Дифференциальная клеточная адгезия необходима для развития органов, а кадгериновые адгезивные молекулы, как было установлено ранее, необходимы для развития зрительной системы (Malicki, 2004; Pujic and Malicki, 2004; Halbleib and Nelson, 2006; Steinberg, 2007). Существуют многочисленные кадгериновые молекулы клеточной адгезии, которые экспрессируются в развивающейся и взрослой сетчатке (Honjo et al., 2000). Паттерны экспрессии различных кадгериновых и протокадгериновых молекул клеточной адгезии были изучены на рыбках данио (Liu et al., 1999a,b, 2002, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010; Erdmann et al., 2003; Malicki et al., 2003; Masai et al., 2003; Babb et al., 2005; Seiler et al., 2005; Yamaguchi et al., 2010; Lewis et al., 2011). Последствия от потери функцииCdh2, Cdh4 и Cdh6 были изучены у рыбок данио (Erdmann et al., 2003; Malicki et al., 2003; Masai et al., 2003; Babb et al., 2005; Liu et al., 2008).

В предыдущем исследовании было показано, что Cdh11 принимает участие в дифференцировке и миграции клеток (Simonneau and Thiery, 1998; Vallin et al., 1998; Borchers et al., 2001; Kawaguchi et al., 2001; Lee et al., 2007). Впервые охарактеризованный в остеобластах (Okazaki et al., 1994), Cdh11 оказался необходимым для соотв. развития костей (Kawaguchi et al., 2001). Cdh11 был также назван мезенхимным кадгерином, поскольку он экспрессируется в миграторных эмбриональных клетках перед дифференцировкой и в метастатических опухолевых клетках (Kimura et al., 1995; Simonneau and Thiery, 1998; Vallin et al., 1998; Borchers et al., 2001; Chu et al., 2008; Nakajima et al., 2008; Huang et al., 2010). Cdh11 экспрессируется также в клетках нервного гребня, а миграторное поведение клеток нервного гребня регулируется с помощью деградации Cdh11 металлопротеиназой (Simonneau and Thiery, 1998; Vallin et al., 1998; Borchers et al., 2001; McCusker et al., 2009). В нервной системе Cdh11 экспрессируется в многочисленных типах нервных клеток (Franklin and Sargent, 1996; Kimura et al., 1996; Faulkner-Jones et al., 1999). Cdh11 экспрессируется в синапсах и, как было установлено, регулирует долговременную потенциацию в гиппокампе (Manabe et al., 2000). Подобно Cdh2 (Letourneau et al., 1990; Jontes et al., 2004), Cdh11 экспрессируется в ростовых конусах во время миграции аксонов (Marthiens et al., 2005), и также подобно Cdh2 (Williams et al., 1994), миграторная активность Cdh11 регулируется с помощью передачи сигналов Fgf (Boscher and Mege, 2008). Итак, эти находки иллюстрируют, что Cdh11 выполняет разнообразные роли во время развития эмбрионов.

Разрушение гена cdh11 у мышей было проанализировано и были выявлены дефекты развития сомитов и скелета (Horikawa et al., 1999; Kawaguchi et al., 2001). Нервная функция Cdh11 была установлена в гиппокампе, показано, что Cdh11 строго экспрессируется в области нейропиля и регулирует долговременную потенциацию в CA1 регионе гиппокампа (Manabe et al., 2000). Интересны эксперименты с использованием Xenopus, продемонстрировавшие специфическую функцию Cdh11 в миграции нервного гребня (Borchers et al., 2001; McCusker et al., 2009). Используя рыбок данио, ранее мы показали, что Cdh11 обнаруживает внеклеточную активность, контролируя рост отолитов во внутреннем ухo (Clendenon et al., 2009). Анализ функции Cdh11 во время развития зрительной системы ранее не проводился.

Предыдущие исследования показали, что Cdh11 экспрессируется в слое ганглиолярных клеток и во внутреннем ядерном слое развивающейся сетчатки мышей (Honjo et al., 2000; Yamagata et al., 2006). Наши эксперименты с иммунофлюоресценцией с использованием Cdh11 специфических антител, чтобы изучить распределение в развивающейся сетчатке рыбок данио, оказались согласующимися с находками у мышей. Экспрессия cadherins, включая Cdh11, указывает на то, что дифференциальная адгезия контролирует морфогенез сетчатки. Однако, распределение Cdh11 отличается от такового для др. кадгеринов, обнаруживая точечное окрашивание. Распределение Cdh11 в цитоплазме и во внеклеточном пространстве может указывать на необычную активность этого кадгерина, подобно той, что выявлена во внутреннем ухе (Clendenon et al., 2009). Кроме того, Cdh11 экспрессируется на высоком уровне в эпидермисе глаз, включая роговицу и хрусталик, которые могут оказывать косвенное влияние на развитие сетчатки.

Нокдаун эксперименты с morpholino олигонуклеотидами были использованы для определения последствий потери функции Cdh11 у рыбок данио. Нокдаун экспрессии Cdh11 дает фенотип маленькие глаза. Нокдаун cdh11 не препятствует спецификации глаз, но потеря функции Cdh11 увеличивает частоту гибели клеток сетчатки. Нокдаун cdh11 также индуцирует увеличение клеточных делений, в виде компенсаторной реакции на гибель клеток. Т.о., повышенная клеточная гибель является частью механизма фенотипа маленьких глаз, наблюдаемого у эмбрионов с нокдауном cdh11. Увеличение клеточной гибели отмечается и в др. исследованиях с потерей функции кадгеринов. Напр., Cdh4 нокдаун у рыбок данио дает фенотип маленьких глаз, который обусловлен усилением апоптоза (Babb et al., 2005). Слипчивость с помощью кадгеринов предоставляет сигнал жизнеспособности во многих клеточных контекстах, это является критическим для морфогенеза, включая таковой и сетчатки. Хрусталик и сетчатка обнаруживают реципрокные тканевые взаимодействия во время развития (Graw, 1996), но необходимы дополнительные эксперименты, чтобы определить, может ли потеря функции Cdh11 в хрусталике влиять на дифференцировку сетчатки и наоборот.

Снижение дифференцировки также вносит вклад в фенотип после потери функции Cdh11. Блокирование функции Cdh11 предупреждает соотв. дифференцировку в слоях сетчатки. Процесс дифференцировки изменяет разные клеточные качества; напр., в нервных клетках дифференцировка вызывает образование различных специализированных доменов мембран и структур, включая аксоны. дендриты и у фоторецепторов наружный сегмент. Снижение дифференцировки наблюдается у эмбрионов с нокдауном cdh11 и также может вносить существенный вклад в фенотип маленьких глаз. Снижение дифференцировки ассоциирует с др. фенотипами потери функции кадгеринов, включая Cdh4 и Cdh6 у рыбок данио (Babb et al., 2005; Liu et al., 2008). Напротив, потеря функции Cdh2 у рыбок данио не препятствуют дифференцировке типов клеток сетчатки, но наблюдаются дефекты полярности клеток, приводящие к перемешиванию типов клеток из разных слоев сетчатки (Erdmann et al., 2003; Malicki et al., 2003; Masai et al., 2003). У эмбрионов с нокдауном cdh11 наблюдается некоторая дезорганизация слоёв сетчатки, при этом клетки сетчатки образуют аномальные кластеры и розетки. Однако, дифференцированные клетки были найдены в их соотв. слоях сетчатки у эмбрионов с нокдауном cdh11 в нашем анализе.

Активность кадгеринов может влиять на баланс популяций предшественников и дифференцированных клеток во время дифференцировки сетчатки и хрусталика. Эффекты кадгеринов на нишы стволовых клеток и механизмы дифференцировки изучены недостаточно (Song and Xie, 2002). Дальнейшие исследования д. идентифицировать первичные эффекты различных кадгеринов, экспрессирующихся в сетчатке. Недавние находки, которые характеризуют популяции предшественников у рыбок данио, открывают множество возможностей для будущих исследований (Bernardos et al., 2007; Thummel et al., 2008, 2010; Cerveny et al., 2010).

Cdh11, как было установлено ранее, регулирует подвижность клеток, включая роль в миграции клеток нервного гребня и роста нейритов спинного мозга (Simonneau and Thiery, 1998; Vallin et al., 1998; Borchers et al., 2001; Marthiens et al., 2005; Boscher and Mege, 2008; Chu et al., 2008; Nakajima et al., 2008; Huang et al., 2010). Клетки ретинальных ганглиев проецируют аксоны в зрительные центры головного мозга посредством стереотипичных траекторий (Burrill and Easter, 1994). Обычно, аксоны клеток ретинальных ганглиев рыбок данио собираются в пучки в сетчатке и покидают глаз, посылая проекции в контралатерально расположенные зрительные мишени головного мозга. У эмбрионов с нокдауном cdh11 ганглиолярные клетки уменьшены в количестве, но те ганглиолярные клетки, которые дифференцированы, посылают аксоны в контралатеральные зрительные центры. Внутри зрительного тектума аксоны ганглиолярных клеток обычно перестают быть в пучках и ветвятся внутри нейропиля, где происходит образование синапсов. Потеря функции Cdh11 не препятствует разобщению пучков и ветвлению аксонов. Интересно, что ретинотектальные проекции у эмбрионов с нокдауном cdh11 обнаруживают эктопические проекции нейритов на срединной линии и аксональные отростки, которые преодолевают нейропиль, вступают в клеточный слой тектума. У эмбрионов с нокдауном Cdh4, нейриты также обнаруживались проходящими через нейропиль и вступающими в клеточный слой тектума (Babb et al., 2005). У эмбрионов с потерей функции Cdh2, большие количества аксонов проецируются ипсилатерально (Masai et al., 2003), чего не наблюдается у контрольных эмбрионов. Эмбрионы с нокдауном cdh11 не посылают проекций в ипсилатеральные стороны тектума, лишь продуцируют маленькие отростки, обнаруживаемые в хиазме. Итак, эти находки демонстрируют, что разные подтипы молекул кадгеринов контролируют отдельные процессы во время ретинотектальных проекций аксонов ганглиолярных клеток, включая нахождение пути, образование пучков и распознавание мишеней.

In summary, consequences of Cdh11 loss-of-function for visual system development were characterized. Previous studies showed that Cdh11 loss-of-function affects gastrulation, somitogenesis, neurogenesis, and skeleton and inner ear development (Horikawa et al., 1999; Kawaguchi et al., 2001, Borchers et al., 2001; McCusker et al., 2009, Clendenon et al., 2009). A small eye phenotype was also noted in zebrafish cdh11 knockdown embryos. Here, we show that increased cell death in the retina and lens and reduced retinal differentiation contribute to the Cdh11 loss-of-function small eye phenotype, and analysis of retinotectal projections indicate that axon guidance in ganglion cells was defective, participating with other cadherin adhesion molecules to orchestrate retinotectal projection to central nervous system visual targets (Erdmann et al., 2003; Malicki et al., 2003; Masai et al., 2003; Babb et al., 2005; Raymond et al., 2006; Liu et al., 2008; Lewis et al., 2011). Additional studies are needed to characterize how Cdh11 activity interacts with other cadherin adhesion systems and with other regulatory molecules that control visual system development.