Разделение переднего мозга является результатом спецификации дорсо-вентральной оси нервной трубки. На первой ступени, стадии нейральной пластинки, осуществляется предопределение медиальных(вентральных типов клеток в противоположность латеральным (дорсальным) типам клеток с помощью сигналов, испускаемых осевой мезодермой (хордой и прехордальной пластинкой). Позднее дифференцировка клеток в вентральном домене ведет к формированию клеток вентральной средней линии и определенных типов клеток на вентрально-латеральных уровнях. Голопрозэнцефалия возникает в результате дефекта подразделения переднего мозга в раннем развитии.
Голопрозэнцефалия (НРЕ) генетически и фенотипически гетерогенное нарушения, затрагивающее головной мозг и лицо, встречается с частотой 1:16000 родов и 1:250 во время эмбриогенеза. Наиболее тяжела форма alobar НРЕ характеризуется одним неразделенным пузырем и типичными ассоциированными лицевыми аномалиями, включая циклопию, примитивные носовые структуры и расщепление в средней части лица. В средне выраженных формах спектра наблюдается гипотелоризм, расщепление лица или одиночный центральный максиллярный резец.
Первым геном, чей дефект вызывал Holoprosencephaly (НРЕ) у человека, был Sonic Hedgehog (SHH), картированный в минимальной критической области для НРЕ3 человека на хромосоме 7q36.
5 семей несут мутацию этого гена. 2 мутации связаны с укорочением гена, тогда как другие с замещением критических остатков в транскрибируемом SHH белке. Мутации SHH были обнаружены затем и у пациентов в доминантной формой НРЕ.
(Roessler et al., 1996)
НРЕ связана также с нарушениями синтеза холестерола и его метаболизма у эмбрионов млекопитающих. Показано, что холестерол важен для сигнального пути Hedgehog не только для активации его сигналов, но и для трансдукции сигналов в клетки мишени. | Expression of Sonic Hedgehog downstream genes is modified in rat embryos exposed in utero to distal inhibitor of cholesterol biosynthesis
Gofflot F, GaouaW, Bourguignon L, Roux C, Picard J.J. Dev. Dyn. 2001. V.220. N 2. P. 99-111
У нокаутных мышей гомозиготных по нулевой мутации Shh обнаруживается циклопия и аномалии головного мозга, характерные для НРЕ.
Shh кодирует секретируемый сигнальный белок, присутствующий во всей аксиальной мезэнтодерме, включая прехордальную пластинку и донную плстинку. Этот белок необходим и достаточен для обеспечения вентральных особенностей развивающейся нервной трубки. Shh белок претерпевает ауто-процессинг (внутреннее расщепление, дающее Shh-N, который и отвечает за все сигнальные активности. Во время этого расщепления молекулы холестерола ковалентно присоединяются к С-концу Shh-N. обусловливая преимущественную ассоциацию пептида с клеточной поверхностью. Холесторолизация пептида является обязательной для сигнальной активности.
НРЕ связана также с нарушениями синтеза холестерола и его метаболизма у эмбрионов млекопитающих. Средне выраженные формы НРЕ наблюдаются примерно в 5% у пациентов с Smith-Lemli-Opitz syn. (SLOS), которое характеризуется многочисленными дефектами включая микроцефалию, агенез мозолистого тела, аномалии конечностей и гениталий. У этих пациентов отсутствует активность гена 7-dehydrocholesterol (7-DHC) редуктазы, который катализирует финальную ступень биосинтеза холестерола.
Воздействие на беремнных крыс ингибиторами трипаранолом (AY9944) или DV 15.766 дает НРЕ фенотип, варьирующий от циклопии до агенеза надпочечников. Это воздействие ведет к снижению уровня холестерола как в сыворотке матери, так и в тканях эмбриона, что сопровождается увеличением концентрации предшественника desmosterol (triparanol). Два других соединения,напоминающие холестерол по структуре, steroidal alkaloid cyclopamine и сходное соединение jervine, также ассоциированы с НРЕ у эмбрионов амнот, если применяются на стадии гаструляции.
Показано, что холестерол важен для сигнального пути Hedgehog не только для активации сигналов,но и для трансдукции сигналов в клетки мишени. Циклопамин и AY9944 блокируют передау сигналов Shh на уровне сигнальной трансдукции и что действие AY9944 по-видимому связано с накоплением аберрантных стероловых предшественников, чем просто со снижением уровня холестерола.
На ранней сомитной стадии наблюдалось снижение передачи сигналов Shh у эмбионов крыс, подвергшихся воздействию дистального ингибитора биосинтеза холестерола (AY9944), что приводило к детерминации узкого вентрального домена. Позднее это снижение Shh приводило к полному прерыванию пути передачи сигналов Shh в ростральной части заднего и в каудальной части среднего мозга. Остальные области ЦНС оставались менее чувствительны к снижению уровня сигналов Shh. Получены также доказательства того, что накопление 7-DHC сравнимо с нормальной активностью Shh, как если бы уровень холестерола в эмбриональных тканях был достаточным.
Новым в этом исследовании было то, что тяжесть нарушений варьирует вдоль ростро-каудальной оси нервной трубки. В ростральной части заднего мозга и в каудальной части среднего мозга экспрессия Shh генов-мишеней не обнаруживается как на 11, так и 12 день эмбриогенеза, указывая, что каскад здесь полностью прерван. В переднем мозге экспрессия генов часто снижена или ограничена вентрально, но редко отсутсвует. В спинном мозге также не наблюдали полного отсутствия, а только снижение уровня их экспрессии. Это м.б. связано с разными мехаизмами регуляции Shh вдоль ростро-каудальной оси. На уровнях вдоль оси, где экспрессия Shh находится под контролем его собственных генов-мишеней, таких как HBF3β осталбление его сигнального каскада должно вести к подавлению и своей собственной экспрессии. Последнее как результат петли обратной связи будет прогрессивно уменьшаться и, наконец, каскад прервется.
С другой стороны, положение, где транскрипция Shh зависит от других факторов, которые не являются генами-мишенями, такими как ретиноевая кислота или Т-боксный белок, транскрипция Shh будет всегда обнаруживаться несмотря на снижение эффективности своего собственного каскада.
Область наивысшей чувствительности располагается на уровне перешейка ромбэнцефалона, сигнального центра в предопределении передне-задней полярности развивающегося головного мозга.
Было также установлено, что сигнальный Shh каскад совместим в высоким уровнем накопления 7DHX в эмбриональных тканях. Это указывает на то, что снижение уровня холестерола является ответственным агентом, ведущим к прерыванию сигнального каскада Shh независит от аберрантных стероловых предшественников.
Shh процессинг осуществляется в присутствии AY9944, однако шт мшмщ AY9944, по крайней мере частично, м. взаимодействовать с процессингом этого белка. По крайне мере белок м. расщепляться лишь частично и это м.б. одним из механизмов, ведущим к снижению активности сигнального каскада Shh.
Но взаимодействие м. происходить и на уровне сигнальной трансдукции. Выявлено 4 белка, играющих критическую роль в гомеостазе холестерола. Недавно открыты два других гена у дрозофилы dispatched и tout-velu, которые высвобождают белок Hh из синтезирующих его клеток и способствуют диффузии между клетками.
|