Гены контролирующие индукцию. Индукция и органогенез.

Органогенез включает в себя многие клеточные процессы, такие как клеточная пролиферация, адгезия клеток, апоптоз, дифференцировка клеток, изменение формы клеток и клеточная миграция. В последние годы при изучении потомков мутантных мышей были обнаружены многие существенные для контроля развития гены, которые управляют совокупностью формообразовательных процессов ряда органов, в частности и такого, как почка. В изучении механизмов морфогенеза почка -один из главных вьделительных и гомеостатических органов, является удачной моделью (отчасти благодаря простоте, с которой она может изучаться в культуре). Как и в случае других органов, развитие почки регулируется последовательными и реципрокными индуктивно-тканевыми взаимодействиями.

Первооткрыватель эмбриональной индукции Ганс Шпеман еще в 20-е годы прошлого века наблюдал взаимодействие эмбриональных закладок, приведшее к формообразовательному эффекту: в результате пересадки кусочка индуцирующей ткани от одного зародыша тритона на брюшную часть другого зародыша образовалась дублирующая система осевых органов. Практически через 30 лет после этого Клиффорд Гробстайн, культивируя зачаток мочеточника и почечную мезенхиму, продемонстрировал реципрокную индукцию вне организма: зачаток мочеточника рос и ветвился только в присутствие мезенхимы и, наоборот, в мезенхиме формировались почечные канальцы только при культивировании ее вместе с зачатком мочеточника. Таким образом, оба зачатка выступали друг по отношению к другу либо в роли индуктора, либо как реагирующая на его воздействие компетентная ткань. Этот вариант первичной эмбриональной индукции вдальнейшем был классифицирован как мезодермально-энтодермальный, или эпителио-мезенхимный.

Он характерен для развития органов, формирующих протоки. Кроме него, различают архенцефалическую эмбриональную индукцию, в результате которой формируется передний мозг, нос и глаза, а также - дейтеренцефалическую, запускающую формообразование среднего и заднего мозга, а также слуховых пузырьков.

Если индукция структуры произошла, то она вступает в дифференцировку, с которой теснейшим образом связан морфогенез. В нормальных условиях эта связь выражается в четкой скоординированности индукции и дифференцировки.

Кратко морфогенез почек можно описать следующим образом. Почка взрослого млекопитающего, так называемый метанефрос (вторичная почка), развивается из вольфова протока и мезенхимы метанефроса, которые оба происходят от промежуточной мезодермы. Метанефрическая почка начинает развиваться после того, как вольфов проток продлевается каудально вдоль оси тела и продуцирует вырост — зачаток мочеточника (на 10,5— 11 день у мыши и 35—37 день у человека). После внедрения в ткань мезенхимы, этот зачаток стимулирует окружающие его клетки, приводя к их уплотнению в форме шляпки в нефрогенной мезенхиме. На периферии этой мезенхимы, а также между ветвями мочеточника развивается строма. Затем уплотненные клетки мезенхимы стимулируют зачаток мочеточника к ветвлению и формированию двух новых концов, а сами начинают формировать прстубулярные агрегаты, которые подвергаются эпителио-мезенхимному переходу и дают начало эпителиальным почечным трубочкам, развивающимся в нефроны - выделительные единицы почки.

индукция и органогенез

В процессе разветвления эпителиального зачатка мочеточника, каждый конец действует как индуктивный центр, инициирующий нефрогенез, образуя новые эпителиальные концы после того, как ветвь удлинилась и обособилась. Индукция эпителиальных трубочек многократно повторяется, чтобы произвести 12 000 нефронов в почке мыши и 500 000-1 000 000 нефронов в человеческой почке. Ветви зачатка мочеточника, в конечном счете, формируют систему протоков, которая собирает мочу в почечную лоханку и мочевой пузырь. У человека нефрогенез к моменту рождения завершается, а у крыс и мышей продолжается постнатально.

Инициирует ли мезенхима метанефроса органогенез, стимулируя формирование зачатка мочеточника, который затем внедряется в нее и начинает ветвиться? Или же инициирующие сигналы исходят от вольфова протока до отпочковывания зачатка мочеточника?

Установлено, что мышиный ген Wt1 (гомолог гена WT1 у человека) кодирует фактор транскрипции, представленный несколькими изоформами, играющими различные роли в формировании мочеполовой системы. Как уже упоминалось выше, мутаиия гена WT1 у человека может привести к возникновению опухолей почек в детстве или развитию определенных наследственных заболеваний с аномалиями гонад и почек: синдром Дениса—Драша, синдром Фразье и синдром WAGR. Экспрессия Wt1 сначала проявляется в уплотнении мезенхимных клеток. У мышей с выключенным (нокаутированным) Wt1-геном мезенхима метанефроса формируется, но зачаток мочеточника не в состоянии развиваться из вольфова протока, что в итоге приводит к полному отсутствию почки. Как фактор транскрипции Wt1 может регулировать экспрессию секретируемых факторов, являющихся медиаторами мезенхимных сигналов, которые индуцируют формирование зачатка мочеточника. Wt1 может также регулировать способность мезенхимы метанефроса отвечать на индуктивные сигналы, получаемые от зачатка мочеточника.

Как прямая мишень для Wt1 при инициировании почечного развития, был идентифицирован амфирегулин, принадлежащий к семейству эпидермальных факторов роста (Egf). Однако блокирование активности амфирегулина в культуре органа не предотвращает раннее развитие зачатка мочеточника. Вследствие этого механизм действия Wtl при инициировании развития почки еще предстоит выяснить. Установлено, что гомеобоксный ген Рах2 (аналог РАХ2 человека) также регулируется Wtl, поскольку его экспрессия подавляется Wt1 in vitro и, кроме того, снижена в почечной мезенхиме Wt1-мутантных эмбрионов.

В свою очередь Рах2 также может управлять инициированием морфогенеза почек, влияя на экспрессию нейротрофического фактора Gdnf вырабатываемого линией глиальных клеток, Gdnf кодирует фрагменты семейства преобразующих факторов роста (Tgf-B) - сигнальных молекул, которые играют важную роль в индукции зачатка мочеточника. Отсутствие Рах2 вызывает утрату экспрессии Gdnf в метанефрической мезенхиме.

Показано, что локальное действие Gdnf на одну из сторон вольфова протока in vitro индуцирует образование добавочных зачатков мочеточника. Это может служить доказательством достаточности Gdnf для индукции формирования зачатка мочеточника, а позже —для регуляции его ветвления. Вероятно, вместе с Gdnf в регуляцию формирования данного зачатка вовлечены и другие факторы, так как экспрессия Gdnf сохраняется, например, в лишенных Wtl почках, где отсутствует обособление зачатка мочеточника. Кроме того, Gdnf не стимулирует ветвление изолированного зачатка, культивируемого in vitro.

Предполагают, что экспрессия Gdnf в почечной мезенхиме регулируется геном Еуа1 — гомологом гена отсутствия глаз у дрозофилы (Еуа), который кодирует другой фактор транскрипции гомеобоксного семейства генов. EYA /-мутации у человека лежат в основе бранхио-ото-ренального (BOR) синдрома. Как и в случаях с Wt1, Рах2 и Gdnf- мутантам и, зачаток мочеточника будет не в состоянии внедриться в почечную мезенхиму эмбриона мыши при отсутствии Eyal. В отсутствие Еуа! также нет экспрессии Gdnf но Рах2 продолжает экспрессироваться в мезенхиме этих мутантных эмбрионов. Это позволяет утверждать, что, регулируя инициирование развития почки, Еуа] функционирует в мезенхимной сигнализации ранее Gdnf но позже Рах2.

Недавно было открыто воздействие на раннее развитие почки гена Sall1 — свойственного млекопитающим гомолога регион-специфического гомеозисного гена дрозофилы spalt (Sail). SALL1-мутации у человека ведут к развитию синдрома Таунс-Брокса - аутосомно-доминантного заболевания, которое характеризуется дисплазией ушных раковин, преаксиальной полидактилией, заращением ануса, а также аномалиями почек и сердца. Sall1 экспрессируется в почечной мезенхиме, и его инактивация у мышей ведет к недоразвитию мочеточника и отсутствию в нем протока. Установлено, что мезенхима у эмбрионов мышей с отсутствием данного гена (Sall1-null) может формировать протоки при индукции со стороны спинного мозга in vitro, т.е. дефект у особей с «отключенным» Salil наблюдается в зачатке мочеточника. Экспрессия Gdnf, Eyal и Wtl продолжается в мезенхиме Sall1-мутантов, указывая, что Sall1 находится «ниже» этих сигналов или возможно действует независимо от них, Местоположение формирования зачатка мочеточника на вольфовом канале, возможно, определяется экс премирующимся в почечной мезенхиме фактором транскрипции, принадлежащим к семейству Foxc1 (forkhead box CI).

Данное предположение подтверждается тем, что у Faxc1-нокаутированных эмбрионов формируются двойные зачатки мочеточника и почки. По-видимому, Foxcl выполняет свою функцию, подавляя Gdnfw Eyal в передней части почечной мезенхимы.

Сводка имеющихся данных о раннем развитии почки, представленная на рисунке, свидетельствует, что в инициировании ее морфогенеза участвует множество генов, которые не могли бы функционировать независимо друг от друга. Экспрессия многих из этих рано действующих генов в мезенхиме указывает, что данная ткань может специализироваться первой и что сигнал из мезенхимы может стимулировать формирование зачатка мочеточника. Интересно, что большинство факторов, инициирующих развитие почки, — это факторы транскрипции, которые экспрессируются в мезенхиме метанефроса. Их гены также могут играть роль в ее обособлении от остальной части почечной мезенхимы. Для доказательства необходим детальный анализ экспрессии у особей дикого типа и «нокаутированных» мутантов, а также - у гибридных особей со смешанными признаками.

В зачатке мочеточника экспрессируется тирозинкиназный рецептор Ret (при мутации он может проявлять себя как онкогенный). Показано, что, Gdnf и Ret - взаимно стимулирующие белки, Gdnf-индукция развития зачатка мочеточника является Ret-зависимой, а отсутствие и Ret, и Gdnf имеет сходное фенотипическое проявление. Следовательно, локальная мезенхимная экспрессия Gdnf вносит вклад в индукцию зачатка мочеточника посредством передачи сигналов Ret, который контролирует пролиферацию и ветвление его зачатка.

- Читать далее "Индукция и органогенез мочеточника и почки."

Оглавление темы "Популяционная и молекулярная генетика.":
1. Гены контролирующие индукцию. Индукция и органогенез.
2. Индукция и органогенез мочеточника и почки.
3. Популяционная генетика. Что такое популяция?
4. Закон Харди—Вайнберга. Условия закона Харди—Вайнберга.
5. Инбридинг. Панмиксия. Отсутствие панмиксии.
6. Дрейф генов. Мутационный процесс в популяции.
7. Миграции в популяции. Отбор в популяции.
8. Генетический полиморфизм в популяции. Генетический груз популяции.
9. Выделение ДНК. Химический синтез ДНК.
10. Полимеразная цепная реакция. Принципы ПЦР.

Ждем ваших вопросов и рекомендаций: