Трубочки являются фундаментальной структурное единицей многих органов, включая сосудистую систему, экзокринные железы, ЖКТ, легкие и почки. Поскольку многоклеточные животные участвуют в создании более крупных, чем небольшие кластеры клеток, то трубочки становятся важными для транспорта и распределения метаболитов. Учитывая сложность процессов, которые создают трубочки специфических размеров и формы, неудивительно, что их развитие и поддержание может нарушаться и вести к опустошительным болезням.

Organization of tubes: which cells and how are they put together?

Биологические трубочки предстают в удивительном разнообразии размеров и сложности. Они могут быть маленькими, такими как одноклеточные трубочки в маленьких капиллярах или в почечных клетках у C. elegans. Они могут быть крупными, но с относительно простой организацией, как демонстрируют массивные многоклеточные трубки кишечника голубого кита. Они могут также формировать органы чрезвычайной сложности, такие как легкие человека, которые включают приблизительно 105 проводящих и 107 респираторных воздушных путей. Трубочки могут состоять из одиночного или многих слоёв клеток с дополнительным включением др. ткани, такой как соединительная ткань и мышцы (напр. сосудистая система и пищевод ).

Многие тубулярные органы в конечном счете соприкасаются с внешней средой и развиваются из поляризованных эпителиальных клеток эктодермального, энтодермального или мезодермального происхождения. Однако независимо от их клеточного источника, они обладают одним из двух типов организации. Огромное большинство трубочек со 'швами' , которые на поперечном разрезе содержат просвет, заключенный с помощью одной или большего количества клеток, соединенных с помощью ауто- или межклеточных соединений (Lubarsky and Krasnow, 2003). Мене распространены 'бесшовные' трубочки с отсутствием клеточных соединений по окружности просвета. Примеры таких бесшовных трубок включают синусоидальные кровеносные сосуды в почках млекопитающих (Bar et al., 1984), почечные клетки C. elegans (Buechner, 2002) и трахейная система Drosophila (Maruyama and Andrew, 2012). Важно, что орган может содержать многие типы трубок и организации соединений (Buechner, 2002; Herwig et al., 2011; Lubarsky and Krasnow, 2003). Более того, имеются примеры трубок, переходящих от шовных к бесшовным типам во время развития, для этого используются сложные перестройки клеточной поверхности, чтобы внести или элиминировать межклеточные соединения и поверхности раздела (Dong et al., 2009; Ribeiro et al., 2004).

Общим топологическим свойством шовных и бесшовных трубок является присутствие одного просвета. Поскольку одиночный просвет возникает естественным образом, когда формируется трубка путем инвагинации (see 'budding' below), подобный исход не очевиден, когда трубка формируется путем слияния пузырьков или компартментов. В соответствии с активными процессами становления и поддержания одиночного просвета трубки, идентифицированы мутации, которые нарушают непрерывность просвета в кишечнике рыбок данио и в трахейной системе Drosophila, создавая трубочки со множественными или прерывистыми просветами (Bagnat et al., 2007; Levi et al., 2006).

Cellular mechanisms of lumen formation

Хотя шовные трубочки в принципе имеют ту же самую организацию в конце развития, имеются, по крайней мере, пять клеточных механизмов для создания слоя клеток, скрученных в трубку.

Распространен механизм, обозначаемый 'почкование', при котором одна или более клеток инвагинируют из существующего слоя или трубки, чтобы создать короткую новую трубочку, которая впоследствии расширится за счет миграции клеток и/или клеточных делений (Chung and Andrew, 2008). Классическим примером почкования является ангиогенное врастание, при котором новый кровеносный капилляр отрастает или отпочковывается от существующего сосуда (Iruela-Arispe and Davis, 2009).

Альтернативно, при 'обертывании' весь ряд клеток может инвагинировать и отсоединяться от слоя клеток, чтобы непосредственно создать длинную трубку (Lubarsky and Krasnow, 2003; Sawyer et al., 2010). Наиболее уместный пример заворачивания является нервная трубка млекопитающих, у которых неполное закрытие развивающейся т рубки приводит к spina bifida. Важным отличием между почкованием и закручиванием является то, что просвет зачатка является непрерывным с пространством, из которого почка инвагинирует, тогда как при закручивании обычно изолируется просвет от существующего пространства.

Пространство просвета также захватывается, чтобы сформировать трубку клетками, которые не образуют непрерывного слоя или трубку с помощью стратегии 'lumen entrapment'. Прекрасным примером этого in vivo является образование сердца у Drosophila, при котором клетки мигрируют с противоположных сторон эмбриона, конвергируя и соприкасаясь с их противоположными краями, но отталкиваясь от их противоположных центров, заключая тем самым просвет (Medioni et al., 2008; Santiago-Martinez et al., 2008). Залавливание просвета также используется эндотелиальными клетками человека в культуре, чтобы сформировать похожие на капилляры трубочки. одиночные клетки осуществляют экзоцитоз крупных вакуолей и затем 'залавливают' вакуолярное пространство путем вторичного уплотнения краев отверстия с помощью соединений внутри клетки (Davis et al., 2002).

Общей темой почкования, заворачивания или залавливания пространства является то, что существующее пространство расширяется или захватывается. Однако просвет может быть также сформирован путем открытия пространства внутри тяжа или группы клеток. 'Кавитация' создает пространство путем элиминации клеток, которые располагаются внутри кластера и заполнения его жидкостью. Напр., при развитии молочных желез, пространство просвета создается за счет апоптоза или аутофагии клеток внутри железы (Mailleux et al., 2007). Альтернативно, в 'пустотелом тяже' смежные клетки в тяже образуют противопоставленные др. др. апикальные поверхности и секретируют жидкость и матрикс в просвет. Примеры пустотелых тяжей включают кишечник рыбок данио и развитие дорсальной аорты млекопитающих (Herwig et al., 2011; Martin-Belmonte and Rodriguez-Fraticelli, 2009), а также тубулогенез Madin-Darby canine kidney (MDCK) клеток в трехмерном матриксе. Отметим, что имеется некоторое сходство между залавливанием просвета эндотелиальными клетками позвоночных и появлением просвета в тяже из MDCK клеток, в которых апикальные поверхности создаются заново. Однако имеется важное топологическое отличие в том, что во время образования пространства в тяже новое просветное пространство не является непрерывным с пространством вне развивающегося органа, тогда как залавливание просвета превращает внешнее пространство в пространство просвета.

Образованию бесшовных трубок предшествует процесс. аналогичный образованию просвета в тяже, за исключением того, что создание поверхности просвета осуществляется полностью внутриклеточно и образуется за счет отличающегося механизма, обозначаемого образование клеточного просвета ('cell hollowing'). Хорошо охарактеризованными примерами такого процесса являются развитие экскреторной системы у C. elegans (Buechner, 2002) и окончаний трахей и веточек слияния Drosophila (Levi et al., 2006).

Regulatory molecules in lumen formation and size control

Тубулогенез и регуляция размера трубочек нуждаются в скоординированном контроле множественных молекулярных путей, включая рецепторы клеточной поверхности, клеточный матрикс, адгезивные молекулы, цитоскелет и везикулярный транспорт. Малые GTPases играют центральную роль в регуляции многих из этих процессов.

Как эпителиальные, так и сосудистые просветы базируются на молекулярном общении между клетками и клетка-матрикс адгезивных путях (Iruela-Arispe and Davis, 2009). Эти соединения предоставляют информацию, необходимую для приобретения клеточной полярности, критического предварительного условия для формирования просвета. Поляризация возникает в результате перемещения межклеточных контактов на боковые поверхности клеток, тогда как ассоциации с внеклеточным матриксом (ECM) становятся исключительными для базальной стороны. Распределение этих молекул клеточной поверхности конкурирует с поляризацией центросом, посредством пока неизвестного механизма, регулируя ориентацию клеточных делений (Taylor et al., 2010; Zovein et al., 2010). Это является критическим поскольку клеточные деления в плоскости стенки просвета ведут к стратификации, тогда как ортогональные деления в этой плоскости д. приводить к укрупнению трубки.

Хотя полный молекулярных набор, отвечающий за запуск клеточной полярности во время формирования просвета, пока неизвестен, идентифицированы некоторые ключевые молекулы. Неудивительно, в качестве медиаторов взаимодействий между клетками и матриксом, оказались интегрины, центральные регуляторы полярности и образования просвета. Генетическая или фармакологическая блокада интегринов приводит к аресту васкулярного тубулогенеза и хотя специфический механизм, с помощью которого интегрины контролируют образование просвета, неясен, как ориентация клеточных делений, так и распределение молекул межклеточной адгезии нарушено (Drake et al., 1992; Zovein et al., 2010). Напр., в эндотелии инактивация ?1 интегрина ведет к стратификации эндокарда, обусловленной несоответствующей ориентацией клеточных делений, а также к сохранению экспрессии в просвете cadherins и др. белков клеточной поверхности (Zovein et al., 2010). Эти аномалии локальных межклеточных адгезивных молекул участвуют во взаимодействиях с соседними клетками, блокируя возникновение просвета (Zovein et al., 2010).

Клеточная полярность может также играть решающую роль в контроле измерений трубок, как только сформируется просвет. Изменения в активности консервативных комплексов апикально-базальной полярности, которые включают консервативные белки, такие как Crumbs и Scribble (Kerman et al., 2008; Laprise et al., 2010), или активности комплексов планарной клеточной полярности (PCP) (Chung et al., 2009), могут изменять размер трубочек боле, чем на 50%.

Цитоскелетные белки и ассоциированные с ними GTPases составляют критический набор регуляторов просвета. И актиновый цитоскелет и микротрубочки участвуют в образовании просвета путем регуляции везикулярного транспорта и за счет соответствующих изменений в форме клеток, что способствует увеличению или уменьшению просвета. Доминантно-негативные мутанты по Rac и Cdc42, являющиеся малыми GTPases, которые модулируют сборку актина, нарушают образования эндотелиального просвета in vitro (Bayless et al., 2000; Koh et al., 2008), тогда как в мышиных моделях эндотелиальная делеция Rac1, также как и его нижестоящего эффектора Wave2 (также известного как Scar2, Imd2 или Wasf4), приводит к дефектам сосудистого развития (Tan et al., 2008; Yamazaki et al., 2003). Сравнительно недавно генетическая инактивация Rasip и Arhgap29, оба из которых являются регуляторами Cdc42 и Rac, ведут к коллапсу просвета в дорсальной аорте позвоночных (Xu et al., 2011).

Механические свойства цитоскелета также играют ключевую роль в тубулогенезе, как это показывают мутации в BTB белке Ribbon, который увеличивает жесткость апикальной цитоскелета в несколько раз и заметно редуцирует удлинение просвета (Cheshire et al., 2008).

Наконец, matrix metalloproteinases, как было установлено, вносит вклад в формирование просвета. В частности, поляризованная экспрессия специфической связанной с мембраной матричной металлопротеиназы в сосудистых врастаниях облегчает активацию Cdc42 и прогрессивную инвазию благодаря деградации молекул ECM (Sacharidou et al., 2010).

Separating lumenal surfaces

Топологически просвет образуется, когда клетка или клетки образуют мембранные поверхности, которые включают пространство. Однако это не обязательно служит способом, пригодным для создания трубок, поскольку межклеточная адгезия и/или межклеточный матрикс между противопоставленными клетками может мешать становлению просвета от увеличенного до пригодных измерений. По крайней мере, два разных механизма могут предоставлять силы, необходимые для разделения клеточных поверхностей и генерации просвета между противопоставленными тесно соприкасающимися клеточными поверхностями. В головном мозге рыбок данио для развития желудочков, необходима Na+/K+-ATPase, содержащая Snakehead alpha субъединицу (Atp1a1), чтобы 'вздувать' желудочки, преимущественно с помощью ионного транспорта, генерирующего гидростатическое давление для разделения клеточных поверхностей (Lowery et al., 2009). Во время развития аорты мыши, напротив, электростатическое отталкивание сильно sialylated белков необходимо для выделения просветных сторон клеток аорты (Strilic et al., 2010).

Controlling lumen size

Как только будет сформирована открытая трубка, функция органа зависит от размера просвета для выполнения функции тока. Несколько очевидных механизмов контроля размера трубок было идентифицировано, включая регуляцию количества клеток, клеточную форму, ориентацию клеток, просветный матрикс, мембранный трафик и давление/ток. Важно, хотя и имеется перекрывание между молекулярными механизмами, которые формируют трубки и которые регулируют размер трубок, что существуют также мутации, которые исключительно нацелены на размер трубок, не нарушая инициальный процесс формирования трубок (see below). Степень, с которой подобное разделение отражает дифференциальное развертывание сходных механизмов в разные промежутки развития, в противовес фундаментальным различиям в формировании в противовес поддержанию органа, предстоит определить.

Вообще-то простейшая стратегия для контроля диаметра просвета является число клеток: добавление большего количества клеток в окружение трубок д. увеличивать диаметр (или длину); уменьшение числа клеток д. делать трубку уже (или короче). Вопрос контроля затем становится проблемой связи клеточных делений и гибели в системе, которая чувствительна к размеру просвета. В сосудистой системе млекопитающих повышенные уровни растворимых факторов роста, таких как vascular endothelial growth factor (VEGF), могут управлять увеличением диаметра или длины сосуда (Lee et al., 2005). Однако размер трубок может контролироваться независимо от количества клеток. Классические эксперименты на саламандрах продемонстрировали, что диаметр трубок (и длина) могут поддерживаться несмотря на почти пятикратное изменение в количестве клеток (Fankhauser, 1945). Сходным образом, почти четырехкратные изменения в количестве клеток в трахейной системе Drosophila не и заменяют драматически размера трахейных трубок (Beitel and Krasnow, 2000).

Изменения в организации клеток внутри трубок также влияют на их размер. Интеркаляция увеличивает длину, но уменьшает диаметр трубки. Напр., Мальпигиевые канальцы Drosophila (Jung et al., 2005) и задняя кишка (Lengyel and Iwaki, 2002). Изменения в форме и ориентации клеток также влияют на размер трубок. Напр., в трахейной системе Drosophila мутации в Src42 не меняют прямоугольной формы трахейных клеток, а вместо этого заставляют клетки расширяться по окружности скорее, чем в направлении оси трубки, приводя к укорочению, но расширению трубки (Forster and Luschnig, 2012; Nelson et al., 2012). Мутации в просветных ECM белках, как было установлено, увеличивают длину трахеальных клеток и трубок (Araujo et al., 2005; Swanson and Beitel, 2006). В сосудистой системе млекопитающих быстрые изменения в диаметре не связаны с изменениями в количестве эндотелиальных клеток, а скорее контролируются за счет контракции и реляксации гладкомышечных клеток, которые окружают сосуды.

Принимая во внимание, что большинство просветов связано с апикальными поверхностями закрывающих просвет эпителиальных или эндотелиальных клеток, неудивительно, что регуляция везикулярного трафика может серьезно повлиять на размер просвета. В почечных канальцах C. elegans, дефекты везикулярного трафика вызывают существенные расширения канальцев (Buechner et al., 1999; Mattingly and Buechner, 2011), тогда как апикальная поставка белка полярности Crumbs, и др. факторов апикальных мембран, контролирует диаметр просвета в слюнных железах и трахеях Drosophila (Kerman et al., 2008; Myat and Andrew, 2002).

Physical forces and tubulogenesis

Способность трубок состязаться с и регулировать свои размеры иллюстрируется взаимодействием физических сил и трубок в биологических системах. Т.к. жизненно важной функцией биологических трубок является транспорт жидкостей или газов, то давление и ток являются двумя физическими параметрами, которые клетки ощущают, чтобы регулировать размер просвета. Эти физические силы, хотя часто несущественны во время инициации образования просвета, они важны для удержания просвета открытым и также , по-видимому, регулируют диаметр просвета (Jones et al., 2006). Эндотелиальные и эпителиальные клетки могут быть исключительно чувствительными к сдирающему стрессу (shear stress), а потеря способности ощущать ток в почках может приводить к чрезвычайно расширенным просветам при поликистозной болезни почек млекопитающих (Wilson and Goilav, 2007). Напротив, блокада дока в сосудистом сегменте ведет к его регрессии, тогда как увеличение давления ведет к ремоделированию сосудов. Интересно, что недавняя работа показала, что размер лимфатических сосудов регулируется не током, а механическими стрессами, создаваемыми припухлостью ткани, которая накапливает жидкость (Planas-Paz et al., 2012).

Lessons learned and future directions

At first glance, tubes in biological systems appear to be relatively simple. Sheets of cells enclosing a lumen: how complicated could these be to make? In fact, they are surprisingly complex. Research to date has revealed a plethora of cellular and molecular mechanisms that create and maintain these tubes. It seems almost as though no two tubes are the same even within a given organism or tissue. The complexity of tubulogenesis makes it difficult to draw broad conclusions about the process. Generalizations are further complicated by the fact that even in the most studied systems there is still a very limited understanding of the molecular mechanisms of tubulogenesis. Thus, although there currently appears to be little commonality between the specific mechanisms of lumen formation in different contexts, it is likely that we are at the stage of the proverbial blind men trying to describe an elephant. Every system presents a different entry point into the problem and we are unable to see how the threads weave together.

Nonetheless, a few common elements of tubulogenesis are evident. First, polarity is a key prerequisite for lumen formation. Establishment of molecularly distinguishable basal, lateral and apical sides is essential for the changes that underlie lumen morphogenesis. Second, the molecular mechanisms involve the same broad group of players, including the cytoskeleton, cell adhesion, junctional complexes and cell-matrix interactions. Yet their use and regulation are surprisingly distinct. The diversity of solutions employed in making seemingly simple structures clearly underscores the evolutionary importance of developing tubes in biological systems.

Tubulogenesis M. Luisa Iruela-Arispe and Greg J. Beitel Development 2013 V.140, 2851-2855.

Tubulogenesis
M. Luisa Iruela-Arispe and Greg J. Beitel
Development 2013 V.140, 2851-2855.