Coming into focus: The role of extracellular matrix in vertebrate optic cup morphogenesis | |
The vertebrate eye
acquires its basic form during the process of optic cup morphogenesis,
during which the optic vesicle emerges from the brain neuroepithelium
and, through a series of cell and tissue movements, transforms itself
into the multilayered optic cup, containing neural retina (comprised of
retinal progenitors), retinal pigmented epithelium, and the lens, which
is derived from the overlying ectoderm. While great strides have been
made to understand the developmental signals controlling specification,
patterning, and differentiation of the optic cup, only in recent years
have the cellular and molecular bases of optic cup morphogenesis begun
to be unraveled. One critical component of the morphogenetic process is
the extracellular matrix: the complex, glycoprotein-rich layer that
surrounds the optic vesicle and lens. Though the extracellular matrix
has long been visualized by classical histological techniques and
postulated to play various roles in optic cup development, its
functional role was uncertain. This is now beginning to change, as live
imaging techniques, quantitative image analyses, molecular genetics and
in vitro models yield new insights into the process of optic cup
morphogenesis and the specific influences of particular extracellular
matrix components and their associated signaling pathways.Developmental
Dynamics 243:1242-1248, 2014. © 2014 Wiley Periodicals, Inc.
Role of heparan sulfate proteoglycans in optic disc and stalk morphogenesis Zhigang Cai,Kay Grobe and Xin Zhang Developmental Dynamics Volume 243, Issue 10, pages 1310-1316, October 2014 Гепарансульфат протеогликаны (HSPG) важны для эмбрионального развития, т.к. регулируют формирование градиента и передачи сигналов множественных факторов роста и морфогенов. Предыдущие исследования показали, что передача сигналов Bmp/Shh/Fgf необходима для регионализации глазного пузырька(OV) и для закрытия глазной щели (optic fissure (OF)), нарушения которых лежат в осенове глазных аномалий, такиех как микрофталмия, колобома и гипоплазия глазного нерва. Для изучения HSPG-зависимой координации этих путей передачи сигналов во время развития зрительной системы млекопитающих, была получена серия специфичных для глазного пузрька мутаций в генах для heparan sulfate (HS) N-sulfotransferase (Ndst1 и Ndst2) и генах HS O-sulfotransferase(Hs2st, Hs6st1 и Hs6st2) у мышей. Интересно, что возникающая недостаточная сульфатация HS всё ещё позволяет продолжаться нормальному ретинальному нейрогенезу и закрытию глазной щели, но приводит к дефектам развития диска и стебля зрительного нерва. У взрослых мутантных жтвотных далее развивается аплазия или гипоплазия зрительного нерва и возникает дегенерация сетчатки. Мы наблюдали, что передача сигналов MAPK/ERK подавляется у Ndst мутантов, и в соответствии с этим, свзанные с HS дефекты морфогенеза глазного нерва у мутантных мышей могут быть частично устранены с помощью конституитивной активации Kras. Итак, HSPGs, в зависимости от их паттерна сульфатации регулируют множественные сигнальные пути при морфогенезе диска и стебля глазного нерва. |
Зрелый глаз сложный орган, представлен многими
тканями, происходящими из разных онтогенетических источников. Точная
тканевая организация является критической для зрительной функции:
нарушение процесса развития, лежащее в основе глазных структур, может
приводить к разнообразным нарушениям зрения у человека. Базовые
структуры глаза устанавливаются во время морфогенеза глазного бокала со
специализацией субструктур впоследствии. Морфогенез глазного бокала
начинается с эвагинации зрительного пузырька на каждой из сторон
нейроэпителия головного мозга (Fig. 1). Эти небольшие выросты ткани
подвергаются серии клеточных и тканевых перестроек, чтобы сгенерировать
глазной бокал, который содержит нейральную сетчатку, пигментный
эпителия сетчатки и хрусталик (Chow and Lang, 2001; Yang, 2004;
Martinez-Morales and Wittbrodt, 2009; Fuhrmann, 2010). Время, когда
глазной бокал полностью сформируется (E10.5 у мыши; HH15-HH16 у кур; 24
hr после оплодотворения у рыбок данио), нейральная сетчатка является
псевдостратифицированным эпителием, состоящим из предшественников
сетчатки, а пигментный эпителий сетчатки это плоский монослой,
окружающий всю нейральную сетчатку. Хрусталик отделяется от покрывающей
эктодермы, но передний эпителиальный слой и хрусталиковые волокна ещё
не дифференцированы. Хороидная щель, преходящая, хотя и критическая
структура, посредством которой сосудистая сеть проникает в, а
ретинальные аксоны выходят из глаза, образуется на вентральной стороне
глазного бокала, но пока ещё не начинает сливаться. Одновременно с
этими драматическими морфогенетическими изменениями, глазной пузырек и
хрусталиковая эктодерма выполняют внутренне присущую молекулярную
программу, с помощью которой ткани специфицируются и формируют паттерн.
Огромное большинство путей передачи онтогенетических сигналов сигналов,
включая FGF, Wnt, TGF-β и Shh, необходимы, чтобы глазной бокал
адаптировал экспрессию своих точно регионализованных генов перед
началом нейрогенеза (Chow and Lang, 2001; Yang, 2004; Adler and
Canto-Soler, 2007; Fuhrmann, 2010), хотя роль каждого пути в контроле
специфических клеточных движений менее ясна.
Figure 1. Overview of optic cup morphogenesis and extracellular matrix components. In this schematic of a generic vertebrate, the optic vesicle undergoes a series of dramatic shape changes to form the optic cup: it first evaginates from the brain neuroepithelium, makes close contact with pre-lens ectoderm as the lens placode forms, then invaginates with the lens to form the optic cup. Laminin, fibronectin, and collagen IV are all present throughout optic cup morphogenesis; when listed in red, it has been demonstrated to be functionally required during that stage of optic cup formation. Inset: Closer view of retina-lens interface at the end of optic cup morphogenesis. Note that ECM is present not just at the retina-lens interface, but also surrounding the eye and lens structures throughout optic cup morphogenesis. blue, laminin;orange, fibronectin; purple, collagen. Поскольку ступени морфогенеза глазного бокала
позвоночных были описаны декаду тому назад с исползованием световой и ЭМ техники они мало внесли в понимание динамики подлежащих процессов: клеточных движений,
поведения одиночных клеток и изменений формы клеток при морфогенезе
глаз. Выявлено много информации о клеточных событиях, управляющих
морфогенезом глазного бокала. У рыбок данио и медака изображеня вживую
и 4-мерное отслеживанеие клеток сделали возможным
непосредственное наблюдение и анализ поведения и
перемещений клеток во время эвагинации глазного бокала (England et al.,
2006;Rembold et al., 2006; Kwan et al., 2012; Ivanovitch et al., 2013). У
мышей и кур налюдения вживую затруднены, здаеь количественный анализ
изображений фиксированных эмбрионов преоставляет критическую
информацию. Внутренние и внешние сигналы д. взаимодействовать, чтобы
обеспечивать точные морфогенетические изменения на тканевом уровне,
отсветственные за формирование глазного бокала. Эмбриологические
подходы на эмбрионах кур выявили многие из этих сигналов и их эффекты
на формирование глазного бокала. Кроме того, улучшение
молекулярных и генетических инструментов, в особенности кондиционные
нокауты у мышей, сделали возможным оценку роли различных путей во время
морфогенеза глазного бокала. Внеклеточный матрикс, сложная
гликопротеиновая сеть, как известно, играет важную роль в ходе развития
и является критическим регулятором морфогенеза глазного бокала и лежит
в основе клеточной динамики. Многие различные молекулы внеклеточного
матрикса присутствуют во время морфогнеза глазного бокала. Сюда входят
протеогликаны, содержащие цепочки glycosaminoglycan (GAG), такие как heparan sulfate и
chondroitin sulfate, полисахариды, такие как гиалуроновая кислота и образующие сеть
гликопротеины, такие как laminin, fibronectin и collagen (Hendrix and
Zwaan, 1975; Wakely, 1977; Kurkinen et al., 1979; McAvoy,1981; Webster
et al., 1983; Parmigiani and McAvoy, 1984; Webster et al., 1984;
Tuckett and Morriss-Kay, 1986; Svoboda and O'Shea,1987; Hilfer and
Randolph, 1993; Peterson et al., 1995). Роль цепочек GAG и др.
полисахаридов во время морфогенеза глазного бокала изучена слабо; эта
проблема осложнаяся в случае протеогликанов из-за отсутствия знания
относительно специфической роли их в разнообразных стержневых белках.
Относительно образующих сеть элементов, имеется меньше доказательств об
определяющей и специфической роли этих факторов в морфогенезе глазного
бокала. В обзоре мы сконецентрируемся преимущественно на сеть
образующих элементах laminin, fibronectin и collagen. Лиминины
действуют как гетеродимеры из α , β и
γ цепочек. Имеются множественные формы каждой цепи у всех позвоночных,
при этом laminin-111 (гетеротример из lama1, lamb1 и lamc1), как
полагают, является преобладающей изоформой во время ранних стадий
развития (Colognato and Yurchenco,2000; Miner and Yurchenco, 2004). В зависимости от специфики гетеротримера ламинины могут соединяться с несколькими разными
рецепторами, включая интегрины и дистрогликан.Кроме того,
ламинины ассоциируют с др. компонентами матрикса, такими как
fibronectin, collagen и entactin. Фибронектин действует в виде
гомодимера (связанного с помощью дисульфидных мостиков), которые
собираются в матрикс и могут взаимодействовать с коллагенами.
Интегрины обычно служат в качестве рецепторов для фибронектина,
соединяясь посредством хорошо охарактеризованного мотива RGD
(Arginine-Glycine-Aspartate) на белке фибронектина. Коллаген IV давно
известен, как присутствующий в окружении раннего глаза (Svoboda and
O'Shea, 1987; Hilfer and Randolph, 1993; Matsuda and Keino, 2001): в отличие от более
распространенных коллагенов, которые сворачиваются в плотную тройную
спираль и присутствуют в соединительной ткани, коллаген IV
содержит структурные отличия, которые приводят к сборке из него сети
базальной мембраны, которая ассоциирует со многими молекулами матрикса
(Hudson et al., 1993; Kalluri, 2003). Все эти молекулы внеклеточного
матрикса и их рецепторы могут, в принципе, влиять на морфогенез
глазного бокала множественными способами. Контакт с матриксом может
быть критическим для жизнеспособности клеток: потеря прикрепления к
матриксу может вызывать специфическую форму запрограммированной
клеточной гибели, anoikis (Frisch and Francis, 1994; Juliano et al., 2004). Матрикс может
также действовать как каркас для мигрирующих клеток, влияющий на их
направление, продолжительность и тип перемещения или др. проникающую
акивность(Adams and Watt, 1993; Daley and Yamada, 2013). Более того, матрикс окружает
поляризованную эпителиальную ткань, а присутствие или отсутствие
определенных компонентов матрикса может влиять на становление
или поддержание полярности ткани (Martin-Belmonte and Mostov, 2008).
Наконец, матрикc может влиять на передачу межклеточных сигналов многие
секретируемые сигнальные молекулы соединяются с матриксом, это
влияет на диффузию и меняет диапазон передачи сигналов. Более того,в
некоторых случаях компоненты внеклеточного матрикса могут быть
необходимы для передачи сигналов: heparan sulfate в матриксе служит в
качестве обязательного кофактора для связи FGF с его рецептором и может
играть роль в передаче сигналов Wnt. Т.о., маткрикс может
влиять на спецификацию и формирование паттерна ткани, а также контролировать
поведение клеток. Предыдущие обзоры анализировали развитие глаз
и роль компонентов внеклеточного матрикса и интегриновые рецепторы в ходе
развития глаз на постэмбриональных стадиях (Chow and Lang, 2001; Yang,
2004;Hausman, 2007; Martinez-Morales and Wittbrodt, 2009; Fuhrmann,
2010). Целью данного обзора являются ранние ступени морфогенеза
глазного бокала: пересмотр нашего представления о внеклеточном матриксе
и его роли в этом важном, динамическом процессе. Optic Vesicle Evagination Глазной пузырек первоначально возникает из нейроэпителия головного
мозга в виде выпячиваний клеток с обеих сторон от срединной линии и
клеточные механизмы, управляющие этим движением начинают
проясняться. Используя <i>in vivo</i>
технику получения изображений, было установлено, что миграция одиночной клетки управляет
эвагинацией у медака: при быстрой цейтраферной съёмке клетки могут быть
видимы движущиеся индивидуально и обменивающимися с соседями (Rembold
et al., 2006). Недавнее сообщение по рыбкам данио описывает слегка иное
поведение, включает элонгацию и интеркаляцию клетки
(Ivanovitch et al., 2013). Первоначально обнаруживаются две
самостоятельные популяции клеток, при этом "маргинальные" клетки
контактируют с внеклеточным матриксом и приобретают удлиненную
морфологию, "стержневые" клетки занимают регион срединной линии и имеют
округлую морфологию. Со временем маргинальные клетки удлиняются ещё
больше, а стержневые клетки начинают элонгацию и интеркалируют,в
середину маргинальных клеток. Эта комбинация элонгации и инеркаляции
клеток, возможно комбинирует с некоторой активной миграцией клеток и
может управлять эвагинацией глазного пузырька у рыб.
Получение изображений вживую не используется у амниот, так что управляет ли
поведение этих отдельных клеток эвагинацией у мышей и кур, остается
неизвестным. </div> <div> Даже на этой ранней стадии развития глаза компоненты внеклеточного матрикса, включая ламинин, фибронектин и коллаген IV,окружают возникающий глазной пузырек у всех исследованных видов позвоночных(Parmigiani and McAvoy, 1984; Svoboda and O'Shea, 1987; Hilfer and Randolph, 1993; Peterson et al., 1995; Matsuda and Keino, 2001). Доказательтсва того, что эти белки играют функциональную роль в морфогенезе стали появляться лишь недавно. Напр., роль laminin в поведении клеток при эвагинации была выявлена у рыбок данио путем характеристики laminin-γ1 (lamc1) мутантов (sleepym86)и morpholino нокдаун эмбрионы (Ivanovitch et al., 2013). Эвагинация всё ещё происходит в отсутствие ламинина, хотя элонгация клеток дезорганизована, при этом клетки иногда проникают за границы глазного пузырька. Морфология удлиненных клеток нестабильна: некоторые маргинальные клетки обнаруживают округлую морфологию. Следовательно, у рыбок данио ламинин, по-видимому, координирует,организует и определяет границы поляризованной элонгации клеток глазного пузырька во время эвагинации. Некоторое количество др. цепочек ламинина (lama1, lama2, lama4 и lamb2) также экспрессируются во время этих ранних стадий развития у рыбок данио (Sztal et al., 2011), хотя фенотип оптического бокала был описан только для мутантов lamb1 и lamc1(Parsons et al., 2002). В отношении амниот, хотя получение изображений вживую затруднено, многие признаки морфогенеза глазного бокала были воспроизведены <i>in vitro</i>, используя эмбриональные стволовые клетки мыши и определенный протокол культивирования(Eiraku et al., 2011). Первоначально было установлено, что стволовые клетки сначала агрегируют, если временно подвергаются действию activin, то в них экспрессируются ретинальные маркеры, хотя не образуются эпителиальные структуры, напоминающие глазной пузырёк или глазной бокал(Ikeda et al., 2005). Когда агрегаты были культивированы в Matrigel, комплексе, неполностью представляющему собой настоящий внеклеточный матрикс, смесь особенно богатая компонентами базальной мембраны, то они обнаруживали морфогенетические движения, напоминающие эвагинацию глазного пузырька и инвагинацию глазного бокала (Eiraku et al., 2011). Разные результаты обнаруживаются в отсутствии и присуствии Matrigel, подтверждая, что внеклеточный матрикс играет существенную роль в морфогенетическом процессе, не связанном с индукцией качественных особенностей сетчатки. Известно, что очищенный ламинин и entactin оказываются столь же эффективными, как Matrigel в поддержании этих морфогенетических событий. Следовательно, в этой системе <i>in vitro</i> ламинин и менее изученный entactin, по-видимому, являются критическими, хотя точные клеточные основы их вклада неизвестны. В противоположность ламинину функциональная роль фибронектина или коллагена IV в эвагинации остается неясной; функциональные эксперименты по выяснению роль коллагена IV не были осуществлены. В отношении фибронектина инъекции RGD пептидов (которые блокируют распознавание фибронектина его интегриновыми рецепторами) и антитела, которые блокируют связывание integrin-β1 с лигандами внеклеточного матрикса (фибронектином и возможно ламинином) приводят к возникновению сильно дезорганизованного глазного бокала у кур (Svennevik and Linser, 1993), но эвагинация всё ещё происходит. Глазные пузырьки не были проанализированы в отношении др. дефектов, напр., в отношении клеточной и тканевой морфологии непосредственно после эвагинации. Было бы интересно установить, происходит ли нарушение поведения и морфологии клеток, когда нарушена адгезия с фибронектином: принимая во внимание, что глазные пузырьки эвагинируют у мутантных laminin-γ1 рыбок данио, хотя поведение клеток нарушено, возможно, что в этом случае имеют место очень умеренные дефекты динамики поведения. У рыбок данио, ни fibronectin мутанты natter (fn1a), ни integrin-α5 мутанты, по-видимому, не имеют каких-либо ранних дефектов морфогенеза глазного бокала(Hayes et al., 2012), это говорит против потребности в фибронектине и его нижестоящей передаче сигналов при эвагинации. Однако, имеется второй фибронектиновый ген у рыбок данио, который может перекрывать функцию первого(fn1b), а integrin-α5 привносится матерью (Julich et al., 2005), значит мутанты могут содержать некоторое количество мРНК и белка дикого типа,проявление которого может быть достаточно для поддержания эвагинации. Необходимы дальнейшие эксперименты, чтобы определить роль фибронектина и коллагена IV в эвагинации. Lens Placode Formation После эвагинации развивающийся глазной пузырек
устанавливает контакт с покрывающей его эктодермой и начинается
развитие хрусталиковой плакоды. Известно, что регион между
проспективной сетчаткой и хрусталиковой плакодой богат внеклеточным
матриксом, разделяющим ткани: у эмбрионов кур гистологический анализ
продемонстрировал высокое скопление гликопротеинов, а ЭМ выявила
плотный фиброзный матрикс между двумя тканями (Hendrix and Zwaan,
1975; Wakely, 1977; Kurkinen et al., 1979; McAvoy, 1981; Webster et
al., 1983; Parmigiani and McAvoy, 1984; Hilfer and Randolph, 1993).
Окрашивание антителами специфических компонентов внеклеточного матрикса
продемонстрировало, что ламинин, фибронектин и коллаген IV
обнаруживаются в этом промежутке (интерфейсе) у кур, мышей и крыс
(Svoboda and O'Shea, 1987; Hilfer and Randolph, 1993; Matsuda and Keino, 2001). Более того,
маркеры - индикаторы фокальных адгезий, адгезии интегрина с
внеклеточным матриксом - накапливаются в этом межтканевом интерфейсе у
лягушек(Li and Sakaguchi, 2002). Отложение матрикса было продемонстрировано у мышей,
зависимое от экспрессии Pax6
в проспективном хрусталике(Huang et al., 2011): кондициональные Pax6 нокауты (с использованием Le-Cre драйвера, с которого начинается экспрессия на ст.E9 [Ashery-Padan et
al., 2000]) оказались неспособны продемонстрировать характерное
накопление PAS и Alcian Blue окрашивания в промежутке между сетчаткой и
хрусталиком. PAS выявляет полисахариды и гликопротеины, тогда
как Alcian Blue маркирует кислые полисахариды, такие как
гликозаминогликаны - следовательно, снижение окрашивания указывает
на дефицит продукции внеклеточного матрикса и что проспективный
хрусталик является важным источником накопления ВКМ. Результатом Pax6
кондиционного нокаута стала неспособность образования плакоды и
инициации инвагинации хрусталика. Эти результаты подтвердили, что
потерявнеклеточного матрикса может быть фактором, существенно
нарушающим развитие хрусталика при специфическом для хрусталика нокауте
Pax6.
Преплакодный матрикс, как полагают, служит в качестве клейкого вещества, которое делает возможным передачу сигналов между сетчаткой и хрусталиком. Несомненно, передача сигналов FGF является критической частью реципрокной передачи сигналов между проспективной сетчаткой и хрусталиковой плакодой, а heparan sulfate, необходимый кофактор для презентации FGF, является компонентом внеклеточного матрикса интерфейса. Нарушение биосинтеза heparan sulfate у мышей с нокаутом Ndst (N-acetylglucosamine N-deacetylase-N-sulfotransferase) устраняет реакцию FGF на ранний хрусталик и приводит к нарушению развития хрусталика (Pan et al., 2006). Но внеклеточный матрикс, по-видимому, выполняет и др. более активную роль помимо облегчения передачи сигналов фактора роста. Перед образованием хрусталиковой плакоды фибронектин подвергали кондиционному нокауту в системе экспланта головы мыши, используя повсеместно экспрессирующийся tamoxifen-регулируемый Cre (Huang et al., 2011). Нокаутные эмбрионы обнаруживали драматическое снижение окрашивания фибронектина, а утолщение для хрусталиковой плакоды были существенно уменьшено, а область тесного соприкосновения (a measure of ectodermal spreading) между проспективной сетчаткой и хрусталиковой плакодой была больше, чем в контроле. Под действием обстоятельств образование плакоды сопровождалось уменьшением эктодермального распространения: ВКМ может играть критическую роль в ограничении эктодермального распространения (spreading), чтобы способствовать образованию плакоды. Неожиданно, передача сигналов BMP, которая необходима для образования хрусталика, оказалась неизменной при нокауте фибронектина. Эти данные подтверждают, что фибронектиновый компонент внеклеточного матрикса инерфейса играет критическую роль в ограничении распространения клеток эктодермы и обеспечении образования плакоды и утолщения. Более того, эта роль, по-видимому, не зависит, по крайней мере, от одного из онтогенетических сигнальных путей, необходимых для индукции хрусталика; в частности, передача сигналов FGF не была проверена. Помимо этих результатов с фибронектином, мало известно о функциональной роли др. компонентов внеклеточного матрикса во время образования плакоды: роль ламинина или коллагена IV не была исследована. Retina and Lens Invagination Вслед за образованием плакоды, сетчатка и хрусталик
инвагинируют, при этом сетчатка и RPE окружают хрусталик, формируя
глазной бокал. Процесс инвагинации может быть подразделен на поведение
сетчатки и хрусталика, на что указывают гистологические исследования
или получение изобажений вживу у рыб. Сетчатка утолщается и каждая
клетка выглядит удлиненной и уменьшается область поверхности,
находящаяся в контакте базальным внеклеточным матриксом. У амниот
клетки хрусталика обычно кубовидные, но когда хрусталик инвагинирует и
увеличивается поверхность его контакта с ВКМ, то каждая индивидуальная
клетка может соотв. изменять свою форму, чтобы увеличить свою
поверхностную область контакта с матриксом. У рыб хрусталик
инвагинирует как плотная масса без просвета, но наружные клетки
подвергаются сходному увеличению поверхностной области контакта с
матриксом(Greiling and Clark,2009). С этого момента сетчатка и хрусталик теряют свое тесное
противостояние, наблюдаемое во время образования плакоды и мало
известно об этом процессе: возмножно, что игают роль или активная
потеря адгезии или частичнаядеградация внеклеточного матрикса.
Появляются некоторые доказательства, что во время инвагинации движения
могут быть скоординированы между сетчаткой и хрусталиком. Такая
координация может быть важной только для собственно морфогенеза
хрусталика, поскольку эмбриологические эксперименты продемонстрировали,
что удаление пред-хрусталиковой эктодермы (до образования хрусталиковой
плакоды) не подавляет инвагинации сетчатки (Hyer et al., 2003). Кроме
того, <i>in vitro</i> система мышиных ES клеток поддерживает инвагинацию сетчатки при полном отсутствии лежащей поверх эктодермы (Eiraku et
al., 2011). Следовательно, инвагинация сетчатки не нуждается в
физическом присутствии ткани хрусталика. С др. стороны, филоподии,
впервые описанные много лет тому назад (Mann, 1928), проникают в
пространство между сетчаткой и хрусталиком. Если эти филоподии
устраняли специфически в хрусталиковой эктодерме (используя специфичный
для хрусталика нокаут Cdc42, IRSp53 или focal adhesion kinase[FAK]), то хрусталики
инвагинировали, но обнаруживали дефектную, спавшую морфологию, при этом
уменьшалась глубина хрусталиковй ямки (Chauhan et al., 2009). При
этом инвагинация сетчатки происходила нормально. Исходя из этого
был сделан вывод, что филоподии необходимы, чтобы генерировать силы для
инвагинации хрусталика и её координации с инвагинацией сетчатки.
Наконец, хрусталик отделяется от лежащей поверх эктодермы: соединение
между тканями ограничивается и клеточная гибель, скорее всего,
участвует в удалении его остатков у амниот, но не у рыбок данио (Ozeki
et al., 2001; Greiling et al., 2010).
В ходе всех этих стадий одни и те же компоненты внеклеточного матрикса - laminin, fibronectin и типа IV collagens - присутствуют в базальной ламине, окружающей глаз и хрусталик (Kurkinen et al., 1979; McAvoy, 1981; Webster et al., 1983; Parmigiani and McAvoy, 1984; Svoboda and O'Shea, 1987; Hilfer and Randolph, 1993; Peterson et al., 1995), пока функциональная роль этих факторов всё ещё не определена. У рыбок данио laminin-β1 (lamb1) и laminin-γ1 (lamc1) мутанты обнаруживают фенотип "protruding lens" на ст. глазного бокала (Parsons et al.,2002); хотя основы этого фенотипа ещё не охарактеризованы в деталях, предполагается, что определенный аспект инвагинации и способности сетчатки охватывать хрусталик зависят отфункции ламинина. Эти мутации (также как и laminin-α1) позднее обнаруживают тяжелые дефекты хрусталика, так что возможно, что у них затрагиваются ранняя инвагинация хрусталика или образование капсулы хрусталика (Semina et al.,2006; Lee and Gross, 2007). У мышей филоподии проникают в пространство между хрусталиком и сетчаткой контактируют с и окружены ламинином(Chauhan et al., 2009). В будущем было бы интересно определить, зависят ли эти филоподиальные образования и динамика от ламинина (или любого др. компонента матрикса) и является ли матрис необходимым для генерации сил, необходимых для собственно морфологии хрусталика во время инвагинации. Как др. компоннеты матрикса участвуют в инвагинации менее ясно. У кур инъекции RGD пептидов (блокирующих взаимодействия между фибронектином и интегрином) или integrin-β1 блокирующие антитела приводят к сильной деозорганизации глазных бокалов (Svennevik and Linser, 1993). Трудно установить, до какой степени дефекты обусловлены специфическими нарушениями инвагинационных движений или потерей целостности тканевой структуры. У sib фибронектин был кондиционно послан в нокаут перед образованием хрусталиковой плакоды: это блокировало образование хрусталиковой плакоды и последующую инвагинацию (Huang et al., 2011). Чтобы проверить роль фибронектина во время инвагинации, необходим нокаут после образования плакоды; было бы интересно определитьдействительно ли фибронектин необходим для множественных, разных ступеней морфогенеза глазного бокала. Рыбки данио, мутантные по fibronectin не имеют каких-либо видимых дефектов морфогенеза глазного бокала, при этом дефекты глаз возникают позднее, во время дифференцировки хрусталиковых клеток и морфогенеза(Hayes et al., 2012). Это оказывается возможным благодаря перекрыванию: как отмечалось выше, ген fibronectin подвергся удвоению у рыб. Как и в случае процессов эвагинации и образования плакоды, не выявляется специфическая роль коллагена IV и в инвагинации. Мутации в генах коллагена IV ответственны за синдромы у человека с вовлечением глаз, включая синдром Alport(Gregory et al., 1996; Savige and Colville, 2009). Пациенты с синдромом Alport могут иметь различные ретинопатии и также передний lenticonus, переднее вспучивание капсулы хрусталика, это указывает на критическую роль коллагена IV в образовании капсулы хрусталика: эти дефекты могут возникать во время отделения хрусталика, но необходима проверка на жтвотных, моделирующих болезнь, чтобы определить насколько рано возникают дефеекты хрусталика. В противоположность специфическим компонентам внеклеточного матрикса, несколько больше известно о потребности в рецепторах внеклеточного матрикса и их нижестоящих сигнальных молекулах во время инвагинации. Интегрины служат в качестве рецепторов для разных компонентов внуклеточного матрикса и многие экспрессируются в течение всей стадии инвагинации. Стоящие ниже интегринов, integrin-linked kinase и др. компоненты фокальных адгезий, присутствуют и располагаются на базальной поверхности сетчатки и хрусталика во время инвагинации. Точная регуляция доставки интегринов была продемонстрирована, как важная для инвагинации глазного бокала у медака: ojoplano мутанеты обнаруживают повышенную интернализацию integrin-β1и неспособность к инвагинации (Martinez-Morales et al., 2009). Белок ojoplano действует путем противодействия эндоцитозу интегрина, обеспечиваемого с помощью пути Numb (Bogdanovic et al., 2012), подтверждая, что такое нарушение регуляции прикрепления внеклеточного матрикса может лежать в основе неспособности к инвагинации у мутантов. Integrin-linked kinase (ILK) была подвергнута кондиционному нокауту в хрусталиках мышей: ранняя делеция (с использованием линии Le-Cre, которая управляет началом рекомбинации на ст. E9) это привело к дезорганизации слоя переднего эпителия хрусталика, вызывая неполное ремоделирование внеклеточного матрикса на переднем крае хрусталика (Cammas et al., 2012). Впоследствии капсула из внеклеточного матрикса хрусталика разрывается и хрусталик дегенерирует. Это подтверждает, что ремоделирование внеклеточного матрикса и передача сигналов являются критическими для отделения хрусталика в завершение инвагинации. Было бы важным увязать эффекты потери путей передачи сигналов интегрина смо специфическими компонентами внеклеточного матрикса. В противовес драматическим перемещениям, характеризующими инвагинацию сетчатки и хрусталика, хороидная щель формирует: критическую структуру на вентральной стороне глаз, через которую сосудистая сеть вступает в глаз, а ретинальные аксоны выходят из него. После того, как морфогенез глазного бокала завершается, хороидная щель постепенно подвергается слиянию; неспособность или образования или слияния приводят к врожденному дефекту увеальная колобома (Gregory-Evans et al., 2004). Многие исследования были посвящены матриксу(и в особенности, деструкции матрикса) при слиянии хороидной щели: ЭМ и иммуноокрашивание на ламинин демонстрирует, что матрикс разрушается во время слияния краёв хороидной щели (Hero, 1989, 1990; Torres et al., 1996). Более того, некоторые модели колобом характеризуются продолжительным присутствием матриксе в щели, указывая тем самым, что это может быть ключевой ступенью в обеспечении слияния (Torres et al., 1996; Sehgal et al., 2008). Ёщё менее известно о формировании хороидной щели и роли матрикса в этом процессе. У рыбок данио мутанты по laminin имеют колобому, указывая тем самым, что у них нарушено развитие хороидной щели (Lee and Gross, 2007), но не известно, нарушается ли ступень орбазования или слияния хороидной щели. Необходимы дальнейшие исследования для установления специфических ролей компонентов ВКМ на разных ступенях развития хороидной щели. Perspectives It is clear that live imaging and quantitative image analysis have
opened up a new era in understanding the cellular events underlying
optic cup morphogenesis. In conjunction, improved genetic tools have
allowed for more precise examination of the role of extracellular
matrix and downstream signaling in this important process. Some of what
we have learned thus far has been surprising: rather than serving a
passive role as a simple scaffold for the optic epithelium, the
extracellular matrix may play an active role, directing tissue-tissue
signaling and guiding specific changes in cell morphology and tissue
structure. Much clearly remains to be done. We still lack a clear
understanding of the functions, during specific steps of optic cup
morphogenesis, of the basic extracellular matrix components addressed
here. Many more components remain largely uncharacterized, such as
entactin and a large number of proteoglycans and their core proteins:
even the role of collagen IV, which is associated with human visual
impairment conditions and has long been known to be present during
optic cup morphogenesis, is unclear.
Moving forward, multiple strategies can be exploited to further
establish the direct influences of extracellular matrix on optic cup
morphogenesis: (1) in vitro models (in which extracellular matrix
components can be easily manipulated); (2) in vivo imaging systems, in
which cellular dynamics can be directly observed and quantitatively
assayed in wild-type and mutant contexts; (3) conditional genetic
approaches to more precisely disrupt particular matrix networks; and
(4) pharmacological approaches (in accessible systems) using small
molecules to disrupt signaling pathways with precise temporal control.
Combined use of these diverse systems and approaches will uncover the
precise functions of this critical, complex player in the dynamic
process of vertebrate eye formation.
|