Посещений: 
формирование суставов
Сигнальные сети
Signaling networks in joint development Joanna E. Salva, Amy E. Merrill
 Developmental Dynamics 246:262–274, 2017.
|
Here we review studies identifying regulatory networks responsible for synovial, cartilaginous, and fibrous joint development. Synovial joints, characterized by the fluid-filled synovial space between the bones, are found in high-mobility regions and are the most common type of joint. Cartilaginous joints such as the intervertebral disc unite adjacent bones through either a hyaline cartilage or a fibrocartilage intermediate. Fibrous joints, which include the cranial sutures, form a direct union between bones through fibrous connective tissue. We describe how the distinct morphologic and histogenic characteristics of these joint classes are established during embryonic development. Collectively, these studies reveal that despite the heterogeneity of joint strength and mobility, joint development throughout the skeleton utilizes common signaling networks via long-range morphogen gradients and direct cell-cell contact. This suggests that different joint types represent specialized variants of homologous developmental modules. Identifying the unifying aspects of the signaling networks between joint classes allows a more complete understanding of the signaling code for joint formation, which is critical to improving strategies for joint regeneration and repair
|
Суставы соединяют артикулирующие элементы скелета позвоночных. Поскольку все суставы выполняют эту роль, то их морфологическое разнообразие предлагает широкий круг механических возможностей. Степень прочности и подвижности контролируется составом соединительной ткани суставов, тогда как тип и границы движений обеспечиваются формой суставов. Имеются три основных класса суставов: свободно движущиеся синовиальные суставы, едва двигающиеся хрящевые суставы и неподвижные фиброзные суставы. Различные морфологические и и гистогенетические характеристики каждого класса суставов устанавливаются во время эмбрионального развития. Несмотря на гетерогенность развитие суставов в целом использует общие сигнальные механизмы посредством дальнодействующих градиентов морфогенов и непосредственных межклеточных контактов. Эти сигнальные процессы являются критическими для становления и поддержания профилей транскрипции уникальных для компартментов, образующих суставы.
Signaling Networks in Joint Development
Synovial Joints
Synovial joint structure
Синовиальные суставы обнаруживаются в высоко подвижных регионах, таких как конечности и их пояса, являются наиболее распространенными и структурно изменчивыми изо всех типов суставов. Отличительной характеристикой синовиальных суставов является заполненная жидкостью суставная полость, которая отделяет составные поверхности костей. Суставные кости, которые получают различные конфигурации, представлены гиалиновым хрящом, постоянной, лишенной сосудов тканью, которая снижает трение костей в сочленении благодаря секреции им hyaluronate и lubricin (Ray et al., 2015). Суставня поверхность заключена в слоистую суставную капсулу. Внутренняя выстилка капсулы является тонкой синовиальной мембраной, которая секретирует синовиальную жидкость, чтобы смазывать составные поверхности. Наружный слой из плотной фиброзной соединительной ткани закреплен на эпифизах костей и структурно поддерживает сочленение. В большинстве суставов фиброзный слой локально утолщен в капсулярную связку, которая в некоторых случаях может быть замещена сухожилием. Часто ткань капсулы проникает в синовиальную суставную полость, разделяя её полностью или частично, в качестве фиброхрящевого суставного диска или мениска, соотв. Дополнительной суставной поддержкой для суставной капсулы являются дополнительные лигаменты, которые могут располагаться внутри или снаружи капсулы и предупреждать повреждения от избыточных растяжений.
Signals in synovial joint development
Первым морфологическим признаком формирования синовиального сустава является появление промежуточной зоны, плотной популяции пре-хондрогенных мезенхимных клеток между соседними хрящевыми зачатками (Pitsillides and Ashhurst, 2008). Ранние исследования продемонстрировали, что удаление промежуточной зоны приводит к слиянию суставных скелетных элементов, указывая на её необходимость для формирования суставов (Holder, 1977). Промежуточная зона состоит из трех слоев: двух плотных наружных слоев из округлых клеток, разделенных внутренним слоем из уплощенных клеток. Анализ с помощью световой и электронной микроскопии подтвердил, что наружные слои вносят вклад в эпифизы растущих длинных костей, тогда как внутренний слой формирует суставную поверхность (Ito and Kida, 2000). Следовательно, клетки промежуточной зоны являются популяциями клеток предшественников, критических для формирования множественных тканей зрелого сустава.
Bmp
Gdf5, член семейства Bmp секретируемых факторов, является одним из самых ранних из известных маркеров для презумптивной промежуточной зоны и является автономным регулятором развития синовиального сустава. Экспрессия Gdf5 первоначально ограничена местом будущего сустава перед появлением промежуточной зоны (Storm and Kingsley, 1996; Francis-West et al., 1999a). Отслеживание клонов Gdf5+ клеток продемонстрировало их вклад в эпифизы, суставной хрящ, суставную капсулу и внутрисуставные связки (Rountree et al., 2004; Koyama et al., 2007; Koyama et al., 2008). Мыши нулевые по Gdf5 exhibit partia обнаруживают часточное или полное слияние синовиальных суставов конечностей (Storm and Kingsley, 1996; Storm and Kingsley, 1999). Поскольку Gdf5 экспрессируется почти во всех синовиальных суставах добавочного скелета, то некоторые из суставов остаются незатронутыми у Gdf5-нулевых мышей. Это, скорее всего, обусловлено функциональным перекрыванием с Gdf6 и Gdf7, обнаруживающими специфичную для суставов экспрессию и высокой степени гомологию с Gdf5 (Wolfman et al., 1997; Settle et al., 2003). Мыши, нулевые по Gdf5 и Gdf6 имеют более значительные слияния суставов, не обнаруживаемые у мутантов по отдельности, подтверждая функциональное перекрывание этих генов в развитии суставов (Settle et al., 2003).
Хотя Gdf5 необходим для формирования синовиальных суставов, но он недостаточен для индукции образования эктопических суставов. Вместо этого, воздействие на развивающиеся конечности рекомбинантными смоченными в Gdf5 кусочками способствует росту хряща (Storm and Kingsley, 1999). Кроме того, избыточная экспрессия Gdf5 у эмбрионов кур и мышей увеличивает эпифизы, удлиняет кости и устраняет суставы (Francis-West et al., 1999a; Tsumaki et al., 2002). Интересно, что как избыточная,. так и недостаточная экспрессия передачи сигналов Gdf5 приводит к потере сустава. То, что развитие синовиальных суставов чрезвычайно чувствительно к градиентам передачи сигналов Bmp подтверждено также динамическими паттернами экспрессии компонентов пути Bmp. Bmp2 экспрессируется совместно с Gdf5 после становления промежуточной зоны (Francis-West et al., 1999b; Seemann et al., 2005). Bmp ингибиторы Noggin и Chordin экспрессируются в ранней промежуточной зоне, при этом Noggin позднее оказывается регионально отграниченным несколькими слоями эпифизов от промежуточной зоны (Francis-West et al., 1999b; Seemann et al., 2005; Ray et al., 2015). Клетки между промежуточной зоной, экспрессирующей Chordin, и регионом, экспрессирующим Noggin в эпифизах ответственны за про-хондрогенный сигнал от Bmp и формируют суставной хрящ (Ray et al., 2015). Увеличение зоны передачи сигналов Bmp посредством инактивации Noggin или эктопической активации Bmp рецепторов Bmpr1b и Acrv1/Alk2 приводит к неправильной дифференцировке промежуточной зоны и суставного хряща в хрящ, похожий на ростовую пластинку (Zou et al., 1997; Brunet et al., 1998; Agarwal et al., 2015; Ray et al., 2015).
Общепринято, что экспрессия Gdf5 маркирует клетки суставных предшественников; но источник этих клеток остается предметом споров. Первоначально полагали, что все клетки суставных предшественников специфицируется в результате одного раннего события и происходят из промежуточной зоны. Однако, доказательства указывают на то, что клетки и вне промежуточной зоны также вносят вклад в развитие суставов. отслеживание клонов у эмбрионов птиц с помощью DiI выявило мезенхимные клетки, соседствующие с промежуточной зоной, мигрирующие в развивающиеся синовиальные суставы (Pacifici et al., 2005). Генетическое отслеживание клонов у мышей показало, что Col2a1+ клетки в пре-хондрогенном зачатке дают промежуточную зону и впоследствии суставной хрящ, связки и медиальные мениски. Однако, Col2a1- клетки вне зачатка позднее вносят вклад в латеральные мениски (Hyde et al., 2008).
Во время раннего развития суставов имеется достоверное увеличение клеток промежуточной зоны; однако, клетки Gdf5+ в промежуточной зоне пролиферируют с очень медленной скоростью (Ray et al., 2015). Отслеживание клонов Col2a1+ клеток показало, что часть пролиферативных клеток на дистальных концах хрящевого зачатка вносит вклад в рост промежуточной зоны и суставного хряща. Мнение, что клетки предшественники хряща на самом деле происходят из многих источников подтверждено в недавнем исследовании. Временное мечение Gdf5+ клеток в разные временные точки во время развития суставов выявило постоянный приток новых Gdf5+ клеток в промежуточную зону для поддержания развития сустава (Shwartz et al., 2016). С поверхности рекрутируемые клетки, как полагают, являются популяцией из Sox9+/Gdf5- клеток, фланкирующих развивающийся сустав, это согласуется с предыдущими исследованиями, показавшими, что все суставные структуры происходят происходят из Sox9+ клеток (Soeda et al., 2010). Время рекрутирования Gdf5+ клеток влияет на тип ткани, в который эти клетки вносят вклад (Shwartz et al., 2016). Имеется постоянный приток Gdf5+ клеток в развивающийся сустав, то противоречит более ранним исследованиям, показавшими, что промежуточная зона необходима для развития сустава (Holder, 1977). Однако, это может быть объяснено инструктивной ролью промежуточной зоны для привлечения новых Gdf5+ клеток.
Wnt
Передача сигналов Wnt также является ранним регулятором образования и поддержания синовиального сустава. Wnt4, Wnt9a (previously known asранее известный как Wnt14) и Wnt16 экспрессируются перекрывающимся способом и в виде комплементарных паттернов внутри и вокруг презумптивного сустава. Поскольку все экспрессируются в суставной промежуточной зоне, поэтому каждый обладает уникальным паттерном экспрессии. Экспрессия Wnt4 наивысшая в мезенхиме, фланкирующей сустав, которая формирует капсулу, а Wnt9a концентрируется в мезенхиме, окружающей зачаток хряща, который станет сухожилием (Hartmann and Tabin, 2001; Guo et al., 2004). Wnt16, с другой стороны, является специфичным для сустава с высокими уровнями экспрессии, ограниченной суставами пальцев (Guo et al., 2004). Экспрессия Wnt достаточна для формирования сустава. Эктопическая экспрессия Wnt9a у эмбрионов кур продуцирует щель в хрящевом матриксе, который имеет морфологические и молекулярные признаки промежуточной зоны (Hartmann and Tabin, 2001). То, что передача сигналов Wnt достаточна для спецификации сустава было показано и на мышах, экспрессирующих Wnt9a или постоянно активную форму канонического Wnt эффектора β-catenin в Col2a1+ клетках (Guo et al., 2004).
Исследования с нокаутом продемонстрировали, что передача сигналов Wnt не является обязательной для индукции сустава, а скорее для его поддержания. Нокаутные по Wnt9a мыши инициируют образование суставов; однако, клетки промежуточной зоны эктопически дифференцируются в хрящ вскоре после спецификации и приводят к слиянию суставов (Spater et al., 2006a; Spater et al., 2006b). Мыши, нулевые по Wnt9a и Wnt4 имеют более тяжелые фенотипические отклонения с эктопических хрящом и слиянием в дополнительных суставах (Spater et al., 2006a; Spater et al., 2006b). У мышей с потерей β-catenin, суставная промежуточная зона первоначально формируется, но позднее неспособна поддерживать качественных характеристики сустава и подвергается хондрогенезу (Guo et al., 2004; Spater et al., 2006b). Эти исследования подтвердили, что каноническая передача сигналов Wnt блокирует хондрогенез в промежуточной зоне во время развития сустава. Поскольку Wnt обладает анти-хондрогенной активностью в промежуточной зоне, он поддерживает образование суставного хряща. Недавнее исследование показало, что передача сигналов Wnt и Bmp действуют противоположным образом др. на др., чтобы контролировать зону хондрогенной активности. Экспрессия Noggin в эпифизах блокирует передачу сигналов Bmp в регионе клеток, соседствующих с промежуточной зоной, делая возможной их дифференцировку в суставной хрящ под влиянием Wnt из промежуточной зоны (Ray et al., 2015). Т.о., передача сигналов Bmp активирует программы для образования временного хряща из ростовой пластинки, тогда как передача сигналов Wnt способствует программам образования суставного хряща.
Хотя Wnt9a является критическим для развития сустава, он необходим только после спецификации сустава, указывая на присутствие вышестоящего регулятора. В исследовании с целью идентификации прямого транскрипционного активатора Wnt9a в развивающемся суставе, был идентифицирован c-Jun в качестве критического регулятора клеточной судьбы в промежуточной зоне (Kan and Tabin, 2013). Кондиционная делеция c-Jun снижает каноническую передачу сигналов Wnt, предупреждая образование характерных плоских клеток промежуточной зоны и приводит к ряду аномалий от эктопического хряща между суставными поверхностями до нерегулярных суставных поверхностей и гипоплазии лигамент. Хондрогенное переключение в клеточных судьбах клеток промежуточной зоны может быть объяснено усиление передачи сигналов Bmp из-за снижения Chordin.
Hedgehog
Имеются строги доказательства, подтверждающие, что развитие костей влияет на становление и поддержание промежуточной зоны в качестве сигнального центра. Сигналы от соседних хрящевых зачатков, которые регулируют рост и созревание хондроцитов внутри ростовой пластинки влияют также на формирование суставов. Indian hedgehog (Ihh), экспрессируется пре-гипертрофическими хондроцитами в ростовой пластинке, контролирует расстояние между гипертрофической зоной и суставной поверхностью сустава посредством петли негативной обратной связи с Pthrp. Ihh косвенно способствует экспрессии Pthrp в околосустваном регионе сустава и в свою очередь границы передачи сигналов Pthrp детерминируют длину пролиферативной зоны (Lanske et al., 1996; Vortkamp et al., 1996; Karp et al., 2000). Мыши, лишенные Ihh, обнаруживают дефекты длинных костей, а также слияния суставов (St-Jacques et al., 1999; Koyama et al., 2007; Decker et al., 2014). Поскольку Gdf5+ суставные предшественники специфицированы у таких мышей, то клетки неправильно расположенные в надхрящнице по периферии будущего сустава (Koyama et al., 2007; Decker et al., 2014). Это указывает на то, что Ihh является критическим для притока суставных предшественников, фланкирующих проспективный сустав.
Хотя Pthrp и Ihh работают вместе в ростовой пластинке, их регуляторное взаимоотношение не полностью закреплено в развитии сустава. Постоянно активный Pth1r недостаточен, чтобы устранить слияния в суставах у нокаутных по Ihh мышей (Amano et al., 2016). Фактически, развивающийся сустав может отвечать непосредственно на hedgehog с помощью экспрессии пути эффекторов, таких как Gli1, Gli3, Hip1 и Patched1 (Mak et al., 2006; Koyama et al., 2007). Активация передачи сигналов Ihh в Col2-экспрессирующих клетках непосредственно стимулирует неправильную дифференцировку околосуставных клеток в столбчатые хондроциты путем усиления экспрессии Bmp (Kobayashi et al., 2005; Mak et al., 2006). Соотв., слияния суставов у таких мышей могут быть устранены путем воздействия Noggin (Mak et al., 2006). Более того, усиление передачи сигналов Ihh в промежуточной зоне сустава, вызванное потерей Patched1 или экспрессией SmoM2, блокирует образование суставного хряща и менисков и индуцирует формирование эктопического хряща путем подавления генов мишеней для Wnt/β-catenin, таких как Fgf18 (Rockel et al., 2016). Воздействие Fgf18 блокирует образование эктопического хряща, индуцированное активацией hedgehog у этих мышей. Итак. эти рузультаты показывают, что противоположные передачи сигналов Wnt/β-catenin-Fgf и Ihh-Bmp регулируют клеточные судьбы в промежуточной зоне.
Mechanotransduction
Во время образования полости в суставе поверхности суставного хряща суставных скелетных элементов становятся разделёнными пространством, заполненным жидкостью. В ранних исследованиях было предположено, что полость между костями генерируется благодаря апоптозу клеток, расположенных в центре промежуточной зоны (Mitrovic, 1977). Однако, клеточная гибель довольно ограничена и вряд ли является движущей силой кавитации (Ito and Kida, 2000; Kavanagh et al., 2002). Альтернативным мнением является то, что разделение базируется на механически индуцированных изменениях во внеклеточном матриксе (ECM), особенно в продукции hyaluronan, что вызывает потерю межклеточной интеграции в плоскости разделения (Dowthwaite et al., 1998; Lamb et al., 2003). Поскольку синовиальные суставы специфически приспособлены к движению, не удивительно, что их формирование нуждается в импульсах от внешних механических сил. В самом деле, паралич скелетных мышц предупреждает образование полости в суставах, несмотря на нормальное образование промежуточной зоны; более того, механическая стимуляция со стороны скелетных мышц необходима для поддержания в суставах уже сформированной полости (Drachman and Sokoloff, 1966; Murray and Drachman, 1969; Mitrovic, 1982; Osborne et al., 2002).
Менее известно о том, как механические сигналы транслируются в клеточные сигналы во время эмбриогенеза, чтобы обеспечить транскрипционный ответ клеток промежуточной зоны. Пути кандидаты на роль механотрансдукции в суставах были идентифицированы при изучении генов с экспрессией, чувствительной к механическим воздействиям. Механические стимулы активируют два ключевых эффектора, стоящих ниже Fgf2, signaling-mitogen-activated protein kinases P38 и Erk1/2 в презумптивной суставной линии и способствуют продукции матрикса, богатого hyaluronan (Bastow et al., 2005; Lewthwaite et al., 2006). С другой стороны, иммобилизация эмбрионов птиц снижала экспрессию Fgf2 в презумптивной суставной линии перед слиянием хряща (Kavanagh et al., 2006). Более локальная иммобилизация суставов у мышей приводит к снижению Fgf2 на суставной поверхности, потере Bmp2 в промежуточной зоне и экспансии Pthrp из околосуставного хряща в регион суставной линии (Roddy et al., 2011). Недавно проведен геномный анализ по идентификации механочувствительных генов, дифференциально экспрессирующихся в скелете конечностей у Pax3Spd лишенных мышц мышей, моделирующих открытые изменения в белках, ассоциированных с мембранами, включая членов путей Wnt, Fgf, Notch и Eph/ephrin (Rolfe et al., 2014).
Механическая нагрузка является критической для поддержания артикулярной поверхности суставов и поэтому больше известно о роли механотрансдукции лоя поддержания суставов. TRPV4, чувствиете6льные к мех. нагрузкам ионный канал в суставных хондроцитах, вызывает специфичные для хряща экспрессию генов и биосинтез маткрикса за счет внутриклеточного притока Ca +2 вследствие нормальной механической нагрузки (Lamande et al., 2011; O'Conor et al., 2014). Снижение активности TRPV4 приводит к нерегулярностям на артикулярной поверхности и к последующему деформирующему остеоартриту (Lamande et al., 2011). Ca +2-индуцированная передача сигналов, вызываемая нормальными движениями суставов, является критической для CREB-зависимой активации Prg4, гена, кодирующего секретируемый протеогликан lubricin, в суставныъх хондроцитах (Ogawa et al., 2014). Однако, не все механически вызванные сигналы в суставе благоприятны. Ионные каналы PIEZO1 и 2 в суставных хондроцитах усиливают передачу сигналов Ca +2 в ответ на патологические нагрузки на суставы, что вызывает клеточную гибель (Lee et al., 2014). Истощение PIEZO1 и 2 защищает хондроциты после повреждений механическими нагрузками. Т.о., суставные хондроциты ощущают и реагируют на вариации механической нагрузки посредством передачи сигналов Ca +2.
Future direction
Несмотря на успехи в нашем понимании спецификации, поддержания промежуточной зоны и последующей кавитации, остается ещё множество вопросов. Поскольку разнообразные сигналы, регулирующие развитии синовиальных суставов, идентифицированы (Fig. 1A), сигнал или комбинация сигналов, которые необходимы и достаточны для спецификации клеток предшественников суставов неизвестны. Передача сигналов Wnt является единственным путем, достаточным для становления суставов, хотя он, по-видимому, не обязателен. Единственная возможность заключается в том, что имеется существенное перекрывание Wnt пути во время спецификации, чем это было выяснено с помощью нокаута β-catenin или линий мышей с двойным нокаутом Wnt9a/Wnt4. После спецификации промежуточной зоны передача сигналов Bmp, Wnt, Ihh и Pthrp координирует гистогенез сигналов. Неясно, как комбинаторные эффекты этих путей на клетки предшественники синовиальных суставов приводят к множественным типам клеток внутри зрелого сустава. Определенно, сигнальные механизмы, которые облегчают межклеточные коммуникации и ны границы для скоординированного выбора клеточной судьбы, скорее всего, играют роль, но мало известно о роли таких регуляторов, включая Eph/ephrin и Notch. Эти точно такие же пути также являются кандидатами на роль регуляторов процесса кавитации. По ходу процесса образования суставной полости (cavitation) суставные поверхности противоположных костей подвергаются процессу морфогенеза, при этом их трехмерная структура приобретает форму. Синовиальные суставы очень многообразны структурно из всех типов суставов, включая шаровые суставы в бедре и плече, седлообразные соединения в пальцах, шарнирные соединения в локтях и коленях и элипсовидные суставы в запястьях. Сигнальные механизмы, вызывающие эти вариации, а также координирующие форму взаимосвязанных суставных концов, в основном неизвестны. Синовиальные суставы обнаруживают варьирующую экспрессию и разную чувствительность к компонентам сигнальных путей в соответствии с их анатомическим расположением. Важно исследовать корреляции между различиями в экспрессии, интенсивности передачи сигналов и продолжительности и формированием паттерна суставов.
Figure 1.
Spatial expression patterns of the principal signaling pathways in joint development. The expression domains of critical signaling pathway components are regionally restricted during development of the (A) synovial, (B) cartilaginous, and (C) fibrous joints. AC, articular cartilage; IZ, interzone; JC, joint capsule; IVD, intervertebral disc; EP, endplate; AF, annulus fibrosus; NP, nucleus pulposus; OF, osteogenic front; SM, mid-suture mesenchyme.
Cartilaginous Joints
Cartilaginous joint structure
Хрящевые соединения объединяют соседние кости посредством или гиалинового хряща или фиброхрящевого промежуточного образования. Существуют два типа хрящевых суставов: synchondroses и symphyses. Синхондрозы являются неподвижными и обычно временными суставами, образуемыми гиалиновым хрящом, которые делают возможным интерстициальный рост между центрами оссификации перед их окончательным слиянием. Временные синхондрозы располагаются между первичными центрами оссификации растущего основания черепа и развивающегося бедра, а также внутри ростовых пластинок длинных костей. Постоянные синхондрозы, остающиеся не оссифицированными, располагаются на грудной клетке между ребрами и грудиной. Симфизы, с другой стороны, являются суставами, которые делают возможными ограниченные движения и состоят из фиброхряща. Симфизы могут занимать узкое или широкое суставное пространства, как при узкой полоске фиброхряща, заполняющего лобковый симфиз, или толстая подушка фиброхряща, заполняющая пространство между соседними позвонками.
Здесь мы рассмотрим межпозвонковые симфизы, широко известные как межпозвонкоые диски (IVD). Вдоль позвоночного столба соседние позвонки связаны вместе с помощью IVDs, обеспечивающими механическую стабильность, гибкость и способность переносить существенные нагрузки. В зрелом IVD, концентрические круги соединительной ткани annulus fibrosus (AF) заключены в гель-подобный центр, известный как nucleus pulposus (NP). Наружный слой AF является похожим на сухожилие по своей морфологии, тогда как внутренний слой напоминает гиалиновый хрящ (Postacchini et al., 1984). AF закрепляет IVD между двумя соприкасающимися телами позвонков посредством концевых пластинок гиалинового хряща. В частности, наружная часть AF прикреплена к телу позвонка и концевой пластинке, тогда как внутренняя часть AF вставлена непосредственно в концевую пластинку (Nosikova et al., 2012).
Signals in IVD development
AF вместе с телами позвонков и их конечными пластинками эмбриологически происходят из склеротома (Mundy et al., 2011; Bruggeman et al., 2012). Хотя склеротом возникает из клеток внутри вентральных медиальных частей сомитов и сомитоцеля, его склеротомные клетки из клона сомитоцеля дают AF (Huang et al., 1994; Mittapalli et al., 2005). Интересно, что сомитоцель известен как соединение формирующий компартмент сомитов. NP компонент IVD, с другой стороны, происходит из хорды (Choi et al., 2008; McCann et al., 2012). Пертурбации в процессе, приводящему к формированию склеротома и/или хорды могут поэтому вызывать гипоплазию или дисморфию IVD. Поскольку взаимоотношение между этими ранними процессами и развитием IVD недавно были рассмотрены, то мы сфокусируемся на сигнальных событиях после спецификации склеротома и хорды (Sivakamasundari and Lufkin, 2012; McCann and Seguin, 2016).
После спецификации клетки вентральной части склеротома, экспрессирующие Pax1 и Pax9 мигрируют и конденсируются вокруг хорды, чтобы сформировать непрерывную перихордальную трубку (Peters et al., 1999; Christ et al., 2000). Перихордальная трубка приобретает метамерный паттерн сильно и слабо сконденсированных регионов, которые соответствуют AF и телам позвонков, соотв. Pax1, который ингибирует хондрогенез, остается активным в зачатке AF и подавляется в презумптивных телах позвонков посредством сигналов, которые пока неизвестны (Wallin et al., 1994; Peters et al., 1999; Takimoto et al., 2013). Однако, ясно, что миграция и сегментация перихордальной трубки зависит от сигналов, исходящих от соседней хорды. Хорда регулирует развитие перихордальной трубки, это впервые было показано в экспериментах по эксцизии хорды, которые приводили к образованию в перихордальной трубке палочки из несегментированного хряща (Strudel, 1955). Позднее было показано, что Sonic hedgehog (Shh) , происходящий из хорды необходим на многих ступенях развития IVD, включая поддержание экспрессии Pax1 в вентральной части склеротома, образование перихордальной трубки и в конечном итоге в формировании паттерна IVDs (Fan and Tessier-Lavigne, 1994; Choi et al., 2012).
Когда презумптивные тела позвонков подвергаются хондрогенезу хорда регрессирует в регионах позвонков и расширяется в центре IVD, чтобы сформировать NP. Эта регрессия является результатом миограции клеток хорды в направлении презумптивного IVD в ответ на механические сигналы и/или градиенты ростовых факторов, происходящих из сегментированной перихордальной трубки (Aszodi et al., 1998; Choi and Harfe, 2011; Corallo et al., 2013). Эти сигналы от перихордальной трубки являются критическими для развития NP , это подкрепляется исследованиями, показавшими, что изменения в перихордальной структуре или в составе ECM нарушают образование NP. В отсутствие передачи сигналов hedgehog перихордальная трубка не образуется и клетки хорды диспергируют по всему позвоночному столбу вместо того, чтобы собираться в презумптивные NP (Choi and Harfe, 2011). Более того, потеря Pax1 в клетках вентрального склеротома приводит к аномалиям в метамерном устрой1стве перихордальной трубки, а также к дефициту регрессии хорды и образования NP (Wallin et al., 1994; Zhang and Gridley, 1998).
Notch
Известны лишь немногие факторы кандидаты, обеспечивающие реципрокные взаимодействия между хордой и перихордальной трубкой во время морфогенеза позвоночных. Расшифровка точных функций факторов, идентифицируемых таким образом, осложняется их инициальной ролью в сомитогенезе и детерминации склеротома. Путь Notch, который в первую очередь регулирует периодичность образования сомитов и формирование паттерна сомитов, также регулирует формирование паттерна перихордальной трубки. Мыши, нулевые по Lunatic fringe, glycosyltransferase, усиливающей активацию Notch посредством Delta1 лиганда, неспособны формировать метамерный паттерн мезенхимных конденсатов высокой и низкой плотности вокруг хорды (Zhang and Gridley, 1998). Поскольку передача сигналов Notch посредством Delta1 в каудальном регионе сомитов является критической для ростро-каудальной полярности, то избыточная экспрессия Delta1 во всех сомитах не затрагивает полярности сомитов, но вместо этого приводит к дефектам позвоночного столба, включая потерю IVD и неполное изгнание хорды (Takahashi et al., 2000; Teppner et al., 2007). Это указывает на то, что механизмы негативной обратной связи, регулирующие полярность сомитов, не функционируют позднее во время морфогенеза IVD.
Hedgehog
Во время развития сомитов необходим Shh из хорды для определения шага часов сомитогенеза, индукции формирования и выживания склеротома, а также для стимуляции склеротома быть компетентным к последующей дифференцировке в хондроциты (Fan and Tessier-Lavigne, 1994; Chiang et al., 1996; Teillet et al., 1998; Murtaugh et al., 1999; Resende et al., 2010). В соответствии со своим происхождением из хорды, клетки NP продолжают экспрессировать Shh в ходе раннего постнатального периода, чтобы активировать рост и дифференцировку NP, AF и конечные пластинки (Dahia et al., 2012). Др. hedgehog лиганд, Ihh высвобождается гипетрофической зоной ростовой пластинки тел позвонков и влияет на созревание хряща в IVD. У мышей с кондиционной постнатальной делецией Ihh в Col2-экспрессирующих клетках, IVD теряет AF и концевую пластинку гиалинового хряща (Maeda et al., 2007). Как и в синовиальных суставах, Ihh является критическим для поддержания самостоятельных регионов созревания хряща на суставной поверхности IVD.
Wnt
Эффект Shh на рост и дифференцировку NP базируется на передаче сигналов Wnt. Кондиционный нокаут Wntless, необходимый для секреции Wn в Shh-экспрессирующих клетках, приводит к подавлению генов мишеней для Shh (Winkler et al., 2014). Поскольку каноническая передача сигналов Wnt активируется в NP после потери Shh, то предполагается негативная петля обратной связи: передача сигналов Wnt активирует передачу сигналов Shh, это , в свою очередь, репрессирует передачу сигналов Wnt. Эффекты передачи сигналов Wnt на развитие IVD более значительны, т.к. её активность и локализация динамически ищзменяются в IVD между эмбриональной и постнатальной стадиями (Kondo et al., 2011). Вне NP, передача сигналов Wnt является известным ингибитором хондрогенеза и активна в конечной пластинке (endplate) и AF. Кондиционная делеция β-catenin в клетках, экспрессирующих Col2a1, приводит к усилению образования эндохондральной кости в концевой пластинке (Kondo et al., 2011). Более того, временная избыточная экспрессия передачи сигналов Wnt в постнатальном IVD вызывает порчу AF (Kondo et al., 2011). Это указывает на то, что передача сигналов Wnt регулирует детерминацию и поддержание клеточных судеб AF.
Bmp and Tgfβ
В дополнение к Wnt, Gdf также участвует в детерминации и поддержании клеточных судеб AF. Некоторые Gdf5+ клетки, которые дают AF, были обнаружены располагающимися по соседству с хрящевой конечной пластинкой и мигрирующими вдоль lamellae в диск (Henriksson et al., 2012; Henriksson et al., 2013). Потеря Gdf5 приводит к гистогенным аномалиям в AF, включая замещение нормальной архитектуры ламелл хороидной тканью, которая проникает в NP (Li et al., 2004). Хотя сначала формирование NP происходит нормально в отсутствие Gdf5, аномалии AF вторично вызывают деформации и дегенерацию NP (Maier and Harfe, 2011). Сходным образом, усиление передачи сигналов Bmp приводит к изменениям гистогенеза в AF. Noggin-экспрессирующий слой в IVD блокирует про-хондрогенные сигналы Bmp от соседних тел позвонков (DiPaola et al., 2005), а потеря Noggin приводит к образованию кости в регионе AF и слияниям позвонков (Brunet et al., 1998; DiPaola et al., 2005).
Гистогенез AF регулируется также с помощью Tgfβ рецепторов, которые находятся среди самых ранних известных маркеров презумптивного IVD (Pelton et al., 1990; Matsunaga et al., 2003). Кондиционная инактивация Tgfβ type II receptor (Tgfβr2) в Col2a1-экспрессирующих клетках AF приводит к неуместному хондрогенезу, слиянию AF и тел позвонков ,и в последствии к потере IVD (Baffi et al., 2004). Анти-хондрогенная роль Tgfβr2 частично обусловливается посредством индукции AF-специфичных транскрипционных факторов, таких как Scx, fibromodulin, Erg1 и Mohawk в склеротоме (Sohn et al., 2010; Cox et al., 2014). Соотв., потеря Mohawk, который способствует чувствительности к Tgfβ и снижает чувствительность к Bmp в наружном слое AF, приводит к подавлению маркеров сухожилий и связок и к усилению хондрогенного фактора Sox9 (Nakamichi et al., 2016). Т.о., баланс между передачей сигналов Tgfβ и Bmp является критическим для поддержания AF, это подтверждается и тем, что потеря Filamin B, каркасного белка, который регулирует ослабление передачи сигналов от Tgfβ семейства рецепторов. Мыши, нокаутные по Filamin B, которые обнаруживают усиление передачи сигналов Tgfβ и Bmp, клетки AF приобретают молекулярные характеристики гипертрофических хондроцитов, подвергающихся оссификации, сходной с эндохондральной (Zieba et al., 2016). Латентная способность клеток наружного слоя AF дифференцироваться в хондроциты может быть объяснена находкой, что AF происходит от Scx +/Sox9 + бипотентных клеток предшественников, которые дифференцируются или в хондроциты, или в теноциты (Sugimoto et al., 2013). Сооты., кондиционная делеция Sox9 в Scx +/Sox9 + клетках вызывает гипоплазию внутренней части AF и экспансию наружного слоя AF (Sugimoto et al., 2013).
Future directions
То что известно и описано здесь, скорее всего, лишь часть более крупной сигнальной сети, контролирующей развитие и поддержание IVD (Fig. 1B). Анализ экспрессии выявил множественные компоненты из сигнальных путей Wnt, hedgehog, Fgf, Bmp и Tgfβ в IVD (DiPaola et al., 2005; Dahia et al., 2009). Однако, функциональные исследования не выявили в полной мере, какой из этих путей регулирует формирование и поддержание IVD. Механические нагрузки - это ключевой регулятор гомеостаза IVD, но пока молекулярные сигналы, который ощущают и превращают механические стимулы в клеточные ответы во время развития IVD, неизвестны (Kerr et al., 2016). Пути механотрансдукции, хотя они и не полностью определены в IVD, скорее всего, перекрываются с теми, что участвуют в синовиальных суставах. Базовое знание сигнальных путей, регулирующих IVD, а также лучшее понимание их иерархии и взаимосвязи, окажутся критическими для идентификации терапевтических мишеней при дегенерации IVD.
Fibrous Joints
Fibrous joint structure
Фиброзные суставы образуют прямое объединение между костями посредством фиброзной соединительной ткани. Имеется три типа фиброзных соединений: syndesmoses, gomphoses и швы. Syndesmoses пересекают широко разделенные параллельные кости в виде полос из связок или слоев соединительной ткани, наз. межкостными мембранами. Эти суставы предоставляют силу, стабильность и ограничивают подвижность между стволами радиальной и локтевой кости в руке и большеберцовой и малоберцовой костью ног. Gomphoses являются специализированными фиброзными соединениями, закрепляющими корни зубов в костных гнездах верхней и нижней челюсти посредством тонких фиброзных мембран, наз. перидонтальной связкой. Швы соединяют непрерывные края тесно прилегающих костей свода черепа посредством волокон соединительной ткани, которые ограничивают большинство движений, обеспечивая поддатливость и эластичность во время родов и постнатального роста головного мозга. У взрослых людей большинство швов оссифицируется для постоянного слияния соседних костей. Сигнальные механизмы, регулирующие образование швов лучше всего описаны из всех фиброзных соединений.
Signals in suture development
Швы образуются, когда остеогенные фронты противостоящих костей свода встречаются в результате их апикального роста. Будучи сформированными остеогенные фронты и находящаяся между mid-suture мезенхима организуют последующий рост костей свода черепа путем скоординированной внутримембранозной оссификации в ответ на механические силы от увеличивающегося головного мозга до тех пор, пока не произойдет окончательное слияние швов в юношеском возрасте. Преостеобласты, расположенные в остеогенном фронте временно дифференцируются и удаляются из ростового фронта, чтобы включиться в кость. Пролиферирующие клетки остеогенных предшественников, с другой стороны, поддерживаются на кончиках остеогенного фронта и продвигаются вместе с развивающейся костью (Lana-Elola et al., 2007). Mid-suture мезенхима сохраняет не остеогенную судьбу во время эмбрионального периода и по мере созревания шва mid-suture зона занимается фиброзной соединительной тканью (Markens, 1975).
Кости свода черепа и возникающие между ними швы эмбрионально происходят из нервного гребня и параксиальной мезодермы. Лобные кости в ростральной части черепа возникают из мезенхимы нервного гребня, тогда как затылочная и теменные кости в каудальной части черепа развиваются из мезодермы (Couly et al., 1993; Jiang et al., 2002; Evans and Noden, 2006; Yoshida et al., 2008). Интересно, что венечный шов, расположенный между лобными и теменными костями совпадает с физической границей между нервным гребнем и мезодермой у млекопитающих (Jiang et al., 2002; Yoshida et al., 2008). Хотя клетки нервного гребня и мезодермы вносят вклад в остеогенный фронт венечного шва, то mid-suture мезенхима здесь имеет мезодермальное происхождение. Венечная mid-suture мезенхима предварительно специфицирована как популяция Gli1+ клеток внутри головной мезодермы перед формированием рудиментов костей черепа (Deckelbaum et al., 2012). Эти Gli1+ клетки, активируемые с помощью Shh из хорды и прехордальной пластинки, временно экспрессируют En1 и мигрируют сначала в надбровные дуги (supraorbital ridge), а затем апикально к их позиции на границе между нервным гребнем и мезодермой. Клональное отслеживание сходных популяций из Gli+ клеток в шве взрослых показало. что они могут вносить вклад в остеогенный фронт, dura, надкостницу и кости свода черепа (Zhao et al., 2015).
Eph/ephrin
Развитие швов зависит от становления и поддержания клеточных границ между остеогенной и не остеогенной территориями посредством непосредственных механизмов межклеточной передачи сигналов. Потеря целостности границы между остеогенным и не остеогенным компартментами индуцирует эктопическую оссификацию mid-suture мезенхимы и затем слияние сустава. Обычно рост костей свода черепа происходит из клеток остеогенных предшественников костных рудиментов, мигрирующих апикально вдоль развивающейся кости, направляемые с помощью передачи сигналов EphA/ephrinA, чтобы соединить ведущие края костей (Yoshida et al., 2008; Ting et al., 2009; Roybal et al., 2010). EphrinA-экспрессирующие остеогенные предшественники мигрируют вдоль слоя клеток, экспрессирующих EphA и расположенных на апикальной поверхности кости. Активация EphA с помощью ephrinA инициирует двунаправленную передачу сигналов, которая способствует отталкиванию между клетками. Когда уровни экспрессии EphA или ephrinA снижены, то необузданные остеогенные клетки мигрируют, выходя из своих путей, в не остеогенный компартмент из mid-suture мезенхимы и вызывают слияние швов (Merrill et al., 2006; Ting et al., 2009).
Notch
Передача сигналов Notch/Jagged также является критической для выстраивания границ между остеогенным и не остеогенным компартментами. Активная передача сигналов Notch2 ограничивается остеогенными фронтами венечного шва с помощью слоя Jagged1-экспрессирующих клеток в mid-suture мезенхиме (Yen et al., 2010). После кондиционной потери Jagged1 в мезодерме, но не в нервном гребне, передача сигналов Notch2 распространяется на mid-suture мезенхиму, вызывая эктопическую спецификацию в остеогенную судьбу и приводя в конечном итоге к преждевременному слиянию соединения (Yen et al., 2010). Поскольку роли передачи сигналов Notch/Jagged и EphA/ephrinA на границе odjd непосредственно не связаны, то оба пути располагаются ниже Twist1, транскрипционного регулятора, критического для морфогенеза шва (Merrill et al., 2006; Yen et al., 2010).
Fgf
Передача сигналов Fgf является критическим регулятором развития и поддержания швов. Клетки остеогенных предшественников на остеогенном фронте экспрессируют Fgfr2, который подавляется после дифференцировки. Начало дифференцировки остеобластов на остеогенном фронте совпадает с временным увеличением экспрессии Fgfr1 , которая позднее редуцируется в зрелых остеобластах кости (Iseki et al., 1997; Kim et al., 1998; Iseki et al., 1999). Мутации у человека, которые повышают активность FGFR1 или FGFR2 , являются основной причиной преждевременного слияния швов, краниосиностоза (Twigg and Wilkie, 2015). Сходным образом, мыши, несущие подобные мутации в Fgfr1 и Fgfr2 обнаруживают краниосиностоз перед рождением из-за усиления пролиферации и дифференцировки клеток остеогенных предшественников (Zhou et al., 2000; Eswarakumar et al., 2004; Wang et al., 2005; Yin et al., 2008; Wang et al., 2010; Pfaff et al., 2016).
Fgfr2 функционирует клеточно автономно внутри швов. Кондиционная экспрессия мутации Fgfr2, вызывающей болезнь, в En1-экспрессирующих клетках предшественниках венечного шва, достаточна для индукции кариниосиностоза (Deckelbaum et al., 2012; Holmes and Basilico, 2012). Интересно, что потеря Fgfr2 одновременно приводит к краниосиностозу венечного шва и к образованию открытого там, где должен сформироваться лобный и сагитальные швы (Eswarakumar et al., 2002; Yu et al., 2003). Этот кажущийся пардокс позднее устраняется за счет роста. Остеогенные фронты парных лобных и парных теменных костей медленно приближаются др. к др. из-за пониженной пролиферации и дифференцировки клеток остеогенных предшественников и в конечном итоге сливаются во время постнатального развития (Eswarakumar et al., 2002; Pfaff et al., 2016).
Точный пространственный градиент передачи сигналов Fgf является критическим для становления и поддержания швов. Многие Fgfs экспрессируются в и вокруг швов. Fgf2 и Fgf9 экспрессируются в mid-suture мезенхиме, тогда как Fgf18 экспрессируется в остеогенной мезенхиме кости (Kim et al., 1998; Rice et al., 2000; Ohbayashi et al., 2002). Эти Fgfs действуют на Fgfr1- и Fgfr2-экспрессирующие клетки в остеогенных фронтах, а Fgfr3 в кости. Т.о., передача сигналов Fgf, как полагают, наивысшая в остеогенных фронтах (Iseki et al., 1997; Iseki et al., 1999). Fgf18 нокаутные мыши обнаруживают расширение швов, хотя не обнаружено фенотипических отклонений у Fgf2 и Fgf9 нокаутных мышей (Liu et al., 2002; Ohbayashi et al., 2002). Эктопическое воздействие на развивающиеся швы Fgf2-смоченных кусочков показывает. что Fgf2 может способствовать приобретению качественных особенностей mid-suture клеток, вызванному действием Twist1, негативного регулятора остеогенеза, которые непосредственно подавляет Runx2 (Rice et al., 2000; Bialek et al., 2004). Спонтанные мутантные мыши Elbow knee synostosis (Eks) имеют точечную мутацию в Fgf9, которая увеличивает диффузию лиганда. Способный к большей диффузии Fgf9 активирует Fgfr3 в кости, регионе, который обычно получает низкие уровни Fgf, приводя к слиянию венечного шва и сагитальных швов (Murakami et al., 2002; Harada et al., 2009). Такая пространственная локализация градиента Fgf предопределяет клеточные реакции, это в дальнейшем было подтверждено находкой, что Fgf4, помещаемый на остеогенный фронт, ускоряет пролиферацию и дифференцировку, тогода как помещение на mid-suture мезенхиму сильно увеличивает пролиферацию (Kim et al., 1998). Кроме того, пространственная чувствительность рецепторов к градиенту Fgf является критической для развития швов. Неправильная локализация Fgfr1 или изменения лиганд-связывающей специфичности Fgfr2 вызывает слияние венечного шва (Hajihosseini et al., 2001; Yu and Ornitz, 2001).
Bmp
Передача сигналов Fgf во швах накрепко связана с передачей сигналов Bmp. Bmp4 в остеогенных фронтах и mid-suture мезенхиме необходим для индукции транскрипции Msx1 и Msx2, которые являются критическими регуляторами пролиферации и дифференцировки клеток остеогенных предшественников (Kim et al., 1998; Ishii et al., 2003). Noggin, секретируемый антагонист Bmp, экспрессируется в мезенхиме шва и в подлежащей твердой мозговой оболочке (dura), ограничивая активность Bmp в остеогенных фронтах patent швов (Warren et al., 2003). Поскольку Bmp индуцирует экспрессию Noggin, то передача сигналов Fgf подавляет её. Тот факт, что краниосиностоз может возникать в результате несоответствующей Fgf-обусловленной репрессии Noggin, подтверждается экспериментами, показавшими, что эктопическое воздействие Noggin может блокировать слияние швов у химерных nude крысиных моделей (Shen et al., 2009).
Член семейства Bmp Gdf6 играет критическую роль в раннем становлении венечного шва. В развивающемся своде черепа Gdf6 впервые экспрессируется в домене надбровных дуг (supraorbital), который соответствует рудименту лобной кости и вкоре после этого он располагается в mid-suture мезенхиме вместе с Fgfr2 (Settle et al., 2003; Clendenning and Mortlock, 2012). Интересно, что эта популяция Gdf6+ , по-видимому, пространственно перекрывается с клетками Gli1+/En1+ , дающими венечный шов. Gdf6 мутантные мыши не обнаруживают морфологических или молекулярных доказательств образования шва (Settle et al., 2003; Clendenning and Mortlock, 2012). В частности, экспрессия Fgfr2 теряется в венечном шве мышей. нулевых по Gdf6-при этом картина очень похожа с той, что наблюдается у En1-нулевых мышей, подтверждая, что они могут быть той же самой группой клеток (Settle et al., 2003; Deckelbaum et al., 2012).
Hedgehog
Путь hedgehog контролирует как ранние, так и поздние события формирования швов. В раннем развитии Shh из хорды индуцирует образование Gli1+ клеток в мезодерме, которая в конечном итоге дает предшественников венечного шва (Deckelbaum et al., 2012). Функциональные исследования подтвердили, что Ihh в остеогенных фронтах интегрируется с Bmp и Fgf, чтобы регулировать поздние события развития шва. Ihh-нулевые мыши обнаруживают задержку остеогенеза костей свода и широкие швы, обусловленные снижением Bmp-обеспечиваемого рекрутирования клеток остеогенных предшественников в остеогенные фронты (Lenton et al., 2011). Потеря негативных регуляторов в пути hedgehog также демонстрирует, что Ihh способствует остеогенезу в швах. Избыточная передача сигналов Ihh у мышей, вызываемая снижением уровней Gli3 и Ptch1, приводит к усилению пролиферации, усилению остеогенеза и преждевременному слиянию в лямдовидном шве (Rice et al., 2010; Tanimoto et al., 2012; Feng et al., 2013). В mid-suture мезенхиме Gli3 нокаутных мышей, экспрессия Twist1 снижается, тогда как передача сигналов BMP и экспрессия Runx2 расширяются (Rice et al., 2010; Tanimoto et al., 2012). Аллельная редукция Runx2 на Gli3 мутантном фоне устраняет слияние швов (Tanimoto et al., 2012). Интересно, что воздействие на мутантов Gli3 Fgf2 восстанавливает экспрессию Twist1и также устраняет преждевременное слияние швов (Rice et al., 2010). Итак. эти исследования подтвердили, что передача сигналов Ihh способствует остеогенезу посредством Bmp-обеспечиваемой активации Runx2, и что эта активность уравновешивается с помощью Fgf2-обеспечиваемого поддержания Twist1.
Wnt
Действуя выше передачи сигналов Fgf и Bmp, Wnt является критическим для поддержания открытого состояния швов. Wnt/β-catenin способствуют детерминации клеток скелетных предшественников в остеопредшественники и супрессируют их хоедрогенный потенциал (Day et al., 2005; Hill et al., 2005). Axin2, негативный регулятор канонической передачи сигналов Wnt, которой способствует деградация β-catenin, экспрессируется в mid-suture мезенхиме, а также остеогенных фронтах и надкостнице костей свода черепа. Нокаутные по Axin2 мыши обнаруживают преждевременные слияния лобного и венечного швов, обусловленные усилением пролиферации и дифференцировки клеток остеогенных предшественников (Yu et al., 2005; Behr et al., 2013). Эти фенотипы соответствуют повышенным уровням экспрессии Fgf18, Fgf4 и Fgfr1, а также повышению передачи сигналов BMP (Yu et al., 2005; Liu et al., 2007).Сходным образом, мыши с постоянно активным β-catenin в клетках, экспрессирующих Axin2, также обнаруживают избыточную внутримембранозную оссификацию, результат усиления передачи сигналов Fgf и Bmp (Mirando et al., 2010).Т.о., эти исследования строго подтверждают, что передача сигналов Wnt способствует экспансии клеток остеогенных предшественников и детерминации этих клеток в клон остеобластов посредством передачи сигналов Fgf и Bmp. Снижение повышенной передачи сигналов Fgf у нокаутных по Axin2 мышей посредством редукции аллеля Fgfr1 не устраняет слияния швов. Вместо этого эти двойные мутантные мыши обнаруживают краниосиностоз, обусловленный эктопической эндохондральной оссификацией (Maruyama et al., 2010). Эти изменения в клеточной судьбе в mid-suture мезенхиме блокируются воздействием Bmp ингибитора Noggin (Maruyama et al., 2010). Эти находки показывают, что Wnt регулирует спецификацию клонов внутри шва путем балансирования уровней передачи сигналов Bmp и Fgf .
Поскольку структура швов может быть менее сложной, чем структура др. соединений, передача сигналов, регулирующая развитие швов не менее сложная (Fig. 1C). Усиление или ослабление одиночного сигнального пути, такого как Fgf, приводит к одному и тому же фенотипу преждевременного слияния швов. Необходимо отметить, что лежащая в основе патология "suture fusion" в такой ситуации, скорее всего, иная. Термин "слияние шва" означает, что шов устанавливается, но не поддерживается. Однако, субнабор подобных фенотипов, как ожидается, является результатом дефектной спецификации соединения или неспособности формировать шов в целом. В дальнейшем будет важно выявлять различия между отсутствием спецификации шва и неспособностью его поддержания путем анализа развития En1+клеток предшественников шва.
Хотя движение крайне ограничено в фиброзных суставах, швы рассматриваются как противостояние и реакция на механические стимулы со стороны подлежащего головного мозга и соседних мышц. Чувствительная к механическим воздействиям природа швов непосредственно связана с их первичной функцией для роста кости (Mao, 2002; Byron et al., 2004; Khonsari et al., 2013). Шов поэтому д. быть идеальной моделью, для идентификации путей механотрансдукции.
Unifying Features of Joint Development
механизмов, которые регулируют развитие синовиальных, хрящевых и фиброзных суставов показал, что лежащие в основе свойства архитектуры передачи сигналов между разными классами суставов сходные (Fig. 2). Во-первых, клетки предшественники суставов в разных типах суставов экспрессируют гены, которые относятся к тем же самым принципиальным сигнальным путям. Напр., Gdfs, Wnts, и Bmp ингибиторы все экспрессируются в презумптивных компартментах всех суставов. Во-вторых, регуляторные взаимодействия между принципиальными сигнальными путями повторяются, используемые во время развития разных типов суставов. Сигнальная ось Wnt-Fgf в сустав формирующем компартменте противостоит хондрогенным сигналам от Ihh-Bmp, чтобы способствовать спецификации и дифференцировке специализированных тканей в месте соединения кости и сустава. В синовиальных и хрящевых суставах баланс между передачей сигналов Wnt и Ihh способствует формированию промежуточных тканей таких как гиалиновый хрящ и фиброзная соединительная ткань путем ограничения хондрогенного потенциала. В фиброзном соединении шва передача сигналов Wnt и Ihh поддерживает остеогенный фронт путем баланса спецификации клеток остеогенных предшественников с окончательной дифференцировкой остеобластов. В-третьих, тот же самый сигнальный путь используется для той же самой функции в суставах разного типа. Межклеточная передача сигналов пути Notch используется в IVD и швах для предопределения остеогенного и не остеогенного компартментов. Сходство молекулярных регуляторных сетей между разными типами суставов совпадает со сходством морфогенеза суставов. Клетки предшественники всех типов суставов обладают общими свойствами: они возникают вовне и проникают в пространство сустава.
Figure 2.
Signaling networks in joint development have unifying features. There is overlap in the principal signaling pathways and their regulatory interactions between (A) synovial joints, (B) cartilaginous joints, and (C) fibrous joints. Возникает единственная возможность, что разного типа суставы имеют общее эволюционное происхождение. Напр., структура краниальных соединений варьирует в таксоне ящериц (Payne et al., 2011). В то время как quadrate-pterygoid соединение челюстей является фиброзным у gekkotans, его смешанный фенотип часть сустава фиброзная и часть синовиальная у iguanidae. Сходным образом, суставы в осевом и добавочном скелете также варьируют у тетрапод. Реберные соединения я. фиброзными у большинства млекопитающих и синовиальными у птиц (Parker, 1868; Claessens, 2009). Коленный сустав, синовиальный к млекопитающих, является фиброзным и лишен синовиальной полости у амфибий, таких как саламандры и лягушки (Lee and Gardiner, 2012). Кроме того, суставы в щиколотке и запястье амфибий обнаруживают смешанный фенотип фиброзного и синовиального. Эти исследования подтверждают, что сигнальные сети, ответственные за спецификацию суставов являются компетентными генерировать более чем один класс сустава.
Conclusions
Overlap in the signaling networks that regulate distinct joint types is certainly more extensive than is appreciated here. The role of Fgf signaling in joint development has been largely defined by studies in the sutures. However, craniosynostosis syndromes caused by mutations in FGFR2 are also associated with synovial joint fusions within the limb, as well as intervertebral fusions (Hemmer et al., 1987; Anderson et al., 1998). To understand this regulatory connection, it will be important to more closely examine the role of Fgf signaling in synovial and cartilaginous joint development.
Despite overlapping signaling mechanisms in the development of the synovial, cartilaginous, and fibrous joints, the final structures of these joints are quite specialized, and there is significant morphological variation within each category. How can use of similar signaling networks across joint types produce the unique histogenic structure of each joint? Signaling pathways can produce varied biological responses depending on the intensity and duration of the signal. Differences in the spatiotemporal expression patterns of signaling pathway components or inhibitors can account for the modulations in dose- and time-dependent response. In the joints, this is evidenced by varied involvement of select Wnt, Gdf, and Fgf ligands, as well as Bmp inhibitors.
Conservation of the regulatory network across joint types may suggest that synovial, cartilaginous, and fibrous joints are homologous developmental modules that have undergone specialization. If they are indeed homologous modules, then the specialized transcription factors that define the joint compartment should be shared across joint types. These joint-determining transcription factors should be expressed within the cells of the presumptive joint compartment, required for initial specification of joint identity, and sufficient for joint specification under the correct conditions (Guss et al., 2001). A transcription factor that fits this description has yet to be identified in any of the joint types.
Here we have illustrated the similarities of and differences between distinct joint types in an effort to better understand joint development. By comparing the different joint classes, an overlap in the signaling networks becomes clear. Discoveries in one joint type can therefore provide mechanistic insights into the development of the other joint classes. Since all joint classes are commonly affected by disease and injury, there is a clinical need to develop molecular-based strategies to repair and/or rebuild joint tissues. Identifying unifying features in the mechanisms that instruct joint development enhance our potential to reach this goal.
|