Patella (коленная чашечка) является самой крупной сесамоидной костью скелета, которая формируется и располагается внутри сухожилия мышцы quadriceps femoris. Её принципиальная роль заключается в облегчении функции мышцы quadriceps и в защите вентральной поверхности хряща коленного сустава. Критические характеристики коленных суставов за исключением надколенника сформировались примерно 320 миллионов лет назад (1). Согласно анализу ископаемых, надколенник развился в коленях независимо у многих млекопитающих, птиц и рептилий примерно 65-70 миллионов лет назад. Эволюционно надколенник рассматривается как недавнее крупное остеологическое дополнение к коленям тетрапод. Важность этой уникальной сесамоидной кости для функционирования коленных суставов подтверждается её наличием среди широкого спектра видов позвоночных тетрапод.

Врожденные аномалии надколенника могут проявляться в полрном отсутствии (patellar aplasia) или в недоразвитии всего надколенника, приводящем к небольшим размерам надколенной чашечки (patella hypoplasia) (2). Анатомические варианты морфогенеза надколенника включают аномальную форму надколенной чашечки и расщепление надколенника, включающее двухслойный надколенник в коронарной или поперечной плоскости (3).Пациенты с врожденной аплазией или гипоплазией надколенника обнаруживают нестабильность коленных суставов, повторяющиеся (под)вывихи надколенника и/или боли в коленях в результате вторичной patellofemoral дисфункции, chondromalacia или gonarthrosis.

Врожденные уродства нижних конечностей без аномалий верхних конечностей возникают с частотой один на 10,000 новорожденных (4). Точные данные о распространенности аплазии или гипоплазии надколенника у живых новорожденных недоступны и их трудно получить, т.к. надколенник при рождении полностью хрящевой и оссифицируется с конца второго года. Идентификация молекулярных основ моногенных синдромов с дисплазиями надколенника вносят вклад в выяснение роли лежащих в основе генов в формировании паттерна конечностей. Более того, фенотипические исследования дополнительных клинических проявлений, ассоциированных с этими синдромами, выявляют плейотропные функции индивидуальных причинных генов.

В обзоре мы обсудим клинические и молекулярные аспекты специфических генетических нарушений, при которых аплазия или гипоплазия надколенника является одной из главных характеристик, включая nail patella синдром, small patella синдром, isolated patella aplasia hypoplasia, Meier-Gorlin синдром (известный также как ear-patella-short stature syndrome), RAPADILINO синдром и genitopatellar синдром.

В развитие конечностей вовлечен каскад морфогенетических процессов, включая спецификацию полей конечностей, индукцию зачатков конечностей и инициацию и формирование паттерна выростов из почки конечности. Эмбриональное развитие конечностей начинается с конденсаций мезенхимных клеток, которые выпячиваются в виде небольших почек на соотв. ростро-каудальных уровнях боковых стенок тела в конце 4-ой недели (5, 6). Сердцевина зачатка конечностей из недифференцированных мезенхимных клеток покрывается эктодермальными клетками. Мезенхимные клетки, которые возникают из латеральной пластинки мезодермы, дают скелетные элементы, хрящи и сухожилия. Предшественники мышечных клеток конечностей происходят из дорсальной части сомитов (дерматомиотома) и мигрируют в мезенхиму ранних зачатков конечностей (7).

Формирование паттерна пространственного развития зачатков нижних конечностей происходит по трем первичным осям: проксимо-дистальной (pelvis-digit направление), передне-задней (great toe-little toe направление) и дорсо-вентральное (back of feet-plantar направление) (Fig. 1). Во время эмбрионального развития человека, формирование паттерна конечности вдоль трех осей сопровождается ротацией конечностей. Первоначально зачатки верхних и нижних конечностей вырастают латерально от стенки тела с большими пальцами рук и ног обращенными рострально и со сгибательной поверхностью обращенной вентрально. Постепенно конечности сдвигаются в более вентральную позицию с большими пальцами рук и ног всё ещё обращенными рострально, но сгибательные поверхности теперь обращены медиально. Конечности ротируют вокруг своих проксимо-дистальных осей между 6-й и 8-й неделями эмбрионального развития. Верхние и нижние конечности ротируют в противоположных направлениях, верхние ротируют дорсально, нижние конечности ротируют в вентральном направлении. На этой конечной стадии ротации конечностей flexor/palmar поверхности рук обращены вентрально, а flexor/plantar поверхности ног дорсально, локти и колени обращены наружу. Следовательно, надколенник, примордиальный зачаток которого является дорсальной структурой, оказывается расположенным вентрально во время развития конечностей. Конечности позвоночных представлены тремя скелетными элементами: одиночный проксимальный сегмент (stylopod; humerus/femur); парные средние элементы (zeugopod; radius/ulna и tibia/fibula); и несколько дистальных элементов рук и ног (autopod; (meta)carpals/tarsals и пальцы) (Fig. 1). Надколенник является уникальной сесамоидной костью нижних конечностей, которая не имеет гомолога в верхних конечностях.

 | Fig. 1. The skeletal compartments (stylopod, zeugopod, and autopod) and the three developmental axes of asymmetry (proximo-distal, dorso-ventral, and antero-posterior) of the human lower limbs. The skeletal structures aberrant in nail patella syndrome (NPS), small patella syndrome (SPS), isolated patella aplasia hypoplasia (PTLAH), Meier-Gorlin syndrome, RAPADILINO syndrome, and genitopatellar syndrome (GPS) are depicted in gray.

Более 35 dysmorphic единиц с отсутствием или маленьким надколенником присутствуют в Winter-Baraitser Dysmorphology Database (WBDD), version 1.0.4, London Medical Databases. Молекулярная основа установлена лишь для немногих из них. Синдромы развития у людей с уродствами надколенника могут вызываться дефектами одиночных генов или возникать в некоторых случаях в результате мозаичной трисомии 8. Выборка из recurrent паттерн синдромов представлена в Table 1. Мы обсудим синдромы, в которых аплазия или гипоплазия надколенника является одним из характерных признаков.

Наиболее широко распространенным и хорошо известным синдромом с врожденной аплазией или гипоплазией надколенника и наилучшим примером нарушения формирования дорсо-вентрального паттерна является nail patella syndrome (NPS). NPS является аутосомно доминантным плейотропным нарушением, характеризующимся клинически дисплазией дорсальных структур из мягких тканей конечностей, скелетными аномалиями, глаукомой и нефропатией (Table 2) (8). Оценка распространенности NPS составляет один на 50,000 (10). Классическая тетрада признаков состоит из дисплазии ногтей, отсутствия или маленькой надколенной чашечки, дисплазии локтей и экзостозов ('horns') подвздошной кости. Треугольная ногтевая lunulae, anonychia и ульнарная hemianonychia являются характерными признаками дисплазии ногтей пальцев при NPS (Fig. 2a). Тяжесть аномалий ногтей постепенно снижается вдоль передне-задней оси (от больших пальцев к мизинцам). Двухсторонняя небольшая коленная чашечка (Fig. 2b) обнаруживается в огромном большинстве случаев, а отсутствие надколенника в меньшинстве случаев (9). Хотя экзостозы подвздошной кости присутствуют только в 70-80% случаев, они представляют собой pathognomonic радиографический признак (Fig. 2c) (11, 12). Дополнительные нарушения конечностей включают swan-neck деформации и отсутствие кожных складок на дорсальном аспекте дистальных межфаланговых соединений пальцев рук. У двух NPS пациентов наблюдалась крайняя врожденная exorotation положения нижних конечностей (Bongers,unpublished data). Начиная с рождения могут развиваться или прогрессировать глаукома и почечные проявления (13, 14). В NPS почках нарушена структура и функция базальной мембраны гломерул и подоцитов, ответственные за изменения фильтрации клубочками (15-18). Почечные симптомы варьируют в пределах от временной безсимптомной протеинурии до недостаточности почек (19). Недавние исследования показали, что субклинические нарушения слуха и периферические нейрологические симптомы как сенсорная дисфункция также являются частью синдрома (9, 14, 20). Клинические признаки не только высоко изменчивы внутри и между семьями, но и заметна клиническая вариабельность проявлений между разными органами у одиночных индивидов с NPS (9).

Лежащий в основе ген, LMX1B на хромосоме 9q34.1, является LIM-homeodomain (LIM-HD) транскрипционным фактором. LMX1B кодирует ядерный белок, представленный двумя zinc-finger мотивами (LIM-A и LIM-B), которые участвуют в межбелковых взаимодействиях, HD, который участвует в связывании ДНК, и доменом активации транскрипции (21-23). Гетерозиготные мутации потери функции в LMX1B, как полагают, вызывают NPS в результате гаплонедостаточности, но доминантные негативные механизмы не могут быть исключены для большинства мутаций LMX1B (9, 20, 24-27). Кстати, 156 разных LMX1B-мутаций сконцентрировано в LIM- и HDs (9, 20, 24, 25, 28-33). Недавно были идентифицированы первые мутации в экзоне 1 выше LIM доменов и в экзоне 6 из С-терминальной области, но еще не найдены мутации в экзонах 7 и 8 (20). Дополнительно выявлены геномные делеции, покрывающие крупные части гена и сбалансированные транслокации, преимущественно разрывающие LMX1B при NPS (29, 34, 35). У 10-15% индивидов с NPS секвенирование гена LMX1B не выявляет мутаций (9, 28-30). Недавно было предпринято большое генотип-фенотипическое исследование, которое показало, что индивиды с мутациями LMX1B, расположенными в HD, имеют более высокий риск развития нефропатии по сравнению с индивидами с мутациями в LIM-A или LIM-B домене (9). Не выявлено генотип-фенотипических ассоциаций для NPS проявлений в конечностях, глазах и аудиологических.

Молекулярные исследования Lmx1b^-/-мышей продемонстрировали, что Lmx1b необходим для развития дорсальных структур конечностей, гломерулярных базальных мембран и подоцитов в почках, переднего сегмента глаз, dopaminergic serotonergic нейронов головного мозга и дорсальных промежуточных нейронов спинного мозга (29, 36-41). Спектр нарушений в конечностях при NPS хорошо коррелирует с паттерном экспрессии Lmx1b у мышей. В развивающихся конечностях мышей экспрессия Lmx1b присутствует в дорсальных

 | Fig. 2. Phenotypic characteristics of the nail patella syndrome. Ulnar hemianonychia of thumb nails (a), small patella (b), and iliac horns (arrows) (c).

мезенхимных тканях, дающих дорсальные аспекты конечностей, надколенная чашечка, сухожилия, связки и суставы, но не в миогенных предшественниках (42). Регрессия экспрессии происходит, когда структуры конечностей созревают. Исходя из дорсальной локализации экспрессии Lmx1b в развивающихся сухожилиях и связках дистальных частей конечностей мышей дикого типа и удвоений flexor сухожилия, наблюдаемого в передних конечностях Lmx1b^-/- мышей (42), мы предположили, что аномальное развитие или прикрепление сухожилий дорсального extensor пальцев, лежит в основе сгибания по межфаланговым суставам при swan-neck деформации у большинства NPS пациентов.

Исследования почек у Lmx1b^-/- мышей показали, что Lmx1b регулирует экспрессию генов, критических для развития и функции базальных мембран клубочков и подоцитов, включая Col4A3 и Col4A4, кодирующих α3 и α4 цепи типа IV коллагена, Nphs2, кодирующего podocin и Cd2ap, кодирующего CD2-ассоциированный белок (39, 40, 43). Однако, аберрантная экспрессия типа IV коллагена, NPHS2 или CD2AP, не может быть продемонстрирована в почках NPS пациентов (44). Вместо этого обнаруживается аномальная экспрессия коллагена типа III. Патогенные механизмы, лежащие в основе нефропатии и глаукомы NPS, ещё не установлены. Животные модели показывают, что Lmx1b является также критическим для формирования дорсальной части спинного мозга (8, 37). В ЦНС Lmx1b^-/- мышей, Lmx1b, как было установлено, играет роль в развитии dopaminergic и serotonergic нейронов с помощью Shh, действующего выше и Ptx3 ниже Lmx1b, соотв. (38, 45). Однако, физиологические исследования индивидов с NPS не выявили каких-либо симптомов, связанных с недостаточностью dopaminergic и serotonergic передачи (9).

Small patella syndrome (SPS), называемый также 'Scott-Taor syndrome' и 'ischio-pubic-patellar syndrome', является доминантной скелетной дисплазией, затрагивающей нижние конечности и таз (46, 47). Небольшая или отсутствующая коленная чашечка ассоциирует с аномальной оссификацией ischio-pubic соединения и/или с infra-acetabular axe cut вырезками являются критическими находками для клинической диагностики SPS (Table 2, Fig. 3a). Аномалии ног, включая широкие пространства между первым и вторым пальцами ног, короткие четвертый и пятый metatarsals ног (Fig. 3b) и pes planus, являются широко распространенными, но не существенными признаками. Нет жалоб, связанных с аномалиями таза и стоп при SPS. Определенные лицевые характеристики, включая высокую переносицу (nasal bridge), микрогнатию и высокое аркообразное нёбо, обнаруживаются в небольшом числе случаев и могут быть частью синдрома (48). С момента первого описания SPS Scott и Taor в 1979, всего описано 50 субъектов из 12 семей и 8 спорадических случаев (46-57).

Генетический дефект, лежащий в основе SPS, недавно идентифицирован с помощью анализа positional candidate. TBX4 рассматривается как интересный ген кандидат для SPS, исходя из наблюдения положения критической области SPS в хромосоме 17q22 вместе с похожим скелетным фенотипом у животных, лишенных Tbx4 (48, 50, 58, 59). Неспособность экспрессии Tbx4 у кур и мышей характеризуется отсутствием или укорочением нижних/задних конечностей и аномалиями развития таза (58, 59). TBX4 кодирует транскрипционный фактор, состоящий из строго законсервированного ДНК связывающего T-box домена и транскрипционного activation/repression домена. Предполагаемые гетерозиготы по мутациям потери функции в TBX4 были идентифицированы в 6 SPS семьях, включая мутации nonsense, missense, frameshift, splice-site и пропуска экзона 7 (48). Гаплонедостаточность, по-видимому, отвественна за клинический фенотип, вызываемый мутациями TBX4, из-за преждевременного окончания белка, но не могут быть исключены и доминантно-негативные эффекты для др. мутаций.

 | Fig. 3. Phenotypic characteristics of the small patella syndrome. Absence of the ischio-pubic junction (arrows) (a), an increased space between the first and second toes, and short fourth and fifth rays (b).

Исследования Tbx5^-/- мышей показали, чтоt Tbx4 способен восстанавливать инициацию и поддержание выростов передних конечностей в отсутствие Tbx5 (60). Эти находки подчеркиваются относительно слабыми проявлениями в скелетоном морфогенезе у SPS пациентов в результате гетерозиготной потери функции TBX4, которая д.б. частично приписана функциональному перекрыванию TBX4. Существенная фенотипическая вариабельность наблюдается как внутри, так и между SPS семьями, доказательства генотип-фенотипических корреляций пока не установлены.

Молекулярные исследования на животных подчеркивают роль Tbx4 в формировании проксимо-дистального паттерна конечностей и в развитии легких и аллантоиса у мышей (58, 61, 62). Более того, взаимодействие Tbx4 и его паралога Tbx5 с LMP-4, PDZ-LIM доменовым белком, необходимо для развития сердца у эмбрионов кур (63). Не выявлено сходных клинических симптомов, связанных с аномальным морфогенезом легких или пороками сердца у людей с SPS. Фенотип у пациентов, ассоциированный с гетерозиготными TBX4 мутациями подтверждает, что TBX4 играет существенную роль на относительно поздних ступенях развития скелета таза и нижних конечностей, включая задние структуры стоп у людей. Исходя из отсутствия или маленького надколенника у SPS, мы предполагаем, что TBX4 является также критическим для развития дорсальных структур конечностей (48).

Ранее предполагалось, что SPS может быть аллельной с isolated patella aplasia hypoplasia (PTLAH) (50). PTLAH является редким аутосомно доминантным нарушением, при котором врожденная аплазия или гипоплазия надколенной чашечки является единственным клиническим и радиографическим проявлением (64-69). PTLAH является генетически гетерогенным нарушением с одним локусом, картируемым примерно в 12-cM области на хромосоме17q22 (65, 69). Мало вероятно, что ген TBX4 локализуется в 17q22, т.к. TBX4 находится вне критической области PTLAH и т.к. не выявлено патогенетических мутаций в открытой рамке считывания TBX4 в семьях с PTLAH (48, 65, 69). Однако, разрушение дально-действующих регуляторных элементов TBX4 при PTLAH, сходное с теми, что обнаруживаются при campomelic dysplasia, вызываемой позиционным эффектом SOX9, локализованным на хромосоме 17q24.3, не может быть исключено (70).

Meier-Gorlin syndrome (MGS) является аутосомно рецессивным плейотропным заболеванием, первоначально описанным Meier и Rothschild (71) и Gorlin et al. (72). MGS является редким нарушением, т.к. описано только 42 случая до сегодняшнего момента (71-87). Синдром называется также 'ear-patella-short stature syndrome', синоним классической триады двухсторонней microtia, аплазии или гипоплазии надколенника и тяжелой пре- и постнатальной задержки роста (84). Ассоциированные проявления включают типичное лицо, гипоплазию молочных желез, аномалии мочеполового тракта, различные скелетные аномалии и задержка моторного развития (Figs 3 and 4, Table 2). При MGS отсутствует или небольшая надколенная чашечка у 63% и 21% индивидов, соответственно (73). Аномалии надколенной чашечки могут быть ассоциированы с различными уродствами как appendicular, так и осевого скелета и с задержкой скелетного созревания. Лицевые характеристики в раннем детстве включают микростомию, полные губы, клювовидный нос и микрогнатия (Figs 4 and 5a), наиболее выраженные изменения треугольное лицо и небольшая высокая переносица (nasal bridge) во время старения (Fig. 5b-d) (86). Небольшие уши остаются существенным и хорошо распознаваемым клиническим проявлением MGS у взрослых. Наиболее распространенными аномалиями гениталий являются cryptorchidism и недоразвитие больших и малых губ у мужчин и женщин, соотв. Почечные аномалии включают гидронефроз, а кардиальные аномалии представлены дефектами межпредсерной и межжелудочковой перегородки, встречаемых спорадически (78). Наиболее серьезными аспектами MGS являются затруднения с кормлением и часто повторяющиеся респираторные инфекции в раннем детстве. Анализ гормона роста оказывается нормальным в большинстве случаев и терапия гормоном роста не дает улучшений роста (73, 74, 78, 79, 86, 88, 89). Несмотря на то, что рост догоняется во время взросления, рост взрослых все же на на треть percentile ниже. В большинстве случаев отмечается нормальная интеллигентность, но имеется задержка моторного развития. Цитогенетический анализ нормален во всех исследованных случаях.

Meier-Gorlin синдром считается человеческим эквивалентом short ear мышей, вызываемых мутацией в гене, кодирующем bone morphogenetic protein 5 (BMP5) (79). Однако ген BMP5 исключен из кандидатов на роль гена. ответственного за MGS благодаря анализу мутаций и гаплотипов (75, 90). В отсутствие специфических молекулярных маркеров, диагноз выставляется по классической триаде клинических признаков и характерному виду лица.

RAPADILINO является др. аутосомно рецессивным нарушением, при котором нарушения коленной чашечки сопровождаются малым ростом и уродствами ушных раковин. Акроним RAPADILINO отражает главные харктеристики: RAdial and PAtellar aplasia or hypoplasia, cleft or highly arched PAlate, infantile DIarrhea and DIslocated joints, LIttle size and LImb malformation, and long slender NOse and NOrmal intelligence (91). Дополнительными частыми находками являются отсутствие большого пальца рук, микрогнатия, дизморфные auricles, включая дисморфные ear lobes и частично расправленные ушные завитки, высокий голос и

 | Fig. 4. Facial characteristics of the Meier-Gorlin syndrome at young age. A 5-year-old boy showing small and simple formed ears (a and b), a beaked nose, and full lips (b); previously described by Bongers et al. (2001) (73).

metatarsus varus. Спорадически встречаются сегментные деформации позвонков, отсутствие coccyx, mesomelic укорочение обеих ног, calcaneonavicular слияние, гидронефроз, дефекты межпредсерной перегородки и анальные уродства у индивидов с этим синдромом. Отмечается также изменчивая экспрессивность. Kaariainen et al. (91) впервые описали этот синдром в 1989. С тех пор опубликовано 17 случаев, которые преимущественно происходили из Финляндии (91-94). Хотя и имеется клиническое перекрывание с MGS, но ни у одного из пациентов с RAPADILINO не было описано microtia. Напротив, радиальные дефекты и аплазия или гипоплазия больших пальцев рук, типичные для RAPADILINO синдрома, не были описаны у пациентов с MGS к настоящему времени. Синдром RAPADILINO обнаруживает также сходные признаки с Rothmund-Thomson syndrome (RTS) по аплазии надколенника, дефектам радиальных лучей и небольшому росту, но пациенты RAPADILINO не имеют poikiloderma или редкие волосы на голове, бровях, ресницах, характерных для RTS (95-97).

Исходя из фенотипического перекрывания между синдромом RAPADILINO и RTS, ген RECQL4, который мутантен у некоторых RTS пациентов, был предположен в качестве гена кандидата для RAPADILINO (98). RECQL4 является членом семейства RecQ генов. кодирующих helicases, участвующую в раскручивании структур ДНК (99, 100). У 13 пациентов из 10 Finish RAPADILINO семей, 4 разные мутации RECQL4 были идентифицированы, они представляли три нонсенсс мутации и одну мутацию сплайс-сайта (94). Ни одна из RECQL4 мутаций не найдена у пациентов с RAPADILINO синдромом из тех, что ранее были описаны у пациентов с RTS. Перекрывание фенотипов синдрома RAPADILINO и RTS указывает на широкий спектр аномалий надколенной чашечки и радиальных лучей, которые могут быть результатом дефектов гена RECQL4. Патогенетические механизмы, ответственные за разные признаки RAPADILINO еще предстоит выяснить (101).

Genitopatellar syndrome (GPS) является аутосомно рецессивным нарушением, при котором аплазия или гипоплазия надколенной чашечки ассоциирует с arthrogryposis бедер и коленей, генитальными аномалиями, почечными аномалиями, характерным лицом и

 | Fig. 5. Changing facial appearance of the Meier-Gorlin syndrome during aging. Facial characteristics at age of 4 years, including micrognathia and full lips (a), change to a triangular face with a small high nasal bridge noted at the age of 14 years (b) and 20 years (c and d). This individual was originally described at age 7 years by Cohen et al. (1991) (84).

умственной отсталостью. Кстати, описано 8 спорадических случаев и две пары из неродственных семей (102-107). Скелетные аномалии ограничены нижними конечностями и тазом, за исключением брахидактилии верхних конечностей. Аплазия или гипоплазия надколенника может сопровождаться гипоплазией повздошной кости и inferior pubic rami (103). Врожденные flexion деформации колен и бедер наблюдаются у всех пациентов и изуродованные стопы у большинства. Генитальные аномалии представлены гипоплазией мошонки и крипторхидизмом у мужчин. У женщин описаны гипопластичные клитор и малые губы (103, 105). Мультикистозные почки и\или (uretero)hydronephrosis обнаружены во всех, кроме одного, случаях. Помимо клинических проявлений во многих системах органов, описаны проявления среденй тяжести эктодермальной дисплазии, такие как редкие тонкие волосы на скальпе и задержка прорезывания зубов были описаны в двух случаях. Черепно-лицевые признаки включают микроцефалию, крупный и широкий нос с высокой переносицей и микрогнатию. Агенез corpus callosum и тяжелая психомоторная задержка являются обычными находками, с отсутствием речи или неспособностью ходить и гипотонией у некоторых GPS пациентов (103, 105). Низкий рост и врожденные пороки сердца упоминаются у меньшинства индивидов (104,105). Трудности глотания и приема пищи могут осложнять неонаталный период. Наиболее серьёзными и угрожающими жизни осложнениями являются респираторные проблемы. Три пациента погибли до 3-х лет, два из низ из-за apnea (104, 105). Гипоплазия легких обнаружена в трех случаях аутопсии (103). Все случаи имели нормальный кариотип. Молекулярные причины ещё не идентифицированы.

Для дальнейшего понимания функции гена TBX4 и LMX1B генов в онтогенетических механизмах развития конечностей у людей, мы коротко обсудим некоторые молекулярные пути формирования паттерна конечностей вдоль трех осей симметрии. Дополнительную информацию о передаче сигналов и транскрипционных факторах, участвующих на путях развития конечностей у кур и мышей может получить в др. обзорах литературы (108-110).

Сложные взаимодействия членов семейства T-box генов (Tbx) с fibroblast growth factor (Fgf) и ростовыми факторами семейства wingless (Wnt) управляют инициацией и выростами структур конечностей вдоль проксимо-дистальной оси у эмбрионов кур (59, 111-118). На ранних стадиях развития нижних конечностей у кур Tbx4 в латеральной пластинке мезодермы специфически индуцирует передачу сигналов Wnt8c-Fgf8/10, которая образует петлю обратной связи для Fgf10 в мезенхиме посредством передачи сигналов Wnt/β-catenin (Wnt3a), поддерживающих рост зачатков конечностей (Fig. 6) (59, 118, 119). Сходный сигнальный каскад предполагается и для развития верхних конечностей, где Tbx5 взаимодействует с Wnt2b для регуляции передачи сигналов Fgf8/10 (59, 120, 121) (Fig. 6).

Неправильная экспрессия Tbx5 и Tbx4 генов приводит в результате к wingless и legless фенотипу на ранних стадиях развития кур, соотв. (59,61). Нарушение экспрессии Tbx4 во время поздних стадий развития вызывает существенное уменьшение роста ног, отсутствие pubis и гипоморфизм ilium и ischium (59). У мутантных Tbx4 мышей проявления дефектного позднего развития скелета не были изучены из-за летальности, вызываемой неспособностью chorioallantoic слияния (58). Еще не идентифицированы Wnt гены у мышей и людей, которые обладают сходными функциями с Wnt8c и Wnt2b у кур. В отличие от кур, исследования на мышах не выявляют детерминирующей роли Tbx4 и

 | Fig. 6. A model for the regulatory pathways of upper and lower limb development, based on data obtained from studies in animal models (chickens and mice) and humans (48, 59, 60, 119, 127). During limb initiation, TBX5 and TBX4 induce WNT2B/FGF and WNT8C/FGF signaling, respectively, which positively feedback on to FGF10 through the WNT3A/β-catenin-dependent pathway to initiate limb bud outgrowth in chicken. At late developmental stages, TBX5, TBX4, and LMX1B are crucial in asymmetric patterning along the antero-posterior and dorso-ventral axes. TBX5 is essential for patterning of the anterior skeletal structures of the upper limb, whereas TBX4 is involved in the development of dorsal and posterior elements of the lower limb. LMX1B is important for patterning of dorsal and anterior skeletal and surface structures of the upper and lower limb during later stages of development. The downstream targets of TBX5, TBX4, and LMX1B during late stages of limb development are as yet unknown. TBX5 and TBX4 are first expressed in the lateral-plate mesoderm and during later developmental stages throughout the mesenchyme of the upper and lower limb bud, respectively. In both the upper and lower limb bud, LMX1B is expressed in the dorsal mesenchyme, FGF10 in the mesenchyme, FGF8 in the apical ectodermal ridge, WNT7a in the dorsal ectoderm, and Engrailed-1 in the ventral ectoderm. Human protein nomenclature is used. It should be noted that the indicated signaling pathways represent a combination of results obtained in the various model systems and that the different developmental pathways could not be linked in any of the organisms as yet.

Tbx5 в спецификации качественных особенностей конечностей (60). Молекулярные исследования на мышах продемонстрировали, что Tbx4 способен нормализовать инициацию и поддержание роста передних конечностей у Tbx5^-/- эмбрионов мышей, указывая тем самым, что имеется высокая степень функционального перекрывания между Tbx4 и Tbx5. Эти находки согласуются с консервативными онтогенетическими механизмами формирования паттерна, при которых эти гены обладают несколькими общими генами мишенями (122).

Спецификации специфических для конечностей морфологий, как полагают, регулируются Hox генами аксиальных ростро-каудальных уровней и с помощью paired-типа HD транскрипционного фактора Pitx1 на каудальном уровне в латеральной пластинке мезодермы (Fig. 6) (60). Pitx1 индуцирует также экспрессию гена Tbx4 в полях нижних конечностей, но не играет роли в инициации роста конечностей у мышей (60, 61, 123). Интересно, что уродства конечностей у Pitx1^-/- мышей, такие как отсутствие надколенной чашечки и повздошной кости и более короткие задние конечности менее тяжелые, чем у Tbx4^-/- мышей, это указывает на то, что экспрессия Tbx4 регулируется и с помощью др. путей (124).

Асимметричные дорсо-вентральные качественные особенности конечностей специфицируются с помощью реципрокных взаимодействий между эктодермой и мезенхимой почки конечности с Wnt7a, экспрессируемым в дорсальной части эктодермы, с Lmx1b, экспрессируемым в дорсальной части мезенхимы, и homeobox содержащим транскрипционным фактором Engrailed-1, экспрессируемым в вентральной части эктодермы (125, 126). Wnt7a индуцирует экспрессию Lmx1b, вызывая образование проксимальных и дистальных дорсальных структур конечностей, таких как надколенная чашечка и ногти (Fig. 6) (5, 36, 125, 127).

Lmx1b^-/- мыши формируют zeugopods и autopods с двойным вентральным фенотипом, ulnar редукцией и отсутствием коленной чашечки (36, 125). Интересно, что экспрессия Lmx1b обнаруживается в patellar мезенхиме, которая в обязательном поряде дает надколенник и надколенное сухожилие (26). Не выявлено нижестоящих мишеней для Lmx1b в развивающихся конечностях.

Формирование передне-заднего паттерна конечностей регулируется с помощью передачи сигналов Shh, обеспечиваемой с помощью регуляторных петель между FGFs и транскрипционными факторами Gli3 и dHand (58).Кроме того, Hoxd гены, кодирующие homeobox содержащие транскрипционные факторы действуют выше и ниже Shh (128). Изучение мутантных модельных животных показало, что и Lmx1b и Tbx4 участвуют в формировании передне-заднего паттерна autopods (26). Эти находки подкрепляются фенотипами конечностей при синдромах у людей, таких как постепенное снижение тяжести уродств ногтей в передне-заднем направлении у индивидов с LMX1B мутациями и короткие четвертый и пятый metatarsals у индивидов с мутациями в гене TBX4 (26, 48).

In this review, we discussed human developmental disorders and animal genetic models characterized by patellar aplasia or hypoplasia and the genes responsible for these syndromes. The limb phenotypes of NPS and Lmx1b_–/– mice indicate that LMX1B is involved in both dorso-ventral and antero-posterior patterning and possibly rotation along the proximo-distal axis during early embryonic development. LMX1B may have additional functions in endochondral ossification processes of the appendicular skeleton, as indicated by the formation of iliac exostoses and small patellae in NPS. The extralimb phenotype of NPS emphasizes that LMX1B is also crucial in the development and function of the kidney, eye, inner ear, and central and peripheral nervous system.

Clinical characterization of SPS demonstrated that human TBX4 is implicated in both dorsoventral and antero-posterior limb patterning and has important functions during late skeletal development of pubic, ischial, patellar, and (meta)tarsal bones. With the current knowledge of the expression pattern of Tbx4 in different organ systems in animals and the phenotype of mutant animal models, detailed clinical examination of individuals with SPS may reveal additional functions of TBX4 in human development, such as lung and heart formation. Similar to a hypothesized role of Lmx1b in the molecular pathways of endochondral ossification, we suggest that TBX4 may be involved in the genetic cascades mediating mesenchymal condensation and/or ossification of pelvis and patellar bones. The same is hypothesized for RECQL4, which may have additional functions in regulating limb patterning and/or endochondral ossification processes of the developing skeleton (128). The current knowledge of the limb-specific morphologic manifestations of these human patella dysplasia syndromes and animal genetic models of these disorders is integrated in a model for the genetic pathways of upper and lower limb development, comprising patterning of the patellae (Fig. 6). For a complete understanding of the molecular mechanisms underlying limb anomalies and associated organ system manifestations of NPS and SPS, knowledge of the molecular targets of the transcription factor genes LMX1B and TBX4 and the complex interaction of genes involved is essential. In addition, genetic modifiers and environmental factors need to be elucidated for understanding the great clinical variability of these syndromes.

The gene defects in MGS, GPS, and PTLAH have not been identified as yet. It is plausible that other genes that operate in TBX4 or LMX1B signaling cascades or in RECQL4 associated helicase activity are candidates for these disorders. Therefore, a good strategy to resolve the genetic basis of these and other unexplained patellar malformation syndromes is to use the current knowledge about molecular pathways in patella development in combination with traditional linkage studies to select the best positional candidate genes.

Note: Recently, RECQL4 mutations have also been identified in individuals with Baller-Gerold syndrome (MIM 218600), characterized by radial aplasia/hypoplasia, cranial features with RAPADI LINO syndrome and RTS syndrome such as patellar malformations (van Maldergem et al. J.Med Genet, in press).