CC BY
108
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЛИЦА И
КОНЕЧНОСТЕЙ
КАЗЕКО А.Г.*. ГАТАЛЬСКИЙ В .В.**. ЗАЙЦЕВ Д.В.**
ГНУ «ИЭИФ им. К. Крапивы» НАН Беларуси *,
УЗ «Минская областная детская клиническая больница»**
Резюме В представленном обзоре анализируется предположение о том. что лицо и конечности формируются во многом на базе одних и тех же онтогенетических процессов. При этом. не смотря на. казалось бы. значительные различия в онто- и филогенетическом развитии. сохраняется сходство сигналов. которые регулируют формирование и рост лица и конечностей. Обнаружение таких эволюционно персистирующих процессов не только является важным вкладом в понимание фундаментальных механизмов развития. но и позволяет надеяться выявить общие основы бесчисленных врожденных дефектов и создать новые стратегии их предупреждения и лечения.
Ключевые слова: геном человека. мутантные фенотипы.
Summary In the present review the assumption is analyzed that the face and finiteness are formed in many respects on the basis of same ontogenetically processes. Thus. not looking on. apparently. significant distinctions in onto- and biogenetically development. the similarity of signals is kept which adjust formation and growth of the face and finiteness. The detection such evolutionary persistence of processes not only is the important contribution to understanding of fundamental mechanisms of development. but also allows hoping to reveal general (common) bases of uncountable inherent defects and to create new strategy of their prevention and treatments.
Адрес для корреспонденции: Республика
Беларусь. Минск. ул. Казинца. 100 - 517. тел.
+375296711317. - Гатальский В.В.
Бурный прогресс в изучении молекулярной организации геномов человека и некоторых других организмов, обнаружение ряда генетических механизмов детерминации и дифференцировки клеток в онтогенезе пока не привели к построению общей картины того, как осуществляется регуляция преобразования изначально недифференцированных клеток развивающейся бластемы в организованные комплексы, а затем и в анатомические структуры. Существенной находкой представляется то, что развивающиеся организмы часто используют сходные комплексы генов в разных процессах морфогенеза. Это обстоятельство согласуется с тем, что мутантные фенотипы ряда моногенных синдромов характеризуются широкой плейотропией: комплексами нарушений различных анатомических регионов и разных систем органов.
Например. аномалии одновременно возникают на лице и конечностях при некоторых синдромах краниосиностоза. таких. как синдром Пфайфера. Альперта. Круазона [21]. при метаболических дефектах. таких. как синдром Смита-Лемли-Опитца и при такой аномалии. как цефалополисиндактилия Грейга [30]. обусловленных мутациями транскрипционных регуляторов. Описан акроренально-маточно-мандибулярный синдром [12]. Возможно. что этими явлениями обусловлены и такие открытия недавнего времени. как тот факт. что общее число генов в геноме человека (около 30 тыс.) оказалось втрое меньше ожидаемого и что у человека и других организмов имеется изрядное количество одинаковых последовательностей ДНК.
Одновременные нарушения структур лица и конечностей встречаются часто при синдроме Меккеля и спорадически - при синдромах Мебиуса. аглоссии-адактилии. синдроме небно-язычного анкилоза и др. [30]. В работе [13] описывается пациент с оромандибулярными нарушениями. ассоциированными с дефектами верхних и нижних конечностей.
Предположение о том. что лицо и конечности формируются во многом на базе одних и тех же онтогенетических процессов. на первый взгляд представляется маловероятным. Во-первых. очевидно. что голова и конечности имеют разное филогенетическое происхождение: известно. что придатки появились миллионы лет спустя после того. как передняя область тела позвоночных стала цефализованной. Во-вторых. эмбриологически эти структуры возникают из совершенно различных групп клеток: части лица - из клеток нервного гребня. а структуры конечностей - из мезодермы. Более того. они имеют мало общего в своей постнатальной функциональной анатомии [27]. Очевидно. что морфогенез таких структур должен быть дивергентным. чтобы сформировались такие чрезвычайно отличающиеся друг от друга части тела. Несмотря на эти очевидные различия. должно сохраняться сходство сигналов. которые регулируют формирование и рост лица и конечностей. Обнаружение таких эволюционно персистирующих процессов не только является важным вкладом в понимание фундаментальных механизмов развития. но и позволяет надеяться выявить общие основы бесчисленных врожденных дефектов и создать новые стратегии их предупреждения и лечения.
Развитие структур лица и конечностей
Развитие структур лица и конечностей начинается с формирования почки (зачатка) из недифференцированных мезенхимных клеток. окруженных кожной эктодермой. Взаимодействия между мезенхимой и кожной эктодермой контролируют рост этих зачатков [32]. В лице они представлены примордиями носового. верхнечелюстного и нижнечелюстного отростков.
У млекопитающих индукторы головы и сердца локализуются в передней висцеральной энтодерме. Область индуктора головы экспрессирует гены Hex и Hesx. кодирующие гомеобокс содержащие белки на стадии соответственно предполоски и ранней полоски. Известно. что мутации гена Hesx обусловливают серьезные черепно-лицевые нарушения у человека. Предполагается. что у
человека миссенс-мутация Arg53Cys в гомеодомене HESX1 ответственна за септооптическую дисплазию при синдроме Морсье [31].
Еще один ген - dkk-1-у Xenopus laevis участвует в индукции головы. выступая как антагонист сигналов Wnt. Он экспрессируется в прехордальной мезодерме (организатор Шпемана) на стадии ранней гаструлы.
Очевидно. что черепно-лицевой зачаток также должен иметь зоны поляризующей активности (ЗПА). которые эквивалентны ЗПА конечностей [31]. Считается [22]. что клетки нервного гребня ответственны за формирование головной мезодермы. играя центральную роль в возникновении и формировании головы у развивающихся эмбрионов. Клетки мигрируют из дорсальной части нервной трубки через краниальную мезенхиму в бранхиальные дуги. внося также вклад в формирование менингеальных оболочек переднего мозга. краниальных сенсорных ганглиев и в некоторые части свода черепа [9]. Эти клетки вступают в бранхиальные дуги и участвуют в формировании костей челюсти [8]. Удаление дорсальных частей нервной трубки перед миграцией клеток нервного гребня существенно уменьшает количество краниальных клеток. Возникают дефекты переднего мозга. циклопия или микрофтальмия. уменьшаются в размерах или отсутствуют структуры челюстей. производные клеток нервного гребня [11. 19].
Общие для лица и конечностей морфогенетические гены
Установлено. что формообразовательная функция клеток нервного гребня связана с белком - продуктом гена SHH и его рецепторами. Секретируемый белок Sonic hedgehog (SHH) обеспечивает активность сложных реципрокных взаимодействий с покрывающей эктодермой и соседней мезенхимой [17]. Лицевые структуры. которые в норме билатеральны. сливаются. а бранхиальные дуги не способны развиваться. Мутации в гене SHH человека обусловливают голопрозэнцефалию - гетерогенное нарушение. характеризующееся аномальным развитием переднего мозга и структур лица средней линии [7]. С помощью гибридизации установлено также. что SHH у эмбрионов человека экспрессируется в хорде. головном мозге. зоне поляризующей активности зачатков конечностей и в кишке. Ген SHH является также важным регулятором упорядоченного роста средней и верхней частей лица [15].
Хотя выжившие клетки нервного гребня формируют лицевые структуры правильно. они не могут компенсировать раннее уменьшение числа клеток нервного гребня. Такая скоординированная регуляция количества клеток. очевидно. осуществляется за счет контроля пролиферации и жизнеспособности клеток. Известно. что ген SHH участвует в контроле этих процессов [4]. Гибель дорсальных клеток нервной трубки указывает на то. что ген SHH необходим для их выживания; это согласуется с экспрессией данными клетками рецепторного гена Ptc [14]. Мигрирующие же клетки нервного гребня не экспрессируют рецептор гена Ptc. хотя второй рецептор. кодируемый геном Smoothened (Smo). повсеместно экспрессируется на низком уровне в большинстве тканей [24]. Ген Ptc экспрессируется в мезенхиме бранхиальных дуг. в клетках. очевидно. происходящих из нервного гребня. Здесь могут быть две возможности. Первая
состоит в том. что существуют другие молекулы. необходимые для передачи Shh-сигналов в мигрирующих краниальных клетках нервного гребня. Вторая заключается в том. что влияние SHH на нервный гребень осуществляется через промежуточные механизмы. возможно. путем регуляции экспрессии других факторов выживания и роста.
Следует отметить. что дефекты рецептора SHH. продукта гена Ptc. обусловливают. по-видимому. синдром базально-клеточных невусов. характеризующийся. помимо карцином. также нарушениями развития ребер. черепно-лицевыми повреждениями. полидактилией. синдактилией и spina bifida.
Мутации гена Gli3
Мутации в гене Gli3. кодирующем транскрипционный фактор. который иерархически стоит выше SHH. обусловливают цефалополисиндактилию Грейга [26]. У пациентов отмечаются пре- и постаксиальная полидактилия. увеличение лба и. по-видимому. гипертелоризм [30].
Мутации G^ выявлены также ещё при двух других нарушениях у человека: Pallister-Hall syndrome (PHS) - редкое аутосомно-доминантное нарушение с гемартомой в области гипоталамуса и центральная. иногда постаксиальная. полидактилия. Обычны также дисфункция гипофиза. черепно-лицевые и висцеральные нарушения [6].
Показана функциональная выраженность генов Gli2 и G^. чьи синергичные эффекты выявлены в таких частях скелета. как грудина. позвоночный столб. нижняя челюсть [20] и зубы [10].
Тератогенные влияния ретиноидов
Работа Р. Шнайдера [29] посвящена анализу некоторых генов Hedgehog сигнального пути и результатов экспериментов с ретиноевой кислотой и ее рецепторами. Эти молекулы играют важную роль в спецификации паттерна конечностей и. по-видимому. участвуют в черепно-лицевом развитии [27].
Тератогенные концентрации ретиноевой кислоты в зависимости от связываемых ими специфически экспрессирующихся рецепторов вызывают разнообразные дефекты [10]; лиганд. связываемый рецептором ретиноевой кислоты. вызывает тяжелые уродства ушей. нижней челюсти и конечностей. Ретиноевая кислота влияет также на клеточный белок первого типа. связывающий ее. который экспрессируется в ЦНС. нервном гребне. бранхиальных дугах. почках конечностей и фронтоназальной массе. т. е. в тканях. чувствительных к действию тератогенных уровней ретиноевой кислоты [18].
Итак. ретиноевая кислота действует не только на ген Shh. но и на другие системы генов. Наиболее заметными среди них являются гены факторов роста фибробластов [25] и их рецепторов. особенно в гене Fgf-8 [33]. действие которого. помимо конечностей. охватывает и черепно-лицевые структуры. У млекопитающих ростральные эктомезенхимные клетки мандибулярной дуги дают одонтогенные клетки. тогда как более каудальные клетки - дистальные скелетные элементы нижней челюсти. Ростракаудальная полярность впервые возникает в эктомезенхимных клетках мандибулярной бранхиальной дуги под действием сигнала гена Fgf-8. из рострального эпителия. Разделение на
ростральный и каудальный домены обусловлено различиями в реакции клеток в зависимости от их близости к источнику сигнала. Однажды возникнув. эти домены поддерживаются с помощью гена Fgf-8 совместно с другими эпителиальными сигналами.
В формировании конечностей и черепно-лицевых структур участвуют гормональные рецепторы. например. рецептор Pi-тиреоидных гормонов. и транскрипционные факторы типов: Рах9 [23]. DeltaEF1 [29]. OGI2X [28]. Goosecoid-1 [5]. TGFa [16]. АР-2.
Фенотипы. наблюдаемые у нулевых мутантов АР-2. обнаруживают существенное перекрывание с теми. что вызываются тератогенными уровнями ретиноевой кислоты. и в точности соответствуют путям миграции клеток нервного гребня и дистальной мезенхимы. но не в почках конечностей. Этот ген важен для почкования лицевых отростков и почек конечностей. Локальное воздействие ретиноевой кислотой вызывает подавление экспрессии АР-2 и запрограммированную гибель клеток. АР-2 участвует в формировании придатков и регулируется такими факторами. которые присутствуют в эктодерме как лица. так и конечностей.
Причины экспрессии одних и тех же генов в черепно-лицевых структурах и структурах конечностей
Мы имеем ввиду гипотезу полярных координат [3]. согласно которой формирование каждой структуры базируется на позиционной информации. реализующейся по общим для всех органов правилам. Правда. в конечном счёте. формируются очень отличные друг от друга структуры.
Нами в серии исследований дерматоглифики ладоней при некоторых нарушениях развития рук было показано. что и у человека развитие зачатков конечностей можно трактовать в терминах модели полярных координат (Рис. 1) [2].
Очевидно. что в основе общности процессов формирования структур тела лежит его сегментированность. т. е. подразделённость на ранних этапах развития на относительно сходные повторяющиеся структуры - сегменты [1].
Таким образом. можно заключить. что у позвоночных каждая конечность формируется из производных нескольких сегментов. То же. по-видимому. происходит и с лицевыми отростками. Если об исходной сегментации головных структур судить по сохранившимся остаткам сегментов в ЦНС. то очевидно. что фронтоназальный. латеральный носовой. максиллярный и мандибулярные отростки должны также возникать из нескольких исходных сегментов. Все это. безусловно. приводит к формированию паттерна лицевых и ножных выростов или придатков.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гатальский. В. В. Формирование патологий лицевого отдела в эмбриогенезе / В.В. Гатальский // Ортодонтия. - 2004. - №: 3-4. - С.55-61.
2. Миклашевская Н.Н. Основные размеры головы / Н.Н.
Миклашевская // Морфология человека : учеб. пособие для биол.
специальностей вузов / В. В. Куприянов [и др.] ; [под ред. Б.А. Никитюка и др.].
- М. : Изд-во Моск. ун-та. 1990. - C. 45 - 52.
3. Казеко А.Г. Методологические принципы обобщения дерматоглифических данных в клинических исследованиях / А. Г. Казеко // Антропология на рубеже веков: Материалы IX Междунар. конф. «Экология человека в постчернобыльский период». г. Минск. 25 - 28 сент. 2001. / НАН Беларуси. - Мн.: БГПУ. 2002. - С. 192 - 198.
4. Кручинский Г.В. Редкие врожденные пороки лица и челюстей / Г.В. Кручинский. - Минск : Беларусь. 1974. - 63 с.
5. Ahlgren S.C. Inhibition of sonic hedgehog signaling in vivo results in craniofacial neural crest cell death // Ahlgren S.C.. Bronner-Fraser M. // Curr. Biol. -1999. - Vol. 9. № 22. - P. 1304-1314.
6. The prechordal midline of the chondrocranium is defective in Goosecoid-1 mouse mutants / Belo J.A. [et al.] // Mech. Dev. - 1998. - № 1-2. - P. 15-25.
7. Biesecker L.G. Pallister-Hall syndrome / Biesecker L.G.. Graham J.M. Jr. // J. Med. Genet. - 1996. - Vol. 33. - P. 585-589.
8. Fibroblast growth factors induce additional limb development from the flank of chick embryos / Cohn M.J. [et al.] // Cell. - 1995. - Vol. 80. - P.739-746.
9. Couly G. The triple origin of skull in higher vertebrates: a study in quail-chick chimeras / Couly G.F.. Coltey P.M.. Le Douarin N.M. // Development. - 1993.
- Vol. 117. - P. 409-429.
10. Couly G. The fate map of the cephalic neural primordium at the presomitic to the 3-somite stage in the avian embryo / Couly G.F.. Le Douarin N.M. // Development. - 1988. - Vol. 103. Suppl. - P. 101-103.
11. Pattern of retinoid-induced teratogenic effects: possible relationship with relative selectivity for nuclear retinoid receptors RAR alpha. RAR beta. and RAR gamma / Elzamar M.M. [et al.] // Teratology. - 1996. Vol. 53. № 3. - P. 158167.
12. Anterior cephalic neural crest is required for forebrain viability /
Etchevers H.C. [et al.] //
Development. - 1999. - Vol.126. - P. 3533-3543.
13. Altered neural cell fates and medulloblastoma in mouse patched mutants / Goodrich L.V. [et al.] // Science. - 1997. - Vol. 277. - P. 1109-1113.
14. Groteworld L. Expression pattern of Dkk-1 during mouse limb development / Grotewold L.. Theil T.. Ruther U. // Mech Dev. - 1999. - Vol. 89. - P. 151-153.
15. Sonic hedgehog participates in craniofacial morphogenesis and is down-regulated by teratogenic doses of retinoic acid // Helms J.A. [et al.] // Dev. Biol. -1997. - Vol. 187. - P.25-35.
16. Hu D. The role of sonic hedgehog in normal and abnormal craniofacial morphogenesis / Hu D., Helms J.A. // Development. - 1999. - Vol. 21. - P.4873-4884.
17. Huang L. The role of transforming growth factor alpha in rat craniofacial development and chondrogenesis / Huang L., Solursh M., Sandra A. // J. Anat. - 1996. - Vol. 189. - P.73-86.
18. Johnson R.L. Molecular models for vertebrate limb development / Johnson R.L., Tabin C.J. // Cell. - 1997. - Vol. 90. - P. 979-990.
19. Regulation of the CRABP-I gene during mouse embryogenesis /
Kleinjan D.A. [et al.] //
Mech. Dev. - 1997. - Vol. 67. - P. 157-169.
20. Luke D.A. Development of the secondary palate in man / Luke D.A. // Acta Anat. (Basel). - 1976. - № 94. - P. 596-608.
21. Millard R. Cleft craft. The evolution of its surgery / Millard R. // Embryological theories. Boston. - 1976. - P.3-17.
22. Specific and redundant functions of Gli2 and Gli3 zinc finger genes in
skeletal patterning and development / Mo R. [et al.] // Development. - 1997. -
Vol.124. - P. 113-123.
23. Murdoch-Kinch C.A. Metacarpophalangeal analysis in Crouzon
syndrome: additional evidence for phenotypic convergence with the
acrocephalosyndactyly syndromes / Murdoch-Kinch C.A., Ward R.E. // Am. J. Med. Genet. - 1997. - Vol. 73. - P. 61-66.
24. Noden D.M. Spatial integration among cells forming the cranial peripheral nervous system / Noden D.M. // J. Neurobiol. - 1993. - Vol. 24. - P. 248261.
25. Pax9-deficient mice lack pharyngeal pouch derivatives and teeth and exhibit craniofacial and limb abnormalities / Peters H. [et al.] // Genes. Dev. - 1998. -Vol.12. - P. 2735-2747.
26. The smoothened gene and hedgehog signal transduction in Drosophila and vertebrate development / Quirk J. [et al.] // Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol.
- 1997. - Vol.62. - P. 217-226.
27. Effect of fibroblast growth factors on outgrowth of facial mesenchyme / Richman J.M. [et al.] // Dev Biol. - 1997. - Vol.189. - P.135-147.
28. GLI3 encodes a 190-kilodalton protein with multiple regions of GLI similarity / Ruppert J. M. [et al.] // Mol. Cell. Biol. - 1990. - Vol. 10. - P. 54085415.
29. Schneider R.A. From head to toe: conservation of molecular signals regulating limb and craniofacial morphogenesis / Schneider R.A., Hu D., Helms J.A. // Cell. Tissue Res. - 1999. - Vol. 296. - P.103-109.
30. Semina E.V. A new human homeobox gene OGI2X is a member of the most conserved homeobox gene family and is expressed during heart development in mouse / Semina E.V., Reiter R.S., Murray J.C. // Hum. Mol. Genet. - 1998. - Vol. 3.
- P. 415-422.
31. Smith D.W. Smith’s Recognizable Patterns of Human Malformation / D.W. Smith. - Philadelphia, 1997. - 192 p.
32. DeltaEF1. a zinc finger and homeodomain transcription factor. is required for skeleton patterning in multiple lineages / Takagi T. [et al.] // Development. - 1998. - Vol. 1. - P. 21-31.
33. Warbrick J.G. The early development of the nasal cavity and upper lip in the human embryo / Warbrick J.G. // J. Anat. - 1960. - Vol.94. - P. 351-362.
