Нервный гребень позвоночных характеризуется высокой степенью мультипотентности и способностью к миграции. Эти клетки возникают на границе между нейральной и не-нейральной эктодермой, когда закрывается нервная трубка, чтобы сформировать ЦНС. Первоначально располагающиеся внутри дорсальной части нервной трубки в виде относительно гомогенной популяции предшественников, клетки нервного гребня, как полагают, представляют собой стволовые клетки. Постепенно они отделяются от эпителия нервной трубки в виде отдельных клеток и мигрируют экстенсивно по всему телу, пролиферируя в то же самое время. Наконец, они дифференцируются во множество различных типов клеток под влиянием ростовых факторов, дифференциально экспрессирующихся вдоль их миграторных путей и/или в местах их предназначения. Производные нервного гребня включают хрящи и кости лица, глию, меланоциты, гладкие мышцы, дермис и соединительную ткань, а также сенсорные, симпатические и энтерические нейроны.

Дефекты развития нервного гребня охарактеризованы с помощью мутаций в компонентах различных сигнальных путей, которые контролируют нервный гребень, они вызывают различные нарушения и синдромы у людей. Сравнительное изучение сигнальных путей, используемых во время развития нервного гребня, у ряда модельных позвоночных предоставили информацию о таких нарушениях. Эти сигналы используются во время индукции миграции и дифференцировки нервного гребня, а некоторые ключевые молекулы подвергаются рециклингу в отдельных временных фазах развития (Figure 1). Это означает, что некоторые сигналы могут вызывать очень разнообразные клеточне реакции в пре-миграторном, миграторном и пост-миграторном нервном гребне. Основные пути, использут три семейства сигнальных молекул: transforming growth factor (TGFβ), fibroblast growth factors (FGFs) и Wnts. Коротко рассмотрим известные роли членов этих семейств у эмбрионов Xenopus, рыбок данио, птиц и мышей, отмечая некоторые нарушения нервного гребня у людей. Такие нарушения включают различные скелетные дисморфологичные синдромы у людей (Apert syndrome и Beare-Stevenson cutis gyrata syndrome), заболевания нервной системы (neurofibromatosis и Hirschsprung's disease) и пигментные нарушения (Waardenburg syndrome).

Прекрасным примером сравнительного подхода к пониманию нарушений нервного гребня у людей является статья данного номера Journal of Biology, в которой Ittner и др. [1] описывают новые исследования нарушений развития глаз у мышей, связанных с Axenfeld-Rieger's синдромом у людей. Авт. провели элегантное исследование функции передачи сигналов TGFβ в регуляции глазной части нервного гребня, которая является критической для собственно развития глаз. Впервые они вычленили нормальный вклад клеток нервного гребня ы глазную область, используя Wnt1-Cre-обусловленную рекомбинацию, чтобы маркировать клетки нервного грбеня с помощью β-galactosidase; они выявили вклады нервного гребня в оптический бокал, хрусталики, периокулярную мезенхиму, первичное сеткловидное тело и строму и эндотелий роговицы, но не выявили клеток, вносящих вклад в эпителий, хрусталик или сетчатку. Эффекты нарушения передачи сигналов TGFβ на развитие глаз были затем оценены с помощью рекомбинации delete exon 4 bp Tgfβ receptor 2 (Tgfβr2) гена. Возникающие в результате мыши имели глазные дефекты очень сходные с теми, что обнаружены у пациентов, несущих мутации в генах для транскрипционных факторах Pitx2 и FoxC1 , приводящих к Axenfeld-Rieger's anomaly [2]. Эти мутантные мыши обладали маленькими глазками, которые были лишены эндотелиального слоя и цилиарных тел. Более того, мезенхима накапливалась между хрусталиком и сетчаткой, стекловидно тело гипертрофировано, а паттерн сетчатки нарушен. Интересно, что клетки нервного гребня, по-видимому, мигрируют в соотв. места у мутантов, указывая тем самым, что дефекты являются результатом нарушений дифференцировки скорее, чем миграции клеток. Экспрессия Pitx2 и FoxC1 отсутствует у мутантов, что согласуется с регуляцией этих генов с помощью передачи сигналов TGFβ, что было подтверждено экспериментами с культивируемыми клетками в культурах глаз ex vivo. Исследования Ittner et al. [1] т.о., показали, что передача сигналов TGF существенна для собственно дифференцировки клеток нервного гребня в глазные структуры и что потеря передачи сигналов TGF у мышей воспроизводит Axenfeld-Rieger's синдром людей.

Интерсно, что передачи сигналов TGFβ затрагивают и др. аспекты черепно-лицевого развития. Роль Tgfβr2 в формировании нёба и свода черепа у мышей была продемонстрирована ранее Ito et al. [3]. Используя сходные с Ittner et al. [1] методы, потомки клеток краниального нервного гребня маркировали с помощью β-galactosidase, чтобы исследовать их вклад в мезенхиму нёба. Условные мутации Tgfβr2 в краниальном нервном гребне вызывали расщепление вторичного нёба, отсутствие образования calvaria (свода черепа) и др. дефекты черепа. Хотя миграция клеток краниального нервного гребня происходила нормально, изучение включения bromodeoxyuridine выявило снижение скорости пролиферации краниального нервного гребня и снижение уровня cyclin D в мутантной мезенхиме нёба, подтвержая тем самым роль передачи сигналов TGFβ в контроле скорости клеточных делений в краниальном нервном гребне. Кроме того, производное нервного гребня dura mater, которая выстилает череп изнутри, аномальна, обусловливая отсутствие индукции теменной кости и аномальное развитие calvaria. Эффект на череп был драматическим: выявлялось 25% уменьшение размера с дефектами mandible и maxilla (нижней и верхней челюсти, соотв.).

Т.о., передача сигналов TGFβ играет важную роль в нескольких аспектах черепно-лицевого развития. Члены сверхсемейства TGFβ, наиболее заметные bone morphogenetic proteins (BMPs), участвуют в др. аспектах развития нервного гребня, в пределах от его инициальной индукции до последующей дифференцировки [4-6]. Было предположено, напр., что активность BMP очерчивает границу нервной пластинки и позицию нервного гребня. У Xenopus и рыбок данио, градиент BMP присутствует в эктодерме (из которой происходит нервная пластинка), с наивысшим уровнем BMP, способствующим предопределению судьбы эктодермы и с низким уровнем BMP, способствующим предопределению нейральной судьбы. Промежуточные уровни активности BMP, как предполагается, специфицируют границ нервной пластинки и нервный гребень. Подтверждение этой гипотезы получено на мутантах рыбок данио с дефектами в генах, кодирующих компоненты пути BMP: swirl (мышиный эквивалент bmp2b), snailhouse (bmp7), и somitabun (smad5) [7,8]. Мутации в swirl вызывают потерю передачи сигналов BMP и уменьшают количество предшественников нервного гребня; snailhouse или somitabun мутантны уменьшают активность ВМР до средних или низких уровней, соотв. (соответствующих промежуточным уровням нормального градиента BMP) и обнаруживают экспансию домена нервного гребня [8]. Сходным образом инъекции антагонистов BMP4 эмбрионам Xenopus ведут к увеличению домена нервного гребня, тогда как избыточная экспрессия BMP вызывает уменьшение гребня [9]. Очевидно, что BMPs влияют на положение и размер домена скорее, чем вызывают индукцию.

Вовлечение BMP в развитие нервного гребня у птиц отличается в некоторых отношениях от рыбок данио и лягушек. У птиц добавление BMP к эксплантам промежуточной области открытой нервной пластинки (ткань между вентральной и дорсальной порцией) вызывает образование нервного гребня [10], хотя это действие BMP может быть вторичным по отношению к сигналам Wnt [11], т.к. BMP4 не экспрессируется в ранней эктодерме in vivo в соотв. время, чтобы инициировать экспрессию генов, специфичных для нервной ткани. Скорее он экспрессируется позднее в нервных складках и нервной трубке, где он может действовать, чтобы поддерживать экспрессию генов во время программы развития нервного гребня [10-13]. Важными установленным действием BMPs у птиц является обеспечение эпителиально-мезенхимного перехода, который позволяет клеткам нервного гребня вычленяться из нервной трубки. Burstyn-Cohen et al. [14] показали, что выделение нервного гребня происходит на специфической точке клеточного цикла и что Wnt действует иерархически ниже BMP, чтобы обеспечить вычленение во время G1/S перехода. В дополнение к предопределению границы нервного гребня и обеспечение вычленения его BMPs позднее влияет на дифференцировку клеток нервного гребня. Будучи добавленными к клональной культуре нервного гребня BMPs склоняют мультипотентные предшественники к дифференцировке в симпатические в симпатические нейроны, тогда как др. ростовые факторы, такие как neuregulin, склоняют сестринские клетки в направлении глиальной дифференцировки [15].

Путь передачи сигналов Wnt используется reiteratively на всех стадиях развития нервного грбеня от индукции [11], через вычленение и пролиферацию [14] к окончательной дифференцировке [16] (rev. [17]), с клетками нервного гребня, отвечающими дифференциально на сигналы Wnt в зависимости от их стадии развития. У Xenopus, добавление Wnts к neuralized анимальной шапочке активирует маркеры нервного гребня, подтверждая участие Wnts в ранней индукции нервного гребня [18]. У эмбрионов кур Wnt6 экспрессируется в не-нейральной эктодерме, соседствующей с возвышающимися нервными складками, а блокирование канонического Wnt-β-catenin сигнального пути предупреждает образование нервного гребня. Напротив добавление растворимого Wnt к промежуточным регионам нервной пластинки способствует индукции de novo нервного грбеня, указывая, что Wnt сигналы необходимы и достаточны для формирования нервного грбеня [11]. Однако, Wnts скорее всего являются частью многоступенчатого процесса индукции [9].

Помимо своей роли в индукции передача сигналов Wnt может также контролировать решения относительно судьбы нервного гребня. Используя cre/loxP систему для генерации мышей, экспрессирующих постоянно активный β-catenin в клетках нервного грбеня, Lee et al. [19] продемонстрировали, что каноническая передача сигналов Wnt регулирует спецификацию судьбы сенсорных клеток. Эти мутантные мыши обнаруживают сильно редуцированные количества клеток нервного гребня, заполняющих клоны, иные, чем сенсорные клоны - а именно, кардиальный тракт оттока, клон меланоцитов, периферические нервы и голову. Одновременно Lee et al. [19] нашли, что активированный β-catenin заставляет клетки нервного гребня приобретать судьбу сенсорных нейронов (как это показано с помощью эктопической экспрессии ngn2, ngn1 и neuroD) за счёт симпатических нейронов (что демонстрируется потерей mash1 и ehand). Напротив, сенсорные нейроны не способны формироваться в культурах стволовых клеток нервного гребня, дефицитных по β-catenin, подтверждая, что в самом деле канонический Wnt путь (в противоположность не канонической передаче сигналов Wnt) важен для предопределения сенсорной судьбы.

Передача сигналов Wnt также важна для пролиферации клеток нервного гребня и их предшественников. Потеря и Wnt1 и Wnt3a у мышей ведет к редукции производных нервного гребня на голове, включая нейроны trigeminal, vagal или glossopharyngeal нервов, а также альтерации скелета головы [20]. Шейные ганглии дорсальных корешков также редуцируются в размерах до 60%. Всё это указывает на то, что Wnts важны в качестве митогенов или факторов выживания, которые облегчают экспансию нервного гребня. Сигналы Wnt используются также и на поздних стадиях для поддержи дифференцировки различных клонов нервного гребня. У рыбок данио передача сигналов Wnt необходима и достаточна для формирования пигментных клеток (melanophores и xanthophores образующих полоски у рыбок данио); предшественниками их являются клетки медиальной части нервного гребня, которые первоначально располагаются в дорсальном нервном киле (структуре, которая развивается из необразованного в складки нейрального эпителия и в конечном счете формирует neural rod), по соседству с клетками, продуцирующими Wnt1 и Wnt3a сигналы [16]. Избыточная экспрессия активированного β-catenin в индивидуальных клетках нервного гребня заставляет их принимать пигментную судьбу, тогда как избыточная экспрессия ингибиторов Wnt дает в результате клетки, становящиеся нейронами и глией. У рыбок данио ген nacre обеспечивает прямую связь между передачей сигналов Wnt и образованием пигментных клеток. Этот гомолог гена позвоночных MITF кодирует транскрипционный фактор, непосредственно активируемый как результат передачи сигналов Wnt, который регулирует экспрессию пигментных генов, таких как TRP-1 [21]. Важность nacre демонстрируется тем, что его избыточная экспрессия в не-пигментных клетках управляет ими в направлении фенотипа пигментных клеток, тогда как его потеря устраняет дифференцировку пигментных клеток.

Вместе с TGFβ и Wnts, собственно передача сигналов FGF является критической для развития структур, производящих из нервного гребня, в частности лицевых скелетных и хрящевых элементов. Чтобы исследовать этот аспект развития гребня, Petiot et al. [22] вводили дикого типа или мутантную конструкцию (постоянно активный) FGF receptor (FGFR) в нервную трубку эмбрионов перепела на стадии до миграции гребня, используя технику in ovo электропортации. Мезэнцефалическая часть нервного гребня, которая дает лицевые структуры, затем вырезалась и культивировалась в отсутствие FGF2. В этих условиях формирование хряща (chondrogenesis) происходил в нервном гребне, который получал мутантную конструкцию FGFR, но не в нервном гребне, получившем конструкцию дикого типа, указывая тем самым, что передача сигналов FGF необходима для хондрогенеза. Этот эффект обнаруживается также в культуре клеток краниальной части нервного гребня, изолированных после начала миграции, которые были подвергнуты электропортации той же самой конструкцией [22].

Консервация этой роли передачи сигналов FGF подтверждена в различных экспериментах на рыбках данио. Напр., Walshe and Mason [23] установили, что рыбки, обработанные FGFR ингибитором SU5402 спустя 24 ч после начала миграции клеток нервного гребня, теряют почти все хрящи, представляющие фарингеальный скелет и neurocranium. FGF3, обычно экспрессируется в эмбриональных энтодермальных карманах и фаринггеальной эктодерме, и его нокдаун с использованием антисмысловиых morpholino олигонуклеотидов затрагивает развитие хряща дозово-зависимым способом. В присутствии morpholino, хрящевые производные первой, второй и седьмой фарингеальных дуг постоянно обнаруживают дефекты, тогда как хрящи, производные 3-6 дуг или отсутствовали или были чрезвычайно аномальными. Morpholinos против Fgf3 и Fgf8, оба из которых экспрессируются в энтодерме, соседствующей с задним мозгом, дают в результате почти полную потерю хряща. Эти результаты вместе с теми, что получены Petiot et al. [22] и др. исследователи[24], указывают на важность передачи сигналов FGF в развитии хрящей головы. Это имеет отношение и к человеку, т.к. миссенс мутации FGFR генов дают в результате несколько синдромов скелетных дисморфологий у людей [25,26].

The processes of induction, delamination, migration and differentiation of the neural crest all rely on the recycled deployment of and responses to signaling molecules such as Wnts, TGFβs/BMPs, and FGFs. Comparing the involvement of these signaling pathways in different model organisms provides researchers with a means of understanding the conserved mechanisms that regulate this multipotent cell population. This, in turn, provides insight into the molecular basis of various human disorders and syndromes that arise during aberrant neural crest development.