Чтобы полностью понять, как различные ткани и популяции клеток внросят свой вклад в формирование паттерна и морфогенез черепнолицевых структур, необходимао идентифицировать участвующие молекулярные факторы. Достигнут определенный успех в поиске генов, которые участвуют черепнолицевом развитии
(Рис. 5 and BOX 2).
Мутант sucker рыбок данио представляет собой интересный пример того, как пространственная информация, обеспечиваемая локально секретируемыми сигнальными фактрами, м. модулировать морфогенез произвожных NCC. Мутанты sucker дефектны по секретируемому пептиду endothelin-1 (Et1) и обнаруживают нарушение развития вентральных элементов фарингеальных дуг
. Вентрализующий градиент передачи сигналов Et1, который диффундирует от эпителия и мезодермы фарингеальных дуг направляется к NCC мезенхиме, где формируются специфические скелетные элементы вдоль DV оси
(Рис. 5). Разные уровни сигнала интерпретируются NCCs так, что инструкции производят разные элементы — во второй дуге, высокая концентрация Et1 индуцирует образование вентральнs[ кожнs[ косточtr (branchiostegal rays), тогда как низкая концентрация Et1 специфицирует дорсальные косточки (the opercles). Градированное ингибирование экспрессии Et1 обусловливает разные эффекты, изменяющиеся от потери вентральных косточек и соответствующей экспаансии opercles, до полной потери или редукции всех косточек
.
Это указывает на то, что Et1 обеспечивает общими инструкциями дифференцировку косточек, а ранги его концентрации переводятся в морфогенетическую информацию, которая показывает, какая косточка будет сделана. Концентрационный градиент Et1 участвует также в спецификации хряща
100 и в формировании суставав
103 в висцеральном скелете. В промежуточных DV месторасположниях низкие уровни Et1 достаточны, чтобы активировать ген транскрипционного фактора bapx1, который регулирует экспрессию генов, специфицирующих суставы. Вентрально, высокие урони Et1 включают экспрессию гена BASIC HELIX–LOOP–HELIX (bHLH) транскрипционого фактора hand2, который репрессирует bapx1 и является необходимым для формирования фарингеального хряща. И как результат клетки, предназначенные для образования сустава (позитивные по bapx1) располагаются в промежуточной позиции, где должен сформироваться сустав
103.
Передача сигналов Et1 играет также ключевую роль в формировании вентрального паттерна первой и второй дуг млекопитающихи птиц
104–107. Et1 и его рецептор Eta (a G-protein-coupled рецептор
108) экспрессируются в фарингеальном эпителии и мезодерме, а также в NCC мезенхиме, соотв.
105,106. Ген bHLH транскрипционого фактора dHand (ортолог hand2 рыбок данио) и родственный ген eHand являются нижестоящими эффекторами Et1 в NCCs
109,110. dHand контролирует экспрессию HD транскрипционного фактора Msx1, a полное прерывание этого молекулярного пути вызывает неспособность к росту фарингеальных дуг в результате апоптоза
111. Dlx6, как было показано, обеспечивает Et1-зависимую активацию dHand в вентральной половивне дуг
110,112. это согласуется с предполагаемой вентрализующей активностью передачи сигналов Et1. Однако, мутации Et1 и Eta у мышей также обнаруживают слабые эффекты в дорсальной области фарингеальных дуг
104,105, это указывает на то, что DV градиент endothelin м. индуцировать и дорсальные структуры при низких коанцентрациях и вентральные структуры при высоких концентрациях.
FGF signalling. Множество разных FGF молекул испускается лицевым эпителием
113. Fgf8, который экспрессируется в специфических областях лицевой и фарингеальной эктодермы, а также в энтодерме фарингеальных карманов, является ключевым фактором жизнеспособности NCC
88,114. Условная инактивация Fgf8 в эктодерме первой дуги ведет к апоптозу больших порций NCC мезенхимы и соответственно к неспособности развития лицевого скелета
88. Однако, Fgf8 по-видимому, является не больше чем простым фактором выживания, т.к. он м. также индуцировать экспрессию генов, которые ответственны за ткане-специфическую дифференцировку NCC
95,115,116. Эта функция ассоциирует со способностью детерминировать полярность фарингеальных дуг. В первой дуге, ростральный (ротовой) полюс, который формирует зубы, м.б. отличён от каудального (aboral) полюса, который будет формировать скелет челюсти. Передача сигналов Fgf8 от рострального эпителия, как было показано, отвечает за спецификацию oral–aboral полярности
116, a его поляризующая активность сопровождается градиентом передаваемого сигнала вдоль AP оси,
сразу после того как градиент Et1 специфицирует DV ось. Высокие концентрации Fgf8 индуцируют ростральную экспрессию генов Lhx транскрипционных факторов, а низкие концентрации индуцируют каудальную экспрессию гена транскрипционного фактора goosecoid (Gsc)
116,117. Интересно, что Gsc также является нижестоящим в сигнальном пути Et1
105,109. Целанаправленная инактивация Gsc у мышей показывает, что он необходим для черепнолицевого хорндрогенеза
118,119.
Схродные мехнизмы, по-ви димому, устанавливают и AP полярность более задних дуг.
Когда индуцируются forward и reverse гомеозисные трансформации с помощью Hoxa2 за счет потери- или избыточности-функции у мышей, кур и рыбок данио, то дуплицированные элементы затронутых дуг всегда выглядят как зеркальное отражение своих orthotopic дупликатов, указывая на инвертированную полярность первой и второй дуг. Это м. указывать на присутствие градированного паттерн-форимрующего сигнала, который возникает на границе между двумя дугами и оперирует двунаправленно
47,50. Fgf8 является предполагаемым кандидатом, принмая во внимание его экспрессию в энтодерме глоточных карманов и в эктодерме фарингеальной щели между первой и второй фарингеальной дугой
120,121(Рис. 5). Датальное исследование развития второй дуги у мутантных мышей, несущих CRE RECOMBINASE-обусловленные делеции Fgf8 в эпителии дуг, м. предоставить больше информации.
Fgf8 маркирует область проспективной оральной эктодермы пержде, чем будет вычлена ротовая полость и прежде чем мезэнцефалический поток NCC достигнет оральной мезенхимы
121. Fgf8 домен вычленяется с помощью др. гена сигнального фактора, Bmp4, который экспрессируется по обеим сторонам в соседней эктодерме (Рис. 5). Fgf8 и Bmp4 характеризуют входящую мезенхиму за счёт индукции экспрессии специфических паттерн-формирующих генов. NCCs обладают широкой пластичностью в ответ на этого типа позиционные сигналы; напр., расширениеe Fgf8-позитивнвой эктодермы перед миграцией NCC увеличивает область рта за счёт премандибулярной области. Напротив, ингибирование ранней эктодермальной экспрессии Fgf8 за счёт эктопического действия Bmp4
вызывает потерю структур челюстей
121,122. Роль эктодермального Fgf8, по-видимому, органичена инициальной индукцией генов-мишеней — их поддержание не зависит от Fgf8, и, по-видимому. внутренне присуще NCCs
95,123.
Члены семейства FGF также вовлекаются в передачу сигналов от фарингеальной энтодермы. У рыбок данио потеря экспрессии fgf3 в глоточных карманах дает в результате раннюю апоптическую элиминацию NCCs задних частей дуг
90 , а неспособность поддерживать экспрессию fgf3 на поздних стадиях ведёт к тяжелой гипоплазии хрящевых элементов задних частей дуг
124. Временная регуляция активности Fgf3 м. представлять собой механизм для создания полярности структур внутри дуг
124. Продолжительность сигнала м. непосредственно влиять на размер определенного элемента. Затем взаимодействие между FGF и паттернирующей активностью молекул FGF антогонистов, подобно членам семейств sef или sprouty
125, м. влиять на форму хрящей путём управления выживаемости специфических субпопуляций NCC в ответ на FGF, или путём запуска сигналов гибели через элиминацию активности FGF. Передача сигналов FGF м. также влиять на судьбу краниальных NCC путём проведения сигналов к их host среде. У мутантных FGF receptor 1 (Fgfr1) мышей просаективные NCCs второй дуги неспособны вступать в дугу во время миграции и они накапливаются в области проксимальнее дуги
126.
Этот дефект не устраняется селективной экспрессией Fgfr1 в NCCs, это указывает на то, что Fgfr1 влияет на вхождение NCCs во вторую дугу путём создания пермиссивных условий для их миграции. Существенно, что дефект миграции селективно затрагивает NCCs второй дуги. Итак, специфические комбинации FGF и/или FGFR молекул м.б. использованы в организации совместимости данной дуги с позиционно направляемым потоком
NCCs, возможно на базе их Hox кода.
Помимо их роли в качестве факторов виживаемости, установлено, что FGF молекулы м. регулировать дифференцировку NCCs дозово-зависимым образом. Напр., низкие концентрации Fgf2 добавленные к культивируемым краниальным NCCs поддерживают жизнеспособность клеток, тогда как высокие концентрации индуцируют дифференцировку хрящей и костей
82,127. М. предположить, что сходные зависимые от концентрации реакции NCCs происходят и в фарингеальных дугах, где пространственно-временной градиент сигналов FGF от эпителия м.вносить вклад в сайт-специфическое образование хрящевых агрегатов. В самом деле, было показано. что Fgf2 и Fgf4 м. способствовать образованию хрящевых элементов в эктопических местах
128.
Other signals. FGFs оперируют в комбинации с др. сигнальными молекулами. Во фронтоназальной эктодерме FEZ идентифицируется с помощью находящихся рядом областей dorsal
Fgf8 и ventral Shh экспрессии
89, a в месте взаимодействия между этими двумя сигнальными факторами, мезенхима нейрального гребня получает паттерн-формирующие инструкции для вырастания FNP. Устранение Shh-экспрессирующей эктодермы ведет к неспособности развития FNP, тогда как аппликация Shh-экспрессирующих фибробластов к FNP индуцирует эктопическую верхнюю часть клюва у кур
129. Экспресссия Shh и Fgf8 поддерживается с помощью передачи сигналов эндогенных ретиноидов
87. Ингибирование передачи сигналов ретиноидов с помощью синтетических антогонистов retinoic acid receptor (RAR)
87, с помощью нокаута RA-синтезирующего энзима
Raldh2 (REF. 130) или с помощью соединений, нацеленных на инактивацию Rar β(и Rar γ )
131 ведет к полной или частичной потере структур, происходящих из FNP.
BMPs также играет важную роль в спецификации лицевых структур
15,132,133. Максиллярные отростки, которые распространяются вентролатерально с обоих сторон от FNP и сливаются по срединной линии, чтобы сформировать половинки нёба, специфицируются с помощью экспрессии BMP. Если действие BMP блокировано воздействием специфического ингибитора Noggin то при последующем воздействии RA максиллярные отростки трансформируются в дополнительные FNPs
133. Скелетные структуры, происходящие из др. лицевых выпячиваний не удваиваются, так что молекулы BMP м. оказыватьt регион- и стадио-зависимые эффекты на морфогенез верхней и нижней челюсти
15,134, частично благодаря антогонистическим взаимодействиям с молекулами FGF
122,134,135. Рано в развитии мандибулярная мезенхима, по-видимому, находится под балансирующим влиянием сигналов к гибели и выживанию, продуцируемых в результате экспрессии эктодермой BMPs и FGFs, соотв.
134, Тогда как на более поздних стадиях, BMPs способствует дифференцировке мезенхимы в хрящи и кости
135,136. BMPs, по-видимому, выполняют различные роли за счёт регулирования генов с оппозитными функциями, такие как Msx1, Msx2 и Sox9 (REFS 121,135,136). Sox9 является известным регулятором образования хряща
137,138,тогда как Msx1 и Msx2 рассматриваются обычно как негативные регуляторы дифференцировки и участвуют в апоптозе
139,140. Мутации в этих генах затрагивают нормальное развитие скелетных структур головы у мышей и людей
141–144.
Conclusions and perspectives
The building of the vertebrate head is an example of
a morphogenetic process that relies on a complex series
of interactions between molecules and tissues. Some of
these interactions have been conserved through millions
of years of evolution, whereas others are peculiar to dis-tinct
species, generating a fascinating variety of facial
morphologies. Facial anomalies often correlate with
brain malformations (BOX 3) and, in some cases, disrup-tion
of common signalling pathways is involved 87 .So,
craniofacial development is of considerable interest
from both neurobiological and clinical perspectives.
What are the next important questions to be
addressed by research into craniofacial development?
Full comprehension of this process will rely on a com-plete
dissection of the underlying molecular processes.
Several important issues are still unexplored with
respect to the molecular mechanisms of patterning and
specification of skeletogenic NCCs. For instance, very
little is known about the temporal requirement for key
HD transcription factors (for example, Hox and Dlx)
in the regulation of pharyngeal arch morphogenesis. Their expression is maintained up to late stages of cranio-facial
development 50,64,145 ,indicating that they might
be involved in regulating the size and shape of skeletal
structures. By using available knockout technologies in
the mouse, temporally regulated inactivation will allow us
to define the critical time window of HD factor function
that is necessary for cranial NCC patterning. In
addition, the analysis of conditional tissue-specific HD
factor mutants will allow us to dissect their specific roles
in the distinct tissues where they are expressed, includ-ing
the NCCs, the neuroectoderm and the surface
ectoderm of the pharyngeal arches. Analysis of com-pound
mutants might reveal a requirement for genetic
interaction of HD factors in NCC patterning.
Another important question is how NCCs interpret
and integrate the multiple extracellular signals that are
present in the arch environment, so that they are specified
in the correct proportions. It will be necessary to define
the control elements that direct the spatiotemporal
regulation of HD factors in NCCs in response to specific
signalling molecules. This approach will provide
insights into the regulatory cascade that is required for
spatially and temporally restricted HD factor activity. In addition, recent work has drawn attention to the
importance of searching for target genes and under-standing
how they integrate into functional networks,
so that we can reconstitute the signalling mechanisms
that underlie epithelial–mesenchymal interactions
during cellular differentiation and morphogenesis.
Integration of the molecular data will provide impor-tant
insights into the morphogenetic programme for
skeletogenic NCCs. Eventually, this research should
reveal how the structural organization of the NCCs at
the protein level changes at each stage of development,
until the cells finally settle to form a definite structure.
Large-scale mutant analysis in zebrafish and targeted
mutagenesis in the mouse are proving to be valuable
approaches for identifying new genes and elucidating
the regulatory relationships between them 6 .Grafting
and recombination experiments that take advantage of
the accessibility of other embryonic systems will also
continue to be instrumental in unravelling the cell and
tissue interactions that are involved in craniofacial
development. We anticipate that future research into
this matter will be an exceptionally demanding but
ultimately rewarding task.
Сайт создан в системе
uCoz