Аномалии мезенхимной дифференцировки или конденсации ведут к отсутствию или изменению размера/формы скелетных элементов. Идентифицированы транскрипционные факторы в качестве интегральных для процесса формирования скелетного паттерна (13). Во время развития зачатка кончности ещё до мезенхимной дифференцировки некоторые члены гомеобоксного (Нох) транскрипционного семейства экспрессируются в виде самостоятельных постранствненых паттернов (14). Область экспрессии каждого Нох гена формирует градиент, который часто частично перекрывается с экспрессией др. Нох генов. Инактивация гена или эктопическая экспрессия Нох вызывает нарушение скелетного развития. SHOX (short stature homeobox) является псевдоаутосомным Нох геном, который экспрессируется в трабекулярных костных клетках и фибробластах стромы костного мозга. Гаплонедостаточность по SHOX проявляется в виде идиопатической карликовости и в фенотипе низкого роста при синдроме Тёрнера (15). Мутации в SHOX являются причиной Leri-Weill dyschondrosteosis, скелетной дисплазии, характеризующейся диспропорционально короткой фигурой с преимущественно mesomelic укорочением конечностей и Madelung deformity рук (16, 17). Нарушение наследуется доминантно со значительной вариабельностью экспрессии у мужчин и женщин. Кроме того Langer mesomelic dysplasia, которая характеризуется аплазией или тяжелой гипоплазией ulna и fibula и утолщенными и искривленными radius и tibia, являются результатом гомозиготных мутаций в локусе SHOX (16, 17).
Др. группа транскрипционных факторов paired-box гены (
Рах) также важна для формирования скелетного паттерна. 3 естественные Рах1 мутации у мышей, 'undulated' аллели, вызывают фенотипы разной тяжести в позвоночнике, грудине и лопатках (18). Хотя гетерозиготные Pax1-нулевые мыши выглядят внешне нормально, но почти 90% их имеет средней выраженности скелетные уродства грудины и частей позвоночного столба, указывая тем самым что гаплонедостаточность по Рах1 вызывает скелетный фенотип (19).
Продукты bone morphogenetic proteins (BMP), члены сверхсемейства transforming growth factor-β (TGF-β), м. играть роль в формообразовании индивидуальных костей (20). ВМР были выделны благодаря своей способности индуцировать образование эктопической кости при имплантации в мышцы (210. Их роль в формировании кости подтверждена обнаружением, что bmp5 дает фенотип мышей short ear (22). Мутации в генах, которые кодируют ВМР-родственный cartilage-derived morphogenetic protein-1 (CDMP-1), были идентифицированы, которые вызывают две аутосомно рецессивные скелетные дисплазии - acromesomelic chondrodysplasia, Hunter-Thompson type (23) и chondrodysplasia, Grebe type (24) - и аутосомно доминантное нарушение икфсрнвфсендн type C (25). Активности ВМР модулируются не только через экспрессию генов и процессинг белков, но также за счёт взаимодействия с антогонистами, таими как Noggin и Chordin. Секретируемый полипептид Noggin (кодируемый геном NOG) соединяется и инактиврует ВМР. У нокаутных мышей Nog имеются множественные уродства, включая слияния суставов, тогда как мыши, гетерозиготные по Nog loss-of-function мутациям, являются нормальными (26). Люди, гетерозиготные по missence NOG мутациям, имеют одно из двух аутосомно доминантных нарушений развития суставов: multiple synostoses syndrome (SYNS1) и proximal symphalamgism (SYM1) (27).
Y-сцепленный тестис-детерминирующий фактор, Sry, является одним из генов, который как полагают, контролирует переключение мезенхимных клеток на диффренцировку в хондроциты. Мутации по Sry-related гену, SOX-9, идентифицированы у индивидов с campomelic dysplasia (28). Campomelic dysplasia ассоциирует с sex reversal и аномальным развитием скелета, включая bowing и angulation длинных костей, маленькие лопатки, деформированныетаз и отростки (spine), отсутствие рёбер и и небольшая грудная клетка. SOX-9 регулирует экспрессию коллагена типа II (29) во время мезенхимной конденсации вплоть до образования полных зачатков (30).
Disruption of the structural components of the growth plate extracellular matrix
После того как зачатки сформированы хондроциты продуцируются и оказываются замурованными ы хрящевой внеклеточный матрикс (ВКМ). Хондроциты модулируют свой синтез ВКМ компонентов в формирующейся ростовой пластинке способом, который является характерным для соответствующией стадии дифференцировки. Т.о., помимо структурной роли ВКМ рано создает среду для соответствующей дифференцировки хондроцитов. Разрушение ряда структурных белков и при болезнях человека и в мышиных моделях проливает свет на роль компоннетов ВКМ в дифференцировке хондроцитов.
Коллаген типа II, кодируемый геном COL2A1, является основным структурным компонентом хояза, представляя ~85% коллагена гиалинового хряща. Это маркер дифференцировки хондроцитов, с высоким уровнем экспрессии в пролиферирующих и гипертрофических хондроцитах (31). Он экспрессируется также в стекловидном теле глаз, nucleus pulposus отростков (spine) и в ушах. Альтернативный сплайсинг первичного транскрипта COL2A1 дает в результате мРНК, кодирующие различные формы коллагена типа II (32). Добавочный экзон (экзон 2) кодирует 69 аминокислот на N-конце белка коллагена типа IIA. Этот тип коллагена экспрессируется только в незрелых хондроцитах, маркируя определенную популяцию хондроцитов (33). Его онтогенетическая роль неясна.
Ряд мутаций в COL2A1 обусловливает спектр скелетных дисплазий с общими клиническими и радиографическими проявлениями (включая spinal изменения) в виде низкорослой фигуры за счет укорочения туловища, глухоты, миопиии и дегенерации сетчатки (34). Дисплазии включают летальный ахондрогенез типа II (35), spondyloepiphyseal displasia (SED) congenita (36) и синдром Stickler (37). Мутации COL2A1? кодирующего С-propeptide домен (который кодирует chondrocalcin, кальций-связывающий белок) вызывает дисплазию Kniest (38). Кроме того миссенс мутации в COL2A1 выявленны в небольшом количестсве семей с рано начинающимися osteoarthritis (OA) с минимальными признаками дисплазий (39).
Коллаген типа XI является гетеротримерным, фибриллярным коллагеном, состоящим из α1(XI), α2(XI) и α1(II) полипептидных цепей. Мутации в мышином гене α1(XI), Col1a1, вызывают аутосомно рецессвное заболевание chondrodysplasia (cho) (40), которая характеризуется широкими метафизами и короткими конечностями у новорожденных мышей. Показано, что коллаген XI существенен для образования нормального диаметра фибрил из коллагена типа II (40). Помимо нарушенной дифференцировки и пространственной организации хондроцитов ростовой пластики у cho мышей установлено, что коллаген типа XI играет критическеую роль в эндохондральной оссификации. Взаимодействие между колагенами типа II и типа XI даёт указание на то, что мутации в генах, кодирующих коллаген типа XI, м. давать сходные нарушения с теми, что описаны для колагена типа II, т.е. с нарушения, характеризующиеся изменениями эпифизов, дающие в результате укорочение туловища и низкорослую фигуру. Это подтверждено идентификацией мутаций в COL11A2 при двух заболеваниях у людей: non-ocular Stickler синдром и аутосмно рецессивное заболевание otospondylomegaepiphyseal dysplasia (OSMED) (41).
Коллаген типа IX является гетеротримерным, состоящим из α1(IX), α2(IX) и α3(IX) цепей, кодируемых COL9A1, COL9A2 и COL9A3. Col9a1 нокаутные мыши дефицитны по коллагену IX, даже если Col9A2 и Col9a3 нормально транскрибируются (42), указывая тем самым, что синтез α-1(IX) существенен для сборки коллагена IX. Неожиданно фибриллы коллагена типа II из всех форм и бэндинг паттернов были обнаружены у Col9a1 нулевых мышей и мышит не имели видимых нарушений скелета при рождении (43). Однако, у мышей постнатально развивался ОА с ранним началом.
Следовательно, коллаген IX не является обязательным для фибриллогенеза в хряще, но необходим для долговременной интеграции ткани. Мутации COL9A1(44), COL9A2 (45) и COL9A3 (45) идентифицированы в некоторых семьях с multiple epiphyseal dysplasia (MED). MED характеризуются изменениями эпифизов, которые в основном затрагивают большие, выдерживающие тяжесть тела суставы и часто дают в результате ОА с ранним началом. Коллаген типа IX непосредственно связывает cartilage oligomeric matrix protein (COMP), член семейства thrombospondin матричных молекул (47). Подобно коллагену типа IX мутации в гене, кодирующем COMP идентифицированы у индивидов с MED (48). Кроме того мутации в гене COMP вызывают pseudoachondroplasia (PSACH) (48, 49). PSACH одихна из наиболее распорстранённых скелетных дисплазий у затронутых индивидов с нормальной фигурой при рождении и с задержкой роста редко распознаваемой до второго года жизни или позже.
Недавно идентифицированы мутации в домене von Willebrand factor A (vWFA) гена, кодирующего matrillin-3, в двух неродственных семьях с MED (50). Matrillin-3 является олигомерным белком, обнаруживаемый как внутри лакун, так и в межтеррриториальном матриксе покоящейся, пролиферирующей, гипертрофической и кальцифицированной хрящевой зоны (51). Он формирует дисульфидными мостиками связанные гетеротетрамеры с matrillin-1 ( матричным белком хряща), но функция этих комплексов все ещё не установлена (52).
Коллаген типа Х является коротко-цепочечным гомотримером, кодируемым COL10A1. Транскрипция COL10A1 происходит исключительно в зоне гипертрофических хондроцитов (53). Функция типа Х коллагена остается невыясненной из-за различных фенотипов обнаруживаемых у трех мышиных моделей с разрушенным коллагеном Х. У трансгенных мышей, полученных с доминантно-негативным типом мутаций коллагена Х, выявляются существенные спинальные аномалии, но нет дефектов минерализации, несмотря на уменьшение размеров гипертрофической зоны (54). Кроме того, 25% трансгенных мышей обнаруживает иммунодефицит и погибает вскоре после рождения. Получено два типа нулевых по коллагену Х мышей. Первые не имеют фенотипических аномалий (55), тогда как вторые имеют слабый аномальный скелетный фенотип (56). Однако дальнейшее разведение колонии нокаутных мышей, не имеющих фенотипического проявления, выявило летальный фенотип в 10% выводков, сходный с тем, что у трансгенных мышей (57). Fluorescence-activated cell sorting (FACS) анализ показал, что все мыши с измененным коллаогеном Х имеют нарушения развития В- и Т-лимфоцитов. Это указывает на взаимозависимость между экспрессией нормального коллагена типа Х и образованием нормального костного мозага.
У людей мутации в гене, кодирующем С-терминальный домен (58) или редко в N-терминальном домене (59) коллагена типа Х, были выявлены при Schmid type metaphyaesl dysplasia (MCDS). Это редкое аутосомно доминантное заболевание, которое характеризуется низким ростом, bowing конечностями и coxa vara (Рис. 2). MCDS не ассоциирует с гематопоэтическими аномалиями. Это указывает на то, что имеется или нарушение коллагена типа Х при MCDS иное по сравнению с животными моделями или что коллаген типа Х не является vital у людей с нормальной функцией костного мозга.
Помимо коллагенов и др. матричных белков proteiglycans (PG) являются являются критическим компонентом ВКМ хряща. PGs являются классом глтикозилированных белков (напр., хондроитин сульфат, гепаран сульфат), которые ковалентно связаны с сульфатированными гликозаминогликанами. И как результат их строгая гидрофильная природа, PGs несут большие количества молекул воды в своем молекулярном домене, что обеспечивает пластичность ВКМ. Кроме того PGs обладают способностью специфически взаимодействовать с рядом важных факторов роста и функциональных белков.
Aggrecan является сложным PG, состоящим из стержневого белка с keratin sulfate-rich и chondroitin sulfate-rich доменами. Аггрекан соединяется с гиалуроновой кислотой, чтобы сформировать большие комплексы, стабилизируемые с помощью связывающих белков. Внутри ростовой пластинки аггрекан коэкспрессируется со связывающим белком и коллагеном типа II (60). Однако, когда хондроциты созревают до гипертрофических, аггрекан накапливается, создавая бедный коллагеном и богатый аггреканом ВКМ. Это увеличение количества аггреканов ассоциирует с качественными изменениями, т.к. длина цепей хондроитин сульфата увеличивается с изменением паттерна sulfation. Эти модификации, вызываемые аггреканом, м.б. необходимыми для создания микроусловий для успешной эндохондральной оссификации (61). Мутация cmd, делеция 7 п.н. в экзоне 5 гена аггрекана у мышей, была первым выявленным нарушением PGs у млекопитающих (62). Гетерозиготы по мутации cmd нормальны при рождении. Однако, они изменяются так, что в течение 19 мес. приобретают спастическую походку, вызываемую неправльным расположением шейных отростков и погибают из-за голодания. Мутации в гене аггрекана у эмбрионов кур дают nanomelia, аутосомно рецесствное нарушение, затрагивающее развитие хряща (63). Кстати, не выявлено мутаций в гене аггрекана у людей, хотя он первый кандидат на роль гена для chondrodysplasia.
Мыши, нулевые по хрящевому связывающему белку обнаруживают дефекты в развитии хряща и задержке формирования кости с короткими конечностями и черепнолицевыми аномалиями (64). Большинство таких нулевых link-мышей погибает вскоре после рождения в результате нарушений дыхания, но некоторые выживают и развивается карликовось или лордоз шейных откростков. Они имеют маленькие эпифизы, слегка расклешенные метафизы длинных костей и уплощённые позвонки, характерны для SED. Хрящи содержат значительно уменьшенные количества отложений аггрекана в гипертрофической зоне и пониженные количества созревающих и гипертрофических хондроцитов. Пониженная экспрессия indian hedgehog (ihh) наблюдается в зрелых хондроцитах, а апоптоз ингибирован в гипертрофических хондроцитах. Это указывает на то, что хрящевой свзывающий белок является важным для формирования PG аггрегатов и нормальной организации гипертрофических хондроцитов и показывает, что он участвует в дифференцировке и созревании хондроцитов.
Perlecan? подобно аггрекану, является сложным PG. Он присутствует во всех базальных мембранах м в хрящах. Нулевые мыши имеют тяжелую скелетную дисплазию с dyssegmental оссификацией позвоночных отростков (65). Это привело к идентификации мутаций в гене перлекана у человека, у пациентов с Schwarz Jampel dysplasia (66) и с dyssegmental dysplasis Silvernam-Handmaker типа (67).
Disruption of chondricyte proliferation
Пролиферация хондроцитов и рекрутирование резервных хондроцитов находятся под влиянием ряда лальных и системных факторов. Гормон роста непосредственно стимулирует резервные хондроциты к дифференцировке пролиферативного фенотипа (68). Он действует также непрямо, посредством insulin-like growth factor 1 (IGF1), стимулируя пролиферативные хондроциты к делениям (69). Нехватка гормона роста или мутации в гене growth hormone-relising hormone-receptor м. приводить низкой фигуре без диспропорции между костями (70). Следовательно, уменьшение пролиферации ведет у уменьшению размеров костей, но не влияет на форму и структуру.
Разрушение fibroblast growth factor receptors (FGFRs) демонстрирует их важную роль в пролиферации хондроцитов. Конституитивно активные точковые мутации в трансмембранном домене FGFR3 вызывают, как известно, achondroplasia (71). FGFR3 ген экспрессируется только в резервной зоне (72). Нулевые мыши характеризуются избыточным ростом длинных костей и позвонков с увеличенными гипертрофическими зонами (73)б это согласуется с ролью FGFR3 как негативного регулятора роста за счёт предупреждения перехода хондроцитов в пролиферативный фенотип. Мутации в тирозин киназном и внеклеточном-кодирующем доменах гена FGFR3 также обусловливают две др. формы скелетных дисплазий: лёгкую гипохондроплазию (74); и летальную thanatophoric desplasia (75).
Недостаточная сульфация PGs на хондроцитах нарушает ростовой ответ клеток на FGFs (76). В хондроцитах PG sulfation находится под контролем гена sulfate transporter (DTDST). Важность сульфации PG подчёркивается открытием мутаций в DTDST как причины целого спектра скелетных дисплазий. Мутации в DTDST взывают diastrophic dysplasis (77), achondrogenesis type I (78), atelosteogenesis type II (79) и ацтосомно рецессивный MED (80).
Disruption of chondrocyte maturation
Parathyroid hormone related peptide (PTHrP) и его рецептор экспрессируются в резервной и зрелой зоне. PTHrP нокаутные мыши имеют тяжёлую скелетную дисплазию с маленькой пролиферативной зоной и отсутствием гипертрофических хондроцитов в гипертрофической зоне (81), это подтверждает важную роль PTHrP в созревании и дифференцировке хондроцитов. Большинство мышей с PTHrP receptor-negative мутациями погибают в средине беременности с фенотипом, не наблюдаемым у PTHrP нокаутных мышей, вообще из-за эффектов материнского PTHrP. Инактивирующие мутации в гене человека РТН/PTHrP receptor-1 ответственны за аутосомно рецессивное нарушение, Blomstrand lethal osteochondrodysplasia (82)б которое характеризуется чрезвычайно короткими конечностями, продвинутым созреванием костей, гипоплазией лёгких и кардиальными дефектами. Хрящи эпифизов заметно редуцировны (с неустойчивым распределениме хондроцитов в матриксе), а эпифиз-метафизные соединения широки и нерегулярны (83).
Постоянно актиные мутации в гене, кодирующем рейептор для РТН/PTHrP идентифицированы при аутосоно доминантной Офтыут-type metaphyseal дисплазии (84). Заболевание характеризется очень низким ростом (благодаря чрезвычайной дисорганизации метафизов длинных костей), микрогнатией, короткими пальцами, гиперкалцемией и глухотой. Мутации рецепторов РТН/PTHrP были также выявлены в случаях enchondromatosis, редкой формы множественных злокачественных опухолей хрящей (85). При энхондроматозе обнаруживается аномальная пролиферация и терминальная дифференцировка хондроцитов в ростовой пластинке, это согласуется с нарушением PTH/IHH пути созревания.
IHH является членом семейства Hedgehog законсервированных секретируемых белков, как известно, продуцирующих ключевые сигналы при эмбриональном формировании паттерна, он экспрессируется в зоне созревания. IHH продуцируется хондроцитами созревающей зоны, которые детерминированы к гипертрофии. Сигналы IHH передаются посредством трансмембранного белка patched (зес) и транскрипционного фактора (Gli) в надкостнице, чтобы повысить синтез перихондриального PTHrP. PTHrP действует посредством рецепторов на клетки в ростовой пластинке, стимулируя продукцию IHH, тем самым завершается петля обратной связи (86,87). Уровень экспрессии IHH, как полагают, регулирует прохождение клеток, дивижущихся из пролиферативной зоны в гипертрофическую зону. Мутации в гене IHH вызывают икфсрнвфсендн типа А, доминантное заболевание, характеризующееся аосутствием терминальных фаланг (88). IHH нокаутные мыши обнаруживают неспособность развития остеобластов в костях, формируемых с помощью эндохондральной оссификации, а костные манжетки, окружающие гипертрофический хрящ, не образуются (89). Описание tout-velu (tvv) у дрозофилы в качетсве трансмембранного белка, регулирующего движение IHH, добавляет ещё один потенциальный контроль дифференцировки хондроцитов (90). Tvv обнаруживает гомологию с EXT1 и EXT2, двумя генами, экспрессирующимися в ростовой пластинке, которые кодируют трансмембранные белки с гликозилтрансферазной активностью. Мутации в EXT1 и EXT2 ассоциируют с hereditary multiple exostoses (HME) (91, 92). HME это аутосомно доминантное заболевание, сходное с энхондроматозом, характеризуется злокачественными опухолями костей, возникающими непосредственно из ростовой пластинки.
Disruption of chondrocyte hypertrophy
Хондроцити терминальной зоны терминально дифференцируются в остеобласты или подвергаются апоптозу (11). Ряд генов, включая CBFA1 (core binding factor activity 1) (93) и ген для щелочногй фосфатазы (94), экспрессируются и остеобластами и гипертрофическими хондрцитами. Это согласуется с функцией гипертрофической зоны откладывать кальцифицируемыый матрик, который м.б. замещен костью.
Cbfa1 первоначально был идентифицирован как белок, который связывает osteoblast-specific cis-действующий элемент, OSE2, в промоторе osteocalcin (95). Сиаф1 соединяется с и регулирует экспрессию множественных генов, экспрессирующихся в остеобластах. У cbfa1 нокаутных мышей не происходит образования кости (96, 97). Однако, гетерозиготные мыши показывают, что функция остеобластов скомпроментирована тем, что имеется тяжелая редцкция количества остеобластов и пониженная активность щелочной фосфатазы. Эти характеристики сходны с теми, которые обнаружены при аутосомно доминантном нарушении людей cleidocranial dysplasia (CCD), которая вызвается мутациями в CBFA1 (98, 99). В состав фенотипических признаков CCD входит постоянно открытые швы черепа, гиполпазия или аплазия ключиц, делающая возможным аномальное сведение плеч, широкий згишс synphysis, аномалии зубов и уродства позвонков.
Ряд генов, включая гены для matrix Gla protein (MGP) и щелочной фосфатазы, которые экспрессируются в гипертрофированных хондроцитах и остеобластах, продуцируют белки, обнаруживающие интимную ассоциацию с матричными пузырьками (микроструктуры, образуемые хондроцитами при отпочковывании от цитоплазматической мембраны в ВКМ). Щелочная фосфатаза увеличивает локальную концентрацию неорганических фосфатов и активирует коллагеновые волокна, облегчая кольцификацию матрикса. Hypophosphatasia является наследвенным заболеванием, характеризующимся дефектным остеогенезом и дефицитом фосфатазной активностив в печени, костях и почках. Имеются молекулярные доказательства гипофосфатазия взрослых м. передаваться как аутосомно доминантный или рецессивный признак, при этом тяжелые формы болезни наследуются рецессивно (100). Нокаутные по щелочной фосфатазе мыши имеют радиографически определяемые склетные нарушения уще на 10-й день с последующими рахитическими изменениями, остеопенией и переломами (101). Гистологические исследования выявляют онтогенетический арест дифференцировки хондроцитов в эпифизах и ростовой пластинке с уменьшенной или отсутствием гипертрофической зоны. В исследованиях на людах и животных подтвержено, что щелочнаф фосфатаза является сущесственной для нормальной минерализации скелета.
В ростовой пластинке ген MGP экспрессируется на низком уровне в зоне эпифизов с высоким уровнем экспрессии в пролферативных и гипертрофических хондроцитах, но с отсутствием экспрессии в разрозненных созревающих хондроцитах (102). Эта двух-фазная экспрессия является критической для выживания хондроцитов и нормальной эндохондральной оссификации (103). MGP нокаутные мыши погибают в 2 мес. возрасте из-за разрыва торакальной или абдоминальной аорты, как результат артериальной кальцификации (104). Кроме того нормальная столбчатая организация пролиферативных хондроцитов теряется, обнаруживается аберрантная кальцификация пролиферативной зоны и отсутствие гипертрофических хондроцитов. Нулевые мутации MGP у человека идентифицированы у пациентов с Keutel синдромом (105). Keutel синдром редкое заболшевание, характеризующееся множественными преиферическими пульмональными стенозами, нейральной потерей слуха, короткими терминальными фалангами и аномальной кальцификацией хрящей ушей, носа глотки, трахей и ребер. Точно отсутсвует кальцификация артерий и нет низкого роста, всё это указывает на то, что MGP у людей м.б. компенсирован др. белком.
Summary
Сайт создан в системе
uCoz