Тщательно разработанное ветвление повсеместно в природе. От речных стоков до нефтеносных районов, от дендритов до кровеносных сосудов, ветвление соединяет крупное с малым. Легкие также также характеризуются воспроизводимой системой ветвления, позволяющей транспортировку газов из воздуха к глубоким тканям животных. Без них - или без более упрощенных ветвящихся протоков, обнаруживаемых у более простых организмов - транспорт кислорода с помощью диффузии оказался ограниченным в ходе эволюции наземных животных до менее чем одного миллиметра. Metzger et al.,¹ предоставили удивительную и достаточно простую картину, которая объясняет упорядоченное развитие более чем миллиона веточек в легких млекопитающих.

У млекопитающих воздух посупает через носовую и ротовую полости, проходит через гортань и трахеи, прежде чем достигнет легких.Трахея подразделяется на на два легочных бронха, которые внутри легких, ветвятся далее на вторичные и четвертичные бронхи и . наконец, на бронхиолы. Чтобы исследовать последовательность событий, ведущих к этой сложной, высоко воспроизводимой сети ветвей авт. изучали раннее бронхиальное древо в трех измерениях путем проверки химически фиксированных легочных тканей эмбрионов мыши сс помощью микроскопии.

Авт. выявили в ветвлениях бронхов ниже первичного ветвления 3 геометричесеские моды, которые они назвали доменом ветвления, планарной бифуркацией и ортогональной бифуркацией. При ветвлении домена дочерние веточки формируются в виде рядов вдоль родительской ветви, подобно щетинкам на ёршике. Этот способ ветвления формирует главные вторичные веточки. Затем, используется планарная бмфуркация для формирования четвертичных и более поздних веточек; этот способ характеризуется расщеплением кончика веточки на две. Наконец. ортогональная бифуркация использует два раунда ветвления. Оба раунда используют планарную бифуркацию, но между двумя раундами происходит 90^o ротация плоскости бифуркации, приводя к образованию веточек в виде розетки (Рис. 2f на стр. 746).Этот простой способ ветвления используется iteratively, чтобы дать лабиритную сеть, которая и составляет бронхиальное дерево.

Воспроизводимая природа способов ветвления вместе с их иерархическим контролем и с тем фактом, что они связаны, указывает на то, что генетический 'hard-wiring' для ветвлений бронхов д. быть действительно довольно простым.Поэтому определение того, как геном кодирует раннее развитие легких может быть вполне трактуемым. Это также дает надежду, на то. что однажды регенерация или искусственное восстановление поврежденной легочной ткани станет возможной.

Как же эти три способа ветвления регулируются. Авт. приходят к заключению, что как только устанавливается лево-правосторонняя латеральность легких, ветвление воздушных путей управляется с помощью 'master' генератора ветвления, с тремя 'slaves' (рабами) в форме стандартных подпрограмм (серии дискретных паттерн-формирующих событий). Из них одна субпрограмма, по-видимому, инструктирует генератор периодичности, в какое время появятся последующие веточки; друга детерминирует ротационную ориентацию браншей вокруг оси родительского воздушного хода; а третья обеспечивает бифуркацию (Рис. 1).

Авт. идентифицировали белок, наз. Sprouty2 в качестве компонента кандидата на роль подпрограммы periodicity-clock у мышей. Sprouty2 назван после избыточного ветвения трахей, наблюдаемого у мутантных мух, лишенных этого гена. У мух ветвление воздушных трахей инициируется и контролируется геном branchless, ближайшего эквивалента млекопитающих, гена, кодирующего сигнальный белок FGF10. Рецептор для белокового продукта branchless - Breathless, чьим аналогом у млекопитающих являются FGF рецепторы. Sprouty2 эволюционно законсервирован, это индуцибельный нижестоящий ингибитор передачи сигналов FGF-рецептор от мух до мышей.

Ген Fgf10 экспрессируется в мезенхимных тканях, которые подлежат под слоем эпителиальных клеток, выстилающих возникающий кончик веточки. FGF рецептор FGFR2 экспрессируется по всему эпителию, а Sprouty2 экспрессируется локально на кончиках веточек². Мутации в генах Fgf10 или Fgfr2b? которые предупреждают их экспрессию, полностью устраняют легочное ветвление, а пониженная экспрессия FGF10 или усиленная экспрессия Sprouty2 продуцирует маленькие плохо разветвленные легкие. Т.о., у vs[ и мышей, возможно и у людей, Sprouty2 обеспечивает тонкую регуляцию передачи сигналов FGF в соотв. время, в соотв. месте и в дозе, способной индуцировать и контролировать упорядоченное ветвление воздушных путей.

Наблюдения авт. позволяют предположить, что баланс между экспрессией FGF, активацией FGF-рецептора и обуловленной Sprouty2 ингибированием передачи сигналов FGF возможно является центральным компонентом не только master генератора ветввления, но и также подпрограмм periodicity-clock. Periodicity clock может ускоряться при увеличении внутреннего давления в культивируемой эмбриональной легочной ткани мышей³. Этот эффект избыточной функции, который использует достоверное увеличение скорости вытягивания веточек, уменьшение длины между веточками и сдвиг от бифуркации к трифуркации кончика веточки, обеспечивается путем, нуждающимся в FGF10,FGFR2b и Sprouty2^3-6. Т.о., связь между физикой и биологией в процессах развития безусловно важна.

Др. критические игроки, участвующие в влегочных ветвлениях, включают длинный список генов транскрипционных факторов, таких как Nkx2.1; основные сигнальные пути, включая те, что обеспечиваются с помощью ретиноидов, BMP, Hedgehog и Wnt; и важные компоненты внеклеточного матрикса, особенно ашикщтусешт и laminin^6,7. Все эти белковые факторы экспрессируются в соотв. время и в соотв. месте и функционируют в или вокруг кончиков воздушных веточек. Столь же важной для структурного воспроизведения является супрессия ветвления в областях удаленных от кончиков. Сигнальный белок Sonic hedgehog обеспечивает это посредством негативной регуляции экспрессии FGF10 проксимальнее кончиков, супрессируя ветвление в несоответствующем месте.

Гены, связанные с большинством если не со всеми генами. кодирующими морфогенетические факторы, как полагают, присутствуют даже у Urbilateria, общеого родоначальника плоских червей планарий⁸. Возможно, что условия относительного уменьшения кислорода оказали сильное эволюционное давление на предсуществующие группы таких генов, чтобы отобрать только необходимые для формирорвания трубок и транспорта газа. В подтверждение этой идеи передача сигналов FGF у мух регулируется уровнями кислорода, так что сигналом ветвления терминальных трахей является нужда локальной ткани в кислороде⁹ У мышей и возможно у людей сигнальные пути, обеспечиваемые молекулами, такими как hypoxia-inducible factor и vascular endothelial growth factor, также играют критическую роль в развитии вместе с FGF-АПАК-Sprouty2 путем. Вместе, эти пути обеспечивают капиллярную сеть для эпителиального слоя в веточках ранних легких, процесс, который является критическим для обеспечения способности к диффузии газов органа¹⁰.

Является ли master branch generator, контролирующий выбор немногих подчиненных субпрограмм, общей онтогенетической стратегией, которая повторно использовалась в ходе эволюции, в др. разветвленных органах, остаётся интригующей возможностью.