Глаза позвоночных происходят из нейральной и не-нейральной эктодермы, которые образуют нейральную сетчатку и хрустали, соотв. Эти две ткани не являются независимыми вещами в процессе развития; скорее они строго зависят др. от др. Индукция хрусталика в не-нейральной эктодерме, как полагают, происходит когда развивающаяся нейральная сетчатка или оптический пузырёк эвагинирует, чтобы осуществить контакт с лежащей поверх не-нейральной эктодермой или presumptive lens ectoderm (PLE). Индуцированные эктодермальные утолщения для образования lens placode (LP), в дальнейшем разовьются в в хрусталиковые пузырьки, которые отсоединятся от поверхностной эктодермы, чтобы созреть в глазные хрусталики. В координации с развитием клона хрусталика, глазной пузырёк формирует оптический бокал, который в дальнейшем созревает в многослойную нейральную сетчатку, которая состоит из ганглиолярного клеточного слоя, ядерного слоя и слоя фоторецепторов с вариациями в зависимости от вида животного.

Классические эмбриологические исследования показали, что тепловое повреждение зачатка глазного пузырька ведет к отсутствию хрусталика, демонстрируя, что индукция хрусталика нуждается в глазном пузырьке в качестве источника сигналов (Spemann, 1901, cited in Hamburger,1988). Однако последующие исследования на различных видах позвоночных, включая и Xenopus laevis выявили. что глазной пузырёк не всегда необходим для индукции хрусталика. Имеется множество примеров образования хрусталика в отсутствие глазного пузырька (напр., Henry and Grainger,1987; Mizuno et al.,1998; reviewed in Tahara,1962; Jacobson and Sater,1988). В этом случае образуются "lentoid" или хрусталик-подобные структуры, вместо аккуратно структуированных глазных хрусталиков, это строго указывает на "фоматирующие эффекты" (Holtfreter and Hamburger,1955) сетчатки или развивающейся сетчатки на нормальный морфогенез хрусталика, куда входят регуляция формы, размера, поддержания и дифференцировки развивающегося хрусталика (Jacobson and Sater,1988). Так эмбрионы тритона, лишенные хрусталиков в результате удаления глазного пузырька имеют только хрусталиковый эпителий, а дифференцированные хрусталиковые волокна наблюдаются редко (Mizuno et al.,1998). Базируясь на этих находках можно суммировать, что развитие хрусталиков определенно нуждается в развивающейся или презумптивной сетчатке во многих отношениях, и в терминах индукции хрусталика встает вопрос о времени, когда индуцирующие сигналы испускаются зачатком сетчатки или передней частью нервной пластинки (Grainger,1996), по крайней мере у некоторых видов позвоночных. Недавнее исследование молекулярных маркеров водтвердило эту идею. У кур, напр., сообщалось, что эктодермальные экспланты, происходящие из области, окружающей переднюю часть нервной пластинки, автономно экспрессируют серию хрусталиковых маркерных генов, если культивируются в одиночестве, и в конечном счете дифференцируются в ?-crystallin-позитивные лентоиды (lentoids) (Bailey et al.,2006). У мутантных chokh рыбок данио формируется пара хрусталиков, хотя глазные пузырьки неспособны выпячиваться и контактировать с поверхностной эктодермой (Loosli et al.,2003).

Современное понимание индукции хрусталиков заключается в том, что она не происходит в один этап. Посредством серии тканевых трансплантаций с использованием эмбрионов Xenopus, Grainger с стор. разработали модель ступенчато-образной детерминации индукции хрусталиков (Grainger,1992) , согласно которой процесс индукции хрусталиков базируется на компетентности, склонности, спецификации и дифференцировки. У эмбрионов Xenopus удаление передней части нервной пластинки на ст. поздней нейрулы ведет к формированию свободных хрусталиков, тогда как удаление на ст. ранней нейрулы не дает свободных хрусталиков (Henry and Grainger,1990). Эти находки указывают на то, что примерно на ст. средней нейрулы (st. 15/16), соседняя не-нейральная эктодерма уже приобретает склонность к образованию хрусталика за счет восприятия сигналов, испускаемых передней частью нервной пластинки. Предыдущие исследования по тканевым трансплантациям показали, что хрусталики не образуются, если эктодерма без или с низкой компетентностью образования хрусталиков трансплантировалась в соотв. регион хрусталик-формирующего поля (или lens field: LF) на ст. нейрулы (Henry and Grainger,1987; Servetnick and Grainger,1991). Это указывает на то, что не-нейральная эктодерма нуждается в соотв. компетентности воспринимать хрусталик-индуцирующие сигналы и развиваться в хрусталики (Henry and Grainger,1987). Следовательно, факторы, участвующие в формировании склонности к хрусталиками и/или становлении хрусталиковой компетентности, важны для последующего формирования хрусталиков Xenopus.

Гены, которые активируются в хрусталиковом клоне, были идентифицированы и установлены молекулярные каскады, которые в конечном итоге приводят к экспрессии кристаллиновых генов (reviewed by Ogino and Yasuda,2000; Kondoh,2008). У Xenopus, otx2, six3 и pax6 , как изветно, экспрессируются на ст. открытой нервной пластинки в ограниченной области преплакодной эктодермы pre-placodal ectoderm (PPE, a.k.a. pre-placodal region, PPR), которая окружает переднюю часть нервной пластинки и д. сформировать краниальные сенсорные плакоды на более поздних стадиях (reviewed in Schlosser and Ahrens,2004; Streit,2004). Экспрессия этих генов PPE, как полагают, маркирует LF и представляет склонную к хрусталикам эктодерму (Zygar et al.,1998). Ген foxE3 (первоначально идентифицирован как lens1 у Xenopus) является геном, который обнаруживает экспрессию, ограниченную хрусталиком, начиная со ст. нейрулы (Kenyon et al.,1999), и это также может маркировать эктодерму, склонную к образованию хрусталиков. Одним из способов, чтобы понять инициальные события развития хрусталиков , это идентификация генов, регулирующих экспрессию LF маркеров. Мы идентифицировали Xhairy2, Xenopus hairy и enhancer-of-split (Hes) ген в качестве фактора, который обладает такой способностью.

Семейство генов Hes кодирует basic-helix-loop-helix транскрипционный репрессор и, как известно, участвует в в различных онтогенетических процессах в царстве животных (Fisher and Caudy,1998; Davis and Turner,2001). В развитии позвоночных регуляция нервного развития с помощью Hes генов активно исследовалась и получены доказательства, продемонстрировавшие, что Hes гены блокируют дифференцировку и способствуют клеточной пролиферации (reviewed in Kageyama et al.,2008). Более того, недавнее сообщение показало, что Hes1 активно защищает от терминальной дифференцировки и постоянного ареста клеточного цикла в молчащих клетках (Sang et al.,2008). Мышиный Hes1 , как известно, участвует в развитии глаз. Исследования нокаута показали, что Hes1 регулирует дифференцировку нейронов сетчатки (Tomita et al.,1996; Lee et al.,2005) и инициальный морфогенез и рост зрительного пузырька в координации с Pax6 (Lee et al.,2005). В этих случаях морфогенез хрусталика также нарушен в основном из-за отсутствия функционально развивающейся сетчатки (Tomita et al.,1996). В терминах последовательности передачи сигналов Notch в морфогенезе глаз, который, как известно, является вышестоящим регулятором Hes генов в большинстве, но не во всех случаях (rev. Kageyama et al.2008), недавнее исследование, в котором осуществлялся тщательный условный нокаут Notch эффектора Rbpj, показало, что передача сигналов Notch контролирует время дифференцировки клеток первичных хрусталиковых волокон в переднем эпителиальном слое хрусталика (Rowan et al.,2008).

Xhairy2 наиболее сходен Hes1 среди Hes генов млекопитающих по нуклеотидным последовательностям и экспрессируется в эктодермальных тканях, таких как вентральная пластинка нервной трубки и нервный гребень, а также мезодермальные ткани, такие как передняя часть прехондральной пластинки и сомиты (Tsuji et al.,2003). Наш предыдущий функциональный анализ показал, что Xhairy2 участвует в поддержании тканевых качественных особенностей и пролиферации, а также недифференцированное состояние (Yamaguti et al.,2005; Nagatomo and Hashimoto,2007). Xhairy2 экспрессируется также в области PPE со стадии гаструлы, но его возможный вклад в формирование краниального сенсорного органа не выяснен.

В данном исследовании установлено, что Xhairy2 необходим для развития хрусталика начиная со стадии образования LF. Xhairy2 экспрессируется в области PP, которая включает будущее поле хрусталика со стадии гаструлы. С помощью инъекций morpholino (MO), было показано, что нокдаун Xhairy2 снижает экспрессию генов хрусталиковых маркеров на каждой ступени детерминации хрусталиков, приводя в конечном итоге к нарушениям развития глазного хрусталика. Интересно, что экспрессия маркерных генов сетчатки и морфология зачатка сетчатки остаются нормальными после нокдауна Xhairy2. Избыточная экспрессия Xhairy2, однако, не расширяет LF, указывая тем самым, что Xhairy2 может действовать вне известного каскада транскрипционных факторов, специфичных для развития хрусталиков. Также нокдаун Xhairy2 не влияет на экспрессию генов, которые являются компонентами сигнальных путей, связанных с индукцией LF. Вместо этого, потеря LF, вызываемая за счет деплеции Xhairy2 частично устраняется за счёт одновременного нокдауна p27xic1, гена, кодирующего ингибитор клеточного цикла. Однако фармакологическая обработка отрицает возможность, что само по себе уменьшение количества клеток является непосредственной причиной потери LF. Исходя из этого, мы предполагаем, что Xhairy2 может поддерживать внутриклеточную среду, в которой могут восприниматься хрусталик-индуцирующие сигналы.

Итак, наши данные указывают на то, что Xhairy2 не является мастером регулятором программ хрусталика, но хрусталиковые программы не работают в отсутствии Xhairy2. Это указывает на то, что Xhairy2 может поддерживать внутриклеточную среду, в которой могут восприниматься индуцирующие сигналы. Др. словами, Xhairy2 может сохранять клетки хрусталиков компетентными к входящим индуцирующим сигналам, путем поддержания недифференцированного или плюрипотентного состояния этих клеток путем регуляции экспрессии p27xic1. Интересно, что наши предыдущие сообщения показали, что Xhairy2 в передней прехордальной пластинке мезодермы и нервном гребне, которые , как полагают, являются группами плюрипотентных клеток, необходим для поддержания качественных особенностей ткани или недифференцированного состояния таких клеток (Yamaguti et al.,2005; Nagatomo and Hashimoto,2007). Поддержание этих состояний клеток в присутствии Xhairy2 может быть частично связано с всё ещё неизвестной молекулярной природой хрусталиковой компетентности, которая является концептуальным базовым состоянием эктодермы, ведущим к формированию хрусталика (Henry and Grainger,1987).