Посещений:
РАЗВИТИЕ ПЕРЕДНЕГО СЕГМЕНТА ГЛАЗА

Взаимодействие Сигнальных Путей

Signaling “cross-talk” is integrated by transcription factors in the development of the anterior segment in the eye
Philip J. Gage, Amanda L. Zacharias
Developmental Dynamics. Volume 238, Issue 9, pages 2149–2162, September 2009

Extracellular signaling “cross-talk” between tissues is an important requirement for development of many organs yet the underlying mechanisms generally remain poorly understood. The anterior segment of the eye, which is constructed from four embryonic lineages, provides a unique opportunity to genetically dissect developmental processes such as signaling “cross-talk” without fear of inducing lethality. In the current review, we summarize recent data showing that PITX2, a homeodomain transcription factor, integrates retinoic acid and canonical Wnt/β-catenin signaling during anterior segment development. Because the requirements for retinoic acid signaling, canonical Wnt/β-catenin signaling, and PITX2 are not unique to the eye, this newly identified pathway may have relevance elsewhere during development and in tissue homeostasis. Developmental Dynamics 238:2149–2162, 2009. © 2009 Wiley-Liss, Inc.
В 1901, Hans Spemann сообщил, что оптический бокал обладает способностью вызывать образование хрусталика в лежащей поверх эктодерме головы, это первая ступень развития переднего глазного сегмента (Spemann,1901). Spemann обозначил это свойство "induction" и возможно открыл современную эру экспериментальной биологии развития. Спустя более чем 100 лет передний сегмент глаз остается важной моделью для изучения базовых механизмов развития. Как и в случае др. органов, зрелый передний сегмент возникает из множественных эмбриональных зачатков. Обширные индуктивные взаимодействия и сигнальные "перекрёстные влияния" между и внутри разных примордиев необходимы для корректного формирования паттерна и спецификации клеток, которые нуждаются в клетках для интеграции множественных сигнальных воздействий.
Все основные сигнальные пути сопричастны к различным аспектам развития в переднем сегменте и многие транскрипционные факторы важны для этого процесса также. Однако лишь недавно осуществлена идентификация инициальных связующих путей, которые интегрируют передачу клеточных сигналов между тканями с транскрипционными сетями, возникающими из этих множественных факторов. Работы нескольких лаб. предоставили доказательства связи передачи сигналов ретиноевой кислоты от оптического бокала, гомеодоменовому транскрипционному фактору PITX2 внутри нервного гребня и канонической передаче сигналов Wnt/β-catenin в глазной поверхностной эктодерме. Pitx2 является критическим узлом интеграции, который связывает два сигнальных пути. Эта сеть необходима во время раннего развития глаз, чтобы установить базовую структуру генерального формирования паттерна и инициальную дифференцировку, от которой зависит будущий морфогенез переднего сегмента. Какие дополнительные сигнальные пути транскрипционные факторы могут вносить вклад ещё предстоит определить.

OVERVIEW OF ANTERIOR SEGMENT MORPHOGENESIS


Основные структуры/ткани зрелого переднего сегмента включают хрустали, цилиарное тело, радужку, роговицу, limbus, конъюнктиву глазного яблока и веки, которые представлены пальпебральным эпидермисом, пальпебральной конъюнктивой и мезенхимой век (Fig. 1A). 4 эмбриональные ткани вносят вклад в виде клеточных строительных блоков для структур переднего сегмента: нейральная эктодерма, поверхностная эктодерма, нервный гребень и мезодермальная мезенхима (Fig. 1B). Каждый из этих зачатков в конечном итоге вносит вклад во множественные клоны зрелого переднего сегмента (Fig. 1B). Кроме того, большинство структур зрелого переднего сегмента являются синтезом эктодермы и мезенхимы. Напр., в роговице эпителий происходит из поверхностной эктодермы, тогда как строма и эндотелий роговицы происходят из мезенхимы (Fig. 1A,B) (Gage et al.,2005). Это фундаментально отлично, напр., от развития сетчатки, где все дифференцированные нейроны и Мюллерова глия дифференцируются из одного, общего пула предшественников нейральной эктодермы. Работы с многими модельными системами внесли вклад в наше понимание развития глаз позвоночных, включая передний сегмент (Jacobson and Sater,1988; Furukawa et al.,1999; Beebe and Coats,2000; Fuhrmann et al.,2000). Поскольку существуют некоторые межвидовые отличия, то мыши были использованы как ориентир для суммирования соотв. стадий развития глаз и морфогенеза переднего сегмента.

Figure 1. Identities and embryonic origins of major anterior segment tissues. A: Adult eye with annotation of the major structures and tissue of the anterior segment. B: Adult eye illustrating embryonic origins of major tissues from ocular surface ectoderm (blue), periocular mesenchyme (neural crest and mesoderm, red/orange), and neural ectoderm (green). A, iridocorneal angle; BC, bulbar conjunctiva; CB, ciliary body; CE, corneal epithelium; CEn, corneal endothelium; CS, corneal stroma; E, eyelid; EL, eyelash cilium; I, iris; L, lens; OSE, ocular surface ectoderm; PC, palpebral conjunctiva; PE, palpebral epidermis; POM, periocular mesenchyme (both neural crest and mesoderm); SC, Schlemm's canal; TM, trabecular meshwork.

Несколько ступеней развития глаз предшествуют и необходимы для инициации нормлаьного морфогенеза переднего сегмента. Самыми ранними молекулярными доказательствами глазного примордия является активация сети генов транскрипционных факторов, маркирующих сначала одиночное, а в последствии два "глазных поля" в передней нейральной эктодерме (Chow and Lang,2001). Оптические ямки представляют собой первые морфологические доказательства развития глаз, образуются как локальные утолщения нейральной эктодермы на внутренней поверхности передних нервных складок в позициях, первоначально маркированных с помощью длвух глазных полей (Pei and Rhodin,1970; Kaufman,1992). На embryonic day 9 (e9), оптические ямки становятся глубже, чтобы сформировать оптические пузырьки, выросты нейральной эктодермы на каждой из сторон диэнцефалона (Fig. 2A) (Pei and Rhodin,1970; Kaufman,1992). Оптические пузырьки продолжают расширяться латерально до тех пор пока не встретятся с глазной поверхностной эктодермой (Fig. 2A).
Ocular surface ectoderm (OSE) является мультипотентным участком головной поверхностной эктодермы, которая, соответственно структуирована, то предназначена давать хрусталик, все эпителии глазной поверхности (роговицу, limbus, конъюнктиву), компоненты, производные эктодермы из слезных и Harderian (у мышей) желез и эпидермис век (Figs. 1, 2A) (Ashery-Padan et al.,2000). Развитие переднего сегмента начинается, когда дистальная часть оптического пузырька приходит в прямой физический контакт с покрывающей OSE на ст. e9.5 у мыши, индуцируя хрусталиковую плакоду в OSE (Fig. 2A) (Pei and Rhodin,1970; Kaufman,1992). Следовательно, оптический пузырек действует рано в развитии переднего сегмента в качестве организующего центра, который необходим и достаточен для спецификации внутри OSE зачатка хрусталика. Хрусталиковая плакода инвагинирует в направлении срединной линии головы, формируя хрусталиковую ямку (Fig. 2B), которая затем отделяется от OSE, чтобы сформировать хрусталиковый пузырек (e10.5), предшественник зрелого хрусталика (Fig. 2C) (Pei and Rhodin,1970; Kaufman,1992). Молекулярный каскад, ведущий к развитию хрусталика известен в деталях и суммирован Chow and Lang,2001; Lang,2004. Одновременно с образованием хрусталикового пузырька оптический пузырек превращается в глазной бокал, внутренний слой которого формирует сетчатку, тогда как наружный слой д. сформировать пигментный эпителий сетчатки (Fig. 2B). Эпителий цилиарного тела и радужка, две важные структуры переднего сегмента, д. в конечном итоге возникнуть из переднего края оптического бокала.


Figure 2. Morphogenesis of the anterior segment. The anterior segment develops from ocular surface ectoderm (blue), neural ectoderm (green), and neural crest and mesoderm mesenchyme (orange). A: Anterior segment morphogenesis is initiated when direct interaction of the distal optic vesicle induces formation of the lens placode within the overlying ocular surface ectoderm. B: The lens placode forms by invagination of the lens pit while the optic vesicle is concurrently converted in the optic cup. The inner layer of optic cup will form the retina, the outer layer will form the retinal pigmented epithelium, and the anterior rim of the optic cup will contribute the epithelial components of the ciliary body and iris. C: Loosely arranged mesenchyme migrates between the newly formed optic vesicle and anterior optic cup and the overlying presumptive cornea. Eyelid folds emerge as the first morphological evidence of eyelid development. D-F: Compaction of corneal stroma and eyelid growth continues. Extension of periderm from eyelid margins eventually results in eyelid fusion. C, cornea; E, eyelid; EF, eyelid folds; L, lens; LP, lens placode; LV, lens vesicle; M, mesoderm; OSE, ocular surface ectoderm; OV, optic vesicle; P, periderm; Pit, lens pit; R, retina; PRE, retinal pigmented epithelium.

Lyb после формирования хрусталиково пузырька (e10-13.5) критически важны для развития переднего сегмента, поскольку закладываются генеральная схема формирования паттерна и ступени инициальной дифференцировки, от которых зависят будущие роговица, limbus, конъюктива и веки. Этот период характеризуется изменениями в морфологии и генной экспрессии и совпадает со временем, при котором впервые оказывается необходимой недавно идентифицированная RA/PITX2/Wnt регуляторная сеть. В начале этой фазы (e10), стартует морфогенез роговицы и др. центральных тканей переднего сегмента с миграцией крупной мезенхимы нервного гребня в пространство между вновь сформированным хрусталиковым пузырьком и OSE (Fig. 2C) (Pei and Rhodin,1970; Kaufman,1992; Cvekl and Tamm,2004). Возникающий в результате слой толщиной в 7-8 клеток из мезенхимы становится всё боле организованным и конденсированным в ответ на локальные сигналы (Fig. 2D). Гены транскрипционных факторов Foxc1, Foxc2, Lmx1b и Pitx2 первоначально все экспрессируются в виде специфических паттернов в мезенхиме в это время и впоследствии оказываются необходимы для развития переднего сегмента (Gage and Camper,1997; Kidson et al.,1999; Pressman et al.,2000; Kume et al.,2001). Начинаясь вскоре после иммиграции, мезенхима нервного гребня, разные регионы OSE, соответствующие будущей эктодерме роговицы, limbal и конъюнктивы и эпидермис век могут быть идентифицированы, базируясь на дифференциальной экспрессии и субклеточной локализации Connexin 43, белка щелевых соединений, который впоследствии окажется важным для функции роговицы (Wolosin et al.,2002). Кроме того, на ст. e12.5 дифференциальные уровни канонической сигнальной Wnt/β-catenin активности отличают будущие элементы, возникающие из OSE (Smith et al.,2005). Появление борозд век в OSE дорсальнее и вентральнееl оптического бокала на ст. e11.5 это первое морфологическое доказательство развития век (Fig. 2C).
На ст. e14.5 продолжается развитие роговицы, при этом возникает презумптивный эндотелий роговицы в виде непрерывного слоя клеток от монослоя мезенхимы, непосредственно покрывающей переднюю часть хрусталика и передний край глазного бокала (Pei and Rhodin,1970; Kaufman,1992; Cvekl and Tamm,2004). Созревающий эндотелий роговицы физически диссоциирует от передней части хрусталика, формируя пространство, которое д. стать будущей передней камерой, как только начинается продукция внутриглазной жидкости (Pei and Rhodin,1970; Kaufman,1992). Кератоциты стромы роговицы дифференцируются несколько позднее из мезенхимы, расположенной между вновь сформированным эндотелием роговицы и покрывающим сверху презумптивным эпителием роговицы, который возникает из OSE (Fig. 2E) (Pei and Rhodin,1970; Kaufman,1992). На более поздних сроках беременности кератоциты приобретают тонкослойный вид и начинают секретировать высоко специализированный внеклеточный матрикс, свойства которого необходимы для прозрачности роговицы. После отделения роговицы от хрусталика передний край глазного бокала становится пигментированным и начинает расти в полость между хрусталиком и роговицей, генерируя эпителий будущего цилиарного тела и радужки. Новая миграция мезенхимы в угол, формируемый между радужкой и роговицей (iridocorneal угол), дает предшественники, которые формируют строму цилиарного тела и радужки, а также компоненты будущего тракта оттока в радужно-роговичном углу. Развитие этих позднее появляющихся структур продолжается в течение нескольких недель после рождения (Gould et al.,2004).
После формирования их паттерна и спецификации зачатки век увеличиваются в размере и расширяются в направлении др. к др. поперек роговицы вплоть до ст. e15.5 (Fig. 2E). Во время этого периода веки состоят из рыхло упакованной мезенхимы в виде слоя, расположенного внутри наружного слоя поверхностной эктодермы, который позднее сформирует будущую palpebral conjunctiva на внутренней поверхности век и palpebral эпидермис на наружной поверхности (Findlater et al.,1993). Регулярно расположенные фолликулы ресничек начинаю появляться на границе между palpebral эпидермисом и конъюнктивой в направлении концов сомкнутых век. Начиная приблизительно с e15.5, клетки перидермы, расположенные на ведущем крае каждого века начинает пролиферировать и мигрировать вдоль роговицы пока они не встретятся и сливаются на e16.5 (Fig. 2E,F). Веки в конечном итоге снова открываются приблизительно на 10-й день постнатального развития (Findlater et al.,1993; Martin and Parkhurst,2004; Xia and Karin,2004).
Усиление организации и плотности, наблюдаемое в periocular mesenchyme (POM) переднего сегмента вскоре после миграции между хрусталиковым пузырьком и покрывающей сверху OSE показывает, что POM реагирует на локальные сигналы. Конкурентная активация генов специфических транскрипционных факторов в POM, необходимая для морфогенеза переднего сегмента и развития роговицы, ещё больше подкрепляет это мнение. Сходным образом дифференциальная экспрессия Cx43 соответствующее появление морфологических изменений демонстрируют, что формирование паттерна в OSE осуществляется в сходный временной промежуток. Нарушение этого раннего процесса обычно оказывает негативное влияние на последующие ступени развития переднего сегмента. Напр., мутации, затрагивающие дифференцировку эндотелия роговицы приводят к постоянному прикреплению задней части роговицы к хрусталику (Blixt et al.,2000; Brownell et al.,2000; Ring et al.,2000; Semina et al.,2001; Ormestad et al.,2002), а нарушение формирования раннего паттерна во время развития OSE может приводить к последующему возникновению эктопических фолликулов ресничек в конънктиве (distichiasis) (Fang et al.,2000; Kriederman et al.,2003). Классические эмбриологические эксперименты, также как мутантные фенотипы у мыши и человека показали. что хрусталик и передня часть глазного бокала скорее всего являются источниками сигнальных молекул для организации переднего сегмента, но характеристики специфических факторов, также как и природа нижестоящих реакций, неизвестны. Однако недавние данные предоставили доказательства, что глазной бокал действует как сигнальный центр, который дирижирует морфогенезом переднего сегмента посредством непосредственного действия на соседний нервный гребень и косвенно через воздействие нервного гребня на формирование паттерна и морфогенез в OSE.

RETINOIC ACID SIGNALING ORCHESTRATES ANTERIOR SEGMENT MORPHOGENESIS DURING THE CRITICAL TIME WINDOW FOLLOWING LENS VESICLE FORMATION


Витамин А является существенным для развития глаза и осуществляет свои биологические эффекты посредством retinoic acid (RA), энзиматического метаболита. Первичной активностью RA во время развития является действие на аутокринные и паракринные сигнальные молекулы (Fig. 3A). В этой своей способности RA соединяется с ядерными рецепторами, активируя эти лигандми-управляемыми транскрипционные факторы внутри компетентных клеток (Fig. 3A). Ядерные рецепторы представлены белками двух семейств, retinoic acid receptors (RAR) α, β, и γ, и retinoid X receptors (RXR) α, β, и γ (Chambon,1996). Функциональной единицей является RAR/RXR гетеродимер и все RAR и RXR белки экспрессируются в развивающемся глазу (Ghyselinck et al.,1997; Mori et al.,2001). RAR белки связывают как all-trans- , так и 9-cis-RA, тогда как RXR белки связывают только 9-cis-RA. Однако, 9-cis-RA является активным фактором в передаче клеточных сигналов (Chambon,1996). Доказательства потребности в передаче сигналов RA для развития глаз впервые были получены в исследованиях тяжелых врожденных дефектов глаз при vitamin A-deficient (VAD) и/или RA-дефиците у плодов людей и домашних животных (Hale,1933; Warkany and Schraffenberger,1946; Wilson et al.,1953; Dickman et al.,1997; Dupe et al.,2003). Дисгенез переднего сегмента особенно впечатляющ у этих индивидов и включает агенез хрусталика, радужки и стромы роговицы, эндотелия роговицы и отсутствие переденей камеры, веки открыты при рождении и (у грызунов) отсутствуют Harderian железы. Помимо глазных признаков, включая колобому сетчатки и оптического диска, наблюдается сокращение ракурса вентральной части сетчатки и агенез склер. Люди с мутациями, ингибирующими функцию ретинол связывающего белка в сыворотке, имеют глазные дефекты, как и мыши с пониженной способностью передачи сигналов RA рецепторами (Lohnes et al.,1994; Seeliger et al.,1999). Генетическое устранение двух или более RAR-кодирующих генов у мышей приводило к тяжелым глазным дефектам, которые воспроизводили дефекты, наблюдаемые при тяжелых VAD (Kastner et al.,1994,1997; Lohnes et al.,1994; Ghyselinck et al.,1997; Mascrez et al.,1998). Следовательно, компетентность отвечать на передачу сигналов RA является критической для нормального развития глаз.

Figure 3. Retinoic acid signaling during development of the anterior segment. A: Simplified overview of retinoic acid production and function in intracrine or paracrine signaling. Note that additional factors involved in functions such as transport have been omitted for simplicity. B: Summary of tissues producing retinoic acid (blue) at e11.5 based on expression of RALDH1 and/or RALDH3. C: Summary of tissues responding to retinoic acid signaling at e11.5 based on expression pattern of RARE-lacZ reporter transgene. C, cornea; ADH, alcohol dehydrogenase; RAR, retinoic acid receptor; RALDH1-3, retinaldehyde dehydrogenase 1-3; RDH10, retinol dehydrogenase 10; M, mesenchyme; OS, optic stalk; R, retina; PRE, retinal pigmented epithelium; RXR, retinoid X receptor.

Превращение витамина A в RA является двухступенчатым процессом. Во-первых, во всех типах клеток витамин А превращается в retinaldehyde с помощью фермента, alcohol dehydrogenase type 3 (Fig. 3A) (Molotkov et al.,2002). Во-вторых, в избранных типах клеток retinaldehyde превращается в ретиноевую кислоту (или all-trans или 9-cis) с помощью retinaldehyde dehydrogenase (Fig. 3A) (Duester,2000). Млекопитающие имеют 4 retinaldehyde dehydrogenase белка (RALDH1-4), кодируемых генами Aldh1a1, Aldh1a2, Aldkh1a3 и Aldh8a1, соотв. (Duester,2000; Lin et al.,2003). Пространственно-временная специфичность продукции RA, а , следовательно, и способность передачи сигналов RA в основном контролируется селективной экспрессией белков RALDH во время развития. Кроме того, передача сигналов RA может тонко контролироваться с помощью активности RA-деградирующих энзимов, таких как CYP26A1 и CYP26C1 (Fujii et al.,1997; Sakai et al.,2004).
RALDH1-3 экспрессируются в виде динамических, перекрывающихся паттернов, начиная с раннего развития глаз, которое совпадет с превращением глазного пузырька в бокал и с формированием хрусталикового пузырька. RALDH2 временно экспрессируется в глазном пузырьке на ст. e8.5 (Li et al.,2000; Wagner et al.,2000; Mic et al.,2004). На e9.5, RALDH1 строго экспрессируется в дорсальной части сетчатки, тогда как RALDH3 строго экспрессируется в вентральной части сетчатки (McCaffery et al.,1999; Grun et al.,2000; Li et al.,2000; Mic et al.,2000; Suzuki et al.,2000), подсказывая гипотезу, что передача сигналов RA может играть важную роль в формировании дорсального/вентрального паттерна сетчатки во время развития (Wagner et al.,2000; Drager et al.,2001; Peters and Cepko,2002; Sakai et al.,2004). Однако функциональные исследования, включая удаление индивидуальных генов не подтвердили роль передачи сигналов RA в формировании раннего дорсально/вентрального в сетчатке или в спецификации и морфогенезе хрусталика (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). Функциональная избыточность среди RALDH белков не объясняет этот неожиданный результат, поскольку формирование паттерна сетчатки и образование хрусталикового пузырька, по-видимому, не затрагиваются при двойном нокауте мышей, приводящего к отсутствию какой-либо обнаружимой активности RALDH в глазу (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). Следовательно, передача сигналов RA не нужна для индукции и морфогенеза хрусталика lens, ь.е самых ранних стадий развития переднего сегмента.
Напротив, передача сигналов RA является критической и необходима для следующей фазы морфогенеза переднего сегмента, которая включает инициацию всех трех слоёв роговицы, формирование паттерна оставшегося OSE в презумптивную роговичную, limbal и конъюнктивную эктодерму и эпидермис век и появление ранних зачатков век. RALDH1 экспрессируется на высоком уровне в эктодерме роговицы, хрусталике и дорсальной части сетчатки в течение всего этого периода времени (e10.5-13.5), и на более низких уровнях в вентральной части сетчатки, начиная с e11.5 (Fig. 3B) (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). Напротив, RALDH3 сильно экспрессируется в эктодерме роговицы, пигментном эпителии сетчатки и в вентральной части сетчатки с ещё более слабой экспрессией в дорсальной части сетчатки (Fig. 3B) (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). У мышей, трансгенных по RA-responsive lacZ трансгену (RARE-lacZ), β-gal экспрессируется в сетчатке, зрительном нерве, эктодерме роговицы и периокулярной мезенхиме на этой ст., обеспечивая чувствительность этих тканей к RA (Fig. 3C) (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). Тот же самый трансген молчит в глазах мутантных мышей, лишенных как RALDH1, так и RALDH3, подтверждая, что эти два энзима объясняют всю сигнальную активность RA в глазу во время этого критического периода развития переднего сегмента (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006).
Генетическое устранение Aldh1a1 (RALDH1) оказывает незначительный эффект на экспрессию RARE-lacZ трансгена или рахзвитие (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). Устранение Aldh1a3 (RALDH3) уничтожает экспрессию RARE-lacZ репортера в RPE, в вентральной части эктодермы роговицы, вентральной части сетчатки и вентральной части POM, тогда как экспрессия в дорсальных частях тканей остается неизменной (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). Aldh1a3 обладают легкими или умеренными вентральными дефектами, включая укорочение вентральной части сетчатки, вентральной ротации хрусталика, retrolenticular мембрану и утолщение вентральной части POM (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). Последнее, по-видимому, обусловлено снижением апоптоза, который обычно происходит в вентральной части POM (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). Сходный апоптоз происходит в дорсальной части POM у мышей дикого типа, но это не затрагивается у Aldh1a3 мутантов. В противоположность одиночным мутантам, устранение и Aldh1a1 и Aldh1a3 и сопровождающее отсутствие передачи сигналов RA оказывает выраженные эффекты на формирование паттерна и морфогенез переднего сегмента (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). Фенотипы переднего сегмента включают агенез эндотелия и стромы роговицы, стромы радужки и формирование толстого слоя мезенхимы между хрусталиком и роговицей. Не происходит инвагинации борозды дорсального века, приводя к отсутствию дорсального века, тогда как вентрально образуется лишь рудиментарное веко. Вентральное веко остается маленьким и в конечном итоге сливается с презумптивной эктодермой роговицы, образуя гипопластический конъюнктивальный мешок. Дополнительно фенотипические отклонения включают персистенцию retrolenticular мембраны, вентральную ротацию хрусталика, укорочение вентральной части сетчатки, колобому сетчатки и агенез склер. При условии добавления больших количеств RA в пищу беременным самкам восстанавливается нормальное развитие глаз у этих мутантов (Molotkov et al.,2006). Однако компетентность нервного гребня отвечать на RA путем активации экспрессии Pitx2 и др. ступеней, необходимых для нормального развития переднего сегмента, может быть мимолётным (See and Clagett-Dame,2009).
Экспрессия дикого типа репортера RARE-lacZ во множественных глазных тканях в комбинации с тяжелыми Aldh1a1/3 фенотипами открывает возможность, что развитие переднего сегмента в норме нуждается в интактной передаче сигналов RA в сетчатку, поверхностную эктодерму и/или POM (Fig. 3C). Однако устранение специфичных для нервного гребня двух (Rarb и Rarg) или всех рех генов, кодирующих RAR ядерные рецепторы дает мышей с глазными фенотипами, идентичными тем, что у мышей Aldh1a1/3 (Matt et al.,2005,2008). Следовательно, нервный гребень является первичной мишенью для передачи сигналов RA в глазу во время этого критического периода формирования паттерна и морфогенеза переднего сегмента. Потеря передачи сигналов RA , по-видимому, не затрагивает жизнеспособности клеток нервного гребня; напротив. апоптоз снижается в нервном гребне у мутантных животных (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). Отсутствие передачи сигналов RA ведет к потере экспрессии в нервном гребне генов транскрипционных факторов (Eya2, Foxc1 и Pitx2), которые необходимы для нормального морфогенеза переднего сегмента (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). Следовательно, передача сигналов RA в нервный гребень дирижирует морфогенезом переднего сегмента, по крайней мере, частично, посредством активации важных генов транскрипционных факторов. Осуществляются ли эффекты на гены мишени непосредственно или косвенно и детали, касающиеся дополнительных нижестоящих мишеней, остаются неизвестными.

CANONICAL WNT SIGNALING AND PATTERNING OF THE OCULAR SURFACE ECTODERM


Каноническая передача сигналов Wnt, обеспечиваемая с помощью нижестоящего эффекторного белка β-catenin, очень затребована во время развития, также как и для биологии стволовых клеток и гомеостаза взрослых тканей (Logan and Nusse,2004). Пространственнно-временые паттерны активности Wnt пути в развивающихся тканях или органах тонко регулируются (Logan and Nusse,2004). Дерегуляция канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin ведет к аномальному развитию и играет выдающуюся роль в ряде болезней, включая рак (Nusse,2005). Каноническая сигнальная активность Wnt/β-catenin инициируется с помощью лиганда Wnt, соединяющегося с гетеродимерным рецептором клеточной поверхности, приводящего в результате к стабилизации и транслокации β-catenin в ядро, где его партнерами являются TCF/LEF транскрипционные факторы (Fig. 4A) (Logan and Nusse,2004; Nusse,2005). Каноническая передача сигналов Wnt/β-catenin может способствовать генной транскрипции, клеточной пролиферации, дифференцировке, жизнеспособности клеток или запрограммированному апоптозу (Logan and Nusse,2004; Nusse,2005).

Figure 4. Canonical Wnt/β-catenin signaling during development of the anterior segment. A: Left: Both the LRP5/6 and Fz proteins are present on the surface of a competent cell, providing available Wnt ligand with the full heterodimeric receptor required to transduce the signal. Activation of the full receptor by Wnt ligand induces biochemical changes within the cytoplasm that lead to accumulation of stabilized β-catenin, which is translocated to the nucleus where it activates transcription of target genes. Right: DKK proteins, when present, render a cell incompetent to respond to Wnt ligand because the LRP5/6 component required for receptor function is removed from the cell membrane. DKK proteins bind LRP5/6, in combination with a third protein called Kremen, and this complex is cleared from the cell surface by endocytosis and subsequently degraded. This leaves the cell incompetent to transduce a signal to the nucleus, even when high quantities of Wnt ligand are present, because a fully functional heterodimeric receptor cannot be formed. B: Summary of Wnt ligand and Frizzled receptor expression sites (blue) in mouse eye tissues at e12.5. C: Summary of structures/cells exhibiting high (blue) or low (white) canonical Wnt signaling activity in mouse eye tissues at e12.5. BC, bulbar conjunctiva; C, cornea; L, lens; Dkk, Dickkopf; Fz, any frizzled protein; Krm, Kremen; LRP5/6, low-density lipoprotein receptor-related protein 5 or 6; M, mesenchyme; PC, palpebral conjunctiva; PE, palpebral epidermis; TCF, transcription factor 4; Wnt, Wnt ligand.

TOPGAL репортерный трансген, который экспрессирует lacZ в ответ на каноническую передачу сигналов Wnt, был использован для оценки активности пути во время развития глаз (Liu et al.,2003; Smith et al.,2005; Miller et al.,2006). Уровни активности передачи сигналов Wnt/β-catenin существено варьируют в зависимости от времени и местонахождения в OSE во время критического периода формирования паттерна и дифференцировки индивидуальных клеточных судеб. До и во время ранней фазы индукции и морфогенеза хрусталика (e8.5-9.5), активность канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin отсутствует в OSE и не определяется во время ст. хрусталикового пузырька (e10.5) (Miller et al.,2006). Активность пути остается неопределимой в центральных тканях, включая презумптивную эктодерму роговицы на ст. e12.5, но она заметно увеличивается периферически, включая palpebral эпидермис и конъюнктиву (Fig. 4C) (Smith et al.,2005). Локальная активность в мезенхиме осуществляется параллельно с таковой в соотв. покрывающей эктодерме (Fig. 4C) (Smith et al.,2005).
Манипуляции с активностью передачи сигналов Wnt/β-catenin драматически меняют формирование паттерна и развитие OSE. Генетически путь может быть блокирован путем устранения гена Catnb (β-catenin) или активирован с помощью преобразования Catnb, чтобы он продуцировал высоко стабильные формы β-catenin (Harada et al.,1999; Brault et al.,2001). Генерация аномально высоких уровней активности пути по всей OSE блокирует индукцию нормальной, центрально расположенной хрусталиковой плакоды с помощью оптического пузырька (Smith et al.,2005), тогда как устранение активности пути по всей OSE ведет к образованию двояковыпуклых тел в периферической части OSE (Miller et al.,2006). , следовательно, компетентность клеток в OSE формировать хрусталик коррелирует с низкими уровнями активности канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin, подтверждая, что различия в уровнях сигнальной активности играют существенную роль в формировании паттерна OSE. По мере развития глаз мутанты с аномально высокой активностью канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin по всей OSE не способны развивать роговицу, конъюнктиву или веки, указывая тем самым, что корректные уровни активности пути остаются существенными для нормального развития переднего сегмента в период после формирования хрусталика (Miller et al.,2006). Итак, эти данные показывают, что нормальное формирование паттерна и дифференцировка структур, происходящих из OSE строго коррелирует с достижением корректной пространственно-временной активации канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin.
Ограниченная во времени и пространстве экспрессия лигандов Wnt и др. компонентов, необходимая для сигнальной трансдукции, может быть тем механизмом, который сможет объяснить необходимую локальную активацию или супрессию активности пути во время развития переднего сегмента. Однако некоторые Wnt лиганды, которые активны в каноническом сигнальном пути, также как и множественные Frizzled рецепторные белки, необходимые для передачи сигналов Wnt, экспрессируются на высоком уровне в презумптивной эктодерме роговицы в период, когда активность пути в тех же самых клетках и соседней мезенхиме низкая или необнаружима (Fig. 4B) (Liu et al.,2003; Smith et al.,2005). Следовательно, экспрессия необходимых сигнальных факторов не коррелирует с уровнями активности пути в развивающейся OSE во время этого временного периода (Liu et al.,2003). Это указывает на то, что путь может активно ингибироваться. Активность канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin может быть ингибирована с помощью секретируемых frizzled-related proteins (SFRP1-4) и Dickkopf белков (DKK1-4), которые противодействуют активной передаче сигналов путем соединения с и инактивации или Wnt лигандов (SFRPs) или Wnt рецепторов (DKKs) (Logan and Nusse,2004; Nusse,2005; Niehrs,2006). Хотя множественные Sfrp и Dkk гены экспрессируются во время развития глаз, данные о паттернах экспрессии в соотв. время неполные и в некоторых случаях не согласующиеся (Monaghan et al.,1999; Liu et al.,2003; Ang et al.,2004; Chen et al.,2004). Кроме того, вплоть до недавнего времени, не проводилось функционального анализа эффектов устранения SFRPs или DKKs в развивающемся глазу. Следовательно, механизм(ы), лежащие в основе важной временной и региональной активации или супрессии активности канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin в развивающейся OSE неизвестны.

PITX2 INTEGRATES RA AND CANONICAL WNT/β-CATENIN SIGNALING ACTIVITY DURING ANTERIOR SEGMENT DEVELOPMENT


Pitx2 кодирует гомеодоменовый транскрипционный фактор (PITX2), чья экспрессия впервые была обнаружена в нервном гребне из переднего сегмента, начиная с e9.5-10, вскоре после образования хрусталикового пузырька и рано во время критического преиода морфогенеза будущего переднего сегмента (Hjalt et al.,2000; Gage et al.,2005). Эти первоначальные данные подтвердили, что экспрессия Pitx2 активируется в глазном нервном гребне в ответ на локальные сигналы, факт, подтвержденный недавно демонстрацией, что экспрессия Pitx2 зависит от передачи сигналов RA от глазного бокала (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). В течение следующих 1-2 дней экспрессия Pitx2 расширяется, чтобы включить окружающий нервный гребень глазной бокал и оптический стебель внутри прозрачного пространства и распространяется на мезенхиму век. Pitx2 также экспрессируется в мезодерме в развивающемся глазу. В отличие от нервного гребня экспрессия Pitx2 в мезодерме высокая, прежде чем эти клетки ассоциируют с зачатком глаза, указывая тем самым, что активация Pitx2 в мезодерме происходит с помощью др. механизма, чем в нервном гребне. В конечном итоге нервный гребень и мезодерма, экспрессирующие Pitx2 могут вносить вклад в структуры всего переднего сегмента, а также в склеры, внеглазные мышцы и все глазные кровеносные сосуды (Gage et al.,2005).
Гетерозиготные мутации PITX2 у человека являются причиной Axenfeld-Rieger Syndrome, врожденного заболевания, возникающего в результате разных степеней дисморфогенеза переднего сегмента глаз и высокого риска глаукомы (Semina et al.,1996; Kulak et al.,1998; Kozlowski and Walter,2000). Дефекты переднего сегмента могут влиять на множественные клоны, происходящие из POM, включая строму роговицы и радужки, эндотелий роговицы и трабекулярную сеть и канал Schlemm's в радужно-роговичном угле (Semina et al.,1996). Axenfeld-Rieger пациенты обнаруживают также повышенное внутриглазное давление, которое скорее всего и вносит вклад в высокий риск глаукомы. Устранение Pitx2 у мышей приводит к агенезу энтодермы и стромы роговицы, стромы радужки и замещение этих структур толстым слоем мезенхимы, лежащей между хрусталиком и роговицей (Gage et al.,1999; Kitamura et al.,1999; Lin et al.,1999; Lu et al.,1999). Кроме того, развитие век тяжело нарушено. Кроме того обнаруживается укорочение вентральной части сетчатки, образование колобомы, вентральная ротация хрусталика, тяжелый дисморфогенез зрительного нерва агенез склер и внеглазных мышц. Мутанты, в которых Pitx2 специфически устранен из нервного гребня воспроизводят многие глазные признаки глобального нокаута мыши, включая и передний сегмент (Evans and Gage,2005). Следовательно, Pitx2, функционирующий в нервном гребне, необходим для развития множественных глазных тканей. Дефекты переднего сегмента при глобальном и специфическом для нервного гребня нокауте Pitx2 у мышей кажутся идентичными с теми. что описаны для потери передачи сигналов RA у мыши, это открывает возможность, что Pitx2 потенциально является главным нижестоящим эффектором передачи сигналов RA в нервном гребне (Gage et al.,1999; Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006).
Хотя важность Pitx2 для регуляции развития глаза хорошо установлена, мало известно о лежащих в основе механизмах или ключевых нижестоящих регуляторных генах и путях. Многие из фенотипов у мышей и людей затрагивают типы клеток, происходящие из нервного гребня и мезодермы, клонов, в которых экспрессируется Pitx2, указывая, что клеточно-автономные механизмы, такие как регуляция генов дополнительных транскрипционных факторов, объясняют эти дефекты. Напротив, укорочение вентральной части сетчатки, колобома и дисморфогенез зрительного нерва, все они возникают в результате дефектов развития нейральной эктодермы, ткани, в которой Pitx2 никогда не экспрессируется. Эти дефекты д. возникать с помощью не клеточно автономных механизмов, предоставляет тем самым первые доказательства важности нижестоящих мишеней для PITX2, которые могут включать гены, кодирующие факторы, участвующие в клеточных сигнальных путях.
Dkk2, который кодирует секретируемый внеклеточный антагонист канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin, был недавно идентифицирован как важный нижестоящий эффектор PITX2 во время морфогенеза переднего сегмента глаз (Gage et al.,2008). Обычно активность канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin нуждается в связывании Wnt лигандами гетеродимерных рецепторов клеточной поверхности, состоящих из Frizzled (FRZ) белка и LRP5/6 белка (Logan and Nusse,2004). DKK2 белок противодействует канонической передаче сигналов Wnt/β-catenin путем связывания LRP5/6 вместе с третьим белком, Kremen, образуя тримерный комплекс, который удаляется с клеточной поверхности с помощью эндоцитоза и деградирует внутри клеток с помощью протеосом (Niehrs,2006; Gage et al.,2008). В результате возникает неспособность формировать функциональные гетеродимерные рецепторы, что делает клетки некомпетентными трансдуцировать сигнал β-catenin даже в присутствии высоких концентраций Wnt лигнада. Экспрессия Dkk2 впервые обнаруживается POM переднего сегмента на ст. e11 и распространяется в окружающий POM глазной бокал и проникает в появляющиеся веки в течение последующих 1-2 дней (Monaghan et al.,1999; Gage et al.,2008). В отличие от Pitx2, Dkk2 не экспрессируется в зачатках внеглазных мышц (Monaghan et al.,1999; Gage et al.,2008). Хотя паттерны экспрессии почти идентичны, время активации Dkk2 в POM отстаёт от такового Pitx2, это согласуется с его ролью нижестоящего эффектора (Gage et al.,2008). Dkk2 отсутствует в глазах после глобального или специфичного для нервного гребня нокаута Pitx2 у мышей и сильно редуцирован у Pitx2+/- мышей (Gage et al.,2008). Кроме того уровни активности канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin повышены во всем переднем сегменте в Pitx2 мутантных глазах (Gage et al.,2008). PITX2 белок физически ассоциирует с последовательностями промотора Dkk2 в первичных культурах эмбриональной POM , а Dkk2 геномный фрагмент, соответствующий этим последовательностям, чувствителен к PITX2 дозово-зависимым способом, если сцеплен с luciferase репортерной кассетой (Gage et al.,2008). Итак, эти данные показывают, что Dkk2 является непосредственной мишенью PITX2 в нервном гребне во время развития глаз.
Устранение Dkk2 ведет к дерегуляции уровней канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin, нарушая формирование паттерна и изменяя спецификацию судеб в OSE (Mukhopadhyay et al.,2006; Gage et al.,2008). Активность канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin чрезвычайно низка, и не обнаруживается в развивающихся дикого типа конъюнктиве глазного яблока, limbal, и роговичной эктодерме, тканях. которые непосредственно лежат поверх мезенхимных клеток, экспрессирующих DKK2 (Liu et al.,2003; Smith et al.,2005; Miller et al.,2006; Gage et al.,2008). Напротив активность канонической передачи сигналов, Wnt/β-catenin повышены во всей OSE Dkk2-дефицитных глаз, включая презумптивную конъюнктиву глазного яблока, limbus и роговицу (Mukhopadhyay et al.,2006; Gage et al.,2008). Специфические дефекты, включая неправильную спецификацию эктодермы роговицы в goblet клетки конъюнктивы, эктопическое прорастание фолликулов ресниц с поверхности эктодермы в конъюнктиву век и глазного яблока и limbus и рудиментарный рост век (Gage et al.,2008). Следовательно, несмотря на униформную высокую экспрессию Wnt лигандов и др. компонентов пути, паракринные эффекты DKK2 представляют, по крайне мере, один важный механизм негативной регуляции активности канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin, которая необходима для нормального формирования паттерна и дифференцировки в OSE.
Устранение Dkk2 вызывает также повышенную сигнальную активность Wnt/β-catenin в POM (Gage et al.,2008). Подобно OSE, наивысшее увеличение происходит в клетках внутри презумптивной конъюнктивы глазного яблока, limbus, и роговицы. Мезенхима развивающейся конъюнктивы и limbus мышей дикого типа богато васкуляризована, тогда как роговица не имеет сосудов. Напротив, строма роговицы у Dkk2 мышей богато снабжена сосудами перед рождением, подобно мезенхиме лежащей в основе конъюнктивы (Gage et al.,2008). Васкуляризация мезенхимы вместе с появлением бокаловидных (goblet) клеток в лежащей поверх поверхностной эктодерме роговицы предоставляют дальнейшие доказательства, что формирование паттерна переднего сегмента изменено у этих мышей, приводя к тому, что эта мезенхима и поверхностная эктодерма, по крайней мере, частично воспринимает характеристики конъюнктивы (Gage et al.,2008). Усиление канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin в мутантной роговице отражает то, что обычно обнаруживается в конъюнктиве, предоставляя доказательства, что формирование паттерна достигается с помощью активации/супрессии повышенной канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin и играет ключевую роль в спецификации конъюнктивы в противовес судьбе роговицы. Постнатально в мутантных глазах Dkk2 эктопические кровеносные сосуды распространяются из радужки, образуя кружевной воротничок через переднюю камеру к центральному эндотелию роговицы (Gage et al.,2008). Специфические лежащие в основе механизмы, приводящие к росту эктопических кровеносных сосудов остаются неизвестными, но скорее всего повышенная активность канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin является вносящим основной влкад механизмом, поскольку это является ангиогенным в др. системах (Duplaa et al.,1999; Wright et al.,1999; Longo et al.,2002; Masckauchan et al.,2005; Skurk et al.,2005; Goodwin et al.,2006). Следовательно, аномально высокие уровни активности канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin могут непосредственно способствовать аномальному росту кровеносных сосудов в мутантной роговице. Напротив, обычные нормальные низкие уровни активности канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin могут быть необходимы, чтобы давать роговицу дикого типа, непригодную для роста в ней кровеносных сосудов. Наконец, низкие уровни активности канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin могут быть необходимы для экспрессии известных ингибиторов васкуляризации роговицы, такие как растворимая форма VEGF receptor 1 (Ambati et al.,2006).

CURRENT MODEL


Ретиноевая кислота, продуцируемая лазным бокалом и хрусталиком, служит в качестве критичского механизма для дирижирования всем морфогенезом и развитием специфических структур в переднем сегменте в период после образования хрусталикового пузырька (Fig. 5). Соседний нервный гребень в зарождающемся переднем сегменте является первичной непосредственной мишенью для передачи сигналов RA в это время. Нервный гребень отвечает инициацией транскрипционных программ, необходимых для последующего формирования паттерна и развития роговицы, век и др. тканей. Следовательно, благодаря продукции RA, глазной бокал действует как сигнальный центр образующий ядро морфогенеза переднего сегмента. Эта функция поразительно аналогична роли, выполняемой его предшественником, глазным пузырьком в более ранний момент времени, в индукции инициации развития хрусталика в специфическом месте в лежащей поверх OSE. Транскрипционная реакция в нервном гребне включает активацию Eya2, Foxc1 и Pitx2, хотя очень вероятно, что необходимы дополнительные важные мишени (Fig. 5).

Figure 5. Current model and important questions for future analysis. Established genetic and molecular pathways are shown in blue. Known candidates that should be tested for potential relevance to the network are shown in orange. More open-ended unknown questions are shown in green. These include what other factors in addition to RA may be required to activate Eya2, Foxc1, and/or Pitx2 (Q1), whether additional factors also signal from the ocular surface ectoderm (Q2), what other targets lie immediately downstream of RA signaling (Q3), and what other genes and classes of genes, in addition to genes for transcription factors Dkk2, are a part of the required response to RA signaling within the neural crest (Q4). These questions are discussed in greater detail in the Perspectives section.

Фенотипы переднего сегмента, общие у RA-дефицитных и Pitx2 нокаутных мышей показывают, что Pitx2 является критической мишенью для передачи сигналов RA в нервном гребне. Важной непосредственной мишенью PITX2 в нервном гребне является ген, кодирующий DKK2, белок антагонист активности канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin (Fig. 5). Важным свойством функции DKK2 является то, что клетки мишени являются некомпетентными к большому числу реакций на каноническую передачу сигналов Wnt/β-catenin даже в среде со значительными концентрациями Wnt лиганда, напр., в развивающейся роговице. DKK2 , экспрессирующийся ниже PITX2, действует с помощью как паракринного (действуя в поверхностной эктодерме), так и аутокринного (действующего в нервном гребне) механизмов, чтобы эффективно блокировать активность канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin в презумптивной роговице (Fig. 5). Более периферически, дополнительные фенотипы Dkk2-дефицитных мышей включая distichiasis и дефекты роста при развитии век, предоставляют неотразимые функциональные доказательства, что DKK2 д. также действовать, чтобы сдерживать активность канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin в этих тканях. Следовательно, экспрессия Pitx2 в нервном гребне действует как критический узел, интегрирующий передачу сигналов RA от глазного бокала, необходимую для морфогенеза переднего сегмента, с активацией и супрессией активности канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin, необходимой для корректного формирования паттерна OSE и мезенхимы.
Эта модель вызывает к жизни др. гипотезу, которая д. быть протестирована, для получения дополнительных доказательств. Напр., модель предсказывает, что экспрессия Dkk2 д. теряться, а активность канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin д. усиливаться у мутантов, у которых продукция RA глазными структурами или компетентность нервного гребня отвечать на передачу сигналов RA потеряна. Эти предсказания действительно можно проверить, анализируя RA мутантов в отношении экспрессии Dkk2 и Axin2.

PERSPECTIVES


Демонстрация взаимосвязанных ролей ретиноевой кислоты, PITX2 и канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin является важным прорывом в понимании развития переднего сегмента, поскольку впервые получены доказательства того, как множественные сигнальные пути интегрируют на уровне регуляции транскрипции. Однако очевидно, что полная сеть регуляции развития переднего сегмента значительно более сложная. Некоторые кандидаты, которые могут участвовать на разных уровнях сети уже известны, тогда как др. предстоит идентифицировать. Будущие поиски этих факторов и их интеграции в существующую модель важно для расширения нашего понимания этого процесса.
Несколько потениальных кандидатов являются членами сверхсемейства TGF-β сигнальных молекул, третьего основного существенного межклеточного сигнального пути во время развития. Это семейство подразделяется на две ветви: TGF-β/activin/nodal ветвь и bone morphogenetic protein (BMP)/growth-derived factor (GDF) ветвь (Wu and Hill,2009). Устранение TGF-β receptor 2 (Tgfbr2) в нервном гребне приводит к агенезу эндотелия роговицы с сопутствующей потерей передней камеры. выраженным истончением стромы роговицы и тяжелой редукцией или исчезновением экспрессии Foxc1 и Pitx2, свойства, напоминающие мутантов с нарушением передачи сигналов RA (Ittner et al.,2005). Однако клеточная гибель существенно увеличивается в мезенхиме роговицы Tgfbr2 мышей, заметно отличаясь от мутантов передачи сигналов RA (Ittner et al.,2005). TGF-β2, по-видимому, является основным сигнальным лигандом, действующим на нервный гребень, поскольку нокаутные Tgfb2 мыши фенокопируют нокаутных Tgfbr2 мышей, тогда как развитие переднего сегмента кажется нормальным в отсутствие TGF-β1 и TGF-β3 (Fig. 5) (Sanford et al.,1997; Saika et al.,2001). Редукция уровней BMP4 у Bmp4+/- мышей также ведет к дисгенезу переднего сегмента внутри структур или тканей, происходящих из POM, включая iridocorneal адгезии, маленький или отсутствующий канал Schlemm's и гипоморфная или отсутствующая трабекулярная сеть (Chang et al.,2001). Нижестоящими эффекторами передачи сигналов как TGF-β , так и BMP являются Smad белки, которые транслоцируются из цитоплазмы в ядро и активируют транскрипцию генов мишеней после фосфорилирования с помощью лигандами активируемых рецепторов клеточной поверхности (Wu and Hill,2009). Важно, что RAR белки способны физически взаимодействовать с и модифицировать активность Smad белков посредством разных механизмов в др. системах (Roberts and Sporn,1992; La et al.,2003; Pendaries et al.,2003). Поэтому важно определить, не только действуют ли передачи сигналов RA и сверхсемейства TGF-β совместно или независимо в нервном гребне переднего сегмента, но и также лежащие в основе механизмы. Дополнительные сигнальные молекулы, скорее всего, действуют на нервный гребень и это важно для идентификации этих молекул и установления их потенциальных взаимоотношений с передачей сигналов RA (Fig. 5, Q1, Q2).
Наше понимание реакций нервного гребня также ещё во младенчестве. Экспрессия Pitx2 и Foxc1 зависят от передачи сигналов RA, но являются ли эти эффекты прямыми или косвенными, неизвестно (Fig. 5). Хотя Dkk2 является безусловно мишенью Pitx2, глазной фенотип у Dkk2 мутантных мышей значительно менее тяжелый, чем Pitx2 фенотип. Следовательно, Dkk2 скорее всего представляет один из тех наиболее важных эффекторов PITX2 во время развития переднего сегмента и идентификация этих дополнительных факторов обладает высоким приоритетом. Подобно Pitx2, определенно Foxc1 является ключевой мишенью передачи сигналов RA, который д. быть исследован в дальнейшем, поскольку гетерозиготные и гомозиготные нулевые мутации вызывают дисгенез переднего сегмента у мышей, а гетерозиготные мутации FOXC1 являются второй причиной Axenfeld-Rieger Syndrome у людей (Mears et al.,1998; Kidson et al.,1999; Lehmann et al.,2000). Гены дополнительных транскрипционных факторов, нуждающиеся в тестировании как мишени для передачи сигналов RA в нервном гребне включают Foxc2 и Lmxb1 (Fig. 5, Q3) (Pressman et al.,2000; Smith et al.,2000). FOXC1 и FOXC2 являются высоко родственными forkhead транскрипционными факторами, а мутации, затрагивающие FOXC2 вызывают distichiasis у мышей и людей и дисгенез переднего сегмента мышей (Mears et al.,1998; Kidson et al.,1999; Fang et al.,2000; Lehmann et al.,2000; Kriederman et al.,2003). Мутации гомеодоменового транскрипционного фактора LMX1B вызывают дефекты переднего сегмента у мышей и являются существенным фактором риска глаукомы у людей (Chen et al.,1998; McIntosh et al.,1998; Vollrath et al.,1998; Pressman et al.,2000). Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, зависит ли экспрессия Foxc2 и Lmx1b в нервном гребне непосредственно или косвенно от передачи сигналов RA. Передача сигналов RA может регулировать экспрессию генов дополнительных транскрипционных факторов в нервном гребне и это может быть важным для их идентификации, а также для определения, являются ли они прямыми или косвенными мишенями (Fig. 5, Q1).
Репертуар реакций нервного гребня на передачу сигналов RA скорее всего включает гены, кодирующие белки с др. функциями в дополнение к транскрипционным факторам (Fig. 5, Q4). Эти дополнительные гены скорее всего включают как непосредственные мишени передачи сигналов RA , а также мишени транскрипционных факторов, чья экспрессия активируется в ответ на передачу сигналов RA. Видимые изменения в организации и уплотнении. которые происходят в мезенхиме во время её реакции на передачу сигналов RA, указывают на то, что набор ключевых мишеней д. включать гены для клеточного матрикса и/или молекулы клеточной адгезии. Гены, кодирующие дополнительные факторы, участвующие в различных аспектах передачи клеточных сигналов помимо Dkk2, могут представлять собой набор вторых ключевых мишеней. Они могут кодировать факторы, которые действуют подобно DKK2 на лежащую поверх эктодерму или факторы, участвующие в передаче сигналов назад к глазному бокалу или хрусталику, а также аутокринные факторы. Они могут также включать экспрессию внутренне присущих факторов, таких как рецепторы клеточной поверхности или цитоплазматические регуляторы, которые изменяют компетентность нервного гребня отвечать на существующие или новые сигнальные импульсы.
Паттерн экспрессии RARE-lacZ репортерного трансгена выявляет структуры, происходящие из нейральной эктодермы (передняя часть глазного бокала, презумптивные реснички и эпителий радужки, RPE) и OSE (презумптивные роговица, limbus, конъюнктива и эпителий век), в дополнение к POM, как компетентные отвечать на передачу сигналов RA в период после образования хрусталикового пузырька (Matt et al.,2005; Molotkov et al.,2006). Хотя мезенхима нервного гребня безусловно критическая первичная мишень передачи сигналов RA , данные по её экспрессит ставят вопрос, нуждается ли развитие нормального переднего сегмента также в первичной реакции на передачу сигналов RA в нейральной эктодерме и/или OSE. Соотв. Cre драйверы для тестирования этой возможности доступны и д. использоваться для её тестирования.
Эта сигнальная сеть была определена у мышей, но её значение у др. организмов предстоит определить. Если она существенна у др. экспериментальных организмов, таких как рыбы и куры, то предоставит дополнительный важный путь для дальнейшего исследования , т.к эти организмы обладают определенными экспериментальными преимуществами по сравнению с мышами. Вариации дозы гена PITX2 это центральный лежащий в основе механизм, вызывающий дефекты переднего сегмента у людей. Также автоматическая петля обратной связи между PITX2 и канонической передачей сигналов Wnt/β-catenin , ели она активна у людей. то д. предоставить эффективный способ выявления потенциально пригодных тканей в переднем сегменте со способностью отвечать на физиологические изменения, такие как средовые стрессы, и возвращать систему к гомеостазу. Однако способность системы отвечать таким способом, если он существует вообще, по-видимому, ограничена. т.к. он не может эффективно компенсировать у пациентов. которые имеют хотя бы один гипоморфный аллель PITX2.
Этот обзор сконцентрировался в основном на взаимосвязанных функциях передачи сигналов RA и Wnt/β-catenin, а также на гомеодоменовом транскрипционном факторе PITX2, в детерминации формирования общего паттерна переднего сегмента в период после образования хрусталикового пузырька. Хотя эти функции существенны для этой определенной ст. развития, как прелюдия для событий. которые появятся позже, ясно, что осуществление более поздних событий нуждается в дополнительных регуляторных ступенях и поэтому важно идентифицировать их и определить, как они связаны с и/или строятся на более ранних ступенях, которые и были предметом данного обзора. В отличие от ранней фазы, которая, по-видимому, играет существенную роль в относительно широких паттерн-формирующих событиях в переднем сегменте, последующие регуляторные ступени, скорее всего, функционируют в более специфических онтогенетических процессах. В качестве одного из примеров уровни передачи канонических сигналов, Wnt/β-catenin, как известно, регулируют степень ветвления во время развития слёзных желез (Dean et al.,2005). Передача сигналов FGF10 необходима для индукции развития слёзных желез из периферической OSE, где уровни активности канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin кажутся довольно высокими, это указывает на то, что вообще-то передача сигналов FGF вместе с определенной активностью канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin может быть необходима для спецификации судьбы слёзных желез в OSE (Makarenkova et al.,2000). Однако трансгенная экспрессия FGF10 из хрусталика способна индуцировать эктопические слёзные железы в презумптивной роговице (Govindarajan et al.,2000), это открывает возможность того, что передача сигналов FGF может быть доминантной.
Передача сигналов RA, каноническая передача сигналов Wnt/β-catenin и PITX2 являются важными для нормального развития многих органов. Следовательно, аспекты модели, представленной на Figure 5 могут не ограничиваться передним сегментом. Передача сигналов RA и Wnt/β-catenin взаимоедйствуют и в др. органах во время развития и при болезнях. Индукция программы дифференцировки нейронов в эмбриональных стволовых клетках мышей обеспечивается активацией Dkk1, стоящего ниже передачи сигналов RA и последующей супрессии канонической передачи сигналов Wnt/β-catenin, механизм с четкой параллелью событий в переденем сегменте (Verani et al.,2007). Функция передачи сигналов RA и Wnt/β-catenin в формировании паттерна позвонков вдоль передне-задней оси эмбрионов путем синергично активируемой экспрессии Cdx1 (Prinos et al.,2001). Передача сигналов RA и каноническая передача сигналов Wnt/β-catenin также взаимодействуют при раке груди и толстого кишечника (Szeto et al.,2001; Tice et al.,2002a,b). В целом генетические доказательства этих взаимодействий строги, но специфические лежащие в основе механизмы неизвестны. Следовательно, возможно, что PITX2 или др. транскрипционный фактор действует как узел интеграции в этой системе, как это происходит в переднем сегменте глаза. Помимо глаз, Pitx2 важен для развития бранхиальных дуг, головного мозга, гипофиза и сердца, все процессы сильно зависят от индуктивных паттерн-формирующих событий, включая передачу сигналов RA и Wnt/β-catenin. Важно определить, воспроизводятся ли взаимодействия между PITX2 и этими сигнальными путями во время развития или функционирования этих дополнительных органов.
Сайт создан в системе uCoz