План тела позвоночных устанавливается во время раннего эмбрионального развития путем формирования трех эмбриональных осей. L-R ось возникает последней, а обратная L-R асимметрия относительно уже существующих А-Р и D-V осей дает situs inversus, тогда как полная неспособность нарушать билатеральную симметрию или поддерживать экспрессию генов асимметрии приводит к изомеризму²⁵. Найдены многочисленные гены, которые играют роль в спецификации и формировании L-R. Законсервированные пути экспрессии генов асимметрии вызывают каскады латерализующих сигналов, которые затем реализуются с морфологическую асимметрию. Эта экспрессия генов асимметрии происходит до первых морфологических признаков L-R асимметрии, петлеобразования сердечной трубки в право на 23 день эмбриогенеза (ст. 6-8 сомитов)²⁶. Имеется, по крайней мере, 4 основных связанных процесса, участвующих в становлении L-R оси. Первым является механизм нарушения ранней билатеральной симметрии у эмбриона. Вторым является каскад, который трансдуцирует инициальную едва заметную временную асимметрию в стабилизированную специфическую для сторон экспрессию генов в крупных областях эмбрионов. Третьим является ограничение специфической для сторон экспрессия генов посредством физических и молекулярных функций барьера срединной линии. Наконец, региональная молекулярная асимметрия превращается в асимметричный органогенез посредством дифференциального контроля пролиферации, миграции и/или гибели клеток^25,27.

Как и где ранняя билатеральная симметрия впервые нарушается у эмбрионов позвоночных всё ещё неизвестно с определенностью. Недавние исследования пролили свет на механизм вносящий вклад в ранее достижение L-R оси с помощью животных моделей²³. У мышей узелок является местом самой ранней молекулярной асимметрии и играет критическую роль в генерации корректной L-R асимметрии. Имеются две популяции моноцилий, обнаруженных на происходящих из энтодермы вентральных клетках узелка у эмбрионов на стадии гаструляции. Центрально расположенные моноцилии содержат моторный белок Left right dynein (Lrd) и подвижны, продуцируют ламинарный левонаправленный ток внеэмбриональной жидкости, окружающей узелок, называемый 'nodal flow'. Периферически локализованные моноцилии лишены lrd и неподвижны²⁸. Ген Lrd кодирует наружное плечо аксонемного (cilliary) dynein. В отсуствие функции Lrd (как при inversum viscerum, iv, у мышей) моноцилии узелка полностью парализованы, нодальный ток отсутствует и детерминация L-R оси происходит случайно^29-31. KIF3A-/-, KIF3-/- и Orpk-/- (Polaris) мыши характеризуются полным отсутствием моноцилий узелка и обнаруживают случайное петлеобразование сердца^32-35. У мутантов situs inversus, inv нодальные реснички подвижны, но продуцируют лишь слабый левонаправленный ток³¹. Базируясь на ранних наблюдениях было предположено, что морфогены высвобождаются в жидкость около узелка, на левой стороне узелка преимущественно накапливаются за счет левонаправленного тока, создаваемого биениями моноцилий узелка и т.о. запускается событие детерминации L-R^31,35. Гипотеза была в дальнейшем подтверждена доказательствами, что обратный внутренне присущий ток в результате полностью обратного положений у эмбрионов дикого типа и что искусственный ток способен управлять положением у iv/iv эмбрионов мыши с неподвижными ресничками^36-38. Однако, морфогены, транспортируемые налево нодальным током, остаются неизвестны. Недавно были идентифицированы покрытые мембраной nodal vesicular parcels (NVPs) на узелка мыши. Запуск NVPs, по-видимому, является результатом FGF-запускаемого поверхностного накопления груза морфогенов. NVPs транспортируются левонаправленным нодальным током, несут sonic hedgehog (shh) и ретиноевую кислоту (RA) и в конечном итоге фрагменты оказываются вблизи левой стенки вентральной части узелка³⁹

И центральные и периферические моноцилии содержат Polycystin-2²⁸, проницаемый для кальция канал. Мутации в Polycystin-2 приводят к аутосомно доминатнтному поликистозу почек у людей и к дефектам L-R паттерна у мышей⁴⁰. Неподвижные периферические моноцилии, как полагают, являются сенсорами нодального тока. создаваемого центральными подвижными моноцилиями. Механическая деформация этих ресничек м. инициировать специфичный для левой стороны каскад сигналов , приводящий в результате к повышению концентрации Са²⁺ на левой периферии узелка²⁸. Большая часть нашего понимания механосенсорных ресничек получена в исследованиях ресничек, предпринятых на эпителиальных клетках почек, выстилающих канальцы. Механическое изгибание ресничек в культивируемом эпителии почек приводило к увеличению притока Са²⁺ и этот эффект устранялся, если функция Polycystin-1 и Polycystin-2 была блокирована⁴¹. Однако, дефекты латеральности не были найдены у Polycystin-1-дефицитных мышей^42,43 и к нашему сведению, существование Polycystin-1 в мноцилиях узелка не описано. Было бы интересно установить, могут ли Polycystin-1-подобные молекулы ассоциировать с Polycystin-2 и обеспечивать механо- или хемовосприятие в узелке. Tanaka с коллегами недавно нашли, что SU5402 (специфический ингибитор FGF рецепторной тирозин киназы) супрессирует секрецию NVPs и подавляет повышение ^Са2+ , хотя критические параметры тока нодальной жидкости у эмбрионов оставались неизменными. Более того, у in/in эмбрионов мышей (центральные моноцилии парализованы), NVPs всё ещё высвобождаются, но не перетекают влево, а цитоплазматичский кальций повышается билатерально в клетках около узелка³⁹. Эти находки подтверждают, что внеклеточные сигнальные молекулы переносимые влево нодальным током д. играть важную роль в формировании L-R паттерна (Рис. 1а).

Законсервированная экспрессия гена dynein, который участвует в функции ресничек у мышей, кур, Xenopus, рыб данио рерио указывает на то, что общий цилиарный механизм может лежать в основе установления L-R оси у всех позвоночных^44,45. Недавно на данио были получены строгие доказательства в подтверждение гипотезы нодального тока^37,46. Однако, инициирующее событие L-R асимметрии ещё предстоит установить. Гены и белки с асимметричным распределением активности до формирования узелка были открыты у Xenopus, reh и данио рерио, но не у мышей. Имеются доказательства, что межклеточные коммуникации посредством щелевых соединений необходимы для собственно формирования L-R паттерна у кур и Xenopus до экспрессии асимметричных генов в узелке^47,48. Асимметричная локализация мРНК материнской Н+/К+ АТФазы во время первых двух клеточных делений у Xenopus, как позднее было установлено, необходима для детерминации L-R асимметрии⁴⁹. Асимметричная передача serotonergic сигналов происходит у эмбрионов Xenopus происходит на 4-х клеточной стадии, а также у ранних эмбрионов кур до появления ресничек⁵⁰. Кроме того, Syndecan-2, трансмембранный протеогликан, асимметрично фосфорилируется до формирования ресничек на узелке и обеспечивает формирование L-R паттерна мигрирующей мезодермы неавтономным способом^51,52. Недавние находки у данио открывают очень раннюю роль активности Н+/К+ АТФазы во время формирования L-R паттерна в зависимости от пост-трансляционных различий⁴⁶.

У мышей первым асимметрично экспрессируемым геном является Nodal. Он первоначально экспрессируется симметрично в области около узелка и постепенно ограничивается левой стороной узелка между стадиями 4-х и 5 сомитов⁵³. Экспрессия Nodal вокруг узелка обеспечивается за счет активности пути Notch у эмбрионов мышей, кур и данио^46,54-56. У эмбрионов кур получены доказательства, что асимметричная активация Notch возникает в результате временного накопления внеклеточного Са²⁺, который в свою очередь нуждается в асимметричной активности Н+/К+ АТФазы⁵⁶. Недавние данные на данио рерио подтвердили, что передача сигналов Notch действует иерархически ниже Н+/К+ АТФазы в каскаде. Подавление Н+/К+ АТФазы или Notch не вызывает изменений в экспрессии lrd, распределении или размерах ресничек или токе жидкости в Kupffer's пузырьке ("организатор" у рыбок данио рерио)⁴⁶. Роль Н+/К+ АТФазы во время раннего формирования L-R паттерна у мышей и того, может ли активность Notch действовать как сенсор внутриклеточного увеличения Са²⁺ на левой периферии узелка, ещё только предстоит определить. Трансгенные исследования на мышах показали, что экспрессия nodal вокруг узелка необходима для его собственной экспрессии в левой lateral plate mesoderm (LPM)⁵⁷. В присутствии корректоров Nodal из EGF-CFC семейства (CRYPTIC у людей) Cripto и Criptic у мышей и One-eye pimhead у рыб) сигналы Nodal посредством типа I TGF-β рецепторов ALK4 или ALK7 в ассоциации с ActRIIA или ActRIIB (у людей соотв. ACVR2A или ACVR2B), типа II рецепторов активируют Smad2 ( и возможно Smad3), Smad4 и FoxH1 (известен и как FAST) транскрипционные факторы⁵⁸. Находки на мутантах Cryptic мышей и Oep рыбок данио, подтвердили, что пути передачи сигналов обеспечиваемые активностями Nodal и EGF-CFC существенны для переноса L-R позиционной информации от узелка к LPM⁵⁹. Экспрессия Nodal в левой LPM необходима для установления собственно направленной асимметрии у всех изученных позвоночных⁶⁰. Передача сигналов Nodal в левую LPM во времени и в пространстве ограничена Lefty-1 (у людей LEFTYA) и Lefty-2 путем блокирования функции ко-рецепторов FGF-CFC^61,62. Lefty-1 и Lefty-2 в свою очередь регулируются с помощью активности Nodal^63,64. У мышей экспрессия Lefty-1 в эмбриональной срединной линии, включая хорду и проспективную донную пластинку нервной трубки, контролируется с помощью shh и RA⁶⁵. Вентральная сторона хорды содержит клетки с моноцилиями⁶⁶, которые, по-видимому, вносят вклад в функцию структурного барьера. Асимметричная передача сигналов Nodal активирует Pitx2 в левой LPM посредством Smad-FoxH1 пути^67,68 (Рис. 1b).

Ген Pitx2 кодирует транскрипционный фактор с гомеодоменом bicoid, который участвует в контроле L-R асимметрии во время органогенеза, включая кардиальный морфогенез, петлеобразование кишечника и развитие легких⁶⁹. Pitx2 также, как полагают, участвует в развитии общего тракта оттока посредством взаимодействия с клетками нервного гребня под контролем сигнального пути Wnt/β-catenin⁷⁰. Однако, мало известно о нижестоящих мишенях Pitx2 в органогенезе. Исследования in vitro показали, что Pitx2 регулирует экспрессию ANF и PLOD1 генов в присутствии Nkx2/5⁷¹. В целом передача сигналов L-R асимметрии от LPM к зачаткам органов в основном неизвестна, хотя эксперименты на рыбках данио показали важную роль для асимметричной миграции эпителиальных клеток LPM⁷². Многочисленные сигнальные пути могут участвовать и функционировать в виде сети во время асимметричного органогенеза.

У позвоночных в противоложность асимметричному положению внутренних органов и сосудов, скелетно-мышечный и дермальный наружные слои стенки тела симметричны, что возникает в результате синхронизированной сегментации параксиальной мезодермы в корректно расположенные пары сомитов вдоль передне-задней оси. Этот процесс контролируется путем активностей Notch, FGF, Wnt и RA сигнальных путей. Как одни и те же сигнальные пути обеспечивают симметричной и асимметричной информацией для формирования сомитов и L-R оси? Недавние исследования на рыбках данио, курах и мышах продемонстрировали, что передача сигналов RA забуферивает эффект информации о L-R латеральности и контролирует билатеральную симметрию формирования сомитов^46,73,74. Играет ли путь RA роль в поддержании симметрии в др. тканях остается установить.