Спецификация нервной ткани

Спецификация нервной ткани

Региональная спецификация нервной ткани

У взрослых животных клетки различных областей нервной системы имеют существенные отличия в своем фенотипе в зависимости от той функции, которую они выполняют. Клетки мозжечка отличаются от клеток коры полушарий, и оба типа клеток — от сетчатки. Каким образом происходит формирование таких различных фенотипов клеток в процессе развития? Как и у других клеток, фенотип нейрона определяется тем, какие гены он экспрессирует, что, в свою очередь, контролируется факторами транскрипции, белками, которые связываются с регуляторными зонами одного или нескольких генов и влияют на процессы их транскрипции. Развитие характеризуется последовательной и иерархической экспрессией факторов транскрипции, каждый из которых влияет на экспрессию последующего и ограничивает конечный фенотип клетки.

Рис. 1. Развитие заднего мозга позвоночных β виде сильно сегментированной структуры. (А) Диаграмма трехдневного эмбриона цыпленка, иллюстрирующая сегментарную организацию ромбомеров (r1-r8) в заднем мозге. (В) Паттерн организации клеток в ромбомерах r1-r7 трехдневного мозга цыпленка. Ретикулярные нейроны (слева) и брахиомоторные нейроны (справа) образуют сегментарный повторяющийся паттерн. Мотонейроны и их аксоны образуют черепно-мозговые нервы V, VII и IX пары.

Исследованию региональной спецификации нервной ткани в мозгу позвоночных значительно помогло то, что были открыты гомологи генов плодовой мухи дрозофилы, которые определяют расположение и зависящую от расположения дифференцировку клеток эмбриона. Эти гены оказались сходными с генами позвоночных и часто выполняют сходные функции. Большинство из этих генов кодирует факторы транскрипции.

Рис. 2. Сегментарная экспрессия генов в ромбомерах с r1 до r8 в заднем мозге позвоночных. Серые полоски указывают ромбомеры, в которых происходит экспрессия генов; черные полоски указывают высокий уровень экспрессии. Ранние факторы транскрипции, рецептор тирозинкиназы семейства Eph и его лиганды образуют сегментарный паттерн ромбомеров Семейство гомеобоксных генов Нох определяет судьбу клеток в пределах каждого ромбомера в зависимости от сегмента. Данныеполученынаэмбрионахцыплятимышей.

Гомеотические гены и сегментация

Удивительными примером подобного сходства в функционировании генов у настолько разных животных являются результаты исследований заднего мозга позвоночных. В отличие от всего остального мозга позвоночных, задний мозг эмбриона (rhombencephalon) имеет четкое сегментарное строение. Каждый сегмент его демонстрирует общий паттерн нервной дифференцировки, однако от сегмента к сегменту дифференцировка имеет свои особенности (рис. 1). Было идентифицировано несколько генов, паттерны экспрессии которых на ранних стадиях развития коррелируют с границами сегментов заднего мозга (рис. 2). Эти гены делятся на две категории:

(1) Гены первой категории играют роль в создании общей структуры, состоящей из повторяющихся сегментных единиц. Некоторые гены этой группы кодируют факторы транскрипции (kreisler, Krox-20), другие кодируют рецептор тирозинкиназы (Sek-l по Sek-4) или его лиганды (Elf-2). (Рецептор тирозинкиназы представляет собой трансмембранный белок, у которого внутриклеточный домен, представляющий собой фермент тирозинкиназу, активируется при связывании лиганда с внеклеточным доменом.)

(2) Вторая категория содержит гены, которые определяют судьбу каждого сегмента. Эти гены образуют высококонсервативное семейство Нох генов.

Свойства Нох генов были впервые описаны у дрозофилы, у которой они регулируют гомеостаз. Гомеотические гены представляют собой управляющие гены, которые координируют экспрессию многих других генов во время развития. Например, мутация гомеотических генов семейства Нох у дрозофилы приводит к тому, что одна часть тела заменяется другой; таким образом на месте антенны может развиться нога. Гомеотические гены содержат консервативную последовательность ДНК, гомеобокс. Гомеобокс кодирует последовательность из 60 аминокислот, которые распознают и связываются с определенной последовательностью ДНК серии подчиненных генов. Каждый гомеотический ген, таким образом, координирует экспрессию большого числа генов, которые вместе определяют строение одного сегмента эмбриона.

Сегментарный паттерн экспрессии генов семейства Нох наблюдается в заднем мозгу цыплят и грызунов, что приводит нас к предположению, что Нох гены могут играть роль гомеотических управляющих генов, регулирующих процессы развития позвоночных и создания определенных структур относительно рострокаудальной оси в определенных областях заднего мозга эмбриона. Данные, полученные при помоши трансплантации, выключения определенных генов и эктопической экспрессии, согласуются с этими идеями. Дополнительным доказательством является изучение мутаций Нох генов и других гомеобоксных генов у человека, которые приводят к изменениям в определенных областях ЦНС.

Следующий очевидный вопрос: а что определяет паттерн экспрессии Нох генов? Ответом, по крайне мере частично, является градиент ретиноевой кислоты. Ретиноевая кислота вырабатывается в Гензеновском узелке, который называется Шпемановским организатором (Spemann organizer) у эмбрионов птиц и позвоночных (см. рис. 3). Но ретиноевая кислота не просто активирует транскрипцию всех Нох генов: была описана систематическая разница чувствительности различных генов Нох семейст