Роль Генов Six и Eya

How old genes make a new head: redeployment of Six and Eya genes during the evolution of vertebrate cranial placodes Gerhard Schlosser Integrative and Comparative Biology 2007 47(3):343-359; doi:10.1093/icb/icm031 Оригинал
Cranial placodes give rise to many evolutionary novelties of the vertebrate head, such as its specialized paired sense organs and cranial ganglia. There is an increasing evidence that all placodes originate from a common primordium located around the anterior neural plate and defined by the expression of transcription factors of the Six1/2, Six4/5, and Eya families. These transcription factors continue to be expressed in the different placodes and appear to control similar developmental processes (e.g., proliferation, cell shape changes, and neurogenesis) in the different placodes suggesting that they play a central role for generic placodal development. Elucidating the central role of Six and Eya genes for placodal development requires an understanding of (1) how these genes are induced in the pre-placodal ectoderm at the right place and time and (2) how they subsequently affect and promote placodal development. The first part of this review gives a brief overview of what is currently known about these upstream and downstream regulatory linkages of Six and Eya genes. The second part of the review then discusses the distribution and function of Six and Eya genes in other deuterostomes in order to infer changes of upstream and downstream linkages in the course of deuterostome evolution by which Six and Eya genes adopted their new role in vertebrate placode development. It is argued that these genes were probably recruited to the neural plate border in the ancestor of urochordates and vertebrates, and adopted novel roles in the regulation of neuronal differentiation and possibly other pathways of cytodifferentiation as well in the vertebrate lineage. Рис.1. \| Development of cranial placodes in vertebrates (modified from Schlosser and Northcutt 2000; Schlosser 2006). Рис.2. \| Changing role of Six and Eya genes during deuterostome evolution.	Одним из наиболее характерных признаков позвоночных является появление у них головы с заключенным в ней сложным головным мозгом в хрящевой или костный череп, снабженный сложными парами сенсорных органов, включая нос, глаза и уши. Эти специализации головы отсутствуют у др. хордовых и являются эволюционным новшеством позвоночных. Более 20 лет тому назад Northcutt and Gans предположили, что характерные признаки головы позвоночных (т.e., "new head" позвоночных) развиваются одновременно адаптацией к новому стилю жизни хищников в ветви позвоночных (Gans and Northcutt 1983; Northcutt and Gans 1983; Northcutt 2005). Они также подчеркнули, что многие из новых характеристик головы позвоночных развились из двух новых эмбриональных тканей, которые появились в ветви позвоночных, нервный гребень и краниальные плакоды. В обзоре будет рассмотрено эволюционное происхождение плакод. Сконцентрируемся на двух классах транскрипционных факторов, кодируемых Six и Eya генами, которые играют центральную роль в развитии плакод позвоночных и обсудим, как они смогли адаптироваться к своим ролям за счет постепенных модификаций своих родоначальных функций ( see Schlosser 2005). Development of vertebrate cranial placodes Плакоды являются специализированными регионами эмбриональной эктодермы, которые дают различные не эпидермальные типы клеток. Часто, но не всегда. плакоды распознаются по локальным утолщениям эктодермы. Краниальные плакоды, рассматриваемые здесь, это аденогипофизная плакода, обонятельная плакода, хрусталиковая плакода, отическая плакода, серии плакод боковой линии, profundal и trigeminal плакоды и серия эпибранхиальных плакод (Fig. 1B). Плакоды боковой линии вторично были утеряны у рада позвоночных, включая амниот. Разные плакоды отличаются др. от др. расположением. способом развития и продуцируемыми типами клеток (fsee rev.Webb and Noden 1993; Baker and Bronner-Fraser 2001; Schlosser 2005, 2006; Bailey and Streit 2006). Аденогипофизная плакода развивается в переднюю часть гипофиза с 6 типами нейросекреторных клеток, участвующих в гормональном контроле роста, репродукции и др. важных функциях тела. Обонятельные плакоды дают эпителий носа с его обонятельными и vomeronasal сенсорными клетками. Они являются первичными сенсорными клетками, которые формируют аксоны, составляющие обонятельный и vomeronasal нервы. Кроме того, обонятельные плакоды дают также клетки, которые мигрируют прочь из плакоды в средний мозг, включая глиальные клетки и клетки, продуцирующие нейропептиды, такие как gonadotropin releasing hormone (GnRH). Хрусталиковая плакода развивается в хрусталик глаза, состоит из клеток, становящихся прозрачными за счет накопления различных crystallin белков. Отическая плакода дает все внутреннее ухо, включая полосковые клетки и поддерживающие клетки слуховой и вестибулярной сенсорных областей. Волосковые клетки являются вторичными сенсорными клетками, которые не обладют аксонами. Они иннервируются сенсорными нейронами vestibulocochlear ганглия, который также происходит из отической плакоды. Сходным образом плакоды боковой линии дают механосенсорные и электросенсорные рецепторные органы системы боковых линий, скорее всего состоящих из волосковых клеток и поддерживающих клеток, а также сенсорных нейронов ганглиев латеральных линий. которые иннервируют эти рецепторы, формируя тем самым нервы латеральной линии. Profundal и trigeminal плакоды, также как и эпибранхиальные плакоды вносят вклад сенсорных нейронов в ганглии profundal и trigeminal, facial, glossopharyngeal и vagal краниальных нервов; др. субпопуляция сенсорных нейронов в этих краниальных ганглиях происходит из нервного гребня. Несмотря на эти различия в судьбе, имеются некоторые общие аспекты развития плакод. В частности плакодные клетки имеют тенденцию подвергаться различным изменениям клеточной формы во время своего развития, напр., во время установления плакодных утолщений, инвагинации плакод (в аденогипофизной, обонятельной, хрусталиковой и отической плакодах) или миграции глии, нейросекреторных и нервных клеток прочь от плакод (во всех случаях за исключением хрусталиковых плакод). Более того, за исключение аденогипофизных и хрусталиковых плакод, все плакоды являются нейрогенными, т.е. они индуцируют нейроны среди своих производных типов клеток. Недавно было предположено, что эти общие аспекты развития плакод обусловлены в основном не поверхностным сходством, а скорее отражают общую программу развития, характерную для всех плакод (Torres and Gira'ldez 1998; Baker and Bronner-Fraser 2001; Streit 2004; Schlosser and Ahrens 2004; Schlosser 2005Go, 2006; for a different view, see Graham and Begbie 2000; Begbie and Graham 2001). Эта гипотеза подтверждается сочетанием двух типов доказательств. Во-первых, карты судеб многих разных позвоночных показали, что разные плакоды возникают из области общего предшественника (преплакодной области), расположенной вокруг передней части нервной пластинки в наружных нервных складках и соседней эктодерме (Carpenter, 1937; Kozlowski et al. 1997; Streit 2002; Bhattacharyya et al. 2004). Во-вторых, эта область предшественников уже предназначена для общего плакодного развития и, следовательно, в самом деле, представлена общим примордием для всех плакод (panplacodal primordium). Это подтверждается экспрессией ряда транскрипционных факторов (Fig. 1A, C, and D), которая позднее сохраняется во всех или большинстве плакод и регулирует различные аспекты их развития (reviewed by Schlosser 2006). Более того, эктодерма преплакодной области предрасположена адаптировать определенного типа плакодные судьбы, как показывают трансплантационные эксперименты у разных позвоночных. Они показали, что по сравнению с др. типами эктодермы (напр., проспективной эпидермальной эктодермы) эктодерма из различных частей преплакодной области с большей готовностью воспринимает определенную плакодную судьбу (напр., отической плакоды), будучи трансплантированной на территорию этой плакоды или когда подвергается воздействию локальных сигналов, необходимых для её индукции (rev. Streit 2004; Bailey and Streit 2006; Schlosser 2006). Наиболее четко это было продемонстрировано недавно на эмбрионах кур, где только эктодерма из, но не извне преплакодной области была способна экспрессировать маркеры отической плакоды в ответ на действие fibroblast growth factors (FGFs), которое служит отическим индуктором (Martin and Groves 2006). Др. недавние эксперименты на курах показали, что эктодерма всей преплакодной области, но не вне её, способна развиваться в хрусталиковую ткань, независимо от того подвергается ли она воздействию дополнительных сигналов (Bailey et al. 2006). Это указывает на то, что первоначально и в самом деле имеется общее преплакодное состояние, общее всей преплакодной эктодерме до того как разные субрегионы будут дивергировать и становиться разными плакодами. Как уже упоминалось преплакодная область экспрессирует ряд транскрипционных факторов, которые позднее сохраняются в плакодах. Многие из этих транскрипционных факторов экспрессируются только в субрегионах преплакодной области или экспрессируются в др. областях эктодермы, также как и являются, следовательно, неодинаково специфически предетерминированы к содействию приобретения общих плакодных свойств (rev. Schlosser 2006). Эктодермальная экспрессия небольшого количества транскрипционных факторов, однако предназначена в основном для преплакодной области и затрагивает всю её протяженность, наиболее заметными являются факторы из семейств Six и Eya, гомологи генов Drosophila sine oculis и eyes absent , соотв. (Fig. 1A, C, and D). Паттерны экспрессии и молекулярные взаимодействия этих генов изучены достаточно хорошо (Kawakami et al. 2000; Pappu and Mardon 2004; Streit 2004; Silver and Rebay 2005; Rebay et al. 2005; Schlosser 2005Go, 2006). Имеются обычно 4 члена семейства Eya у позвоночных (Eya1-4), тогда как имеются три подсемейства Six генов (Six1/2, Six4/5, Six3/6), обычно с двумя членами в каждом у позвоночных. Паттерны экспрессии разных Eya и Six генов слегка отличаются у разных позвоночных, но в целом, по крайней мере, Eya гены и гены подсемейств Six1/2 и Six4/5 первоначально экспрессируются в преплакодной области и позднее сохраняются в различных плакодах (Schlosser and Ahrens 2004). Гены подсемейства Six3/6 имеют иной паттерн экспрессии (в передних частях преплакодной области и в передней части нервной пластинки). В то время как Six гены кодируют транскрипционные факторы со способностью непосредственно связывать ДНК, гены Eya кодируют белки, которые влияют на транскрипцию косвенно путем соединения с др. белками. В частности, Eya белки непосредственно взаимодействуют с Six транскрипционными факторами и с рядом др. белков (таких как Dach) в общем сложном транскрипционном комплексе (Pignoni et al. 1997; Ohto et al. 1999; Ikeda et al. 2002; Li et al. 2003). Six, Eya и Dach гены также участвуют в перекрестно-регуляторных взаимодействиях др. с др. и с генами Pax. Наличие определенного типа генетических взаимодействий между Pax, Six, Eya, и Dach генами, по-видимому, эволюционно законсервировано у животных с билатеральной симметрией, но детали сети отличаются между разными доменами экспрессии и у разных таксонов (rev. Relaix and Buckingham 1999; Hanson 2001; Donner and Maas 2004; Silver and Rebay 2005). Мутации генов Eya1 и Six1 известны у людей, мышей и рыбок данио и они в основном обнаруживают очень сходный спектр нехваток, отражающих их ко-экспрессию и синергичные функции в разных тканях. Наиболее наглядно, что Eya1 и Six1 мутанты обладают широким диапазоном нехваток в разных плакодах, подтверждая. что они важные регуляторы плакодного развития. Т.к. они, по-видимому, особенно затрагивают процессы развития, такие как клеточная пролиферация, апоптоз, морфогенез и нейрогенез, которые играют роль в во время развития большинства, если не всех плакод и широко экспрессируются в разных плакодах, они на сегодня наиболее подходящие кандидаты на роль генов, участвующих в генерации общих плакодных свойств у позвоночных. Чтобы выявить эту предполагаемую центральную роль генов Six и Eya для плакодного развития, мы выяснили, с одной стороны, как эти гены индуцируются в преплакодной эктодерме в соответствующие время и месте, и, с др. стороны, как гены Six и Eya влияют и способствуют преплакодному развитию. Induction of Six and Eya genes in pre-placodal ectoderm Eya гены и гены подсемейств Six1/2 и Six4/5 (далее обозначаемые как panplacodal гены) индуцируются на стадии ранней нервной пластинки в преплакодной области. Ткани и сигналы, ответственные за их индукцию, были исследованы эмбрионов кур и Xenopus (McLarren et al. 2003; Woda et al. 2003; Brugmann et al. 2004; Glavic et al. 2004; Ahrens and Schlosser 2005; Litsiou et al. 2005). Как дорсолатеральная эндомезодерма, подлежащая под преплакодной эктодермой, так и передняя часть нервной пластинки, соседняя с ней, необходимы для индукции различных панплакодных генов у Xenopus и у кур (Ahrens and Schlosser 2005; Litsiou et al. 2005). Более того, транспланты нервной пластинки или дорсолатеральной эндомезодермы способны индуцировать некоторые панплакодные гены эктопически в не-нейральной эктодерме эмбрионов Xenopus и кур (Woda et al. 2003; Glavic et al. 2004; Ahrens and Schlosser 2005; Litsiou et al. 2005). Итак, нервная пластинка и дорсолатеральная эндомезодерма являются важными источниками индуктивных сигналов для индукции панплакодных генов в преплакодной области, хотя точная роль этих тканей, по-видимому, несколько отлична у разных видов. Три класса секретируемых белков участвуют в индукции этих генов в преплакодной области: bone morphogenetic proteins (BMPs), FGFs и Wnts. Во-первых, высокие уровни BMPs, как было показано, супресируют индукцию Six1 у Xenopus, тогда как ингибиторы передачи сигналов BMP расширяют домены экспрессии различных панплакодных генов у эмбрионов Xenopus и кур без индукции их эктопической экспрессии (Brugmann et al. 2004; Glavic et al. 2004; Ahrens and Schlosser 2005; Litsiou et al. 2005). Ингибирование передачи сигналов BMP (вызванное ингибиторами BMP, которые снижают эффективные концентрации BMP путем секвестрации свободных BMP белков), по-видимому, является предварительным условием для собственно индукции панплакодных генов у эмбрионов, т.к. BMP гены, как известно, экспрессируются на относительно высоких уровнях в преплакодной области на ст. ранней нервной пластинки (Fainsod et al. 1994; Streit et al. 1998). Как это происходит не совсем понятно, но ингибитор BMP Cerberus является многообещающим кандидатом, т.к. он экспрессируется в подлежащей эндомезодерме в соотв. время (Bouwmeester et al. 1996). Некоторые исследования подтвердили, что промежуточные уровни BMPs в противоположность могут быть необходимы для индукции панплакодных генов (Brugmann et al. 2004; Glavic et al. 2004), но эксперименты с трансплантатами у Xenopus говорят против градиентной модели (Ahrens and Schlosser 2005). FGFs представляют второй класс сигналов, необходимых для индукции панплакодных генов. У Xenopus, FGF8, необходим для индукции Six1 и вместе с BMP ингибиторами достаточен, чтобы активировать его эктопически в эктодерме ростральной части живота (Ahrens and Schlosser 2005).У кур FGFs способны индуцировать некоторые панплакодные гены (Eya2) непосредственно, тогда как др. (Six4) только после активации с помощью сигналов FGF, сопровождаемых антагонистами BMP и Wnt (Litsiou et al. 2005). Как передняя часть нервной пластинки, так и дорсолатеральная эндомезодерма являются известными источниками FGF сигналов, но распределение различных FGFs отличается у разных позвоночных. Напр., у Xenopus (но не у кур), FGF8 строго экспрессируется в передней части нервной пластинки и отсутствует в ростральной части дорсолатеральной эндомезодермы, делая первую наиболее вероятным источником сигналов FGF, участвующих в индукции панплакодных генов (Ahrens and Schlosser 2005). Третий класс сигналов, участвующих в индукции панплакодных генов, это Wnts. Каноническая передача сигналов Wnt (обеспечиваемая с помощью внутриклеточного белка β-catenin и Lef/Tcf транскрипционных факторов) супрессирует индукцию панплакодных генов у Xenopus и кур, т.к. ингибирование канонической передачи сигналов Wnt приводит к их экспрессии (Brugmann et al. 2004; Litsiou et al. 2005). На стадии нервной пластинки канонические Wnt сигналы активны в туловище эмбриона, но секвестрированы в голове ингибиторами Wnt, секретируемыми эндомезодермой и нервной пластинкой (Litsiou et al. 2005; Bailey and Streit 2006; Schlosser 2006). Это указывает на то, что Wnt сигналы и их ингибиторы могут критически участвовать в ограничение индукции панплакодных генов в голове. Итак, представленные доказательства показывают. что панплакодные гены индуцируются в эктодерме с помощью сочетания BMP ингибиторов, FGFs и Wnt ингибиторов. испускаемых их передней части нервной пластинки и дорсолатеральной эндомезодермы (Fig. 1E). Однако не все регионы эмбриональной эктодермы одинаково чувствительны к этим сигналам. У Xenopus, компетентность эктодермы отвечать на эти сигналы экспрессией панплакодных генов ограничена не-нейральной эктодермой (т.e., эктодермой вне доменов нервной пластинки и нервного гребня) и отсутствует в нейральной эктодерме (Ahrens and Schlosser 2005). Напротив эктодермальная компетентность индукции нервного гребня, по-видимому, ограничена нервной эктодермой (Ahrens and Schlosser, unpublished observations; Schlosser 2006). Молекулярные механизмы, лежащие в основе этих различий в компетентности эктодермы пока неясны, хотя транскрипционные факторы Dlx- и GATA-семейств, которые ограничены не-нейральной эктодермой, безусловно играют в этом роль (rev. Schlosser 2006). Дифференциальное распределение компетентности эктодермы может быть важным для точного позиционирования преплакодной области латеральнее нервной пластинки и нервного гребня (модель бинарной компетентности) (Ahrens and Schlosser 2005; Schlosser 2006). Альтернативная модель (модель пограничного состояния нервной пластинки) (McLarren et al. 2003; Woda et al. 2003; Brugmann et al. 2004; Glavic et al. 2004; Litsiou et al. 2005) для объяснения точного положения разных эктодермальных доменов предполагает. что эктодерма на границе с нервной пластинкой первоначально индуцируется, чтобы сформировать специальное пограничное состояние, которое позднее подразделяется на нервный гребень и преплакодные домены в зависимости от концентраций различных сигнальных молекул, таких как Wnts. Необходимо больше данных для выбора между этими моделями. "Binary competence model" предпочтительнее "neural-plate border-state model" благодаря доказательствам дифференциального распределения компетентности у Xenopus, но верно ли это также и для эмбрионов кур или др. позвоночных предстоит установить. Всё ещё неясно, как различные сигнальные каскады и факторы компетентности кооперируют. чтобы активировать транскрипцию панплакодных генов. Недавно, однако , идентифицированы 6 независимых энхансеров генов Six1 и Six4 у мышей; они управляют экспрессией этих генов во всей преплакодной области, также и в различных субнаборах плакод (Sato et al. 2005). Молекулярное вычленение этих цис-регуляторных элементов может помочь выяснить, какие вышестоящие сигнальные пути и транскрипционные факторы непосредственно участвуют в регуляции Six1 и Six4 транскрипции в преплакодной эктодерме и как они интегрируются. Promotion of placodal development by Six and Eya genes Как панплакодные Eya гены и гены подсемейств Six1/2 и Six4/5 обеспечивают развитие плакод у позвоночных? Информация о роли эти х генов в основном получена благодаря дефициту плакод у мутантов Six1 и Eya1 людей, мышей и рыбок данио и недавно благодаря нокдауну и избыточной экспрессии этих генов у Xenopus и рыбок данио, (Abdelhak et al. 1997; Xu et al. 1999; Laclef et al. 2003; Zheng et al. 2003; Li et al. 2003; Ozaki et al. 2004; Zou et al. 2004; Brugmann et al. 2004; Ruf et al. 2004; Kozlowski et al. 2005; Friedman et al. 2005; Nica et al. 2006; Bricaud and Collazo 2006; reviewed by Schlosser 2005Go, 2006). Six4 мутанты известны также у мышей, но они не обнаруживают драматической нехватки плакод (Ozaki et al. 2001). Это может быть обусловлено способностью Six1 функционально компенсировать потерю Six4 до некоторой степени, на что указывают усиленные плакодные нехватки у Six1/Six4 двойных нокаутных мышей (Grifone et al. 2005; Konishi et al. 2006). Многие плакодные производные у мутантов Eya1 или Six1 меньше и часто сильно редуцированы в размере. Сюда входят внутреннее ухо, vestibulocochlear ганглии, происходящие из отической плакоды, обонятельный эпителий, происходящий из обонятельных плакод, зачатки боковой линии, происходящие из плакод боковой линии, profundal и trigeminal ганглии, происходящие из profundal и trigeminal плакод, и дистальные ганглии лицевого, языкоглоточного и вагусного нервов, происходящие из эпибранхиальных плакод. Передняя часть гипофиза относительно нормальна у одиночных мутантов, но гипертрофичная у Six1/Eya1 двойных мутантов (Li et al. 2003). Это уменьшение часто обусловлено или снижением скорости клеточной пролиферации или уси лением апоптоза или обоих, указывая тем самым, что Eya1 и Six1 обычно способствуют пролиферации и ингибируют апоптоз. Eya1 и Six1 способствуют пролиферации благодаря взаимодействию с генами контролирующими клеточный цикл, такими как CyclinA1, CyclinD1, and c-Myc (Ford et al. 1998; Li et al. 2003; Coletta et al. 2004; Yu et al. 2006); как они влияют на апоптоз, неизвестно. Помимо уменьшения в размерах Eya1 и Six1 мутанты часто обнаруживают аномальный морфогенез производных плакод Напр., полукружные каналы и канал улитки собственно не образуются и очень мало нейрональных предшественников во внутреннем ухе отделяются от нейрогенных плакод. У мутантов морфогенетические движения также нарушаются во время развития др. тканей, в которых Eya1 и Six1 экспрессируются, включая фарингеальные карманы и их производные (тимус), почки и мышцы (Xu et al. 1999Go, 2002Go, 2003; Laclef et al. 2003; Grifone et al. 2005; Zou et al. 2006). Интересно, что Six1 , как недавно было показано, непосредственно активирует транскрипцию Ezrin, белка, который связывает цитоскелет с плазматической мембраной и может влиять на форму и подвижность клеток. Более того, Six1 способствует метастазированию раковых клеток Ezrin-зависимым способом (Yu et al. 2004, 2006). Всё это указывает на то, что Six1 и Eya1 могут также участвовать в обеспечении изменений клеточной формы во время развития плакод, напр., во время инвагинации и расслоения, но механизмы пока неизвестны. Наконец, дифференцировка нейронов и сенсорных клеток, а также определенные др. пути цитодифференцировки оказываются под угрозой в производных плакод у Eya1 и Six1 мутантов. Уменьшение количества происходящих из плакод нейронов и сенсорных клеток, наблюдаемое у мутантов Eya1 и Six1, может быть частично объяснено их эффектами на пролиферацию и жизнеспособность. Однако растут доказательства, что Eya1и Six1 влияют также на цитдифференцировку более непосредственно. Напр., рыбки данио, которые несут мутацию Eya1, дефицитны по цитодифференцировке в ряде нейросекреторных клеточных клонов в переденй части гипофиза, происходящей из аденогипофизарной плакоды в отсутствие апоптоза (Nica et al. 2006). Более того, гены нейрональной детерминации и дифференцировки, такие как Neurogenin1, Neurogenin2, Atonal1 и NeuroD, которые необходимы для дифференцировки нейронов и сенсорных клеток из olfactory, profundal, trigeminal, epibranchial и отических плакод, как было показано редуцированы у мутантов или после нокдауна белков у мышей и рыбок данио (Xu et al. 1999; Zheng et al. 2003; Zou et al. 2004; Friedman 2005; Ikeda et al. 2006; Bricaud and Collazo 2006). Это указывает на то, что Six1 и Eya1 необходимы для дифференцировки плакодный нейронов и сенсорных клеток. Недавние эксперименты по избыточной и недостаточной функции у Xenopus подтвердили, что Eya1 и Six1 синергично способствуют формированию пролиферативных нейрональных предшественников в нейрогенных плакодах (характеризующихся низким уровнем экспрессии Sox3), но д. быть подавлены. чтобы сделать возможной терминальную дифференцировку нейронов (Brugmann 2005; Vo"lker, Stammler, and Schlosser). Кроме того, избыточная экспрессия и нокдаун Six1 и Eya1 у Xenopus также затрагивают экспрессию др. транскрипционных факторов с более широко распространенной плакодной экспрессией (Brugmann et al. 2004). Пока идентифицированы немногие прямые мишени генов Six1 и Eya1. Поэтому всё ещё неясно, какие из наблюдаемых у них эффектов на цитодифференцировку обусловлены их непосредственным взаимодействием с генами детерминации и генами дифференцировки (как недавно было установлено для гена Drosophila нейрональной детерминации atonal; Zhang et al. 2006), и какие эффекты, скорее всего, отражают модуляции генной экспрессии различных транскрипционных факторов и сигнальных молекул, участвующих в формировании паттерна и регионализации плакод (Ozaki et al. 2004; Friedman et al. 2005). В предыдущих параграфах дан лишь краткий обзор эффектов мутаций Eya1 и Six1 и неизбежно приукрашивание отклонений от генерального паттерна, так что лишь немногие предостережения могут быть сделаны. Во-первых, разные виды позвоночных обычно, но не всегда, обнаруживают сходные плакодные нехватки после потери функции Six1 или Eya1. Напр., краниальные ганглии, происходящие из эпибранхиальных плакод не затрагиваются после потери функции или Eya1 или Six1 (Kozlowski et al. 2005; Bricaud and Collazo 2006), тогда как они строго редуцированы или отсутствуют у мышей, мутантных по Eya1 или Six1 (Xu et al. 1999; Zheng et al. 2003; Zou et al. 2004). Во-вторых, в то время как Eya1 и Six1 в целом экспрессируются сходным образом и имеют сходные мутантные фенотипы, в плакодах это не всегда имеет место. Напр., потеря активности Six1 у рыбок данио ведет только к редукции количества клеток, но не влияет на спецификацию клонов в передней части гипофиза в противоположность Eya1 (Nica et al. 2006). В-третьих, часто Six1 и Eya1 затрагивают процессы развития, такие как пролиферация, апоптоз, морфогенез или нейрогенез, сходным образом в разных частях плакод, но имеются исключения. Напр., у рыбок данио (но не у мышей) Six1 оказывает противоположные эффекты на два клеточных клона, происходящие из отической плакоды. В то время как он способствует пролиферации и ингибирует апоптоз в волосковых клетках, он ингибирует пролиферацию и способствует апоптозу в нейронах vestibulocochlear ганглия (Bricaud and Collazo 2006). Некоторые из этих различий между функциями Eya1 и Six1 в разных плакодах или видах могут быть обусловлены существованием множественных паралогов генов из подсемейств Six1/2 и Six4/5 и генов семейства Eya у позвоночных результата геномных удвоений и возможно ещё большего количества паралогов у рыбок данио из-за дополнительного раунда геномных удвоений в ветви костистых рыб (Meyer and van de Peer 2005). Это открывает возможность дифференциального сохранения некоторых родоначальных функций. но не др. у разных паралогов и разных ветвей позвоночных (Force et al. 1999). Др. отличия могут быть связаны со специфичными для плакод модификацями функций этих генов, которые могут замещать их первоначально сходные роли во всех плакодах. Это может происходить, напр., при дифференциальной экспрессии кофакторов, которые соединяются с Six1 или Eya1. И Six и Eya белки, как известно, взаимодействуют с рядом др. белков, которые модулируют их активность, а Six транскрипционные факторы могут действовать или как транскрипционные активаторы или транскрипционные репрессоры, в зависимости от их партнеров по связыванию (Kobayashi et al. 2001; Zhu et al. 2002; Lo'pez-Rios et al. 2003; Li et al. 2003Go, 2004; Silver et al. 2003; Brugmann et al. 2004; Kenyon et al. 2005). Несмотря на эти различия в деталях, баланс доступных доказательств указывает на то, что по крайней мере Six1 и Eya1 (и возможно др. Six1/2, Six4/5 и Eya гены также) способствуют сходным онтогенетическим процессам в разных плакодах позвоночных и тем самым могут контролировать общие плакодные свойства, одинаковые у разных плакод. Их индукция в преплакодной эктодерме может таким образом насыщать эту область склонностью к развитию в некий тип плакод. Плакод-специфичные пути дифференцировки и морфогенеза могут затем контролироваться с помощью др. транскрипционных факторов с более ограниченной экспрессией (rev. Schlosser 2006). Evolutionary origin of the new role of Six and Eya genes in the development of vertebrate placodes Six and Eya are ancient metazoan genes. Гомологи гена Eya идентифицированы у растений (Takeda et al. 1999) , а гомологи Six генов присутствуют у губок (Bebenek et al. 2004). Имеются три разных подсемейства Six генов (Six1/2, Six4/5, Six3/6) возвращающих нас назад, по крайней мере, к общему родоначальнику кишечнополостных и животных с билатеральной симметрией (Kawakami et al. 2000; Stierwald et al. 2004; Bebenek et al. 2004). Однако большинство беспозвоночных, включая protochordates, имеют только один ген Eya и по одному члену в каждом из трех подсемейств Six, указывая тем самым, что дупликации этих генов в четыре Eya гена и в два члена в каждом Six подсемействе произошли только в ветви позвоночных (Xu et al. 1997; Duncan et al. 1997; Borsani et al. 1999; Kawakami et al. 2000; Bebenek et al. 2004; Mazet et al. 2005). Какие онтогенетические роли выполняли Six1/2, Six4/5 и Eya гены у родоначальных вторичноротых (deuterostomes) и как эти роли изменились у родоначальников хордовых и позвоночных, приведя в конечном итоге к центральной роли этих генов в развитии плакод у позвоночных? Для приобретения центральной роли этих генов в развитии плакод у позвоночных необходимо (1) собственно их индукция в эктодерме на границе с нервной пластинкой и (2) их способность управлять общими онтогенетическими процессами плакод, такими как пролиферация, изменения клеточной формы и определенные пути цитодифференцировки (напр., нейрогенез). Мы сможет ответить на поставленный вопрос, если привлечен эти вышестоящие и нижестоящие связи Six и Eya генов. Т.к. данные по экспрессии и функции этих генов получены только в немногих таксонах, то сегодня мы можем только попытаться дать предварительный ответ, который может быть пересмотрен с появлением дополнительной информации. Однако прежде чем рассмотреть изменения ролей генов Six и Eya необходимо коротко остановиться на дискуссии филогении вторичноротых, поскольку филогенетические изменения в функции генов могут быть вычленены только учитывая существующую филогенетическую гипотезу. Большая часть традиционной точки зрения на филогению metazoan была пересмотрена в последнюю декаду в свете новых молекулярных данных. В частность взаимоотношения вторичноротых были драматически ре-интерпретированы в последние несколько лет. Я только кратко представлю новый взгляд на взаимоотношения вторичноротых без обсуждения деталей доказательств (см. Blair and Hedges 2005; Philippe et al. 2005; Bourlat et al. 2006; Delsuc et al. 2006). Вторичноротые обычно рассматриваются как монофилетическая группа, которая является сестринской группой также же монофилетических первичноротых. Вместе deuterostomes и protostomes представляют собой bilateria. Внутри deuterostomes, полухордовые и иглокожие являются сестринскими группами и вместе с образуют Ambulacraria, которые возможно вместе с загадочными Xenoturbellida представляют Xenambulacraria. Их сестринский clade представляет хордовых, которые также являются монофилетической группой. Внутри хордовых urochordates (представленные ascidians, larvaceans и thaliaceans) представляют сегодня - в противовес давней традици - предположительно ближайших родственников позвоночных, где cephalochordates, по-видимому, являются сестринским таксоном urochordate/vertebrate clade (Fig. 2B). Recruitment of Six and Eya genes to the neural-plate border during deuterostome evolution Когда во время эволюции deuterostome гены Six1/2, Six4/5 и Eya оказываются рекрутированными на не-нейральную эктодерму на границе с передней частью нервной пластинки? Чтобы ответить на этот вопрос, прежде необходимо рассмотреть происхождение самой нервной пластинки. Т.к. развитие ЦНС Drosophila и позвоночных обнаруживает множественные сходства в паттернах генной экспрессии и позиционирована она сходно по отношению системы формирования дорсо-вентрального паттерна (принадлежит областям с низкими концентрациями BMP внутри градиента BMP, устанавливающегося вдоль дорсо-вентральной оси) , было предположено, что гомологичные структуры происходят из общего предшественника (Arendt and Nu"bler-Jung 1996Go, 1999; Hirth et al. 2003; Lichtneckert and Reichert 2005). Соогласно этому мнению родоначальник Urbilaterian уже должен был обладать вентральной областью нейрогенной эктодермы, которая впоследствии стала давать как вентрально ограниченную нейрогенную эктодерму у protostomes, так и - после инверсии дорсо-вентральной оси - дорсально ограниченную нейрогенную эктодерму у хордовых, т.e., нервную пластинку. Эта интерпретация указывает на присутствие - возможно, подобной нервной пластинке - централизованного нейрогенного домена уже у родоначальника deuterostome. Однако ни полухордовые, ни иглокожие не имеют нервной пластинки. Вместо этого они формируют довольно диффузную нервную сеть из нервных предшественников, разбросанных по всей эктодерме. У полухордовых практически вся эктодерма является нейрогенной (Bullock 1945, Benito and Pardos, 1997; Lowe et al. 2003). Отсутствие нервной пластинки в этих таксонах может быть конечно обусловлено вторичной потерей. Однако диффузная нервная сеть и отсутствие централизованного нейрогенного домена в эктодерме обнаружено также во многих protostomian phyla и у кишечнополостных, это делает более вероятным то, что это является родоначальной ситуацией для bilaterians, protostomes и deuterostomes (rev. Roth and Wullimann 1996; Holland 2003). Согласно последнему сценарию централизованные нейрогенные домены возникают несколько раз независимо в эволюции metazoan и нервная пластинка специфически возникает у хордовых (Lowe et al. 2003Go, 2006; Gerhart 2006). Гнзвисимо от того, какой сценарий верен, Six1/2, Six4/5 и Eya гены скорее всего не были специфически локализованы в не-нейральной эктодерме по соседству с доменом предшественника ЦНС у родоначальника вторичноротых. Во-первых, они не локализованы специфически на границе нейрогенной эктодермы у Drosophila или др. protostomes. Во-вторых, экспрессия гена Six1/2 у полухордовых (экспрессия Eya или Six4/5 не была описана) ограничивается небольшой полоской в переднем mesosome и в выступающем домене в фарингеальных щелях, где он в основном или исключительно энтодермальный (Gerhart 2006; Lowe, Gerhart, and Kirschner). Позднее экспрессия, по-видимому, наблюдается у будущего родоначальника deuterostomes, т.к. экспрессия Six1/2 и/или Eya в фарингеальной энтодерме и в областях, где формируются фарингеальные щели наблюдается также у urochordates (Bassham and Postlethwait 2005; Mazet et al. 2005;), cephalochordates (Kozmik et al. 2007) и позвоночных (Xu et al. 2002; Zou 2006). Происходила ли также экспрессия генов Six1/2, Six4/5 и Eya в частях эктодермы родоначальника deuterostome пока неясно. Данные по hemichordate показывают, что Six1/2 отсутствует в большей части эктодермы, включая и большинство нейрональных предшественников of возможным исключением небольшой области mesosome и вокруг фарингеальных щелей, но экспрессия генов Eya и Six1/2 в некоторых нейронах у хордовых и у многих protostomes вместе с недавними сообщениями о экспрессии Eya а нейронах морского ежа (Burke et al. 2006) указывает на то. что эти гены экспрессируются в субнаборе разбросанных возникающих из эктодернмы нейронов у родоначальника deuterostome (см. ниже). Больше изсетно об экспрессии этих генов у cephalochordates и urochordates (Fig. 2A). У amphioxus (Kozmik et al. 2007), Six1/2, Six4/5 и Eya экспрессируются в фарингеальной энтодерме (включая зачатки фарингеальных щелей, рта и Hatschek's левого дивертикула) т в разных частях мезодермы. Six4/5 и Eya экспрессируются также в немногих доменах нервной пластинки и ЦНС (включая регионы, которые дают реснитчатые и rhabdomeric фоторецепторы). В не-нейральной эктодерме экспрессируются только Six1/2 и Eya в немногих разбросанных клетках, которые могут быть предшественниками для субнабора эпидермальных сенсорных клеток. Однако ни один из этих генов не экспрессируется в не-нейральной эктодерме по соседству с границей нервной пластинки. У ascidians, Six1/2, Six4/5 и Eya также экспрессируются в различных энтодермальных и мезодермальных доменах (Mazet et al. 2005). В противоположность amphioxus, однако и Six1/2 и Eya (но не Six4/5) также строго экспрессируются в не-нейральной эктодерме рядом с передней частью границы нервной пластинки. Six1/2 и Eya экспрессия в передней части не-нейральной эктодермы появляется как древний признак urochordate, т.к. он также обнаруживается у larvaceans (хотя экспрессия на стадии нервной пластинки не описана; Bassham and Postlethwait 2005). Всё вместе указывает на то, что Six1/2 и Eya гены были рекрутированы в не-нейрональную эктодерму на границе с передней частью нервной пластинки в ветви urochordate/vertebrate после отщепления от cephalochordates, Six4/5 гены возможно даже позднее. Сначала было предположено, что новый домен эктодермальной экспрессии генов Six1/2, Six4/5 и Eya может быть связан с экспансией и приобретением независимой регуляции от родоначального домена экспрессии в фарингеальной энтодерме (Schlosser 2005). Альтернативно, клетки, экспрессирующие Six1/2 и Eya (и возможно Six4/5) которые первоначально были разбросаны по всей эктодерме, могут оказаться сконцентрированными в передней части не-нейральной эктодермы путем становления зависимой от комбинации индукторов, ограниченных этой областью. К сожалению, мы не можем сегодня выбрать между этими сценариями, т.к. ничего неизвестно о вышестоящих индукторах и регуляторах экспрессии Six и Eya генов у amphioxus или ascidians. Acquisition of new functions by Six and Eya genes during deuterostome evolution Рассмотрев эволюционное происхождение новых доменов экспрессии Six1/2, Six4/5 и Eya генов по соседству с границей передней части нервной пластинки у deuterostomes, обратимся ко второму вопросу. Когда во время эволюции deuterostome эти гены приобретают способность регулировать онтогенетические процессы, типичные для плакод позвоночных, напр.. пролиферацию, изменения клеточной формы и в особенности пути цитодифференцировки (напр.. нейрогенеза)? На этот вопрос ответитть труднее и ответ будет зависит от того, напоминает ли ситуация у существующих hemichordates родоначальные условия у deuterostomian или она приобретена вторично. Как уже упоминалось у hemichordates разбросанные нейроны происходят изо всей эктодермы, в которой Six1/2 не экспрессируются. Итак, если ныне существующие hemichordates сохраняют родоначальное euterostome состояние, то, Six1/2- и возможно Six4/5 и Eya гены также - первоначального не играют важной роли в регуляции нейрогенеза у родоначальника вторичноротых. Вместо этого они могут участвовать в регуляции различных аспектов формирования жаберных щелей и исходя из консервативности экспрессии этих генов в фарингеальной энтодерме у хордовых, эта функция возможно сохраняется у хордовых. В самом деле, млекопитающих. мутантных по Six1 и Eya1, формирование паттерна и морфогенез глоточных карманов аномальны, апоптоз усилен и некоторые производные фарингальных карманов (напр., тимус) не развиваются (Xu et al. 2002; Laclef et al. 2003; Ozaki et al. 2004; Zou et al. 2006). Интересно, что Six и Eya гены, как было установлено, регулируют апоптоз и морфогенетические движения в развивающихся компаундных глазах Drosophila и их экспрессия ассоциирует с различными регионами, где происходят изменения клеточной формы у ряда protostomes и deuterostomes (Cheyette et al. 1994; Serikaku and O'Tousa 1994; Bonini et al. 1993Go, 1998; Pignoni et al. 1997; Seo et al. 1999; Arendt et al. 2002; Stierwald et al. 2004; Mazet et al. 2005; Bassham and Postlethwait 2005; Kozmik et al. 2007). Это указывает на то, что обеспечение изменений клеточной формы может быть одной из наиболее эволюционно важных клеточных функций этих генов, хотя сегодня ничего неизвестно о используемых механизмах. Хотя сегодня нет доказательств роли Eya или Six1/2 в нейрогенезе у hemichordates, паттерны экспрессии совместимы с ролью в развитии некоторых нейронов и нейросекреторных клеток у protochordates (Fig. 2A). В противоположность hemichordates, Eya и Six1/2 гены экспрессируются в немногих разбросанных эктодермальных клетках у amphioxus, которые, как полагают, являются предшественниками для субнабора эпидермальных сенсорных клеток и могут быть или хеморецепторами или механорецепторами (Kozmik et al. 2007). Однако многие др. сенсорные клетки и нейроны у amphioxus (rev. Holland and Holland 2001; Lacalli 2004; Holland 2005; Schlosser 2005) возникают из регионов генеральной эктодермы, лишенной экспрессии Eya, Six1/2 и Six4/5. Секреторные клетки Hatschek's ямки, которые являются иммунопозитивными по некоторым гонадотропинам и нейропептидам, обнаружены в аденогипофизе позвоночных (rev. Schlosser 2005), также, по-видимому, происходят из ткани, экспрессирующей Eya и Six1/2 у amphioxus, см. Hatschek's левый дивертикул, который является, однако , энтодермальной структурой (Kozmik et al. 2007). Напротив, у urochordates все нейросекреторные клетки, иммунопозитивные по аденогипофизным гормонам, возникают из передней части нервной пластинки, а не из эктодермы, экспрессирующей Six1/2 и Eya и соседствующей с нею (rev. Schlosser 2005), указывая тем самым, что urochordates могут терять Hatschek's-pit-подобный ростральный нейросекреторный орган. Однако различного типа сенсорные клетки (rev. Bone and Mackie 1982; Holland 2005; Mackie and Burighel 2005; Schlosser 2005), по-видимому, происходят из областей экспрессии Six1/2 и Eya . Механорецептивные клетки коронарного органа асцидий и сходные клетки circumoral органа larvaceans (вторичные сенсоные клетки без аксонов) происходят из домена экспрессии генов Six1/2 и Eya в передней части не-нейральной эктодермы, как это делают хемосенсорные нейроны вентрального органа у larvacean (первичные сенсорные клетки с аксонами) (Bassham and Postlethwait 2005; Mazet et al. 2005). Кроме того, клетки Langerhans у larvaceans, специализированный тип вторичных механосенсорных клеток, экспрессирует Eya, но не Six1/2 (Bassham and Postlethwait 2005). У асцидий Eya, Six1/2 и Six4/5 также экспрессируются в эктодерме атриального зачатка, из которого возникает ряд механорецептивных сенсорных органов, состоящих из первичных сенсорных клеток, такие как cupular и capsular органы (Mazet et al. 2005). Более того Eya, но не Six гены, экспрессируются в эктодерме, дающей щупальцы с первичными механо- и хемо-сенсорными клетками. Однако др. сенсорные клетки, такие как механорецептивные первичные сенсорные нейроны в хвосте асцидий, по-видимому, происходят из регионов генеральной эктодермы, лишенной экспрессии Eya, Six1/2 и Six4/5 (Mazet et al. 2005). Хотя прямые экспериментальные доказательства пока отсутствуют. эти паттерны экспрессии указывают на то, что гены Eya и Six могут приобретать новую роль в контроле развития некоторых нейронов и нейросекреторных клеток в ветви хордовых (Fig. 2B) прежде чем они приобретут более центральную роль в плакодном нейрогенезе у позвоночных. Представленный сценарий базируется на предположении, что существующие ныне hemichordates, у которых на сегодня отсутствуют доказательства роли Six1/2 в нейрогенезе, сохраняют состояние родоначальных deuterostome. Однако необходимо рассмотреть и альтернативную возможность, что Six1/2, Six4/5 и Eya уже были вовлечены в контроль нейронального развития у родоначальников вторичноротых и что эта функция была вторично утеряна у hemichordates. Фактически имеются некоторые доказательства. подтверждающие последнюю возможность. Во-первых, имеются некоторые указания на то, что, по крайней мере, Eya экспрессируется в нейронах морских ежей, хотя это нуждается в подтверждении (Burke et al. 2006). Во-вторых, Six1/2, Six4/5 и/или Eya гены экспрессируются в областях, где имеет место нейрогенез у ряда различных protostomes (insects, nematodes, planarians и polychaetes) , также как и у cnidarians (Bonini et al. 1993Go, 1997; Cheyette et al. 1994; Serikaku and O'Tousa 1994; Seo et al. 1999; Arendt et al. 2002; Stierwald et al. 2004). В-третьих, функциональные исследования на Drosophila и планариях непосредственно продемонстрировали функции генов Six1/2 и Eya для развития нейронов в глазах (e.g., Cheyette et al. 1994; Serikaku and O'Tousa 1994; Bonini et al. 1993Go, 1997; Pignoni et al. 1997; Halder et al. 1998; Suzuki and Saigo 2000; Pineda et al. 2000; Mannini et al. 2004). Недавно Six1/2 гомолог sine oculis вместе с Pax6 гомологом eyeless , как было показано, непосредственно регулируют экспрессию гена нейрональной детерминации atonal, который инициирует каскад событий, ведущий к дифференцировке фоторецепторов в глазах Drosophila (Zhang et al. 2006). Поскольку Six1/2 гомологи также ко-экспрессиурются с PaxB-подобными генами (Pax6-Pax2/5/8 related genes) и с atonal-родственными генами у cnidarians, polychaetes и позвоночных (rev. Piatigorsky and Kozmik 2004; Fritzsch and Piatigorsky 2005; Tessmar-Raible et al. 2005) в областях, где различные чувствительные органы, включая фоторецепторы и механорецепторы. развиваются, было предположено, что Six1/2 гены вместе с PaxB-подобными генами могут контролировать родоначальный просенсорный орган у bilaterian с atonal-зависимым нейрогенезом, который дает начало atonal-зависимым сенсорным органам у protostomes и deuterostomes (Zhang et al. 2006). Менее известно о генах Eya и Six4/5, но имеются доказательства ко-экспрессии и/или функционального взаимодействия Six1/2 и Eya у насекомых, нематод и планарий, это указывает на то, что кооперация этих генов, по крайней мере, в некоторых из их доменов экспрессии является общей для bilaterians (Pignoni et al. 1997; Li et al. 2004; Mannini et al. 2004). Эти находки, однако недостаточны для установления на самом ли деле Six1/2 играет гомологичные роли в этих различных нейрональных типах клеток или разные типы нейрональных клеток приобретают Six1/2-зависимую регуляцию независимо. Последняя возможность д. серьезно учитываться, т.к., по-видимому, отсутствует эволюционно законсервированная ассоциация Six1/2 генов с atonal-зависимым нейрогенезом или с определенными модальностями сенсорных клеток. Напр., в то время как atonal-зависимые предшественники для фоторецепторов у Drosophila экспрессируют Six1/2, atonal-зависимые предшественники для механорецептивных хордотональных органов не экспрессируют (Jarman et al. 1993; Cheyette et al. 1994; Serikaku and O'Tousa 1994). Сходным образом, Six1/2 ко-экспрессируется с atonal в предшественникх личиночных и взрослых фоторецепторов у polychaetes, но отсутствуют в atonal-экспрессирующих нейральных предшественниках апикального органа (Arendt et al. 2002). У асцидий atonal может ко-экспрессирроваться с Six1/2 в передней эктодерме, из которой развивается механосенсорный коронарный орган, тогда как только atonal, но не Six1/2 экспрессируется в презумптивных механосенсорных клетках хвоста (Mazet et al. 2005; http://ghost.zool.kyoto-u.ac.jp/tfst.html). Более того. имеются и др. классы нейронов, которые нуждаются в генах, родственных Drosophila achaete-scute скорее, чем в atonal-родственных генах для инициации дифференцировки нейронов (rev. Hassan and Bellen 2000). У позвоночных. напр., спецификация нейронов обонятельных рецепторов, которые возникают из Six- и Eya-экспрессирующей преплакодной эктодермы, нуждается в achaete-scute гомологе Ash1 (Cau et al. 1997, 2002; Murray et al. 2003). Паттерны экспрессии также указывают на возможность того. что Six1/2 ко-локализуется как с atonal-зависимыми, так и с achaete-scute-зависимыми нейрональными предшественниками у cnidarians (Mu"ller et al. 2003; Seipel et al. 2004; Stierwald et al. 2004), но это ещё надо доказать. Хотя необходимо получить ещё множество данных для получения ясной картины, эти находки говорят против эволюционной консервации связей между Six1/2 и atonal-зависимой нейрональной дифференцировкой, а скорее указывают на то, что Six1/2 (и возможно Six4/5 и Eya также) могут повторно приобретать или терять регуляторную роль в контексте различных генных циркуитов, управляющих дифференцировкой нейронов. Интересно. что atonal-родственные и achaete-scute-родственные гены уже дифференциально экспрессируются у cnidarians и каждый из этих генов, как известно, важен для спецификации сенсорных клеток разных модальностей в разных клонах, указывая тем самым, что сенсорные модальности сенсорных клеток могут быть эволюционно довольно гибкими (rev. Tessmar-Raible et al. 2005; Schlosser 2005). Six1/2 экспрессия, по-видимому, не связана с какой-либо определенной сенсорной модальностью: они экспрессируются в проспективных фоторецепторах у polychaetes и насекомых. но не у cnidarians и позвоночных и экспрессируются в проспективных механорецепторах или хеморецепторах у хордовых и возможно у cnidarians, но не у насекомых (Arendt et al. 2002; Cheyette et al. 1994; Serikaku and O'Tousa 1994; Stierwald et al. 2004). In conclusion, current evidence is insufficient to decide whether Six1/2, Six4/5, or Eya genes were already employed in the control of some aspects of neuronal development in the deuterostome ancestor (with secondary loss in hemichordates) or whether a more ancient role of these genes in neuronal control was lost in the deuterostome ancestor and reacquired in the chordate lineage (Fig. 2B). Moreover, it is questionable which, if any, of the Six1/2 and Eya expressing sensory cells in protochordates are homologous to placodally derived sensory cells or neurons in vertebrates (reviewed in Holland 2005; Schlosser 2005). Be that as it may, the expression of Six1/2 and Eya genes in only a subset of scattered ectodermal sensory neurons in amphioxus and ascidians, and some neurosecretory cells in amphioxus is certainly in striking contrast to the situation observed in vertebrates. First of all, in vertebrates no sensory neurons arise from nonneural ectoderm outside the preplacodal region defined by Six1/2 and Eya expression. Second, the Six1/2 and Eya expressing preplacodal region in vertebrates gives rise to dense clusters of sensory neurons rather than to merely scattered cells. Many additional cell types without precursors in the nonneural ectoderm of amphioxus and ascidians (e.g., lens cells and many neurosecretory cell types of the olfactory and adenohypophyseal placodes) also arise from the preplacodal region in vertebrates, but it remains to be shown, which of these develop in a Six- and Eya-dependent fashion. This strongly suggests that Six and Eya genes have adopted additional and more central roles in regulation of neuronal differentiation and possibly other pathways of cytodifferentiation as well specifically in the vertebrate lineage and hence after recruitment of these genes to the nonneural ectoderm at the anterior neural-plate border (Fig. 2B). The absence of neurons from ectoderm devoid of Six and Eya expression in vertebrates suggests that Six/Eya-independent types of sensory neurons were either lost in the vertebrate lineage or did secondarily acquire Six/Eya-dependent regulation. The dramatic increase in neuronal density in Six and Eya expressing ectoderm in vertebrates, on the other hand, may be due to either a novel role of Six and Eya genes in regulating the proliferation of neuronal precursors or a reduced requirement for cofactors in the regulation of neuronal determination genes. Only additional functional studies analyzing how Six and Eya genes regulate cytodifferentiation in vertebrate placodes and in protochordate sensory cells will allow us to resolve these questions and to further elucidate how these old genes adopted new functions during the evolution of vertebrate cranial placodes.

Одним из наиболее характерных признаков позвоночных является появление у них головы с заключенным в ней сложным головным мозгом в хрящевой или костный череп, снабженный сложными парами сенсорных органов, включая нос, глаза и уши. Эти специализации головы отсутствуют у др. хордовых и являются эволюционным новшеством позвоночных. Более 20 лет тому назад Northcutt and Gans предположили, что характерные признаки головы позвоночных (т.e., "new head" позвоночных) развиваются одновременно адаптацией к новому стилю жизни хищников в ветви позвоночных (Gans and Northcutt 1983; Northcutt and Gans 1983; Northcutt 2005). Они также подчеркнули, что многие из новых характеристик головы позвоночных развились из двух новых эмбриональных тканей, которые появились в ветви позвоночных, нервный гребень и краниальные плакоды.

В обзоре будет рассмотрено эволюционное происхождение плакод. Сконцентрируемся на двух классах транскрипционных факторов, кодируемых Six и Eya генами, которые играют центральную роль в развитии плакод позвоночных и обсудим, как они смогли адаптироваться к своим ролям за счет постепенных модификаций своих родоначальных функций ( see Schlosser 2005).

Development of vertebrate cranial placodes

Плакоды являются специализированными регионами эмбриональной эктодермы, которые дают различные не эпидермальные типы клеток. Часто, но не всегда. плакоды распознаются по локальным утолщениям эктодермы. Краниальные плакоды, рассматриваемые здесь, это аденогипофизная плакода, обонятельная плакода, хрусталиковая плакода, отическая плакода, серии плакод боковой линии, profundal и trigeminal плакоды и серия эпибранхиальных плакод (Fig. 1B). Плакоды боковой линии вторично были утеряны у рада позвоночных, включая амниот.

Разные плакоды отличаются др. от др. расположением. способом развития и продуцируемыми типами клеток (fsee rev.Webb and Noden 1993; Baker and Bronner-Fraser 2001; Schlosser 2005, 2006; Bailey and Streit 2006). Аденогипофизная плакода развивается в переднюю часть гипофиза с 6 типами нейросекреторных клеток, участвующих в гормональном контроле роста, репродукции и др. важных функциях тела. Обонятельные плакоды дают эпителий носа с его обонятельными и vomeronasal сенсорными клетками. Они являются первичными сенсорными клетками, которые формируют аксоны, составляющие обонятельный и vomeronasal нервы. Кроме того, обонятельные плакоды дают также клетки, которые мигрируют прочь из плакоды в средний мозг, включая глиальные клетки и клетки, продуцирующие нейропептиды, такие как gonadotropin releasing hormone (GnRH). Хрусталиковая плакода развивается в хрусталик глаза, состоит из клеток, становящихся прозрачными за счет накопления различных crystallin белков. Отическая плакода дает все внутреннее ухо, включая полосковые клетки и поддерживающие клетки слуховой и вестибулярной сенсорных областей. Волосковые клетки являются вторичными сенсорными клетками, которые не обладют аксонами. Они иннервируются сенсорными нейронами vestibulocochlear ганглия, который также происходит из отической плакоды. Сходным образом плакоды боковой линии дают механосенсорные и электросенсорные рецепторные органы системы боковых линий, скорее всего состоящих из волосковых клеток и поддерживающих клеток, а также сенсорных нейронов ганглиев латеральных линий. которые иннервируют эти рецепторы, формируя тем самым нервы латеральной линии. Profundal и trigeminal плакоды, также как и эпибранхиальные плакоды вносят вклад сенсорных нейронов в ганглии profundal и trigeminal, facial, glossopharyngeal и vagal краниальных нервов; др. субпопуляция сенсорных нейронов в этих краниальных ганглиях происходит из нервного гребня.

Несмотря на эти различия в судьбе, имеются некоторые общие аспекты развития плакод. В частности плакодные клетки имеют тенденцию подвергаться различным изменениям клеточной формы во время своего развития, напр., во время установления плакодных утолщений, инвагинации плакод (в аденогипофизной, обонятельной, хрусталиковой и отической плакодах) или миграции глии, нейросекреторных и нервных клеток прочь от плакод (во всех случаях за исключением хрусталиковых плакод). Более того, за исключение аденогипофизных и хрусталиковых плакод, все плакоды являются нейрогенными, т.е. они индуцируют нейроны среди своих производных типов клеток.

Недавно было предположено, что эти общие аспекты развития плакод обусловлены в основном не поверхностным сходством, а скорее отражают общую программу развития, характерную для всех плакод (Torres and Gira'ldez 1998; Baker and Bronner-Fraser 2001; Streit 2004; Schlosser and Ahrens 2004; Schlosser 2005Go, 2006; for a different view, see Graham and Begbie 2000; Begbie and Graham 2001). Эта гипотеза подтверждается сочетанием двух типов доказательств. Во-первых, карты судеб многих разных позвоночных показали, что разные плакоды возникают из области общего предшественника (преплакодной области), расположенной вокруг передней части нервной пластинки в наружных нервных складках и соседней эктодерме (Carpenter, 1937; Kozlowski et al. 1997; Streit 2002; Bhattacharyya et al. 2004). Во-вторых, эта область предшественников уже предназначена для общего плакодного развития и, следовательно, в самом деле, представлена общим примордием для всех плакод (panplacodal primordium). Это подтверждается экспрессией ряда транскрипционных факторов (Fig. 1A, C, and D), которая позднее сохраняется во всех или большинстве плакод и регулирует различные аспекты их развития (reviewed by Schlosser 2006). Более того, эктодерма преплакодной области предрасположена адаптировать определенного типа плакодные судьбы, как показывают трансплантационные эксперименты у разных позвоночных. Они показали, что по сравнению с др. типами эктодермы (напр., проспективной эпидермальной эктодермы) эктодерма из различных частей преплакодной области с большей готовностью воспринимает определенную плакодную судьбу (напр., отической плакоды), будучи трансплантированной на территорию этой плакоды или когда подвергается воздействию локальных сигналов, необходимых для её индукции (rev. Streit 2004; Bailey and Streit 2006; Schlosser 2006). Наиболее четко это было продемонстрировано недавно на эмбрионах кур, где только эктодерма из, но не извне преплакодной области была способна экспрессировать маркеры отической плакоды в ответ на действие fibroblast growth factors (FGFs), которое служит отическим индуктором (Martin and Groves 2006). Др. недавние эксперименты на курах показали, что эктодерма всей преплакодной области, но не вне её, способна развиваться в хрусталиковую ткань, независимо от того подвергается ли она воздействию дополнительных сигналов (Bailey et al. 2006). Это указывает на то, что первоначально и в самом деле имеется общее преплакодное состояние, общее всей преплакодной эктодерме до того как разные субрегионы будут дивергировать и становиться разными плакодами.

Как уже упоминалось преплакодная область экспрессирует ряд транскрипционных факторов, которые позднее сохраняются в плакодах. Многие из этих транскрипционных факторов экспрессируются только в субрегионах преплакодной области или экспрессируются в др. областях эктодермы, также как и являются, следовательно, неодинаково специфически предетерминированы к содействию приобретения общих плакодных свойств (rev. Schlosser 2006). Эктодермальная экспрессия небольшого количества транскрипционных факторов, однако предназначена в основном для преплакодной области и затрагивает всю её протяженность, наиболее заметными являются факторы из семейств Six и Eya, гомологи генов Drosophila sine oculis и eyes absent , соотв. (Fig. 1A, C, and D). Паттерны экспрессии и молекулярные взаимодействия этих генов изучены достаточно хорошо (Kawakami et al. 2000; Pappu and Mardon 2004; Streit 2004; Silver and Rebay 2005; Rebay et al. 2005; Schlosser 2005Go, 2006).

Имеются обычно 4 члена семейства Eya у позвоночных (Eya1-4), тогда как имеются три подсемейства Six генов (Six1/2, Six4/5, Six3/6), обычно с двумя членами в каждом у позвоночных. Паттерны экспрессии разных Eya и Six генов слегка отличаются у разных позвоночных, но в целом, по крайней мере, Eya гены и гены подсемейств Six1/2 и Six4/5 первоначально экспрессируются в преплакодной области и позднее сохраняются в различных плакодах (Schlosser and Ahrens 2004). Гены подсемейства Six3/6 имеют иной паттерн экспрессии (в передних частях преплакодной области и в передней части нервной пластинки). В то время как Six гены кодируют транскрипционные факторы со способностью непосредственно связывать ДНК, гены Eya кодируют белки, которые влияют на транскрипцию косвенно путем соединения с др. белками. В частности, Eya белки непосредственно взаимодействуют с Six транскрипционными факторами и с рядом др. белков (таких как Dach) в общем сложном транскрипционном комплексе (Pignoni et al. 1997; Ohto et al. 1999; Ikeda et al. 2002; Li et al. 2003). Six, Eya и Dach гены также участвуют в перекрестно-регуляторных взаимодействиях др. с др. и с генами Pax. Наличие определенного типа генетических взаимодействий между Pax, Six, Eya, и Dach генами, по-видимому, эволюционно законсервировано у животных с билатеральной симметрией, но детали сети отличаются между разными доменами экспрессии и у разных таксонов (rev. Relaix and Buckingham 1999; Hanson 2001; Donner and Maas 2004; Silver and Rebay 2005).

Мутации генов Eya1 и Six1 известны у людей, мышей и рыбок данио и они в основном обнаруживают очень сходный спектр нехваток, отражающих их ко-экспрессию и синергичные функции в разных тканях. Наиболее наглядно, что Eya1 и Six1 мутанты обладают широким диапазоном нехваток в разных плакодах, подтверждая. что они важные регуляторы плакодного развития. Т.к. они, по-видимому, особенно затрагивают процессы развития, такие как клеточная пролиферация, апоптоз, морфогенез и нейрогенез, которые играют роль в во время развития большинства, если не всех плакод и широко экспрессируются в разных плакодах, они на сегодня наиболее подходящие кандидаты на роль генов, участвующих в генерации общих плакодных свойств у позвоночных. Чтобы выявить эту предполагаемую центральную роль генов Six и Eya для плакодного развития, мы выяснили, с одной стороны, как эти гены индуцируются в преплакодной эктодерме в соответствующие время и месте, и, с др. стороны, как гены Six и Eya влияют и способствуют преплакодному развитию.

Induction of Six and Eya genes in pre-placodal ectoderm

Eya гены и гены подсемейств Six1/2 и Six4/5 (далее обозначаемые как panplacodal гены) индуцируются на стадии ранней нервной пластинки в преплакодной области. Ткани и сигналы, ответственные за их индукцию, были исследованы эмбрионов кур и Xenopus (McLarren et al. 2003; Woda et al. 2003; Brugmann et al. 2004; Glavic et al. 2004; Ahrens and Schlosser 2005; Litsiou et al. 2005). Как дорсолатеральная эндомезодерма, подлежащая под преплакодной эктодермой, так и передняя часть нервной пластинки, соседняя с ней, необходимы для индукции различных панплакодных генов у Xenopus и у кур (Ahrens and Schlosser 2005; Litsiou et al. 2005). Более того, транспланты нервной пластинки или дорсолатеральной эндомезодермы способны индуцировать некоторые панплакодные гены эктопически в не-нейральной эктодерме эмбрионов Xenopus и кур (Woda et al. 2003; Glavic et al. 2004; Ahrens and Schlosser 2005; Litsiou et al. 2005). Итак, нервная пластинка и дорсолатеральная эндомезодерма являются важными источниками индуктивных сигналов для индукции панплакодных генов в преплакодной области, хотя точная роль этих тканей, по-видимому, несколько отлична у разных видов.

Три класса секретируемых белков участвуют в индукции этих генов в преплакодной области: bone morphogenetic proteins (BMPs), FGFs и Wnts. Во-первых, высокие уровни BMPs, как было показано, супресируют индукцию Six1 у Xenopus, тогда как ингибиторы передачи сигналов BMP расширяют домены экспрессии различных панплакодных генов у эмбрионов Xenopus и кур без индукции их эктопической экспрессии (Brugmann et al. 2004; Glavic et al. 2004; Ahrens and Schlosser 2005; Litsiou et al. 2005). Ингибирование передачи сигналов BMP (вызванное ингибиторами BMP, которые снижают эффективные концентрации BMP путем секвестрации свободных BMP белков), по-видимому, является предварительным условием для собственно индукции панплакодных генов у эмбрионов, т.к. BMP гены, как известно, экспрессируются на относительно высоких уровнях в преплакодной области на ст. ранней нервной пластинки (Fainsod et al. 1994; Streit et al. 1998). Как это происходит не совсем понятно, но ингибитор BMP Cerberus является многообещающим кандидатом, т.к. он экспрессируется в подлежащей эндомезодерме в соотв. время (Bouwmeester et al. 1996). Некоторые исследования подтвердили, что промежуточные уровни BMPs в противоположность могут быть необходимы для индукции панплакодных генов (Brugmann et al. 2004; Glavic et al. 2004), но эксперименты с трансплантатами у Xenopus говорят против градиентной модели (Ahrens and Schlosser 2005).

FGFs представляют второй класс сигналов, необходимых для индукции панплакодных генов. У Xenopus, FGF8, необходим для индукции Six1 и вместе с BMP ингибиторами достаточен, чтобы активировать его эктопически в эктодерме ростральной части живота (Ahrens and Schlosser 2005).У кур FGFs способны индуцировать некоторые панплакодные гены (Eya2) непосредственно, тогда как др. (Six4) только после активации с помощью сигналов FGF, сопровождаемых антагонистами BMP и Wnt (Litsiou et al. 2005). Как передняя часть нервной пластинки, так и дорсолатеральная эндомезодерма являются известными источниками FGF сигналов, но распределение различных FGFs отличается у разных позвоночных. Напр., у Xenopus (но не у кур), FGF8 строго экспрессируется в передней части нервной пластинки и отсутствует в ростральной части дорсолатеральной эндомезодермы, делая первую наиболее вероятным источником сигналов FGF, участвующих в индукции панплакодных генов (Ahrens and Schlosser 2005).

Третий класс сигналов, участвующих в индукции панплакодных генов, это Wnts. Каноническая передача сигналов Wnt (обеспечиваемая с помощью внутриклеточного белка β-catenin и Lef/Tcf транскрипционных факторов) супрессирует индукцию панплакодных генов у Xenopus и кур, т.к. ингибирование канонической передачи сигналов Wnt приводит к их экспрессии (Brugmann et al. 2004; Litsiou et al. 2005). На стадии нервной пластинки канонические Wnt сигналы активны в туловище эмбриона, но секвестрированы в голове ингибиторами Wnt, секретируемыми эндомезодермой и нервной пластинкой (Litsiou et al. 2005; Bailey and Streit 2006; Schlosser 2006). Это указывает на то, что Wnt сигналы и их ингибиторы могут критически участвовать в ограничение индукции панплакодных генов в голове.

Итак, представленные доказательства показывают. что панплакодные гены индуцируются в эктодерме с помощью сочетания BMP ингибиторов, FGFs и Wnt ингибиторов. испускаемых их передней части нервной пластинки и дорсолатеральной эндомезодермы (Fig. 1E). Однако не все регионы эмбриональной эктодермы одинаково чувствительны к этим сигналам. У Xenopus, компетентность эктодермы отвечать на эти сигналы экспрессией панплакодных генов ограничена не-нейральной эктодермой (т.e., эктодермой вне доменов нервной пластинки и нервного гребня) и отсутствует в нейральной эктодерме (Ahrens and Schlosser 2005). Напротив эктодермальная компетентность индукции нервного гребня, по-видимому, ограничена нервной эктодермой (Ahrens and Schlosser, unpublished observations; Schlosser 2006). Молекулярные механизмы, лежащие в основе этих различий в компетентности эктодермы пока неясны, хотя транскрипционные факторы Dlx- и GATA-семейств, которые ограничены не-нейральной эктодермой, безусловно играют в этом роль (rev. Schlosser 2006).

Дифференциальное распределение компетентности эктодермы может быть важным для точного позиционирования преплакодной области латеральнее нервной пластинки и нервного гребня (модель бинарной компетентности) (Ahrens and Schlosser 2005; Schlosser 2006). Альтернативная модель (модель пограничного состояния нервной пластинки) (McLarren et al. 2003; Woda et al. 2003; Brugmann et al. 2004; Glavic et al. 2004; Litsiou et al. 2005) для объяснения точного положения разных эктодермальных доменов предполагает. что эктодерма на границе с нервной пластинкой первоначально индуцируется, чтобы сформировать специальное пограничное состояние, которое позднее подразделяется на нервный гребень и преплакодные домены в зависимости от концентраций различных сигнальных молекул, таких как Wnts. Необходимо больше данных для выбора между этими моделями. "Binary competence model" предпочтительнее "neural-plate border-state model" благодаря доказательствам дифференциального распределения компетентности у Xenopus, но верно ли это также и для эмбрионов кур или др. позвоночных предстоит установить.

Всё ещё неясно, как различные сигнальные каскады и факторы компетентности кооперируют. чтобы активировать транскрипцию панплакодных генов. Недавно, однако , идентифицированы 6 независимых энхансеров генов Six1 и Six4 у мышей; они управляют экспрессией этих генов во всей преплакодной области, также и в различных субнаборах плакод (Sato et al. 2005). Молекулярное вычленение этих цис-регуляторных элементов может помочь выяснить, какие вышестоящие сигнальные пути и транскрипционные факторы непосредственно участвуют в регуляции Six1 и Six4 транскрипции в преплакодной эктодерме и как они интегрируются.

Promotion of placodal development by Six and Eya genes

Как панплакодные Eya гены и гены подсемейств Six1/2 и Six4/5 обеспечивают развитие плакод у позвоночных? Информация о роли эти х генов в основном получена благодаря дефициту плакод у мутантов Six1 и Eya1 людей, мышей и рыбок данио и недавно благодаря нокдауну и избыточной экспрессии этих генов у Xenopus и рыбок данио, (Abdelhak et al. 1997; Xu et al. 1999; Laclef et al. 2003; Zheng et al. 2003; Li et al. 2003; Ozaki et al. 2004; Zou et al. 2004; Brugmann et al. 2004; Ruf et al. 2004; Kozlowski et al. 2005; Friedman et al. 2005; Nica et al. 2006; Bricaud and Collazo 2006; reviewed by Schlosser 2005Go, 2006). Six4 мутанты известны также у мышей, но они не обнаруживают драматической нехватки плакод (Ozaki et al. 2001). Это может быть обусловлено способностью Six1 функционально компенсировать потерю Six4 до некоторой степени, на что указывают усиленные плакодные нехватки у Six1/Six4 двойных нокаутных мышей (Grifone et al. 2005; Konishi et al. 2006).

Многие плакодные производные у мутантов Eya1 или Six1 меньше и часто сильно редуцированы в размере. Сюда входят внутреннее ухо, vestibulocochlear ганглии, происходящие из отической плакоды, обонятельный эпителий, происходящий из обонятельных плакод, зачатки боковой линии, происходящие из плакод боковой линии, profundal и trigeminal ганглии, происходящие из profundal и trigeminal плакод, и дистальные ганглии лицевого, языкоглоточного и вагусного нервов, происходящие из эпибранхиальных плакод. Передняя часть гипофиза относительно нормальна у одиночных мутантов, но гипертрофичная у Six1/Eya1 двойных мутантов (Li et al. 2003). Это уменьшение часто обусловлено или снижением скорости клеточной пролиферации или уси лением апоптоза или обоих, указывая тем самым, что Eya1 и Six1 обычно способствуют пролиферации и ингибируют апоптоз. Eya1 и Six1 способствуют пролиферации благодаря взаимодействию с генами контролирующими клеточный цикл, такими как CyclinA1, CyclinD1, and c-Myc (Ford et al. 1998; Li et al. 2003; Coletta et al. 2004; Yu et al. 2006); как они влияют на апоптоз, неизвестно.

Помимо уменьшения в размерах Eya1 и Six1 мутанты часто обнаруживают аномальный морфогенез производных плакод Напр., полукружные каналы и канал улитки собственно не образуются и очень мало нейрональных предшественников во внутреннем ухе отделяются от нейрогенных плакод. У мутантов морфогенетические движения также нарушаются во время развития др. тканей, в которых Eya1 и Six1 экспрессируются, включая фарингеальные карманы и их производные (тимус), почки и мышцы (Xu et al. 1999Go, 2002Go, 2003; Laclef et al. 2003; Grifone et al. 2005; Zou et al. 2006). Интересно, что Six1 , как недавно было показано, непосредственно активирует транскрипцию Ezrin, белка, который связывает цитоскелет с плазматической мембраной и может влиять на форму и подвижность клеток. Более того, Six1 способствует метастазированию раковых клеток Ezrin-зависимым способом (Yu et al. 2004, 2006). Всё это указывает на то, что Six1 и Eya1 могут также участвовать в обеспечении изменений клеточной формы во время развития плакод, напр., во время инвагинации и расслоения, но механизмы пока неизвестны.

Наконец, дифференцировка нейронов и сенсорных клеток, а также определенные др. пути цитодифференцировки оказываются под угрозой в производных плакод у Eya1 и Six1 мутантов. Уменьшение количества происходящих из плакод нейронов и сенсорных клеток, наблюдаемое у мутантов Eya1 и Six1, может быть частично объяснено их эффектами на пролиферацию и жизнеспособность. Однако растут доказательства, что Eya1и Six1 влияют также на цитдифференцировку более непосредственно. Напр., рыбки данио, которые несут мутацию Eya1, дефицитны по цитодифференцировке в ряде нейросекреторных клеточных клонов в переденй части гипофиза, происходящей из аденогипофизарной плакоды в отсутствие апоптоза (Nica et al. 2006). Более того, гены нейрональной детерминации и дифференцировки, такие как Neurogenin1, Neurogenin2, Atonal1 и NeuroD, которые необходимы для дифференцировки нейронов и сенсорных клеток из olfactory, profundal, trigeminal, epibranchial и отических плакод, как было показано редуцированы у мутантов или после нокдауна белков у мышей и рыбок данио (Xu et al. 1999; Zheng et al. 2003; Zou et al. 2004; Friedman 2005; Ikeda et al. 2006; Bricaud and Collazo 2006). Это указывает на то, что Six1 и Eya1 необходимы для дифференцировки плакодный нейронов и сенсорных клеток. Недавние эксперименты по избыточной и недостаточной функции у Xenopus подтвердили, что Eya1 и Six1 синергично способствуют формированию пролиферативных нейрональных предшественников в нейрогенных плакодах (характеризующихся низким уровнем экспрессии Sox3), но д. быть подавлены. чтобы сделать возможной терминальную дифференцировку нейронов (Brugmann 2005; Vo"lker, Stammler, and Schlosser). Кроме того, избыточная экспрессия и нокдаун Six1 и Eya1 у Xenopus также затрагивают экспрессию др. транскрипционных факторов с более широко распространенной плакодной экспрессией (Brugmann et al. 2004).

Пока идентифицированы немногие прямые мишени генов Six1 и Eya1. Поэтому всё ещё неясно, какие из наблюдаемых у них эффектов на цитодифференцировку обусловлены их непосредственным взаимодействием с генами детерминации и генами дифференцировки (как недавно было установлено для гена Drosophila нейрональной детерминации atonal; Zhang et al. 2006), и какие эффекты, скорее всего, отражают модуляции генной экспрессии различных транскрипционных факторов и сигнальных молекул, участвующих в формировании паттерна и регионализации плакод (Ozaki et al. 2004; Friedman et al. 2005).

В предыдущих параграфах дан лишь краткий обзор эффектов мутаций Eya1 и Six1 и неизбежно приукрашивание отклонений от генерального паттерна, так что лишь немногие предостережения могут быть сделаны. Во-первых, разные виды позвоночных обычно, но не всегда, обнаруживают сходные плакодные нехватки после потери функции Six1 или Eya1. Напр., краниальные ганглии, происходящие из эпибранхиальных плакод не затрагиваются после потери функции или Eya1 или Six1 (Kozlowski et al. 2005; Bricaud and Collazo 2006), тогда как они строго редуцированы или отсутствуют у мышей, мутантных по Eya1 или Six1 (Xu et al. 1999; Zheng et al. 2003; Zou et al. 2004). Во-вторых, в то время как Eya1 и Six1 в целом экспрессируются сходным образом и имеют сходные мутантные фенотипы, в плакодах это не всегда имеет место. Напр., потеря активности Six1 у рыбок данио ведет только к редукции количества клеток, но не влияет на спецификацию клонов в передней части гипофиза в противоположность Eya1 (Nica et al. 2006). В-третьих, часто Six1 и Eya1 затрагивают процессы развития, такие как пролиферация, апоптоз, морфогенез или нейрогенез, сходным образом в разных частях плакод, но имеются исключения. Напр., у рыбок данио (но не у мышей) Six1 оказывает противоположные эффекты на два клеточных клона, происходящие из отической плакоды. В то время как он способствует пролиферации и ингибирует апоптоз в волосковых клетках, он ингибирует пролиферацию и способствует апоптозу в нейронах vestibulocochlear ганглия (Bricaud and Collazo 2006).

Некоторые из этих различий между функциями Eya1 и Six1 в разных плакодах или видах могут быть обусловлены существованием множественных паралогов генов из подсемейств Six1/2 и Six4/5 и генов семейства Eya у позвоночных результата геномных удвоений и возможно ещё большего количества паралогов у рыбок данио из-за дополнительного раунда геномных удвоений в ветви костистых рыб (Meyer and van de Peer 2005). Это открывает возможность дифференциального сохранения некоторых родоначальных функций. но не др. у разных паралогов и разных ветвей позвоночных (Force et al. 1999). Др. отличия могут быть связаны со специфичными для плакод модификацями функций этих генов, которые могут замещать их первоначально сходные роли во всех плакодах. Это может происходить, напр., при дифференциальной экспрессии кофакторов, которые соединяются с Six1 или Eya1. И Six и Eya белки, как известно, взаимодействуют с рядом др. белков, которые модулируют их активность, а Six транскрипционные факторы могут действовать или как транскрипционные активаторы или транскрипционные репрессоры, в зависимости от их партнеров по связыванию (Kobayashi et al. 2001; Zhu et al. 2002; Lo'pez-Rios et al. 2003; Li et al. 2003Go, 2004; Silver et al. 2003; Brugmann et al. 2004; Kenyon et al. 2005).

Несмотря на эти различия в деталях, баланс доступных доказательств указывает на то, что по крайней мере Six1 и Eya1 (и возможно др. Six1/2, Six4/5 и Eya гены также) способствуют сходным онтогенетическим процессам в разных плакодах позвоночных и тем самым могут контролировать общие плакодные свойства, одинаковые у разных плакод. Их индукция в преплакодной эктодерме может таким образом насыщать эту область склонностью к развитию в некий тип плакод. Плакод-специфичные пути дифференцировки и морфогенеза могут затем контролироваться с помощью др. транскрипционных факторов с более ограниченной экспрессией (rev. Schlosser 2006).

Evolutionary origin of the new role of Six and Eya genes in the development of vertebrate placodes

Six and Eya are ancient metazoan genes. Гомологи гена Eya идентифицированы у растений (Takeda et al. 1999) , а гомологи Six генов присутствуют у губок (Bebenek et al. 2004). Имеются три разных подсемейства Six генов (Six1/2, Six4/5, Six3/6) возвращающих нас назад, по крайней мере, к общему родоначальнику кишечнополостных и животных с билатеральной симметрией (Kawakami et al. 2000; Stierwald et al. 2004; Bebenek et al. 2004). Однако большинство беспозвоночных, включая protochordates, имеют только один ген Eya и по одному члену в каждом из трех подсемейств Six, указывая тем самым, что дупликации этих генов в четыре Eya гена и в два члена в каждом Six подсемействе произошли только в ветви позвоночных (Xu et al. 1997; Duncan et al. 1997; Borsani et al. 1999; Kawakami et al. 2000; Bebenek et al. 2004; Mazet et al. 2005).

Какие онтогенетические роли выполняли Six1/2, Six4/5 и Eya гены у родоначальных вторичноротых (deuterostomes) и как эти роли изменились у родоначальников хордовых и позвоночных, приведя в конечном итоге к центральной роли этих генов в развитии плакод у позвоночных? Для приобретения центральной роли этих генов в развитии плакод у позвоночных необходимо (1) собственно их индукция в эктодерме на границе с нервной пластинкой и (2) их способность управлять общими онтогенетическими процессами плакод, такими как пролиферация, изменения клеточной формы и определенные пути цитодифференцировки (напр., нейрогенез). Мы сможет ответить на поставленный вопрос, если привлечен эти вышестоящие и нижестоящие связи Six и Eya генов. Т.к. данные по экспрессии и функции этих генов получены только в немногих таксонах, то сегодня мы можем только попытаться дать предварительный ответ, который может быть пересмотрен с появлением дополнительной информации.

Однако прежде чем рассмотреть изменения ролей генов Six и Eya необходимо коротко остановиться на дискуссии филогении вторичноротых, поскольку филогенетические изменения в функции генов могут быть вычленены только учитывая существующую филогенетическую гипотезу. Большая часть традиционной точки зрения на филогению metazoan была пересмотрена в последнюю декаду в свете новых молекулярных данных. В частность взаимоотношения вторичноротых были драматически ре-интерпретированы в последние несколько лет. Я только кратко представлю новый взгляд на взаимоотношения вторичноротых без обсуждения деталей доказательств (см. Blair and Hedges 2005; Philippe et al. 2005; Bourlat et al. 2006; Delsuc et al. 2006). Вторичноротые обычно рассматриваются как монофилетическая группа, которая является сестринской группой также же монофилетических первичноротых. Вместе deuterostomes и protostomes представляют собой bilateria. Внутри deuterostomes, полухордовые и иглокожие являются сестринскими группами и вместе с образуют Ambulacraria, которые возможно вместе с загадочными Xenoturbellida представляют Xenambulacraria. Их сестринский clade представляет хордовых, которые также являются монофилетической группой. Внутри хордовых urochordates (представленные ascidians, larvaceans и thaliaceans) представляют сегодня - в противовес давней традици - предположительно ближайших родственников позвоночных, где cephalochordates, по-видимому, являются сестринским таксоном urochordate/vertebrate clade (Fig. 2B).

Recruitment of Six and Eya genes to the neural-plate border during deuterostome evolution

Когда во время эволюции deuterostome гены Six1/2, Six4/5 и Eya оказываются рекрутированными на не-нейральную эктодерму на границе с передней частью нервной пластинки? Чтобы ответить на этот вопрос, прежде необходимо рассмотреть происхождение самой нервной пластинки. Т.к. развитие ЦНС Drosophila и позвоночных обнаруживает множественные сходства в паттернах генной экспрессии и позиционирована она сходно по отношению системы формирования дорсо-вентрального паттерна (принадлежит областям с низкими концентрациями BMP внутри градиента BMP, устанавливающегося вдоль дорсо-вентральной оси) , было предположено, что гомологичные структуры происходят из общего предшественника (Arendt and Nu"bler-Jung 1996Go, 1999; Hirth et al. 2003; Lichtneckert and Reichert 2005). Соогласно этому мнению родоначальник Urbilaterian уже должен был обладать вентральной областью нейрогенной эктодермы, которая впоследствии стала давать как вентрально ограниченную нейрогенную эктодерму у protostomes, так и - после инверсии дорсо-вентральной оси - дорсально ограниченную нейрогенную эктодерму у хордовых, т.e., нервную пластинку. Эта интерпретация указывает на присутствие - возможно, подобной нервной пластинке - централизованного нейрогенного домена уже у родоначальника deuterostome. Однако ни полухордовые, ни иглокожие не имеют нервной пластинки. Вместо этого они формируют довольно диффузную нервную сеть из нервных предшественников, разбросанных по всей эктодерме. У полухордовых практически вся эктодерма является нейрогенной (Bullock 1945, Benito and Pardos, 1997; Lowe et al. 2003). Отсутствие нервной пластинки в этих таксонах может быть конечно обусловлено вторичной потерей. Однако диффузная нервная сеть и отсутствие централизованного нейрогенного домена в эктодерме обнаружено также во многих protostomian phyla и у кишечнополостных, это делает более вероятным то, что это является родоначальной ситуацией для bilaterians, protostomes и deuterostomes (rev. Roth and Wullimann 1996; Holland 2003). Согласно последнему сценарию централизованные нейрогенные домены возникают несколько раз независимо в эволюции metazoan и нервная пластинка специфически возникает у хордовых (Lowe et al. 2003Go, 2006; Gerhart 2006).

Гнзвисимо от того, какой сценарий верен, Six1/2, Six4/5 и Eya гены скорее всего не были специфически локализованы в не-нейральной эктодерме по соседству с доменом предшественника ЦНС у родоначальника вторичноротых. Во-первых, они не локализованы специфически на границе нейрогенной эктодермы у Drosophila или др. protostomes. Во-вторых, экспрессия гена Six1/2 у полухордовых (экспрессия Eya или Six4/5 не была описана) ограничивается небольшой полоской в переднем mesosome и в выступающем домене в фарингеальных щелях, где он в основном или исключительно энтодермальный (Gerhart 2006; Lowe, Gerhart, and Kirschner). Позднее экспрессия, по-видимому, наблюдается у будущего родоначальника deuterostomes, т.к. экспрессия Six1/2 и/или Eya в фарингеальной энтодерме и в областях, где формируются фарингеальные щели наблюдается также у urochordates (Bassham and Postlethwait 2005; Mazet et al. 2005;), cephalochordates (Kozmik et al. 2007) и позвоночных (Xu et al. 2002; Zou 2006). Происходила ли также экспрессия генов Six1/2, Six4/5 и Eya в частях эктодермы родоначальника deuterostome пока неясно. Данные по hemichordate показывают, что Six1/2 отсутствует в большей части эктодермы, включая и большинство нейрональных предшественников of возможным исключением небольшой области mesosome и вокруг фарингеальных щелей, но экспрессия генов Eya и Six1/2 в некоторых нейронах у хордовых и у многих protostomes вместе с недавними сообщениями о экспрессии Eya а нейронах морского ежа (Burke et al. 2006) указывает на то. что эти гены экспрессируются в субнаборе разбросанных возникающих из эктодернмы нейронов у родоначальника deuterostome (см. ниже).

Больше изсетно об экспрессии этих генов у cephalochordates и urochordates (Fig. 2A). У amphioxus (Kozmik et al. 2007), Six1/2, Six4/5 и Eya экспрессируются в фарингеальной энтодерме (включая зачатки фарингеальных щелей, рта и Hatschek's левого дивертикула) т в разных частях мезодермы. Six4/5 и Eya экспрессируются также в немногих доменах нервной пластинки и ЦНС (включая регионы, которые дают реснитчатые и rhabdomeric фоторецепторы). В не-нейральной эктодерме экспрессируются только Six1/2 и Eya в немногих разбросанных клетках, которые могут быть предшественниками для субнабора эпидермальных сенсорных клеток. Однако ни один из этих генов не экспрессируется в не-нейральной эктодерме по соседству с границей нервной пластинки. У ascidians, Six1/2, Six4/5 и Eya также экспрессируются в различных энтодермальных и мезодермальных доменах (Mazet et al. 2005). В противоположность amphioxus, однако и Six1/2 и Eya (но не Six4/5) также строго экспрессируются в не-нейральной эктодерме рядом с передней частью границы нервной пластинки. Six1/2 и Eya экспрессия в передней части не-нейральной эктодермы появляется как древний признак urochordate, т.к. он также обнаруживается у larvaceans (хотя экспрессия на стадии нервной пластинки не описана; Bassham and Postlethwait 2005).

Всё вместе указывает на то, что Six1/2 и Eya гены были рекрутированы в не-нейрональную эктодерму на границе с передней частью нервной пластинки в ветви urochordate/vertebrate после отщепления от cephalochordates, Six4/5 гены возможно даже позднее. Сначала было предположено, что новый домен эктодермальной экспрессии генов Six1/2, Six4/5 и Eya может быть связан с экспансией и приобретением независимой регуляции от родоначального домена экспрессии в фарингеальной энтодерме (Schlosser 2005). Альтернативно, клетки, экспрессирующие Six1/2 и Eya (и возможно Six4/5) которые первоначально были разбросаны по всей эктодерме, могут оказаться сконцентрированными в передней части не-нейральной эктодермы путем становления зависимой от комбинации индукторов, ограниченных этой областью. К сожалению, мы не можем сегодня выбрать между этими сценариями, т.к. ничего неизвестно о вышестоящих индукторах и регуляторах экспрессии Six и Eya генов у amphioxus или ascidians.

Acquisition of new functions by Six and Eya genes during deuterostome evolution

Рассмотрев эволюционное происхождение новых доменов экспрессии Six1/2, Six4/5 и Eya генов по соседству с границей передней части нервной пластинки у deuterostomes, обратимся ко второму вопросу. Когда во время эволюции deuterostome эти гены приобретают способность регулировать онтогенетические процессы, типичные для плакод позвоночных, напр.. пролиферацию, изменения клеточной формы и в особенности пути цитодифференцировки (напр.. нейрогенеза)? На этот вопрос ответитть труднее и ответ будет зависит от того, напоминает ли ситуация у существующих hemichordates родоначальные условия у deuterostomian или она приобретена вторично. Как уже упоминалось у hemichordates разбросанные нейроны происходят изо всей эктодермы, в которой Six1/2 не экспрессируются. Итак, если ныне существующие hemichordates сохраняют родоначальное euterostome состояние, то, Six1/2- и возможно Six4/5 и Eya гены также - первоначального не играют важной роли в регуляции нейрогенеза у родоначальника вторичноротых. Вместо этого они могут участвовать в регуляции различных аспектов формирования жаберных щелей и исходя из консервативности экспрессии этих генов в фарингеальной энтодерме у хордовых, эта функция возможно сохраняется у хордовых. В самом деле, млекопитающих. мутантных по Six1 и Eya1, формирование паттерна и морфогенез глоточных карманов аномальны, апоптоз усилен и некоторые производные фарингальных карманов (напр., тимус) не развиваются (Xu et al. 2002; Laclef et al. 2003; Ozaki et al. 2004; Zou et al. 2006).

Интересно, что Six и Eya гены, как было установлено, регулируют апоптоз и морфогенетические движения в развивающихся компаундных глазах Drosophila и их экспрессия ассоциирует с различными регионами, где происходят изменения клеточной формы у ряда protostomes и deuterostomes (Cheyette et al. 1994; Serikaku and O'Tousa 1994; Bonini et al. 1993Go, 1998; Pignoni et al. 1997; Seo et al. 1999; Arendt et al. 2002; Stierwald et al. 2004; Mazet et al. 2005; Bassham and Postlethwait 2005; Kozmik et al. 2007). Это указывает на то, что обеспечение изменений клеточной формы может быть одной из наиболее эволюционно важных клеточных функций этих генов, хотя сегодня ничего неизвестно о используемых механизмах.

Хотя сегодня нет доказательств роли Eya или Six1/2 в нейрогенезе у hemichordates, паттерны экспрессии совместимы с ролью в развитии некоторых нейронов и нейросекреторных клеток у protochordates (Fig. 2A). В противоположность hemichordates, Eya и Six1/2 гены экспрессируются в немногих разбросанных эктодермальных клетках у amphioxus, которые, как полагают, являются предшественниками для субнабора эпидермальных сенсорных клеток и могут быть или хеморецепторами или механорецепторами (Kozmik et al. 2007). Однако многие др. сенсорные клетки и нейроны у amphioxus (rev. Holland and Holland 2001; Lacalli 2004; Holland 2005; Schlosser 2005) возникают из регионов генеральной эктодермы, лишенной экспрессии Eya, Six1/2 и Six4/5. Секреторные клетки Hatschek's ямки, которые являются иммунопозитивными по некоторым гонадотропинам и нейропептидам, обнаружены в аденогипофизе позвоночных (rev. Schlosser 2005), также, по-видимому, происходят из ткани, экспрессирующей Eya и Six1/2 у amphioxus, см. Hatschek's левый дивертикул, который является, однако , энтодермальной структурой (Kozmik et al. 2007).

Напротив, у urochordates все нейросекреторные клетки, иммунопозитивные по аденогипофизным гормонам, возникают из передней части нервной пластинки, а не из эктодермы, экспрессирующей Six1/2 и Eya и соседствующей с нею (rev. Schlosser 2005), указывая тем самым, что urochordates могут терять Hatschek's-pit-подобный ростральный нейросекреторный орган. Однако различного типа сенсорные клетки (rev. Bone and Mackie 1982; Holland 2005; Mackie and Burighel 2005; Schlosser 2005), по-видимому, происходят из областей экспрессии Six1/2 и Eya . Механорецептивные клетки коронарного органа асцидий и сходные клетки circumoral органа larvaceans (вторичные сенсоные клетки без аксонов) происходят из домена экспрессии генов Six1/2 и Eya в передней части не-нейральной эктодермы, как это делают хемосенсорные нейроны вентрального органа у larvacean (первичные сенсорные клетки с аксонами) (Bassham and Postlethwait 2005; Mazet et al. 2005). Кроме того, клетки Langerhans у larvaceans, специализированный тип вторичных механосенсорных клеток, экспрессирует Eya, но не Six1/2 (Bassham and Postlethwait 2005). У асцидий Eya, Six1/2 и Six4/5 также экспрессируются в эктодерме атриального зачатка, из которого возникает ряд механорецептивных сенсорных органов, состоящих из первичных сенсорных клеток, такие как cupular и capsular органы (Mazet et al. 2005). Более того Eya, но не Six гены, экспрессируются в эктодерме, дающей щупальцы с первичными механо- и хемо-сенсорными клетками. Однако др. сенсорные клетки, такие как механорецептивные первичные сенсорные нейроны в хвосте асцидий, по-видимому, происходят из регионов генеральной эктодермы, лишенной экспрессии Eya, Six1/2 и Six4/5 (Mazet et al. 2005). Хотя прямые экспериментальные доказательства пока отсутствуют. эти паттерны экспрессии указывают на то, что гены Eya и Six могут приобретать новую роль в контроле развития некоторых нейронов и нейросекреторных клеток в ветви хордовых (Fig. 2B) прежде чем они приобретут более центральную роль в плакодном нейрогенезе у позвоночных.

Представленный сценарий базируется на предположении, что существующие ныне hemichordates, у которых на сегодня отсутствуют доказательства роли Six1/2 в нейрогенезе, сохраняют состояние родоначальных deuterostome. Однако необходимо рассмотреть и альтернативную возможность, что Six1/2, Six4/5 и Eya уже были вовлечены в контроль нейронального развития у родоначальников вторичноротых и что эта функция была вторично утеряна у hemichordates. Фактически имеются некоторые доказательства. подтверждающие последнюю возможность. Во-первых, имеются некоторые указания на то, что, по крайней мере, Eya экспрессируется в нейронах морских ежей, хотя это нуждается в подтверждении (Burke et al. 2006). Во-вторых, Six1/2, Six4/5 и/или Eya гены экспрессируются в областях, где имеет место нейрогенез у ряда различных protostomes (insects, nematodes, planarians и polychaetes) , также как и у cnidarians (Bonini et al. 1993Go, 1997; Cheyette et al. 1994; Serikaku and O'Tousa 1994; Seo et al. 1999; Arendt et al. 2002; Stierwald et al. 2004). В-третьих, функциональные исследования на Drosophila и планариях непосредственно продемонстрировали функции генов Six1/2 и Eya для развития нейронов в глазах (e.g., Cheyette et al. 1994; Serikaku and O'Tousa 1994; Bonini et al. 1993Go, 1997; Pignoni et al. 1997; Halder et al. 1998; Suzuki and Saigo 2000; Pineda et al. 2000; Mannini et al. 2004).

Недавно Six1/2 гомолог sine oculis вместе с Pax6 гомологом eyeless , как было показано, непосредственно регулируют экспрессию гена нейрональной детерминации atonal, который инициирует каскад событий, ведущий к дифференцировке фоторецепторов в глазах Drosophila (Zhang et al. 2006). Поскольку Six1/2 гомологи также ко-экспрессиурются с PaxB-подобными генами (Pax6-Pax2/5/8 related genes) и с atonal-родственными генами у cnidarians, polychaetes и позвоночных (rev. Piatigorsky and Kozmik 2004; Fritzsch and Piatigorsky 2005; Tessmar-Raible et al. 2005) в областях, где различные чувствительные органы, включая фоторецепторы и механорецепторы. развиваются, было предположено, что Six1/2 гены вместе с PaxB-подобными генами могут контролировать родоначальный просенсорный орган у bilaterian с atonal-зависимым нейрогенезом, который дает начало atonal-зависимым сенсорным органам у protostomes и deuterostomes (Zhang et al. 2006). Менее известно о генах Eya и Six4/5, но имеются доказательства ко-экспрессии и/или функционального взаимодействия Six1/2 и Eya у насекомых, нематод и планарий, это указывает на то, что кооперация этих генов, по крайней мере, в некоторых из их доменов экспрессии является общей для bilaterians (Pignoni et al. 1997; Li et al. 2004; Mannini et al. 2004).

Эти находки, однако недостаточны для установления на самом ли деле Six1/2 играет гомологичные роли в этих различных нейрональных типах клеток или разные типы нейрональных клеток приобретают Six1/2-зависимую регуляцию независимо. Последняя возможность д. серьезно учитываться, т.к., по-видимому, отсутствует эволюционно законсервированная ассоциация Six1/2 генов с atonal-зависимым нейрогенезом или с определенными модальностями сенсорных клеток.

Напр., в то время как atonal-зависимые предшественники для фоторецепторов у Drosophila экспрессируют Six1/2, atonal-зависимые предшественники для механорецептивных хордотональных органов не экспрессируют (Jarman et al. 1993; Cheyette et al. 1994; Serikaku and O'Tousa 1994). Сходным образом, Six1/2 ко-экспрессируется с atonal в предшественникх личиночных и взрослых фоторецепторов у polychaetes, но отсутствуют в atonal-экспрессирующих нейральных предшественниках апикального органа (Arendt et al. 2002). У асцидий atonal может ко-экспрессирроваться с Six1/2 в передней эктодерме, из которой развивается механосенсорный коронарный орган, тогда как только atonal, но не Six1/2 экспрессируется в презумптивных механосенсорных клетках хвоста (Mazet et al. 2005; http://ghost.zool.kyoto-u.ac.jp/tfst.html). Более того. имеются и др. классы нейронов, которые нуждаются в генах, родственных Drosophila achaete-scute скорее, чем в atonal-родственных генах для инициации дифференцировки нейронов (rev. Hassan and Bellen 2000). У позвоночных. напр., спецификация нейронов обонятельных рецепторов, которые возникают из Six- и Eya-экспрессирующей преплакодной эктодермы, нуждается в achaete-scute гомологе Ash1 (Cau et al. 1997, 2002; Murray et al. 2003). Паттерны экспрессии также указывают на возможность того. что Six1/2 ко-локализуется как с atonal-зависимыми, так и с achaete-scute-зависимыми нейрональными предшественниками у cnidarians (Mu"ller et al. 2003; Seipel et al. 2004; Stierwald et al. 2004), но это ещё надо доказать.

Хотя необходимо получить ещё множество данных для получения ясной картины, эти находки говорят против эволюционной консервации связей между Six1/2 и atonal-зависимой нейрональной дифференцировкой, а скорее указывают на то, что Six1/2 (и возможно Six4/5 и Eya также) могут повторно приобретать или терять регуляторную роль в контексте различных генных циркуитов, управляющих дифференцировкой нейронов. Интересно. что atonal-родственные и achaete-scute-родственные гены уже дифференциально экспрессируются у cnidarians и каждый из этих генов, как известно, важен для спецификации сенсорных клеток разных модальностей в разных клонах, указывая тем самым, что сенсорные модальности сенсорных клеток могут быть эволюционно довольно гибкими (rev. Tessmar-Raible et al. 2005; Schlosser 2005). Six1/2 экспрессия, по-видимому, не связана с какой-либо определенной сенсорной модальностью: они экспрессируются в проспективных фоторецепторах у polychaetes и насекомых. но не у cnidarians и позвоночных и экспрессируются в проспективных механорецепторах или хеморецепторах у хордовых и возможно у cnidarians, но не у насекомых (Arendt et al. 2002; Cheyette et al. 1994; Serikaku and O'Tousa 1994; Stierwald et al. 2004).

In conclusion, current evidence is insufficient to decide whether Six1/2, Six4/5, or Eya genes were already employed in the control of some aspects of neuronal development in the deuterostome ancestor (with secondary loss in hemichordates) or whether a more ancient role of these genes in neuronal control was lost in the deuterostome ancestor and reacquired in the chordate lineage (Fig. 2B). Moreover, it is questionable which, if any, of the Six1/2 and Eya expressing sensory cells in protochordates are homologous to placodally derived sensory cells or neurons in vertebrates (reviewed in Holland 2005; Schlosser 2005). Be that as it may, the expression of Six1/2 and Eya genes in only a subset of scattered ectodermal sensory neurons in amphioxus and ascidians, and some neurosecretory cells in amphioxus is certainly in striking contrast to the situation observed in vertebrates. First of all, in vertebrates no sensory neurons arise from nonneural ectoderm outside the preplacodal region defined by Six1/2 and Eya expression. Second, the Six1/2 and Eya expressing preplacodal region in vertebrates gives rise to dense clusters of sensory neurons rather than to merely scattered cells. Many additional cell types without precursors in the nonneural ectoderm of amphioxus and ascidians (e.g., lens cells and many neurosecretory cell types of the olfactory and adenohypophyseal placodes) also arise from the preplacodal region in vertebrates, but it remains to be shown, which of these develop in a Six- and Eya-dependent fashion. This strongly suggests that Six and Eya genes have adopted additional and more central roles in regulation of neuronal differentiation and possibly other pathways of cytodifferentiation as well specifically in the vertebrate lineage and hence after recruitment of these genes to the nonneural ectoderm at the anterior neural-plate border (Fig. 2B). The absence of neurons from ectoderm devoid of Six and Eya expression in vertebrates suggests that Six/Eya-independent types of sensory neurons were either lost in the vertebrate lineage or did secondarily acquire Six/Eya-dependent regulation. The dramatic increase in neuronal density in Six and Eya expressing ectoderm in vertebrates, on the other hand, may be due to either a novel role of Six and Eya genes in regulating the proliferation of neuronal precursors or a reduced requirement for cofactors in the regulation of neuronal determination genes. Only additional functional studies analyzing how Six and Eya genes regulate cytodifferentiation in vertebrate placodes and in protochordate sensory cells will allow us to resolve these questions and to further elucidate how these old genes adopted new functions during the evolution of vertebrate cranial placodes.

How old genes make a new head: redeployment of Six and Eya genes during the evolution of vertebrate cranial placodesGerhard Schlosser Integrative and Comparative Biology 2007 47(3):343-359; doi:10.1093/icb/icm031 Оригинал

How old genes make a new head: redeployment of Six and Eya genes during the evolution of vertebrate cranial placodes
Gerhard Schlosser
Integrative and Comparative Biology 2007 47(3):343-359; doi:10.1093/icb/icm031 Оригинал