ГЕНЕТИКА, 2015, том 51, № 1, с. 5-13
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 575.16:572.525
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА РАЗВИТИЯ РОГОВИЦЫ
© 2015 г. В. А. Мглинец
Медико-генетический научный центр Российской академии медицинских наук, Москва 115478
e-mail: mglinetz@mail.ru Поступила в редакцию 30.04.2014 г.
В работе обзорного характера рассмотрены в основном источники последних лет, посвященные генетике развития роговицы. Рассмотрена генетическая обусловленность процессов вычленения зачатка роговицы, ее спецификации и дифференцировки. Показано, что мутационные нарушения генов, отвечающих за дифференцировку роговицы, могут приводить к разным формам дистрофий и других нарушений роговицы.
DOI: 10.7868/S0016675814110083
Несмотря на кажущуюся простоту, роговица все-таки является довольно сложной структурой, состоящей из нескольких типов клеток и слоев. Роговица имеет пять слоев: 1. Передний (покровный) эпителий из 5—6 слоев клеток, способных к быстрой регенерации. Через него проходит газо-и теплообмен. 2. Боуменовая мембрана — поддерживает форму роговицы, противодействует внешним механическим воздействиям. 3. Строма (основное вещество) представлена пластинами коллагеновых волокон, обеспечивающих прочность. В строме, помимо волокон, находятся различные клетки: фиброциты (неактивные производные фибробластов), кератоциты и лейкоциты. 4. Десцементовая оболочка — слой из коллагено-подобных фибрилл, расположенный под стро-мой. 5. Задний эпителий (эндотелий) — внутренний слой, представленный клетками шестигранной формы. Этот слой играет роль "насоса", который обеспечивает транспорт необходимых веществ из внутриглазной жидкости в роговицу и обратно. Формирование роговицы осуществляется под строгим генетическим контролем.
СПЕЦИФИКАЦИЯ РОГОВИЦЫ
Глазная поверхностная эктодерма является мультипотентным регионом эктодермы головы, который образует хрусталик, роговицу и эпителий конъюнктивы, а также слезные железы и эпидермис глазных век. Вычленение зачатка роговицы от остальных зачатков глазной эктодермы строго контролируется генетически. В процессе развития микроРНК miR-450b-5p участвует в поддержании мультипотентного состояния глазного региона поверхностной эктодермы до определенного момента, путем репрессии активности в нем гена Pax6 (paired box 6) [1]. У эмбрионов кур этот регион не образуется, если глазной пузырек
устранен [2], возможно из-за отсутствия исходящих от него индукционных сигналов, таких как Sox1-3 (sex determining region Y)-box 1-3) и Рах6. Однако в нормальных условиях обычно вследствие контакта с глазным пузырьком, экспресси-рующим ген Рах6, эта область эктодермы также начинает экспрессировать ген Pax6 [3] и оказывается компетентной давать роговицу и хрусталик. Поэтому следующим этапом спецификации должно стать подразделение общего пула таких клеток на клетки-предшественники, дающие в конечном итоге или хрусталик (центр), или рого-вичный эпителий (периферия региона). Это осуществляется в результате активации в центральной части сигнала bmp4 (bone morphogenetic protein 4) [4, 5], который индуцирует экспрессию гена L-Maf (musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog), необходимого для формирования хрусталиковой плакоды [6].
В периферической части исходного пула не происходит активации bmp4 и сохраняется активность генов Рах6 и sFRP-2 (secreted frizzled-related protein 2). Ингибированию гена bmp4 в этом регионе способствуют миграция клеток нервного гребня, экспрессирующих ингибиторы BMP [7, 8], и продукция ретиноевой кислоты [9], которая, как известно, мешает передаче сигналов BMP [10]. Это вносит вклад в выбор и стабилизацию судьбы роговичного эпителия. Окончательная детерминация роговицы происходит на стадии образования стромы благодаря сохранению передачи сигналов Pax6.
ДИФФЕРЕНЦИРОВКА
Дальнейшее развитие роговицы лучше всего изучено на эмбрионах кур [11]. Это связано, прежде всего, с образованием из эктодермальных клеток нескольких слоев роговичного эпителия и
слоя Боуменовой мембраны, поддерживающей форму роговицы. Эктодермальные характеристики этих покровных клеток поддерживаются за счет передачи сигналов Wnt (Wg (wingless) и Int) — инициального фактора, способствующего развитию кожи [12]. Подавление сигналов Wnt осуществляется посредством передачи сигналов ре-тиноевой кислоты из окологлазной мезенхимы [9, 1З], которые в эктодермальных клетках индуцируют активность генов Pitx2 (paired-like home-odomain transcription factor 2) и Dkk2 (dickkopf-re-lated protein 2). Роговичный эпителий характеризуется также экспрессией компонентов цитоскелета кератина З и 12. Для взаимосвязи клеток в эпителии роговицы продуцируются белки щелевых соединений [14].
Результатом дифференцировки роговичного эпителия является образование Боуменовой мембраны и первичной стромы. Первая — это тонкая модификация наиболее передней части стромы, которая отличается от собственно стромы своей сильно сплетенной сетью фибрилл из коллагена IV, лишенной клеток. Признаки образования внеклеточного матрикса в развивающейся роговице кур появляются между днем эмбриогенеза (E) З и E3.5 в виде слоя толщиной в 1 мкм из тонких кол-лагеновых волокон. Это первичная строма, продуцируемая клетками роговичного эпителия. Показано, что не формирующий фибрилл типа FAC-IT (fibril-associated collagens with interrupted triple helices) коллаген IX может действовать как стабилизирующий фактор, участвующий в поддержании первичной стромы в виде компактного мат-рикса. Хотя у кур и мышей [1S] хрусталиковый пузырек не нужен для последней ступени диффе-ренцировки роговичного эпителия, но он является критическим для морфогенеза эндотелия роговицы и Десцементовой мембраны [16], поскольку ингибирует преждевременную миграцию клеток нервного гребня у эмбрионов кур до стадии ES [17].
Перед миграцией клетки нервного гребня должны осуществить эпителиально-мезенхим-ный переход, который контролируется с помощью генов TGFb1 (transforming growth factor beta 1), FGF (fibroblast growth factor), микроРНК miR200 и за счет репрессии транскрипции E-cadherin (CDH1) — маркера эпителиальных клеток. Ген ZEB1 (zinc finger E-box binding homeobox 1) также участвует в этом переходе; он, как известно, репрессирует до определенного момента транскрипцию разных генов, включая некоторые участвующие в эпителиально-мезенхимном переходе, например ген коллагена COL4A3.
Затем происходят две волны миграции образовавшихся мезенхимных клеток с периферии в первичную строму. Сначала мигрируют мезен-химные клетки, присутствующие на краю глазно-
го бокала, предназначенные для образования ро-говичного эндотелия, а затем мезенхима, предназначенная стать роговичными фибробластами. Презумптивные эндотелиальные клетки начинают миграцию внутрь вдоль задней поверхности первичной стромы и образуют в конечном итоге два слоя эндотелиальных клеток. На стадии Е5 у эмбрионов кур растущая строма представлена 20 и более слоями, или ламеллами, и не содержит клеток. Она удваивается в толщине к стадии Е5.5, затем быстро набухает до 30—50 мкм, это совпадает с началом экстенсивной инвазии мезенхимных клеток, предназначенных стать кератиноцитами роговицы. Они имеют вид покрытых ресничками фибробластов и проникают особенно быстро в глубину задней части стромы. Презумптивные кератиноциты заполняют строму на стадии Е7 и затем начинают синтезировать огромную массу вторичной (т.е. зрелой) стромы путем отложения коллагеновых фибрилл. Формируется приблизительно 20 слоев клеток на стадии Е10 и 25 слоев на стадии Е14. Помимо коллагена кератоциты сек-ретируют также протеогликаны, фибронектин, продуцируют интерферон, простагландин и комплемент фактор I. В это время морфология клеток изменяется из округлой в уплощенную форму, наиболее типичную для кератоцитов зрелой роговицы.
Строма между стадиями Е14 и Е19 подвергается процессу уплотнения, когда теряется вода, матричные компоненты становятся более сконцентрированными и одновременно увеличивается прозрачность ткани роговицы примерно с 40 до более 95% как у взрослых. Несколько механизмов лежат в основе уплотнения матрикса, включая изменения в синтезе сульфатированных, связывающих воду компонентов межфибриллярного матрикса, т.е. протеогликанов. Важно также создание градиента №+ между стромой и внутритканевой жидкостью позади эндотелиального слоя, под действием чего вода из стромы удаляется с помощью осмоса. Поддержание градиента осуществляется за счет активной метаболической подкачки №+ из межклеточного пространства с помощью №+/К+-АТФазы посредством нескольких типов каналов (№+/Н+ обменника, №+/НСО-3 ко-транспортера и №+ канала), расположенных на боковых стенках эндотелиальных клеток (~3 млн насосов). Выполнение клетками эндотелиально-го слоя барьерной функции обеспечивается с помощью щелевых (коннексиновых) и плотных соединений.
Коллагены
Первичная строма роговицы кур представлена фибриллами из коллагенов типа I и типа II, которые экспрессируются как эпителием, так и эндотелием. Биосинтез коллагена типа II с помощью
эпителия продолжается несколько дней и после инвазии мезенхимных клеток и проникает также в развивающуюся вторичную строму. Наконец, синтез коллагена типа II эпителием вытесняется синтезом коллагена типа I мезенхимными клетками в строме. Инвазия набухшей стромы кур мезенхимными клетками совпадает с быстрым появлением коллагена типа V по всей ткани, который может составлять 10—20% от общего числа коллагенов роговицы в зрелой ткани. Он появляется по соседству с коллагеном типа I, возможно формируя гетеротипические структуры во время фибриллогенеза и помогая регулировать диаметр фибрилл. Основные типы коллагенов в роговице млекопитающих — это I и V, как и у кур [18, 19].
Непосредственно перед проникновением в первичную строму презумптивных кератиноци-тов последняя быстро теряет не образующий фибрилл коллаген типа IX за счет действия двух ферментов матричной металлопротеиназы, ММР-2 и МТ3-ММР (ММР-16). Когда он удаляется, то мезенхимные клетки становятся способны проникать в непроницаемую до этого ткань первичной стромы и начинают синтезировать вторичную строму. Тогда ж
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.