Развитие паттернов ветвления эпителиальных древ зачаровывало ученых нескольких поколений (Metzger and Krasnow,1999). Многие молекулярные и физические законы, которые управляют морфогенезом ветвления были открыты для специфических модельных органов (Costantini and Kopan,2010; Larsen et al.,2010; Warburton et al.,2010; McNally and Martin,2011). При дихотомном ветвлении эпителиального древа молочных делез мышей эпителий предопределяет свое собственное место ветвления путем секреции ингибирующего морфогена, TGFβ 1 (Gjorevski and Nelson, 2011). Здесь математическое моделирование и культивируемые экспланты органов в отдельности показали, что аутокринное ингибирование не является первичным механизмом, который контролирует паттерн моноподиального ветвления эмбрионального легкого кур. Фактически наша компьютерная модель подтвердила, что одиночный морфоген, секретируемый униформно эпителием не может предопределять паттерны моноподиального ветвления. Аутокринное ингибирование и отталкивание веточек могут т.о. быть уникальными для ветвления посредством дихотомного ветвления.

Хотя они не специфицируют относительные места моноподиального ветвления, два прототипических ингибирующих морфогена, TGFβ1 и BMP4, действуют по-разному влияя на развитие воздушных путей эмбрионов кур в культурах эксплантов (Fig. 7). В самом деле, мы установили, что передача сигналов посредством TGFβ рецепторов блокирует ветвление, но усиливает рост. Напротив, передача сигналов посредством BMP рецепторов усиливает ветвление, но блокирует рост. С соответствии с этим заключением, мы установили, что ингибирование TβRI ведет к снижению пролиферации эпителиальных клеток воздушных путей, тогда как ингибирование BMPRI ведет к усилению пролиферации эпителия воздушных путей по сравнению с контролем (Supp. Fig. S2). Морфометрический анализ выявил, что ни TGFβ1, ни BMP4 не изменяют относительные места ветвления, а вместо этого влияют на скорость, с которой формируются новые веточки вдоль первичных бронхов. Эти данные подтверждают, что ветвление и рост эпителиального древа могут быть связаны и скоррелированы обратным образом, по крайней мере, во время этих стадий моноподиального морфогенеза. Переключение передачи сигналов, которые включают или ветвление или рост, а также влияют на клеточное поведение, ответственное за важные изменения в морфологии, ещё предстоит выяснить. Тем не менее, недавние исследования на лёгких мышей установили, что ось делений тонко регулируется во время морфогенеза этого органа (Tang et al.,2011), подтверждая удивительную возможность, что TGFβ b BMP могут сговариваться, чтобы предопределять ориентацию веретена.



Figure 7. Schematic diagram detailing the effects of TβRI and bone morphogenetic protein receptor type I (BMPRI) inhibition on branching and lumen size in the chicken lung.

Важно отметить, что эффекты TGFβ1 b BMP4 выявленные здесь не полностью согласуются с ролями этих морфогенов в эмбриональном развитии легких у мышей. Передача сигналов TGFβ ингибирует ветвление воздушных путей как мышей, так и кур (Serra et al.,1994; Serra and Moses,1995; Zhao et al.,1996,1998,2000; Stabellini et al.,2001), но нарушение передачи сигналов посредством рецепторов, по-видимому, только блокирует рост воздушных путей в культивируемых эксплантах легких кур. Напротив, блокирование передачи сигналов через TGFβ рецепторы в культуре или in vivo усиливает ветвление легких мышей, не влияя определенно на рост воздушных путей (Zhao et al.,1996,1998). Передача сигналов BMP4 ингибирует индуцируемое FGF10 ветвление эпителия воздушных путей мыши (Bellusci et al.,1996; Weaver et al.,1999,2000), но вместо этого преимущественно ингибирует рос воздушных путей у кур. У мышей BMP4, как известно, блокирует пролиферацию клеток, поскольку воздействие экзогенного BMP4 уменьшает включение bromodeoxyuridine (BrdU; Weaver et al.,2000), а трансгенная избыточная экспрессия BMP4 в дистальной части эпителия приводит к образованию маленьких легких из-за пониженной пролиферации (Bellusci et al.,1996). Неясно, почему BMP4 не ингибирует также ветвление в культурах эксплантов легких кур, описанное здесь. Анализ эксплантов, обработанных BMP4 выявляет незначительные эффекты на пролиферацию, при этом наблюдается общее снижение включения в эпителий BrdU аналога, EdU (Supp. Fig. S2). Однако, BMP4 , как было установлено, стимулирует ветвление в культурах зачатков легких мышей, когда присутствуют как эпителий, так и мезенхима (Bragg et al.,2001; Shi et al.,2001), подтверждая, экпериментальный контекст может быть особенно критическим в передаче сигналов этой молекулы. Необходимы дальнейшие исследования для выявления различий между передачей сигналов TGFβ и BMP при простом моноподиальном ветвлении (как это наблюдается у кур) и комбинацией моноподиального/дихотомного ветвления (как это наблюдается у мышей).

Даже посредством манипулирования с передачей сигналов рецепторов TGFβ и BMP достигаются значительные эффекты на общую морфологию лёгких, независимо от затронутой относительной позиции зачатка вдоль первичных бронхов. Неожиданно каждый вторичный бронх всегда формируется в точной фракционной позиции относительно длины первичного бронха, независимо от условий воздействия. Эти данные согласуются с мнением, что TGFβ и BMP4 влияют на скорость, с которой формируются новые веточки по сравнению с контролем, но не влияют на места ветвления. Эти данные подтверждают также, что паттерны моноподиального ветвления масштабированы в общим размером легких у кур и что места веточек детерминируются сигналами, регулируемыми с помощью этого масштабирования. Такое масштабирование напоминает формирование паттерна у ранних эмбрионов Drosophila, когда форма концентрационного градиента Bicoid и позиция сегментационных генов масштабированы у видов с пятикратными различиями в размерах (Gregor et al.,2005); неясно, как это происходит. У мышей места ветвлений всегда специфицированы локальными источниками FGF10 в мезенхиме (Abler et al.,2009). Недавнее исследование показало, что FGF10 также экспрессируется в мезенхиме в эмбриональных легких кур и необходим для ветвления эпителия (Moura et al.,2011). Масштабируется ли эта передача сигналов по отношению к общему размеру лёгких, чтобы предопределять места ответвлений вдоль первичных бронхов, ещё предстоит определить.

Наконец, тщательный морфометрический анализ легких на разных стадиях и при разных воздействиях позволил нам осуществить аллометрический анализ структуры (framework), который бы описывал моноподиальный морфогенез воздушных путей с помощью одного математического уравнения в форме экспоненциального закона. Экспоненциальный закон тесно связан с фрактальным поведением и используется активно для описания различных аспектов анатомии и физиологии взрослых легких (Suki et al.,1994; Suki,2002). Применительно к эмбриональным органам наша экспоненциальная модель моноподиального морфогенеза способна к объективным, количественным сравнениям во время развития и при экспериментальных манипуляциях. Мы установили, что для эксплантов ветвление пропорциональное проектируемой области воздушных путей осуществляется примерно в 3/2 степени. Эта масштабирующая экспонента согласуется с качественными наблюдениями, что ветвление лёгких осуществляется быстрее, чем они увеличиваются в размерах, это необходимое условие для пространственного заполнения разветвленной архитектуры. Аллометрический анализ эмбрионального развития может оказаться полезным prove для широкого разнообразия органов и органных систем и, скорее всего, сделает возможным объективные и количественные сравнения между наблюдениями, опубликованными независимыми исследователями.