Во время морфогенеза эпителиальных тканей клетки часто организуются в биологические трубки. Такие трубки могут служить в качестве канализационной сети, критической для функции органа и организма, поэтому их образование является фундаментальным событием при генерации разнообразных тканей во время развития многоклеточных⁶³. Напр., сосудистые трубки делают возможным снабжение O₂ и питательными веществами по всему телу, просвет пищеварительной системы позволяет абсорбировать пищу, а трубки в молочных железах делают возможным секрецию молока⁶⁴. Хотя классическая эмбриология показала, что существует огромное разнообразие механизмов образования трубок, выявляются некоторые общие темы и молекулярные регуляторы.

Making use of polarity: forming lumens. Важнейшей потребностью для биологических трубок является то, что д. быть сформирован просвет и просвет д.быть замкнут и не закупорен. Многие трубки формируются путем перестройки существующих эпителиальных слоев. Такие слои могут быть деформированы за счет evagination, invagination или сходных сворачиваний, чтобы дать трубки, которые отпочковываются⁶⁴, такие как ветвление уретрического зачатка во время развития эмбриональных почек. Вариант этого возникает, когда эпителиальный слой образует складку или заворачивается по оси, которая параллельна плоскости слоя, такого как нейроэпителий у развивающихся цыплят. За счет слияния эпителия только в специализированных контактных точках может возникать трубка с radial tissue symmetry и центральным просветом⁶³. Т.к. такие морфогенетические движения уже рассматривались в обзорах^{50, 63, 64}, мы сконцентрируемся на недавни х находках разных механизмов образования просвета за счет cavitation, hollowing и membrane repulsion. Table 1 представляет список мол. механизмов, которые участвуют в этих процессах. В этих контекстах группы слабо поляризованных клеток начинают плотно слипаться др. с др. и генерировать просветы de novo (see below; Fig. 3). Для cavitation и образования пазов (hollowing) такая слипчивость по существу является событием MET и происходит, напр., как часть конденсации метанефрической мезенхимы во время развития почек²².

Cavitation происходит, когда группа клеток пролиферирует адгезивным, но первоначально лишь слегка поляризованным способом (Fig. 3a). Избирательный апоптоз клеток, которые не находятся в контакте с ECM, и даёт эпителиальный слой, окружающий теперь пустотелый просвет. Этот процесс происходит, напр., в трехмерных моделях (3D) ацинусов молочных желез и in vivo mouse mammary end buds^{24, 65, 66}. В таких ситуациях про-апоптические факторы семейства BCL2 играют ключевую роль в апоптозе клеток просвета, хотя дополнительные механизмы, такие как аутофагия, по-видимому, вносят вклад в очищение проствета в таких тканях^{65, 66}. Комплексы PAR, Scribble и Crumbs играют важную роль в супрессии клеточной пролиферации в тканях у D. melanogaster⁶⁷, и как PAR (aPKC-PAR6), так и Scribble комплексы способствуют апоптозу просветных клеток во время образования полости⁶⁸, внося тем самым вклад в формирование поляризованного трубчатого эпителия.

Во время hollowing из быстро поляризующихся групп клеток внутриклеточные пузырьки (варьирующие в размере между системами) поставляются на клеточную поверхность в скоординированной точке между двумя тесно сопоставленными клетками, создавая пространство просвета de novo (Fig. 3b). Эти пузырьки, как полагают, содержат жидкость, которая возникает за счет эндоцитоза и содержит апикальные белки, которые предназначены для доставки в просвет. Их перемещение на клеточную поверхность приводит к генерации пространства между двумя (или более) поляризованными клетками и к сопутствующей доставке на клеточную поверхность апикальной, просветной мембраны. Окружающие клетки теперь обладают апикально-базальной полярностью и ориентированы вокруг просвета и вся ткань постепенно расширяется высоко поляризованным способом. Этот механизм наблюдается в 3D органотипических моделях почек и сосудистого развития, а также в кровеносных сосудах in vivo^{46, 69, 70} (хотя это наблюдение дискуссионно⁷¹). Молекулярное понимание этого процесса стало недавно более ясным⁴⁶ он связан с сочетанной интеграцией PtdInsP, Rho-family GTPases и PAR комплексов полярности. Передача сигналов от ECM посредством интегриновых рецепторов первоначально ориентирует апикально-базальную эпителиальную полярность в о вновь слипшихся группах клеток (see below). Обогащение PtdIns(4,5)P2 апикальной плазматической мембраны с помощью липидной фосфатазы PTEN приводит к апикальному рекрутированию малой GTPase CDC42 посредством PtdInsP-связывающего белка annexin-2. Активированный CDC42 в свою очередь соединяется с PAR6-aPKC комплексом полярности и тем самым гарантирует доставку в апикальную мембрану (Fig. 3b; Box 1). Образование каркаса этим комплексом для формирующегося просвета необходимо для эффективной генерации апикально-базальной полярности и, следовательно, для одиночного поляризованного просвета. Интересно, что когда ингибируется экзоцитоз вакуолей, то просвет в конечном итоге формируется за счет кавитации⁴⁷, это подчеркивает мощное управление эпителиальными клетками, чтобы сформировать просвет. Комплекс полярности CDC42-PAR6-aPKC, по-видимому, является мастером регулятором формирования просвета; его нарушение ведет к образованию или множественных маленьких полостей или к накоплению апоптических клеток в просвете^{46, 72, 73}. Интересно, что в 3D органотипической культуре ацинусов молочных желез активация ERBB2 онкопротеина, который способствует выживаемости клеток и заполнению просвета при раковых опухолях у людей, также приводит к фенотипу заполнения просвета за счет индукции отделения PAR3 от PAR6-aPKC комплекса⁶⁸. Качественные особенности нижестоящих эффекторов этого комплекса при формировании просвета всё-ещё неизвестны, хотя регуляция как glycogen synthase kinase-3β (GSK3β) так и микротрубочек, как недавно стало ясно, являются прекрасными кандидатами^{39, 73}. Т.о., CDC42-PAR6-aPKC комплекс, по-видимому, регулирует полярность, формирование и поддержание просвета в различных тканевых аспектах. Во время формирования сердечной трубки у D. melanogaster отталкивание мембран, по-видимому, регулирует образование просвета. Здесь два ряда из миэлоэндотелиальных клеток выстраиваются вдоль срединной линии и выпускают мембранные отростки в направлении зеркально отраженных клеток на др. стороне от срединной линии. В эпителиальных клетках это д. обычно приводить к адгезии между клетками вдоль всего бокового контакта. В этих клетках, однако, соединения появляются только в наиболее дорсальных и наиболее вентральных регионах, приводя к образованию замкнутого просвета трубки между рядами клеток (Fig. 3c). Интересно, что передача сигналов Slit-Robo, соединение лиганд-рецептор, которое управляет отталкивающей передачей сигналов в др. клеточных аспектах, происходит на месте, где в будущем будет сформирован просвет^{74, 75}, исключая cadherin комплексы из этого региона и способствуя образованию просвета между клетками. Т.к. клетки д. превращать адгезивные области между клетками в формируемые просветы во время hollowing, то важно определить играют ли отталкивающие силы или anti-adhesive молекулы (такие как gp135 (известны также как podocalyxin)⁷⁶) аналогичные роли в др. тканях. Сходным образом, хотя мушиные гомологи PAR3 локализуются на слипчивых интерфейсах в развивающихся просветах, но могут ли какие-либо PAR, Scribble или Crumbs комплексы полярности играть роль в этом механизме образования просвета, пока неясно. Tissue polarity during lumen and tubule formation. Когда сформированы рудиментраные структуры просвета, то трубки д. удлиняться и превращаться во взаимосвязанные сети. В некоторых системах, таких как легкие и протоки молочных желез млекопитающих, это достигается прежде всего за счет отпочкования новых ответвлений или веточек⁶³. Такой принцип построения может повторно использовать подобные механизмы отпочкования приводя к простому паттерну ветвления⁷⁷. Множественные раунды такого интерактивного ветвления дают обширное древо. В др. сетях, таких как развивающиеся у D. melanogaster трахеи, разные части трубчатой сети возникают первоначально не взаимосвязано, но отпочковывающиеся веточки отрастают в направлении каждой другой, сливаясь и создавая сеть анастомозов⁷⁸. Комплекс перестроек апикальной полярности и межклеточных слипаний может возникать, когда две веточки сети в конечном итоге подвергаются слиянию для поддержания целостности просвета и генерации взаимосвязанного просвета⁷⁹. В некоторых случаях просвет образуется в одиночных клетках, хотя они часто соединены с просветами между множественными клетками (Fig. 4). В воздушных путях D. melanogaster, напр., это происходит путем переключения между межклеточными (между двумя или болим числом клеток) и autocellular соединениями⁸⁰ (в одиночной клетке). Специализированные адгезивные молекулы, белки матрикса просвета и модуляция путей эндоцитического рециклинга используются для таких перестроек^80-83. Большинство, если не все, морфогенетические механизмы участвуют в изменениях клеточной полярности на одном и том же уровне, однако как полярность регулируется и ремоделируется во время морфогенеза изучено плохо. В некоторых эпителиях PAR, Scribble и Crumbs комплексы полярности специфицируют апикально-базальную полярность (Box 1). В псевдостратифицированных и многослойных эпителиях или в просветах в одиночных клетках организация ткани, таких как локализация межклеточных соединений и биогенез апикальных мембран, более сложны и как контролируется полярность в таких ситуациях остается неясным. Напр., отпочкование тубулярного древа молочных желез, как недавно было показано, использует промежуточную ступень, в результате которой зачатки заполнены многими слоями клеток⁸⁴; поляризация клеток множественных слоев отличается от и менее понятна, чем таковая в простом (монослойном) эпителии. Когда MDCK кисты обрабатывают HGF чтобы сформировать трубочки. то клетки подвергаются pEMT, проходя временно через промежуточную стадию цепочек и тяжей клеток, которые обладают некоторыми свойствами мигрирующих мезенхимных клеток, прежде чем вернуться к окончательной эпителиальной полярности^{25, 26}. Такие chains и cords можно также видеть как небольшие регионы многослойных клеток, в чем-то аналогичных выглядящими мультислойными зачаткам молочных желез. Потребность в полярности различных регионов ткани , следовательно, меняется в ходе морфогенеза; клетки могут переключаться, даже временно, между поляризованными состояниями. Getting it just right: lumen length and diameter. Однажды сформировавшийся просвет, как он расширяется. чтобы достичь физиологического диаметра? Некоторые болезни обусловливаются тем, что при них трубочки или слишком широкие⁸⁵ (напр., polycystic kidney disease (PKD)) или слишком узкие⁸⁰ (напр., vascular stenoses)⁸⁶. В кавитационной модели образования просвета пролиферация всей ткани в необходимых измерениях сопровождается регулируемой клеточной гибелью внутренних клеток, это позволяет возникнуть просвету соотв. диаметра^{24, 65}. В др. обстоятельствах, таких, когда просвет формируется за счет hollowing, т.е. заворачивания или складкообразования слоя, существую различные механизмы расширения просвета. В эмбриональной кишке рыбок данио множественные небольшие просветы ремоделируются в одиночную трубку с помощью процесса, который зависит от накопления жидкости в просвете, регулируемого определенными насосами (Na⁺/K⁺-ATPase) и модулируемого с помощью проницаемости TJs ионами (claudin-15)⁸⁷. Сходная регуляция экспансии просвета также наблюдается в MDCK кистах и в тироидных 3D культурах, в которых используется секреция ионов хлора для определения диаметра просвета^{87, 88}. Так. ингибирование CFTR хлорных каналов ингибирует избыточное расширение просвета как в MDCK кистах, так и в мышиных моделях PKD, подтверждая, что транспорт хлора может быть ключевым регулятором размера просвета⁸⁹. Более того, скоординированная регуляция Na⁺/K⁺-ATPase и septate junctions (эквивалент TJsу беспозвоночных) также, по-видимому, является ключом для соотв. экспансии просвета в трахеях D. melanogaster^{90, 91}. Интересно. что эта функция Na⁺/K⁺-ATPase, по-видимому, не зависит от активности насосов⁹⁰, это указывает на то, что имеются определенные отличия в способе действия между видами или тканями. Возникают ли множественные небольшие просветы как облигаторные предшественники одиночного просвета и управляет ли накапливающаяся жидкость экспансией размера в др. биологических трубках, остается неизвестным. По крайней мере два дополнительных процесса отвечают за изменения в диаметре просвета трахейных трубок и слюнных желез D. melanogaster (Fig. 4a). Первоначально апикальная поверхность клеток противоположных сторон трахейных трубок находятся в тесной близи и просвет узок. Быстрый взрывной мембранный трафик на апикальную поверхность и секреция в просвет происходят одновременно с расширением просвета^{92, 93}. В трахеях то соответствует увеличению диаметра просвета, но не длине (которая, по-видимому, контролируется др. механизмами), тогда как в слюнных железах увеличиваются и диаметр просвета и длина⁹². Приблизительно в то же самое время собирается в трахеях ECM внутри просвета. Синтез и последующая модификация хитиновых фибрилл, как полагают, и создают форму, по которой могут моделироваться точные измерения трубок (rev. Ref. 94). Взрыв экзоцитического трафика приблизительно в это время контролирует некоторые хитин-регулирующие энзимы и тем самым, по-видимому, контролирует некий механизм расширения просвета. Затем, в случае трахей ещё до поступления воздуха в просвет, просвет быстро очищается за счет эндоцитоза на апикальной поверхности клеток трахей⁹³. Нарушения экзоцитоза или эндоцитоза, контролирующих процесс расширения и очистки просвета, показывают, что существует интегрирующая роль мембранного трафика в модулировании морфогенеза просвета. Остается неизвестным, является ли трафик хитин-модифицирующих энзимов ил дополнительных предназначенных для просвета грузов наиболее важным участником экспансии просвета. Однако эти исследования открывают возможность, что эпителиальные клетки трубок скорее, чем реакция на предсуществующий апикальный ECM, могут временно генерировать свой собственный апикальный матрикс, который может действовать как регулятор расширения просвета.

У позвоночных отсутствуют гомологи хитина, поэтому неясно в какой степени эти принципы приложимы к системе трубок у млекопитающих. Вместо этого, наблюдается секреция др. ECM молекул, таких как proteoglycans, в просвет, возможно это выполняет аналогичную роль^{82, 83, 95} (Fig. 4b). Потенциальное участие апикального матрикса в формировании и расширении просвета остается привлекательной концепцией. Сходным образом пути мембранного трафика на апикальную поверхность скорее всего играют ключевую роль в формировании просвета и тканевой полярности.