БИОЛОГИЯ РАЗВИТИЯ =
УДК 577.29;57.086.088;617.7
МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ МОРФОГЕНЕЗА РОГОВИЦЫ
© 2015 г. И. Г. Панова, Ю. В. Маркитантова, Ю. А. Смирнова, Р. Д. Зиновьева
Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, 119334 Москва, ул. Вавилова, 26
E-mail: pinag@mail.ru Поступила в редакцию 12.05.2014 г.
Проанализированы собственные данные и данные, приведенные в научной литературе по экспрессии регуляторных генов, кодирующих факторы транскрипции Pax6/PAX6, Pitx2/PITX2, Fox1/FOXC1, Prox1/PROX1, Oct4/OCT4, Nanog/NANOG и сигнальный белок TGFP2 в процессе морфогенеза роговицы глаза позвоночных. Рассмотрены результаты, полученные с использованием роговицы глаза модельных животных, главным образом мышей, а также роговицы глаза плодов человека. Основная возможность установления общих для позвоночных механизмов развития глаза в норме и при патологии — сравнительные исследования морфогенеза глаза человека и модельных животных.
DOI: 10.7868/S0002332915020071
Роговица позвоночных животных и человека — передняя часть глазного яблока. Это абсолютно прозрачная структура, которая полностью лишена кровеносных сосудов. Дефинитивная роговица человека состоит из пяти слоев: переднего эпителия, боуменовой мембраны, стромы, десцемето-вой мембраны и эндотелия (рис. 1а) (Hogan et al, 1971).
В эмбриональном развитии формирование роговицы начинается с момента отделения хруста-ликового пузырька от покровной эктодермы (рис. 1б—д). В пренатальном развитии человека это происходит в конце 5-й недели, что соответствует 33-му дню беременности (рис. 1г) (Mann, 1949). Хрусталиковый пузырек и глазной бокал индуцируют превращение поверхностной эктодермы в эпителий роговицы (Mann, 1949; Лопа-шов, Строева, 1963). Клетки эпителия роговицы начинают секретировать коллаген, из которого формируются коллагеновые фибриллы, и глико-зоаминогликаны, заполняющие пространство между хрусталиком и эпителием роговицы, образующие к 38-му дню беременности первичную строму. Первичная строма — субстрат для миграции клеток мезенхимы, которые происходят из клеток нервного гребня. Миграция происходит в три волны (рис. 1д). С первой волной, соответствующей 40-му дню пренатального развития, мезенхимные клетки мигрируют от края глазной чаши под первичную строму. Эти клетки формируют эндотелий роговицы, который вначале состоит из 2—3 рядов, но вскоре преобразуется в монослой уплощенных клеток. Мезенхимные клетки второй волны (42—45-й дни пренатального развития) мигрируют в первичную строму, диф-
ференцируются в фибробласты, которые проли-ферируют и заполняют первичную строму роговицы. Клетки третьей волны участвуют в формировании стромы радужки и части мембраны зрачка глаза (рис. 1д). Зрелые фибробласты синтезируют коллаген, преимущественно I типа, формирующий коллагеновые волокна и внеклеточный матрикс. Первичную строму роговицы после заселения ее фибробластами (56-63-й дни пренатального развития) называют вторичной стро-мой. Эпителий и эндотелий роговицы продолжают секретировать внеклеточный матрикс, который образует боуменову и десцеметову мембраны соответственно (рис. 1а).
Для оценки и интерпретации результатов экспериментальных исследований развития глаза позвоночных животных и человека необходимо иметь ясную картину формирования роговицы на последовательных стадиях развития глаза, не только на клеточном уровне, но также на уровне регуляторных генов и белков. Все процессы, связанные с морфогенезом роговицы в пренаталь-ном развитии глаза человека, контролируются каскадом сигнальных белков и транскрипционных факторов (Hassell, Birk, 2010).
Проанализированы собственные данные об экспрессии генов ряда регуляторных факторов в пренатальном развитии роговицы человека. Это транскрипционные факторы PAX6, PITX2, FOXC1, PROX1 (регуляторы раннего развития глаза), OCT4 и NANOG, характеризующие мультипо-тентный статус клеток, а также многофункциональный сигнальный белок TGFß2. Большинство исследований молекулярно-генетических событий в раннем морфогенезе глаза позвоночных вы-
(а) (б)
Рис. 1. Схема дефинитивной роговицы (а) человека и основных этапов ее развития (б—д). ЭПР — эпителий роговицы, ЭНР — эндотелий роговицы, СР — строма роговицы, БМ — боуменова мембрана, КЦ — кератоциты, КВ — коллагено-вые волокна, ДМ — десцеметова мембрана, ГП — глазной пузырь, ЭКТ — эктодерма, ХПЛ — хрусталиковая плакода, ПЭР — презумптивный эпителий роговицы, ХЯ — хрусталиковая ямка, ГБ — глазной бокал, ХП — хрусталиковый пузырек, Х — хрусталик. I—III — три волны миграции мезенхимных клеток, участвующих в формировании роговицы глаза (модифицированы опубликованные ранее данные (Mann, 1949; Barber, 1955; Hogan et al, 1971)).
полнено на лабораторных животных, в основном на мышах. Как известно, транскрипционные факторы активируются в раннем эмбриогенезе. Они играют ключевую роль в контроле пролиферации, миграции, клеточной гибели и в выборе направления дифференцировки клеток формирующегося глаза. Проанализированы также данные, полученные другими исследовательскими группами, о роли этих регуляторных факторов в развитии роговицы на трансгенных и модифицированных по этим генам животных. Сопоставление молекулярно-генетических данных по формированию роговицы человека с данными исследований на модельных животных необходимо для
понимания механизмов нормального развития роговицы человека, а также причин возникновения врожденных патологий как роговицы, так и других тканей переднего комплекса глаза человека. Отметим, что у человека внешние проявления врожденных аномалий глаза часто имеют сходный характер с фенотипическим проявлением известных генетических дефектов у мышей. Однако исследования развития глаза человека в пре-натальный период на молекулярном уровне немногочисленны, что делает полученные авторами данные особенно ценными как для фундаментальной науки, так и для офтальмологии.
Участие регуляторных генов в развитии заболеваний глаза у человека
Ген Аномалия Ригера Аномалия Петерса Иридиодисгенез Первичная глаукома Аниридия Катаракта
PAX6 + + - + + +
PITX2 + + + - - -
FOXC1 + + + + - -
FOXE3 - + - - - +
CYP1B1 + + - + - -
TGFbeta2 - + - - - -
Примечание. "+" — связь мутаций генов с развитием различных аномалий глаза, "—" — отсутствие связи между мутацией данного гена и развитием аномалий глаз. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez. OMIM для PAX6 (607108), PITX2 (601542), FOXC1 (601090), FOXE3 (601094), CYP1B1 (601771), TGFbeta2 (190220).
В таблице представлены сведения из базы данных National Center for Biotechnology Information (NCBI), ресурса Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM), отражающие связь некоторых генов с возникновением различных аномалий глаза. Интересно, что мутации одного и того же гена могут наблюдаться у пациентов с различными аномалиями. Более того, одно и то же заболевание может быть вызвано мутациями нескольких генов. Например, мутации пяти генов приводят к развитию аномалии Аксенфелд—Ригера. Среди них находятся три гена, кодирующие транскрипционные факторы PITX2 (4q25), FOXC1 (6q25), PAX6 (11p13). Причина того, что разные гены приводят к ряду заболеваний, характеризующихся сходным фенотипом, — наличие сложной системы регуляции в виде перекрывающихся генетических каскадов (WuDunn, 2002; Sowden, 2006). Сопоставление результатов исследований работы этих каскадов с фенотипическим проявлением мутаций конкретных генов поможет пролить свет на причины и механизмы возникновения ряда заболеваний глаз.
Экспрессия гена Pax6/PAX6 и локализация соответствующего транскрипционного фактора в роговице на разных стадиях развития глаза. Высококонсервативный ген Pax6/PAX6, кодирующий транскрипционный фактор — основной регулятор морфогенеза глаза у всех изученных систематических групп животных (от дрозофилы до человека). Показано, что Pax6 экспрессируется в тканях — производных покровной эктодермы и нейроэктодермы у эмбрионов мышей, начиная с самых ранних стадий развития. На 8.5-й эмбриональный день мРНК Pax6 выявляется во всех клетках поверхностной эктодермы, а на 9.5-й ограничивается областью хрусталиковой плако-ды (Walther, Grass, 1991). На более поздних стадиях мРНК Pax6 выявляется в роговице, хрусталике, эпителии цилиарных складок, сетчатке и эпителии конъюктивы (Grindley et al, 1995; Davis, Reed, 1996). Экспрессия Pax6 в эпителии рогови-
цы мыши сохраняется в течение всего эмбрионального развития (Koroma et al., 1997). Мутации гена Pax6 проявляются множественными дефектами глаза. Одно из ранних проявлений — нарушение отделения хрусталикового пузырька от покровной эктодермы, что приводит к дефектам развития всего переднего комплекса глаза. У гетерозиготных мутантов по Pax6 процесс образования переднего сегмента полностью нарушен: отсутствует шлеммов канал, клетки трабекулярной сети не дифференцированы, выявляется гипоплазия радужки, роговица васкуляризирована, а эпителий роговицы истончен из-за редукции числа клеточных слоев (Baulmann et al., 2002; Davis, Piatigorsky, 2011). Нарушения в структуре роговицы у гомозиготных мышей с мутацией гена Pax6 сходны с проявлениями аниридии у человека: возникновением кератоконуса и васкуляриза-цией роговицы (Ramaesh et al., 2003).
У человека отклонения от нормальной экспрессии или мутации в гене PAX6 являются причиной возникновения таких наследственных заболеваний глаз, как аниридия, анофтальмия, аномалия Петерса и врожденные катаракты (Jordan et al., 1992; Hanson et al., 1993; Glaser et al., 1994). С подавлением экспрессии гена PAX6 связывают аномальную дифференцировку клеток эпителия роговицы человека при некоторых заболеваниях (Li et al., 2008). Нулевые мутации и удвоения гена PAX6 также вызывают аномалии переднего сегмента, свидетельствуя о важности определенного уровня экспрессии для нормального развития (Ton et al., 1991; Hanson et al., 1994).
Экспрессия гена PAX6 в роговице глаза плодов человека была выявлена на сроках с 8-й по 26-ю неделю методом полимеразной цепной реакции (ПЦР) (Маркитантова и др., 2006; Фирсова и др., 2009). Белковый продукт гена PAX6 обнаружен уже на 6-й неделе эмбрионального развития человека
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.