Посещений:
Развитие Переднего Сегмента Глаза

Генетический Контроль

Anterior segment development relevant to glaucoma
DOUGLAS B. GOULD, RICHARD S. SMITH1, and SIMON W.M. JOHN
Int. J. Dev. Biol. 48: 1015-1029 (2004) doi: 10.1387/ijdb.041865dg

Development of the ocular anterior segment involves a series of inductive interactions between neural ectoderm, surface ectoderm and periocular mesenchyme. The timing of these events is well established but less is known about the molecular mechanisms involved. Various genes that participate in these processes have been identified. As the roles of more genes are determined, developmental pathways and networks will emerge. Here, we focus on recent advances made using mouse models. We summarize key morphological events in formation of anterior chamber structures, including the aqueous humor drainage structures that are involved in intraocular pressure (IOP) regulation and glaucoma. We discuss the developmental roles of genes that associate with abnormal anterior segment development and elevated IOP or glaucoma (including Bmp4, Cyp1b1, Foxc1, Foxc2, Pitx2, Lmx1b and Tyr ) and how some of these genes may fit into developmental networks.

Expression Patterns of Wnt Genes During Development of an Anterior Part of the Chicken Eye

V.M.Fokina, E.I.Frolova (elfrolov@utmb.edu)

Dev. Dyn. - 2006.- V.235. No 2. P. 496-505

Full Text


В геноме эмбрионов кур выявлены гены для 18 белков Wnt. Последовательности мРНК для 12 Wnt генов доступны в GenBank, а для 6 остальных авторы идентифицироали и клонировали. Кроме того, было установлено, что гены Wnt3а и Wnt7b кодируют по две альтеранативные изоформы мРНК, содержащие разные первые экзоны. Было установлено, что из 18 генов Wnt 11 экспрессируются в передней части глаз, обнаруживая разные пространственно-временные паттерны. Некоторые Wnt экспрессируются в хрусталике, включая Wnt2 и Wnt2b в переднем эпителии и Wnt5а, Wnt5b, Wnt7a и Wnt7b в дифференцирующихся клетках хрусталиковых волокон. В роговице выявлены Wnt3а, Wnt6 и Wnt9b на глазной поверхности эктодермы, включая эпителий роговицы и Wnt9а в эндотелии роговицы с начала её дифференцировки. В оптическом бокале гены Wnt2, Wnt2b и Wnt9а локализуются в крае оптического бокала (презумптивной радужке), тогда ак Wnt5а и Wnt16 обнаруживаются в цилиарном эпителии и зоне радужки дифференципрующегося глазного бокала, а Wnt6 экспрессируется в мезенхиме радужки. Следовательно, передача сигналов Wnt играет важеную роль в развитии передней части глаз.


Anterior segment dysgenesis and glaucoma


Ocular anterior segment dysgenesis (ASD) генетически гетерогенная группа нарушений развития (Gould and John 2002). Изучение развития глаз показывает, как неправильная регуляция онтогенетических процессов ведет к ASD. Существуют различные названия болезни ASD у человека, включая Axenfeld's anomaly, Rieger's anomaly, Peters' anomaly, aniridia, iris hypoplasia and iridogoniodysgenesis. Однако, клинические находки перекрываются внутри семей, а мутации в одном и том же гене м. вызывать ряд фенотипов. Рассмотрение данных по мышам и людям показывает, что ASD представляет собой сложный непрерывный спектр нарушений (Waring et al., 1975, Shields et al., 1985, Alward 2000, Gould and John 2002).
Глаукома является ведущей причиной слепоты, ею поражены 70 миллионов человек (Thylefors and Negrel 1994, Quigley 1996). Основным фактором риска для глаукомы является повышенное внутриглазное давление (IOP). Пациенты с ASD часто имеют нарушения тканей, ответственные за регуляцию IOP и дренирование водянистой жидкости. Они часто обнаруживают повышенное IOP, повышающее у них риск развития глаукомы. Глаукомы, возникающие в ходе развития, являются вторичными морфологическими уродствами переднего сегмента, это довольно редкие формы глаукомы. Важно, однако, что эти аномалии развития структур, дренирующих глаза, не всегда клинически обнаружимы и аномальное развитие м. затрагивать метаболизм и функцию дренирующих структур без нарушения морфологии. Следовательно, мутации в developmental генах м. вносить вклад в глаукому более часто, чем это принято считать, возможно внося вклад в широко распространенные формы, такие как primary open angle glaucoma, которая не сопровождается видимыми нарушениями развития.

Morphogenesis


Tissue derivations
Передний сегмент глаза состоит из роговицы, радужки, хрусталика, цилиарных тел и структур, дренирующих глаз (трабекулярная сеть и Schlemm's канал). Дренажные структуры располагаются в углу между роговицей и радужкой. Эта область известна также как corneoscleral переходная зона, т.к. переход глазной стенки от роговицы к склере происходит в этом месте. Передний сегмент включает также переднюю камеру (пространство между радужкой и роговицей) и заднюю камеру (пространство между радужкой и хрусталиком). Эти структуры формируются в результате скоординированных событий, связанных с индукцией и дифференцировкой трёх основных типов тканей: поверхностной эктодермы, нейральной эктодермы и окологлазной мезенхимы (Рис. 1). Большая часть того, что мы знаем об этих событиях, получена в экспериментах с модельными организмами, включая лягушек



Fig. 1. Tissue derivations of developing ocular structures. A color scheme is used to represent tissue derivations. For clarity, periocular mesenchyme derived tissues are represented by two shades of purple. (A) Neural ectoderm (NE, yellow) of the emerging optic vesicle (OV) moves through periocular mesenchyme (M, purple) until it reaches the surface ectoderm (SE, pink). (B) The surface ectoderm thickens and invaginates to form the lens pit (LP) as the optic vesicle forms the optic cup (OC). (C) The lens vesicle (LV) detaches from the surface ectoderm. The surface ectoderm becomes the epithelial layer of the future cornea (CE). Periocular mesenchyme migrates between the surface ectoderm of the corneal epithelium and the lens vesicle. (D) Lens fibers fill the lens vesicle. Mesenchyme that has migrated between the corneal epithelium and the lens forms corneal stroma (CS) and corneal endothelium (CN). Neural ectoderm in the inner layer of the optic cup will form neural retina (NR) and the outer layer will form retinal pigmented epithelium (RPE). (E) In the mature eye, the anterior rim of the optic cup has moved centrally and forms the epithelia of the iris (IE) and ciliary body (CBE). Iris stroma (IS), stroma and muscle of the ciliary body (CB), trabecular meshwork (TM) and Schlemm's canal (SC) are formed from periocular mesenchyme. Condensed periocular mesenchyme forms the sclera (S) and surrounds the posterior of the eye.

кур, крыс и мышей (Jacobson and Sater 1988, Furuta and Hogan 1998, Beebe and Coats 2000, Fuhrmann et al., 2000).
В ходе развития глаз поверхностная эктодерма формирует эпителий роговицы и хрусталик, тогда как производные нейральной эктодермы формируют сетчатку и эпителий радужки и цилиарных тел (Kaufman 1995). Строма роговицы, эндотелий роговицы, склеры, строма радужки, цилиарные мышцы, цилиарная строма и трабекулярная сеть все они являются производными периокулярной мезенхимы. Schlemm's канал формируется за счёт ремоделирования сосудистой сети в corneoscleral переходной зоне (Hamanaka et al., 1992, Smith et al., 2001) и скорее всего происходит из окологлазной мезенхимы. Т.о. периокулярная мезенхима, которая представлена клетками, происходящими из нервного гребня и краниальной параксиальной мезодермы, вносит существенный вклад в формирование переднего глазного сегмента (Noden 1975, Johnston et al., 1979, Trainor and Tam 1995). Дефекты окологлазной мезенхимы, включая формирование её паттерна, миграцию или дифференцировку м. вносить вклад в ASD и глаукому (Kupfer and Kaiser-Kupfer 1978, Kupfer and Kaiser-Kupfer 1979, Kaiser-Kupfer 1989, Tripathi and Tripathi 1989).

Prenatal development


Кратко рассмотрим ранние события спецификации и морфогенеза оптического пузырька и оптического бокала (review Freund et al., 1996; Chow and Lang 2001). Спецификация глазного поля в нейральной эктодерме и индукция хрусталика в поверхностной эктодерме являются первичными событиями развития глаз (Zuber et al., 2003). Мутации в генах, участвующих в этих ранних событиях, часто приводят к anophthalmia (напр., Hogan et al., 1986; Hill et al.,1991; Mathers et al., 1997; Dattani et al., 1998). У мышей поле глаз инициально специфицируется как дорсальная полоска на передней части переднего мозга примерно на ст. эмбриогенеза (E) 8.5 (Chow and Lang 2001). Затем вскоре после этого поле ограничивается латеральным положением оптических ямок, формируемых на внутренней поверхности cephalic нейральных складок (Pei and Rhodin 1970, Kaufman 1995). На E9.0, нервные складки оказываются противостоящими (oppose) др. др. и оптические ямки углубляются, превращаясь в оптические пузырьки. Каждый оптический пузырек движется через слой мезенхимы до тех пор, пока не достигнет поверхностной эктодермы примерно на ст. E9.5 (Pei and Rhodin 1970). Взаимодействие оптического пузырька с поверхностной эктодермой индуцирует образование хрусталиковой плакоды в поверхностной эктодерме и ретинальной плакоды с нейральной эктодерме. На E10.5 клеточная пролиферация в хрусталиковой плакоде вносит вклад в формирование хрусталиковой ямки и затем хрусталикового пузырька. Инвагинация хрусталиковой ямки совпадает со складыванием нейральной эктодермы, которое образует оптический бокал (Рис. 1). Хрусталиковый пузырек остается связанным с поверхностной эктодермой хрусталиковой ножкой вплоть до E11.0 когда он отсоединяется (Pei and Rhodin 1970, Kaufman 1995, Grimm et al., 1998). Глазной бокал дает будущую нейральную сетчатку и пигментный эпителий сетчатки. Глазной бокал вности также вклад в передний сегмент, т.к. передний ободок глазного бокала становится эпителием радужки и цилиарных тел. На E12.5, развивающийся эпителий роговицы состоит из одного до двух слоев клеток поверхностной эктодермы, которые покоятся на базальной ламине (Рис. 2A). В течение следующих двух дней миграция периокулярной мезенхимы между эпителием роговицы и передним эпителием хрусталика создает презумптивную строму роговицы и презумптивный эндотелий роговицы (Рис. 2 A,B) (Pei and Rhodin 1970, Haustein 1983). После миграции мезенхима из задней части роговицы начинает дифференцироваться и формирует эндотелиальные клетки роговицы и кератиноциты (Pei and Rhodin 1970, Haustein 1983). На E14.5-15.5, эндотелий роговицы присутствует и передняя камера впервые начинает выглядеть как небольшое пространство (Рис. 2B). Развитие функционального эндотелия роговицы, как полагают, является предварительным условием для образования передней камеры (Kidson et al., 1999, Reneker et al., 2000). Передний обод глазного бокала, который д. формировать радужку и цилиарный эпителий, является пигментированным и



Fig. 2. Prenatal development of cornea, lens and iris. All analyses were performed using C57BL/6J mice. Hemotoxylin and eosin stained sections of eyes at indicated ages. (A-C) Cornea. (A) At E12.5, the corneal epithelium (CE) is 1-2 cells thick. Mesenchyme (M) has started to migrate between the corneal epithelium and the lens vesicle (LV). (B) At E14.5, the corneal epithelium is two cell layers resting on a basal lamina. A thick presumptive corneal stroma has formed from migrating mesenchyme. The posterior mesenchyme has started to condense (*) and form corneal endothelium. The anterior chamber (AC) first appears as a small space above the lens epithelium (LE). (C) At E17.5, differentiating keratocytes become flattened (arrowheads), especially near the endothelium (CN). Extracellular matrix and keratocytes give the stroma a lamellar appearance. The anterior chamber is well established. (D-F) Lens. (D) At E12.5, the cavity of the lens vesicle (LV) is partially filled with elongating primary lens fibers (LF). (E) By E14.5, the primary lens fibers have filled the lens vesicle. Nuclei of the lens fibers are near the center of the lens and become translucent (arrows). (F) At E17.5, the emergence of nuclei of secondary lens fibers (arrows) can be seen near the equatorial zone (EZ). (G-I) Iris. (G) At E12.5, the periocular mesenchyme is migrating into the eye at the rim of the optic cup (OC). It is not possible to distinguish the mesenchyme of the presumptive cornea from that of the iris. (H) By E14.5, the anterior rim of the optic cup is extending anteriorly and the mesenchyme (M) adjacent to the optic cup is condensed. (I) By E17.5, the presumptive iris stroma can be identified and its mesenchyme synthesizes pigment (arrow). The developing iris stroma is bordered anteriorly by the corneal endothelium (CN) and posteriorly by the anterior optic cup that will become the iris pigment epithelium. Panel D is reproduced with permission from Smith et al., (Smith et al., 2001). All other panels are previously unpublished data. Scale bars represent 50 microns.

начинает расширяться кпереди и центрально (сравни Рис. 2 G,H). Это создает основу для периокулярной мезенхимы, которая д.сформировать строму радужки и цилиарных тел. Первичные хрусталиковые волокна заполняют хрусталиковый пузырек, а их ядра оказываются приблизительно в центре хрусталика (Fig. 2E). На E16.5 образуется передняя камера глаза, а строма презумптивной радужки больше не примыкает к роговице (Fig. 2I). Количество кератиноцитов в строме роговицы постоянно увеличивается вплоть до тех пор, пока не выйдет на плато на E16.5. На E17.5 строма роговицы принимает ламеллярное расположение (Fig. 2C). В экваториальной зоне хрусталика продуцируются вторичные хрусталиковые волокна (Fig. 2F).

Postnatal development


До сих пор мало данных о постнатальном развитии. А основное развитие структур передней камеры происходит в постнатальный период (Smith et al., 2001, Baulmann et al., 2002). Это верно и для развития дренирующих структур, которые влияют на IOP и глаукому.



Fig. 3. Postnatal development of cornea, iris and ciliary body. All analyses were performed on C57BL/6J mice. (A-C) Cornea. (A) At P0, the corneal epithelium (CE) is two cell layers thick and covered by eyelid (EL). The corneal stroma (CS) has a lamellar arrangement of extracellular matrix and flattened keratocytes and the corneal endothelium (CN) is present. The anterior chamber (AC) is the space defined by the corneal endothelium and lens epithelium (LE). (B) By P8, the corneal stroma is less cellular. Descemet's membrane (arrow) is clearly visible in an area of artifactual separation from the corneal endothelium (CN). (C) By P21, the cornea is mature. The eyelids are open and the corneal epithelium is five cell layers thick. (D-F) Iris. (D) Dense mesenchyme (M) is present on the anterior of the developing iris and will give rise to the iris stroma. Small folds in the pigment epithelium (asterisks and middle inset) indicate early morphogenesis of ciliary processes. The cells of the presumptive iris stroma begin to synthesize pigment (arrows in insets) and this distinguishes them from the cells that give rise to the trabecular meshwork (left inset). (E) By P4, the iris has extended centrally. The posterior layer of iris pigment epithelium is only slightly pigmented peripherally (arrow in left inset) but more so centrally (arrow in middle inset). The entire anterior layer of pigmented epithelium is already pigmented. The stroma is also pigmented by this time (middle inset) and the iris sphincter muscle (SP) is present (right inset). (F) At P12.5 the iris is mature with a robust stroma (S) that is separated from the bi-layered pigment epithelium (PE) by a thin dilator muscle (D) (between arrows in inset). The sphincter muscle is located at the pupilary margin. (G-I) Ciliary Body. (G) Compared to the P0 ciliary body shown in (D), the ciliary body at P4 has well formed ciliary processes. Endothelial cells are present indicating that the vascular core is being established (arrow). (H) By P8, the ciliary body is completely developed with a vascular core (arrows). (I) Lower magnification image of a mature ciliary body at P18. All panels are of previously unpublished data. Scale bars represent 50 microns.

При рождении эпителий роговицы состоит из одного-двух слоёв клеток. Строма роговицы заполнена кератиноцитами, окружающими extracellular matrix (ECM), а эндотелий роговицы выявляется четко (Рис. 3A). Descemet's мембрана (специализированная базальная ламина эндотелия роговицы) все ещё не выявляется с помощью световой микроскопии, но м.б. выявлена электронномикроскопически (Kidson et al., 1999, Smith et al., 2001). Мезенхима презумптивной стромы радужки начинает синтезировать пигмент, что отличает её от мезенхимы трабекулярной сети (Рис. 3D средний квадрат по сравнению с левым). Будущие цилиарные отростки видны как легкие складки в цилиарном пигментном эпителии (Рис. 3D). С постнатального деня (P) 2 по P4, наблюдается уменьшение клеточного состава стромы роговицы. Радужка и цилиарное тело теперь четко отличимые др. от др. Видны выдающиеся складки цилиарного тела (Рис. 3G), строма радужки темно пигментирована и обнаруживаются четкие доказательства развития мышечного сфинктера радужки (Рис. 3E). Мезенхима презумптивной трабекулярной сети плотно упакована (Рис. 4A) (Smith et al., 2001). На P6-P8, Descemet's мембрана чётко отличается от стромы роговицы (Fig. 3B). Строма радужки, мышечный дилятатор и сфинктер пигментного эпителия созревают на ст. P8-P10 (Рис. 3F). Отростки цилиарного тела полностью развиты и имеют сосудистую сердцевину, но цилиарные мышечные волокна ещё отсутствуют (Fig. 3H). На этой стадии презумптивная трабекулярная сеть (meshwork) представлена массой мезенхимных клеток в в углу между радужкой и роговицей. Чтобы начать дренаж водянистой жидкости, эта масса д. ремоделироваться и сформировать функциональную требекулярную сеть (Smith et al., 2001). Основным компонентом функциональной табекулярной сети является ECM, организованный в сеть перекладин, которые покрыты трабекулярными клетками. ECM содержит collagen, laminin, elastin, fibronectin и vitronectin (Yue 1996). Межтрабекулярные пространства между перекладинами функциональной сети позволяют водянистой жидкости течь в Schlemm's канал. Водянистая жидкость проходит через эндотелиальную стенку Schlemm's канала в дренажные структуры, известные как гигантские вакуоли. Просвет Schlemm's канала соединяется с венозной системой через собирающие канальцы. Аномальное развитие этих структур iridocorneal угла м. приводить к повышению IOPи глаукоме.
У мышей процесс формирования функциональной трабекулярной сети из мезенхимной массы тесно упакованных перекладин сопровождается ремоделированием ткани, чтобы открылись межтрабекулярные пространства без клеточной гибели или атрофии (Smith et al., 2001). На P10 мезенхимные клетки располагаются параллельно роговице. Между P10 и P14 трабекулярные перекладины появляются, но всё ещё расположены очень тесно др. к др. (Рис. 4 B,C) (Smith et al., 2001, Baulmann et al., 2002). Цилиарные мышечные волокна, обнаруживающиеся в Schlemm's канале, выглядят как небольшие просветы, выстланные эндотелиальными клетками (Fig. 4C). Межтрабекулярные пространства впервые образуются между трабекулярными перекладинами ближе всего к передней камере. Т.к. между трабекулярными перекладинами образуются каналы, то водянистая жидкость м. поступать в дренажные структуры и течь в направлении Schlemm's канала. Многочисленные гигантские вакуоли присутствуют на ст. P18. На P21 передний сегмент полностью развит за исключением минорного ремоделирования, которое увеличивает степень межтрабекулярных пространств (Рис. 4D) (Smith et al., 2001).

Molecular development


Хотя развитие сети в основном не определено, но некоторые молекулы и пути, вносящие вклад в развитие переднего сегмента глаза, известны. обсудим онтогенетически важные гены и пути, которые обеспечивают развитие переднего сегмента и ассоциированы с IOP и глаукомой. Рассмотрим роль недавно идентифицированной tyrosinase/L-dopa, т.к. она модифицирует фенотипы у мышей с мутациями в ортолагах генов глаукомы у людей. Мы не рассмотрим всех генов, которые как известно, вызывают ASD. Мы обсудим тему множественных генов и предположение о потенциальных взаимодействиях между разными генами и путями.

Transforming Growth Factor Beta Super-Family


Сверхсемейство TGFβ секретируемых сигнальных молекул влияет на спектр биологических процессов, включая паттерн детерминации, клеточной пролиферации, клеточной дифференцировки, клеточной гибели, морфогенеза костей и заживления ран (Graham et al., 1994, Hogan 1996, Hogan 1999, Mabie et al., 1999). Аномальная передача сигналов TGFβ вносит вклад в широкое разнообразие болезненных процессов (Miyazono et al., 2001).



Fig. 4. Postnatal development of the iridocorneal angle. The diagrams represent the relative developmental states of trabecular meshwork and Schlemm's canal in C57BL/6J mice at each stage. They are based on analysis of multiple mice and are not direct representations of the adjacent histologic images. The diagrams indicate the enlargement of Schlemm's canal and opening of aqueous humor drainage channels (intratrabecular spaces) in the trabecular meshwork. (A) At P4, the anlage of the trabecular meshwork is recognizable as condensed mesenchyme (arrows) between the corneal stroma (CS) and ciliary body (CB). AC, anterior chamber and I, iris. (B) By P12, trabecular meshwork cells have differentiated and trabecular beams are present but are still packed close together. Schlemm's canal is present by this age (between arrows). (C) By P14, trabecular beams nearest the anterior chamber begin to separate as intertrabecular spaces appear (arrowhead) but aqueous humor access to Schlemm's canal (SC, between arrows) is still restricted. Ciliary muscle fibers are present (open arrow). (D) The angle continues to remodel with more intratrabecular spaces forming between the trabecular beams. At P21, the major morphogenesis is complete with only minor remodeling occurring afterwards (up to approximately P35). Adapted with permission from (Smith et al., 2001). Scale bars represent 50 microns.

Сверхсемейство TGFβ подразделяется на две сходные,но отдельные ветви: ветвь BMP/GDF (bone morphogenetic protein/growth and differentiation factor) и ветвь TGFβ/activin/nodal. Каждая ветвь работает благодаря внеклеточному связыванию лиганда с мембран-связанными рецепторными комплексами, состоящими из Type I и Type II serine/threonine киназных рецепторов. Связывание лиганда инициирует в цитоплазме сигнальный каскад, который активирует SMAD (также называемые MADH) белки. Активированные SMAD белки вступают в ядро, где они ассоциируют с транскрипционными факторами и участвуют в транскрипционной регуляции генов-мишеней (Cho and Blitz 1998, Chang et al., 2001b, Miyazono et al., 2001, Balemans and Van Hul 2002).
Множественные члены пути TGFβ сверхсемейства важны для развития глаз. Bmp4 экспрессируется в дистальной части формирующегося оптического пузырька и в лежащей поверх головной эктодерме. Экспрессия ограничивается дорсальной частью дистального кончика оптического пузырька в месте контакта с поверхностной эктодермой и позднее с дорсальным ободком глазного бокала (Furuta and Hogan 1998). Постнатально Bmp4 экспрессируется в пигментном эпителии радужки, цилиарном теле и сетчатке, все они производные глазного бокала (Chang et al., 2001a). Два BMP4 рецептора, BMPR1A и BMPR1B присутствуют в развивающихся глазах. Bmpr1a экспрессируется в большинстве глазных тканей, по крайней мере, до E11.5. Bmpr1b экспрессируется в головной мезенхиме на ст. E9.5 (Furuta and Hogan 1998).
Полностью дефицитные по Bmp4 мыши (гомозиготные мутанты, Bmp4-/-) не жизнеспособны и не формируют оглаз из-за отсутствия индукции хрусталика (Furuta and Hogan 1998). Частично дефицитные по Bmp4 мыши (гетерозиготы по мутации, Bmp4 +/-) формируют глаза, но часто имеют тяжелые ASD (Chang et al., 2001a). Хотя фенотип изменчив и зависит от генетического фона все Bmp4+/- мыши имеют до некоторой степени ASD. Все ткани переднего сегмента затронуты, включая хрусталик, радужку, роговицу, трабекулярную сеть и Schlemm's канал. Трабекулярная сеть гипопластична, сжата, имеет пониженные количества трабекулярных перекладин и меньше ECM (Chang et al., 2001a). ASD у Bmp4+/- мышей сходны с ASD у пациентов.
Bmp4 Экспрессируется в дистальной части оптического пузырька и имеет рецепторы повсеместно экспрессируемые в глазной ткани. Полностью дефицитные по BMP4 теряют в результате экспрессию Sox2 в поверхностной эктодерме и теряют экспрессию Msx2 в дистальной части глазного пузырька (Furuta and Hogan 1998). SOX2 необходим для индукции хрусталика, а мутации в SOX2 выявлены у пациентов с anophthalmia (Fantes et al., 2003). Возможно, что BMP4 из оптического пузырька связывает BMPR1A в поверхностной эктодерме и индуцирует экспрессию Sox2 посредством транскрипционного комплекса SMAD. Альтернативно или дополнительно, Msx2 в оптическом пузырьке оказывается мишенью для передачи сигналов BMP4 и затем он играет роль в поддержании второго сигнала для экспрессии Sox2. Любая из этих парадигм м. объяснить потерю экспрессии Sox2 и индукции хрусталика в отсутствии BMP4 (Furuta and Hogan 1998).
Даже хотя и не известны мишени для BMP4 в периокулярной мезенхиме, тем не менее ткани. производные мезенхимы, неправильно развиты у Bmp4+/- мышей, а BMP4 рецепторы присутствуют в мезенхиме. Следовательно, возможно, что BMP4 оказывает непосредственное влияние на мезенхиму. У Bmp4+/- мышей производная мезенхимы трабекулярная сеть обнаруживает выраженный дефицит ECM. ECM , как известно, важен для развития множественных тканей, он обеспечивает сигналами клеточный метаболизм и различные онтогенетические процессы, такие как миграция и дифференцировка (Adams and Watt 1993, Lin and Bissell 1993, Perris 1997). Т.о., BMP4 м. влиять на морфогенез трабекулярной сети путем регулирования свойств ECM (включая состав и передачу сигналов), которые важны для мезенхимной миграции, дифференцировки и/или ремоделирования.
TGFβ2 является др. сигнальным лигандом, участвующим в развитии переднего сегмента глаза. Роговица мышей TGFβ2-/- обнаруживает пониженное накопление ECM и является тонкой с плотно упакованными кератиноцитами. Эндотелий роговицы не способен дифференцироваться и передняя камера никогда не образуется (Saika et al., 2001). Трабекулярная сеть у таких мышей изучена недостаточно. Подобно BMP4, имеющие отношение к делу ниже стоящие мишени для сигналов TGFβ2 неизвестны. Однако, пути BMP4 и TGFβ2 конвергируют и перекрываются (Miyazono et al., 2001). Учитывая конвергенцию путей и скудность ECM в глазах Bmp4+/- и TGFβ2-/- мышей, оказывается возможным, что компоненты ECM являются важными ниже стоящими мишенями для обеих этих сигнальных молекул.
Ключевой ступенью регуляции передачи сигналов супер-семейства TGFβ является ингибирующее связывание лиганда с помощью внеклеточных антагонистов, таких noggin (NOG) (Cho and Blitz 1998, Balemans and Van Hul 2002). Избыточная экспрессия трансгена Nog демонстрирует важность передачи сигналов BMP в развитии цилиарного тела. Эктопическая, специфичная для хрусталика экспрессия Nog, как предполагается, противодействует BMP4 и BMP7, снижая уровни активированных SMAD1 в эпителии хрусталиков, эпителии цилиарного тела, эпителии роговицы и мезенхимных клетках (Zhao et al., 2002). Эти данные показывают, что SMAD1 является важным медиатором передачи сигналов BMP в развитии цилиарного тела. Более того, подавление передачи сигналов BMP с помощью NOG существенно подавляет экспрессию ниже стоящих мишеней Msx1 и Otx1 в цилиарном эпителии. Otx1 необходим для развития цилиарного тела (Acampora et al., 1996). С помощью повторного внесения трансгенного Bmp7 (возможно восстанавливающее соотношение лиганд/антагонист) удалось восстановить нормальное развитие цилиарного тела (Zhao et al., 2002). Очевидно, что члены сигнального пути сверхсемейства TGFβ важны для нормального развития глаз. Следовательно, любые гены, которые влияют на баланс передачи сигналов TGFβ/BMP, являются кандидатами на роль генов, затрагивающих развитие переднего сегмента и фенотипические проявления глаукомы.

PAX6


PAX6 является транскрипционным фактором с paired-class и homeobox ДНК связывающими доменами. В производных нейральной эктодермы Pax6 экспрессируется в дистальной части оптического пузырька, ободе глазного бокала и затем в эпителии радужки и цилиарном теле, которые возникают из обода оптического бокала. Экспрессия Pax6 в поверхностной эктодерме широкая на ст. E8.5, но ограничивается хрусталиковой плакодой на E9.5. Она сохраняется в течение всего развития в глазных тканях, происходящих из поверхностной эктодермы (Walther and Gruss 1991, Grindley et al., 1995, Koroma et al., 1997, Baulmann et al., 2002). Pax6 экспрессируется также в развивающейся строме радужки, строме цилиарного тела и трабекулярной сети, что согласуется с его регуляторной функцией во время морфогенеза этих тканей, производных мезенхимы (Baulmann et al., 2002).
Мутантные small eye мыши имеют нулевой аллель Pax6 (Pax6Sey) (Hill et al., 1991). Гомозиготные Pax6Sey/Sey мыши имеют морфологические аномалии оптического пузырька и не способны к индукции хрусталика (Hogan et al., 1986). Мыши, гетерозиготные по Pax6tm1Pgr нулевому аллелю, имеющие глазные дефекты, включая маленькие глаза, маленькие передние камеры, помутнение роговицы, гипоплазию радужки, слипания между радужкой и роговицей, дисгенез трабекулярной сети и отсутствие Schlemm's канала (Baulmann et al., 2002). Трабекулярная сеть гипопластична и не дифференцирована. Нулевые мутации и удвоения PAX6 м. вызывать дисгенез переднего сегмента, указывая тем самым на важность дозы PAX6 для нормального развития (Ton et al., 1991, Jordan et al., 1992, Hanson et al., 1993, Glaser et al., 1994, Hanson et al., 1994).
Выявляется консервация PAX6 регулируемой генной функции у мух и позвоночных (Halder et al., 1995). Многие из одних и тех же генов и взаимодействия законсервированы у vs[ и позвоночных (Oliver et al., 1995, Pignoni et al., 1997, Xu et al., 1997, Heanue et al., 1999, Kozmik et al., 1999, Xu et al., 1999a, Xu et al., 1999b, Heanue et al., 2002, Hsieh et al., 2002). Следовательно, ортологи млекопитающих генов мух являются прекрасными кандидатами на участие в развитии переднего сегмента глаз и многие из них вносят вклад в ASD и глаукому. Drosophila Pax6 паралоги eyeless (ey) и twin of eyeless (toy) участвуют в сложной регуляторной иерархии экспрессии генов. Во время развития глаз Drosophila они регулируют гены eyes absent (eya), sine oculus (so) и dachshund (dac). Мутации в ортологах eyes absent человека EYA1 ассоциируют с уродствами переднего сегмента глаз (Azuma et al., 2000). Генетические взаимодействия с этим путем явились предметом интенсивных исследований на мухах и позвоночных(review Treisman 1999; Wawersik and Maas 2000; Pichaud and Desplan 2002; van Heyningen and Williamson 2002).

FOXC1 and FOXC2


FOXC1 (forkhead box C1) является транскрипционным фактором с forkhead/winged-helix ДНК связывающим доменом. В развивающихся глазах, Foxc1 первоначально экспрессируется в периокулярной мезенхиме и мезенхимных клетках, которые мигрируют в глаз (Kume et al., 1998, Kidson et al., 1999). На E12.5, презумптивная роговица между поверхностной эктодермой и хрусталиком больше не экспрессирует Foxc1. На E16.5 экспрессия Foxc1 еще больше ограничивается областью будущей трабекулярной сети (Kidson et al., 1999). Foxc1-/- мыши погибают при рождении со множественными врожденными аномалиями, включая скелетные дефекты и hydrocephalus (Kume et al., 1998, Hong et al., 1999). Они также имеют тяжелые дефекты развития переднего сегмента. В роговице Foxc1-/- мышей эпителий утолщен, строма дизорганизована и не происходит дифференцировки эндотелия. Хрусталики не способны отделяться от роговицы и в результате наблюдается полное отсутствие передней камеры (Kidson et al., 1999).
Foxc1+/- мыши жизнеспособны и имеют слабые дефекты переднего сегмента по сравнению с Foxc1-/- мышами (Hong et al., 1999, Smith et al., 2000). Развитие тканей, производных периокулярной мезенхимы, аномально у Foxc1-/- мышей. Аномалии включают уродства радужки, слипания между радужкой и роговицей и помутнение роговицы. Угловые уродства включают маленький или отсутствие Schlemm's канала и гипопластичную, сжатую трабекулярную сеть. Аномалии iridocorneal угловых структур характеризуются бедностью ECM, включая коллагеновую и эластичную ткань, а клетки имеют вид недифференцированных клеток-предшественников. Даже, когда клинически очевидные аномалии радужки и роговицы не обнаруживаются у Foxc1+/- мышей на некоторых генетических фонах, все мыши имеют гистологически обнаружимые нарушения трабекулярной сети и канала Schlemm's. Это указывает на то, что генетические модификаторы оказывают дифференциальное влияне на развитие радужки и роговицы по сравнению с развитием iridocorneal угла и это указывает на то, что развитие iridocorneal угла м.б. более чувствительным к уровням FOXC1.
FOXC2 является forkhead/winged-helix транскрипционным фактором со строгой гомологией с FOXC1. Foxc1 и Foxc2 имеют существенно перекрывающиеся паттерны экспрессии, включая сходную экспрессию в периокулярной мезенхиме и в тканях, происходящих из периокулярной мезенхимы (Winnier et al., 1997, Hiemisch et al., 1998). Эти гены выполняют перекрывающиеся функции, по крайней мере, в развивающемся сердце (Winnier et al., 1999). FOXC2 затрагивает развитие глаз очень сходным образом с FOXC1, подтверждается, что они выполняют перекрывающиеся функции и в развивающемся глазу (Smith et al., 2000).
Все двойные гетерозиготы (Foxc1+/- Foxc2+/-) имеют уродства цилиарного тела, обычно не обнаруживаемые у мышей, гетерозиготных по любому из мутантов (Smith et al., 2000). Этот факт строго подтверждает перекрывание функций FOXC1 и FOXC2 в развивающемся глазу. Это также указывает на то, что цилиарное тело нуждается в определенном пороговом уровне FOXC транскрипционных факторов для нормального развития (общего FOXC1 и FOXC2), который часто недостаточен у двойных гетерозигот.
Пациенты с мутациями FOXC1 имеют спектр ASD и глаукомных фенотипов (Mears et al., 1998, Nishimura et al., 1998, Mirzayans et al., 2000, Nishimura et al., 2001, Honkanen et al., 2003). Подобно PAX6, нормальное развитие очень чувствительно к дозе FOXC1 и как дупликации, так и делеции м. вызывать ASD (Kume et al., 1998, Lehmann et al., 2000, Nishimura et al., 2001, Saleem et al., 2001, Saleem et al., 2003a, Saleem et al., 2003b). Не известны выше стоящие регуляторы или ниже стоящие мишени для FOXC1 или FOXC2. Foxc1 и Foxc2 обнаруживают сходные паттерны экспрессии, а их ДНК связывающие домены почти идентичны. Поэтому очень вероятно, что FOXC1 и FOXC2 имеют общие, по крайней мере, некоторые ниже стоящие гены-мишени. Учитывая фенотипической сходство Bmp4, Tgfβ2, Foxc1 b Foxc2 мутантных мышей, возможно, что члены TGFβ семейства и FOXC транскрипционные факторы действуют в одних и тех же путях. Др. члены winged-helix семейства транскрипционных факторов, как известно, облегчают передачу сигналов TGFβ сверх-семейства у Xenopus и мышей. FOXH1 (первоначально FAST for forkhead activin signal transducer) является forkhead/winged-helix транскрипционным фактором, который ассоциирует с SMAD белками, активируемыми с помощью TGFβ сигнального лиганда activin (Chen et al., 1996, Chen et al., 1997, Weisberg et al., 1998, Liu et al., 1999, Germain et al., 2000). Возможно, что FOXC1 и FOXC2 взаимодействуют с SMAD белками, чтобы обеспечить передачу сигналов BMP4 (или др. лигандов супер-семейства TGFβ.
Одинаково с Bmp4+/- and Tgfβ2+/- мутантными мышами , Foxc1+/- и Foxc2+/- мутанты имеют главным нехватку ECM в структурах iridocorneal угла. Кроме того, Foxc1-/- мыши имеют аномалии ECM и в др. тканях, включая arachnoid слой менингиальной оболочки и прехондрогенной мезенхимы (Kume et al., 1998, Hong et al., 1999). Т.о., FOXC1 и FOXC2 м. контролировать развитие прямо или косвенно затрагивая синтез и/или метаболизм ECM (Fig. 5).

FOXE3


Третий winged-helix/fork head ген, Foxe3 также участвует в развитии глаз. В противоположность мезенхимной экспрессии Foxc1 и Foxc2, Foxe3 экспрессируется в хрусталиковой плакоде, хрусталиковой ямке и переденей части хрусталикового пузырька прежде чем ограничиться передним эпителием хрусталика (Blixt et al., 2000, Brownell et al., 2000). Мыши, гомозиготные по Foxe3 мутации (dyl for dysgenetic lens) имеют маленькие глаза и



Fig. 5. TGFβ-superfamily/BMP signaling and anterior segment developmental genes. The ways in which known anterior segment developmental genes interact is largely unknown. In an attempt to link the functions of known genes, this figure suggest that TGFβ- superfamily signaling may regulate developmentally important roles of ECM by modulating the expression of genes that are known to affect both anterior segment development and ECM composition/abundance in the eye. Dark arrows indicate steps supported by experiments in various developmental systems. Proposed interactions are depicted as fainter arrow and symbols. TGFβ signaling ligands (Activin, Nodal, BMPs, TGFβ2) bind transmembrane receptors and activate SMAD proteins by phosphorylation,while Noggin is an antagonist. Phosphorylated SMAD proteins translocate to the nucleus where they associate with DNA binding transcription factors (e.g. FOXH1) to regulate the transcription of target genes. Some of these target genes are known to affect ECM synthesis or modification as described in the text. Others, such as Foxc1, are known to affect ECM abundance and structure but it is not known if this is a direct or indirect effect. Although drawn in a sequential linear sequence, it is possible that these interactions do not occur in the same cell or developing tissue. For example, PITX2 induction by nodal may not occur at the same time or place as PITX2 activation of Plod genes. Similarly the depicted events may not be sequentially dependent. For example, Nodal activation of Pitx2 may not be necessary for Plod activation since Pitx2 may also be regulated by other factors. PLODs hydroxylate lysine residues in collagen that are important for intermolecular crosslinks.

и сохранение слипания переднего эпителия хрусталика с роговицей (Sanyal and Hawkins 1979, Blixt et al., 2000, Brownell et al., 2000). Происходят атрофия хрусталикового эпителия и вакуолизация тела хрусталика.
Foxe3 действует ниже Pax6. Гомозиготные мутантны Pax6Sey/Sey мыши формируют оптический пузырек, но не способны индуцировать хрусталиковую плакоду. Не происходит индукции Foxe3 в поверхностной презумптивной Pax6Sey/Sey хрусталиковой плакоде (Brownell et al., 2000). Боле того, специфическое снижение Pax6 в поверхностной эктодерме достаточно для устранения экспрессии Foxe3 (Dimanlig et al., 2001). Это указывает на то, что Foxe3 непосредственно или косвенно индуцируется PAX6 в поверхностной эктодерме скорее, чем Foxe3 отвечает на индуцированные PAX6 сигналы из оптического пузырька.
Дозовые уровни PAX6 и FOXE3 важны. Пациенты, гетерозиготные по мутациям в PAX6 или FOXE3 имеют ASD фенотипы, включая неспособность к разделению хрусталика и роговицы (Hanson et al., 1994, Semina et al., 2001, Ormestad et al., 2002). Сходным образом Foxe3+/dyl мыши имеют lenticorneal адгезии и разбухшие неправильной формы роговицы (Ormestad et al., 2002). Хотя не известны ниже стоящие мишени FOXE3 , очевидно, что они участвуют в поддержании пролиферации и в ингибировании дифференцировки. У Foxe3dyl/dyl мышей клетки хрусталикового эпителия выходят из пролиферативного состояния и вступают в состояние дифференцировки, сопровождаемое апоптозом (Blixt et al., 2000, Brownell et al., 2000).

PITX2


PITX2 является транскрипционным фактором с paired-like гомеодоменом. Во время нормального развития глаз Pitx2 экспрессируется в периокулярной мезенхиме на E9.5 (Gage et al., 1999). Экспрессия сохраняется в мезенхиме и в презумптивной строме роговицы на E13.5 (Semina et al., 1996, Lu et al., 1999, Hjalt et al., 2000). На E18.5, экспрессия Pitx2 ограничивается презумптивной радужкой и iridocorneal углом (Hjalt et al., 2000). Этот паттерн экспрессии очень сходен с таковым Foxc1 и Foxc2. Pitx2-/- мыши погибают на E15.5 (Lin et al., 1999, Lu et al., 1999). На этой стадии мыши Pitx2-/- имеют утолщенную, не дифференцированную роговицу, которая не образует эндотелий роговицы или передней камеры (Gage et al., 1999, Lu et al., 1999) как и в глазах Tgfβ-/- иди Foxc1-/- мышей. Как и при мутациях PITX2 у людей, Pitx2+/- мыши обнаруживают варьирующие степени ASD (Gage et al., 1999).
Указывают на важность уровней активности PITX2 и гипоморфные и сверх-активируемые аллели PITX2, вызывающие ASD у людей (Semina et al., 1996, Alward et al., 1998, Kulak et al., 1998, Doward et al., 1999, Kozlowski and Walter 2000, Priston et al., 2001, Phillips 2002). Вместе с дозовой чувствительностью к др. транскрипционным факторам, это демонстрирует важность узких пределов активности различных транскрипционных факторов для нормального развития переднего сегмента и отражает деликатный баланс передачи сигналов с помощью взаимодействующих путей.
Имеются доказательства того, что Pitx2, по крайней мере, частично контролируется сигналами супер-семейства TGFβ. Установлено, что член сверх-семейства TGFβ, NODAL, м. индуцировать экспрессию Pitx2 (Logan et al., 1998, Piedra et al., 1998, Ryan et al., 1998, Yoshioka et al., 1998). Pitx2 обладает отвечающим на NODAL элементом в своем промоторе, который содержит сайты связывания для SMAD-ассоциированного фактора транскрипции FOXH1 (Shiratori et al., 2001). Более того, мыши, дефицитные по NODAL рецептору Acvr2b (Oh and Li 1997) имеют фенотипы, очень сходные с таковыми у мышей, дефицитных по Pitx2 (Lin et al., 1999, Lu et al., 1999). PITX2 м. также предопределять границы экспрессии BMP4 и , следовательно, м. взаимодействовать с регуляторным механизмом петли обратной связи (Lu et al., 1999).
Procollagen lysyl hydroxylase (Plod) гены являются потенциально ниже стоящими мишенями для PITX2. Промоторные области PLOD1 и Plod2 имеют множественные PITX2 связывающие сайты. PITX2 м. соединяться с промоторами in vivo и индуцировать экспрессию репортерного гена, управляемого с помощью этого промотора in vitro (Hjalt et al., 2001). PLOD1 и PLOD2 принадлежат семейству энзимов, ответственных за гидроксилирование остатков лизина в коллагенах. Остатки hydroxylysine обеспечивают стабильность межмолекулярных коллагеновых поперечных связей (Kivirikko and Myllyla 1985). Следовательно, нарушения стабильности и функции ECM м. лежать в основе PITX2 фенотипов.

PITX3


Второй транскрипционный фактор с paired-like гомеодоменом, PITX3, также м. обусловливать ASD. Экспрессия Pitx3 впервые обнаруживается на поздней стадии хрусталиковой плакоды около E9.5. Экспрессия продолжается в хрусталиковой ямке и в первичных хрусталиковых волкнах вплоть до E16.5, когда он начинает более строго экспрессироваться в экваториальной зоне хрусталика (Semina et al., 1998, Semina et al., 2000).
Рецессивная мутация мышей, aphakia (ak), вызывает массивную редукцию экспрессии Pitx3. Pitx3ak/ak мыши имеют маленькие глаза без хрусталиков. Морфогенез хрусталиков нарушен примерно с E10.5 (Grimm et al., 1998, Semina et al., 2000). Хрусталиковый пузырек заполнен аномальными клетками, а первичные хрусталиковые волокна никогда не образуются. Хрусталик никогда не отсоединяется от поверхностной эктодермы и в конечном итоге рассасывается. Развитие переднего сегмента останавливатется в это время (Grimm et al., 1998, Semina et al., 2000). Доминантные мутации у людей PITX3 м. вызывать ASD, включая катаракты, помутнение роговицы и iridocorneal слипания (Semina et al., 1998). Мутация aphakia мыши проливает свет на регуляцию экспрессии Pitx3. Pitx3ak вызывается делецией в регуляторной области Pitx3. В делецию попадают сайты связывания транскрипционного фактора AP2, alpha (TCFAP2A) и птичьего musculoaponeurotic fibrosarcoma AS42 гомолога онкогена (MAF). TCFAP2A и MAF являются транскрипционными факторами, присутствующими в в развивающихся хрусталиках, по времени совпадающими с экспрессией Pitx3 (Yoshida et al., 1997, Ogino and Yasuda 1998, Kawauchi et al., 1999, Kim et al., 1999, West-Mays et al., 1999). Мутации Tcfap2a или Maf м. давать в результате аномальное развитие хрусталиков и ASD согласующиеся с их ролью в индукции Pitx3 (Kim et al., 1999, West-Mays et al., 1999, Jamieson et al., 2002, Lyon et al., 2003).

LMX1B


LMX1B является транскрипционным фактором LIM гомеодоменового класса, экспрессирующимися по всей периокулярной мезенхиме с E10.5 и в презумптивной роговице вплоть до E14.5 (Pressman et al., 2000). При рождении всё ещё обнаруживается экспрессия в роговице, в кератиноцитах, эндотелии роговицы, и мезенхиме презумптивной радужки, цилиарном теле и трабекулярной сети. Позднее экспрессия сохраняется в радужке и трабекулярной сети, но не в цилиарном теле (Pressman et al., 2000). Lmx1b-/- имеют множественные онтогенетические дефекты, включая глазные аномалии (Chen et al., 1998, Pressman et al., 2000). Впервые морфологические отклонения обнаруживаются на E15.5. Кератиноциты роговицы упакованы менее плотно и выявляется редукция глубины передней камеры. После рождения глаза маленькие и значительная гипоплазия радужки и цилиарного тела, включая отсутствие цилиарных складок в цилиарном эпителии. Развитие хрусталика кажется нормальным за исключением того, что клетки хрусталикового эпителия имеют измененную морфологию. Гомозиготные нулевые мыши погибают как новорожденные, предваряя анализ каких-либо эффектов отсутствия LMX1B на постнатальное развитие переднего сегмента, включая морфогенез трабекулярной сети и Schlemm's канала. Детальный анализ Lmx1b+/- мышей не проводился. Мутации LMX1B имеют доминантные, плейотропные эффекты и вызывают nail-patella syndrome (NPS) (Dreyer et al., 1998, McIntosh et al., 1998, Vollrath et al., 1998). В дополнение к диспластичным ногтям и гипопластичной надколенной чашечки, NPS ассоциирует также с нефропатией и глаукомой (Lichter et al., 1997).
По сравнению с мышами дикого типа мыши Lmx1b-/- обнаруживают молекулярные отличия на E13.5 до появления морфологических отличий. Экспрессия Foxc1 меняется с помощью нехватки Lmx1b. Обычно, когда клетки периокулярной мезенхимы мигрируют в презумптивную роговицу, то экспрессия Foxc1 выключается и клетки презумптивной роговицы начинают экспрессировать keratocan (молекулу ECM) т.к. дифференцируются кератиноциты. У Lmx1b-/- мышей обнаруживается персистенция экспрессии Foxc1 в презумптивной роговице и эти клетки не экспрессируют keratocan на E15.5 (Pressman et al., 2000). Т.о., LMX1B не обязателен для миграции мезенхимы в презумптивную роговицу, но необходим для нормальной дифференцировки этих клеток. Помимо keratocan, LMX1B влияет также на экспрессию др. молекул ECM. Lmx1b-/- мыши и некоторые пациенты с NPS имеют почечные дефекты. Эти дефекты касаются потери двух субтипов type IV коллагена, COL4A3 и COL4A4, в гломерулярной базальной мембране. Col4a3 и Col4a4 являются непосредственными транскрипционными мишенями LMX1B (Morello et al., 2001). Т.о., регуляция ECM м.б. основной ролью LMX1B в развитии глаз.

CYP1B1


Ген Cyp1b1 (Cytochrome P450, family 1, subfamily b, polypeptide 1) кодирует энзим, который участвует в развитии iridocorneal угла. В развивающихся глазах мышей Cyp1b1 экспрессируется на наиболее высоком уровне в цилиарном теле после рождения (Bejjani et al., 2002). Cyp1b1-/- мыши в основном нормальны, но имеют фокальные аномалии iridocorneal угла (Libby et al., 2003). В затронутых областях уродства м. включать гипопластичную трабекулярную сеть, аномально локализованную базальную ламину в трабекулярной сети и iridocorneal адгезии. Рецессивные мутации в CYP1B1 ассоциируют в врожденной глаукомой у людей (Stoilov et al., 1997, Bejjani et al., 1998, Plasilova et al., 1999, Bejjani et al., 2000, Belmouden et al., 2002). Онтогенетические аномалии у некоторых детей с врожденной глаукомой напоминают те, что обнаруживаются у



Fig. 6. Multiple genes implicated in anterior segment development and glaucoma may modulate L-dopa levels. Many of the genes implicated in anterior segment dysgenesis, elevated IOP and glaucoma may affect L-dopa levels. Most can be linked to L-dopa through tyrosine hydroxlase (TH,as discussed in the text). The dark arrows represent known direct relationships. TCFAP2, PITX2 and PITX3 can all directly bind to the tyrosine hydroxylase promoter. The fainter arrows and text indicate that the represented genes affects on TH and L-dopa may not be direct. BMP4, PAX6 and LMX1B can promote either tyrosine hydroxylase expression or the number of TH expressing neural crest cells during the development of other tissues, but how they do so is not known. How L-dopa modulates angle development also is not known. It is possible that either L-dopa itself or a catecholamine metabolite(s)of L-Dopa mediates an important signaling event(s).

Cyp1b1-/- мышей (Allen et al., 1955, Maumenee 1958, Libby et al., 2003). CYP1B1 принадлежит семейству мономерных со смешанной функцией monooxygenases (Sutter et al., 1994). Экспрессия Cyp1b1 м.б. индуцирована ароматическими углеводами, действующими как лиганды для ядерного рецепторного комплекса (Denison et al., 1989, Shehin et al., 2000). Рецепторный комплекс состоит из двух basic helix-loop-helix белков, aryl hydrocarbon receptor (AHR) и aryl hydrocarbon nuclear translocator (ARNT) (Reyes et al., 1992, Dolwick et al., 1993). Предполагается, что CYP1B1 участвует в метаболизме сигнальных молекул, важных для развития глаз (Sarfarazi and Stoilov 2000). Возможно, что в отсутствие CYP1B1, ключевая сигнальная молекула не продуцируется или не активируется или напротив не деградирует или не деактивируется. Одной из возможностей является то, что CYP1B1 влияет на развитие переднего сегмента посредством механизма, участвующего в передаче сигналов ретиноевой кислоты. CYP1B1 окисляет all-trans-retinol до all-trans-retinal, это является скорость-ограничивающей ступенью в биосинтезе ретиноевой кислоты (Chen et al., 2000). Однако, точная роль CYP1B1in в развитии глаз не известна. Cyp1b1-/- мыши м. позволить решить этот вопрос.

Tyrosinase modifies anterior segment dysgenesis


Ген tyrosinase (Tyr) идентифицирован в качестве модификатора дефектов iridocorneal уогла, присутствующих у мышей Cyp1b1-/- (Libby et al., 2003). Мыши Cyp1b1-/-, которые также дефицитны по Tyr, имеют более тяжелые аномалии iridocorneal угла, чем мыши Cyp1b1-/- с функциональным Tyr. Tyr необходима для синтеза melanin, поэтому мыши Tyr-/- являются albino. Демонстрация, что Tyr участвует в развитии iridocorneal угла м. объяснить повышенный показатель ASD у людей с альбинизмом (van Dorp et al., 1984). Важно, что Tyr модифицирует также угловые фенотипы и у др. модельных мышей ASD. Albino Foxc1+/- имеют более тяжелые аномалии iridocorneal угла, чем у пигментированных Foxc1+/- мышей (Libby et al., 2003). Т.о., эффект Tyr не является специфичным для Cyp1b1 недостаточности.

Tyrosinase, tyrosine hydroxylase, dopa and ASD


TYR превращает тирозин в dihydroxyphenylalanine (L-dopa). L-dopa затрагивает выход из клеточного цикла и является предшественником онтогенетически важных catecholamines (Thomas et al., 1995, Zhou et al., 1995, Ilia and Jeffery 1999). Следовательно, TYR м. вносить вклад в развитие путём продукции L-dopa. Возможно, что недостаток Tyr усиливает аномалии iridocorneal угла благодаря нехватке L-dopa. Добавление L-dopa albino Cyp1b1-/- мышам существенно смягчает дефекты развития. Это указывает на то, что Tyr затрагивает развитие переднего сегмента посредством механизма с участием L-dopa или L-dopa метаболитов (Libby et al., 2003).
Др. гены, влияющие на передачу сигналов L-dopa, также м. участвовать в развитии переднего сегмента, включая dopamine рецепторы, гены, затрагивающие метаболизм или передачу сигналов catecholamine и гены, влияющие на уровни L-dopa. Tyrosine hydroxylase др. энзим, который превращает тирозин в L-dopa. Следовательно, tyrosine hydroxylase и гены. влияющие на уровни tyrosine hydroxylase являются прекрасными кандидатами на участие в развитии глаз.
Многие др. гены развития переднего сегмента, упомянутые в этом обзоре, м. непосредственно или косвенно влиять на уровни tyrosine hydroxylase. BMP4, PAX6 и LMX1B м. способствовать активности tyrosine hydroxylase или пролиферации клеток нервного гребня, экспрессирующих tyrosine hydroxylase (Varley and Maxwell 1996, Dellovade et al., 1998, Smidt et al., 2000, Vitalis et al., 2000). Мутации этих генов м. влиять на поставку L-dopa к соотв. развивающимся глазным структурам. Кроме того, экспрессия tyrosine hydroxylase м. регулироваться с помощью PITX2, PITX3 и TCFAP2 (Cazorla et al., 2000, Kim et al., 2001, Lebel et al., 2001). Наконец, CYP1B1 м. катализировать скорость ограничивающую ступень в биосинтезе ретиноевой кислоты. Ретиноевая кислота индуцирует Tcfap2a, который м. регулировать tyrosine hydroxylase и способствует также пролиферации субнабора клеток нервного гребня птиц, которые экспрессируют tyrosine hydroxylase (Rockwood and Maxwell 1996). Всё это открывает новые перспективы для изучения роли L-dopa в развитии переднего сегмента и глаукомы. вызываемых множественными генами. Т.к. L-dopa участвует в развитии угла и различные глазные гены потенциально влияют на L-dopa (посредством tyrosine hydroxylase), то вполне возможно, что метаболические дефекты, связанные с L-dopa, являются общей темой для ASD и глаукомы.

Common themes and developmental networks


Нормальное развитие нуждается в перекрестном общении между сетями из взаимодействующих путей, которые имеют синергичные или противоположные эффекты. Дозовая чувствительность развития переднего сегмента ко многим генам/путям, рассмотренная выше, указывает на то, что необходим деликатный баланс передач сигналов путем взаимодействующих путей для нормального развития. Др. эффект большинства из генов, рассмотренный выше это нарушения состава и количества ECM. Рассматривая онтогенетическое значение ECM и его существенную структурную и физиологическую роль в трабекулярной сети, становится очевидным, что неправильная регуляция ECM м.б. общим следствием мутаций многих генов, которые вызывают ASD и глаукому. Помимо измененной регуляции ECM мутации в самих ECM генах м. вносить вклад в ASD. Напр., Col18a1-/- мыши имеют аномалии радужки и цилиарного тела (Ylikarppa et al., 2003). Т.о., акпклача сигналов ECM является одним из важных компонентов онтогенетических сетей, которые регулируют формирование переднего сегмента.
Несмотря на гены и пути, рассмотренные выше, онтогенетические сети, которые регулируют формирование переднего сегмента, в основном не определены. Многие компоненты еще необходимо идентифицировать и пути, с помощью которых известные гены взаимодействуют, еще охарактеризованы недостаточно. Первой попыткой связать действие известных генов и путей с формированием переднего сегмента, д. явиться выяснение, как они м.б. связаны с передачей сигналов семейства TGFβ и регуляцией ECM (Рис. 5). Расширением этого является то, что передача сигналов членами семейства TGFβ взаимодействует с др. сигнальными путями, включая передачу сигналов fibroblast growth factor во время морфогенеза оптического пузырька (Ohkubo et al., 2002). Кроме того, передача сигналов Sonic hedgehog signaling м. индуцировать компетентность клеток отвечать на передачи сигналов BMP путем регуляции экспрессии SMAD (Dick et al., 1999, Murtaugh et al., 1999). Как пример того, как разные гены, участвующие в формировании переднего сегмента, м. конвергировать, влияя на передачу сигналов с помощью общих молекул и путей, мы показали известные онтогенетические гены, которые м. влиять на L-dopa или catecholamine обусловленные онтогенетические события (Рис. 6).
Как обсуждалось выше многие компоненты сложных регуляторных/сигнальных сетей, контролирующих развитие переднего сегмента, остаются неизвестными. Collection of extensive datasets of pertinent biological information in a stage and tissue specific fashion is needed (including mutant phenotypes, gene expression, protein abundance and modification). The production of mouse mutants by gene targeting and transgenic technologies, along with the many new mutants provided by mutagenesis efforts, will be a substantial help in defining network components. To reach an in depth understanding of these networks and how independent networks interact with each other, it will be essential to combine the tools of genomics, molecular biology, developmental biology, bioinformatics and computational biology. The availability of the genome sequence from various species will allow candidate identification of network members in silico and subsequent role testing in vivo. Combining tissue specific gene expression studies with computational methods can identify important configurations of cis-regulatory elements for coordinately regulated genes, (as recently reported for genes responding to similar thresholds of developmental gradients (Stathopoulos et al., 2002). Knowledge of these regulatory elements and genome sequence analysis can then be used to predict roles of other genes for subsequent testing. Continued investment in appropriate electronic and biological resources will poise the field for an unprecedented molecular understanding of anterior segment development.

Сайт создан в системе uCoz