоеобокс-содержащий транскрипционный фактор необходим для дорсо-вентрального паттерна, он экспрессируется в энтодерме переденей кишки в презумптивной дуоденальной энтодерме в областях, где должны возникнуть дорсальная и вентральная почки поджелудочной железы. Его экспрессия исключается из латеральной энтодермы, фланкирующей панкреатические почки, где сохраняется экспрессия Shh. У Pdx1 нулевых мышей вентральный зачаток образуется, но неспособен расти, дорсальный зачаток растет, но рано прекращает развитие и не дает функциональной поджелудочной железы. панкреатическая энтодерма никогда не дифференцируется полностью, хотя мезодрема развивается, по-видимому, нормально. Когда в панкреатической области делали возможной экспрессию Shh по всей окружности кишки, то нарушался фенотип панкреатической мезодермы. Это указывает на то, что экспрессия Shh в энтодерме кишки индуцирует специфичные для кишки гладкие мышцы в соседней мезодерме.
Pазвитие печени также нуждается в дорсо-вентральной полярности. Вентральные сигналы необходимы для индукции передней кишкой энтодермальной почки и печеночной дифференцировки. печеночная дифференцировка м.б. ингибирована добавлением дорсальной "ингибирующей" мезодермы, которая устараняет вентральную спецификацию, обеспечиваемую кардиальной мезодермой.
ДИФФЕРЕНЦИРОВКА КИШКИ ОТНОСИТЕЛЬНО ЛЕВО-ПРАВОСТОРОННЕЙ осиПетлеобразование кишки является критическим в развитии асимметрии. первым признаком ЛП асимметрии кишки является левостороннее выпячивание передней кишки - желудок. Он оказывется в верхней левой стороне живота, форсируя среднюю кишку (тонкую) к петлеобразованию против часовой стрелки.
В образовании ЛП асимметрии участвуют Shh и Activin. Экспрессия Shh ограничивается левой стороной эмбриона, а экспрессия Activin - правой стороной. Shh запускает каскад факторов, экспрессирующихся односторонне (Nodal, Pitx2, Bapx1(Nkx3.2) и fgf8). Билатерализация или инактивация молекул Shh, Pitx2 и Bapx1 ведет к синдрому heterotaxy.
ДИФФЕРЕНЦИРОВКА РАДИАЛЬНОЙ ОСИЭнтодермальная выстилка кишки формирует паттерн в соответствии с ее регионально ассоциированной мезодермой. На поперечных срезах наблюдается паттерн от серозы к просвету (рис.2). В желудке энтодерма инвагинирует в подслизистую. образуя крипты и железы. В средней кишке энтодерма эвагинирует в просвет, образуя ворсинки. В задней кишке имеются и крипты и ворсинки. Ворсинки поляризуют как мезодерму, так и эпителий. Ворсинка покрыта эпителием, который отличается по своей цитодифференцировке в зависимости от своего положения вдоль крипта-ворсинка оси. В общем область крипт содержит менее дифференцированные, пролиферирующие клетки, тогда как кончик ворсинки имеет терминально дифференцированые и специализированыне клетки. Такая цитодифференцировка вдоль радиальной оси зависит от взаимодействия с подлежащей мезодермой, взаимодействия с белками базальной мембраны и контакта с просветными ащщвыегааы у некоторых видов (например, развития клеток, метаболизирующих лактозу, при приеме молока).
Раннее патернирование этой оси связано с использование некоторых молекул, включая и Shh. Когда ворсинки и железы формируются, то Shh экспрессия ограничивается клетками предшественниками, наименее дифференцированными вдоль радиальной оси. Его экспрессия уменьшается в направлении движения к просвету или в подслизистых железах по мере дифференцировки клеток. В тонком кишенике Shh экспрессируется у основания ворсинок, а в провентрикулюсе кур только в недифференцированно гляндулярном эпителии, но не песиноген секретирующими гляндулярными клетками. Ductus choledochus и ductus pancreaticus, как только они отходят от просвета кишки перестают эксрессировать Shh.
|