Взаимодействие генов: развитие сетчатки в норме и при патологии

По материалам статьи: Gene networks: Dissecting pathways in retinal development and disease Cheryl Y. Gregory-Evans, Valerie A. Wallace, Kevin Gregory-Evans Department of Ophthalmology, University of British Columbia, Vancouver, BC V5Z 3N9, Canada Progress in Retinal and Eye Research Volume 33, March 2013, Pages 40–66

Гены Lhx2, Rx, Mitf, pERK, Bmp4, Bmp7, Lhx2, Vsx2

Экспрессия генов в развивающемся глазной чаше

А. Во время впячивания стенок чаши происходит экспрессия Lhx2, Rx и Mitf генов в клетках будущего пигментного эпителия (обозначены желтым), тогда как в клетках будущей сетчатки (обозначены голубым) экспрессируются гены pERK, Bmp4, Bmp7, Lhx2, Vsx2. Многие из функций этих факторов транскрипции неизвестны. Описаны паракринные сигналы клеток прилегающей эктодермы (будущего хрусталика, обозначено розовым), интегральный путь развития глаза в целом. Сигналы от клеток нервного валика или гребешка (NC, neural crest) в периокулярной мезенхиме вызывают экспрессию Mitf. Голубыми стрелками показано направление впячивания ткани. В. Инвагинация приводит к образованию двойного слоя зрительной чаши и пузырьку хрусталика. Клетки края глазной чаши вырабатывают несколько разных факторов транскрипции, которые направляют развитие структур переднего отрезка глаза, таких как радужная оболочка и цилиарное тело. OS - глазная "ножка" - optic stalk. C. Когда зрительная чаша сформировалась, наблюдаются топографические регионы экспрессии генов в области зрительной щели, которая еще не закрылась. Экспрессия Tbx5 и Pax2/Vax2 генов определяет дорзо-вентральную ось (D - V), тогда как темпоральная (Т) экспрессия Foxd1 гена и назальная (N) Foxg1 гена направляют аксоны ганглиозных клеток к хиазме.

Формирование фовеа сетчатки

А. При аниридии наблюдается гипоплазия фовеа. INL, inner nuclear layer; ONL, outer nuclear layer. B. На момент рождения область фовеа сформирована, однако мы наблюдаем только один слой ядер колбочек в наружном ядерном слое (ONL). К 45 месяцам после рождения большая часть колбочек мигрирует в ONL и мы видим уже хорошо сформированные внутренний и наружный сегмент колбочек. Напосредственно в фовеа наружные сегменты значительно длиннее и сосудистая сеть хориоидеи более толстая. Голубые колбочки по центру практически отсутствуют. GCL, ganglion cell layer; CHR, choroid. (С изменениями с любезного разрешения Gregory-Evans and Gregory-Evans, 2011).

Аномальное взаимодействие генов, приводящее к развитию колобомы

При мутациях в генах, обозначенных синим, клинически наблюдается колобома Заглавными буквами обозначены гены человека, строчными буквами - гены мыши/зебрафиш. Ген FADD запускается комбинированным действием PAX2 и VAX2 генов (подробнее см здесь: http://oftalmic.ru/vpr_mut-proteins.php), что приводит к расщеплению RIP1 восьмой каспазой (CASP8). Это замедляет пролиферацию клеток и некроптоз, что не дает зрительной щели закрыться. Дальнейшие точки влияния других факторов транскрипции пока не выявлены. Черными стрелками показаны взаимодействия генов, красными - подавление.

Сигнальные пути Hedgehog, Wnt и Notch в развитии глаза

А. Hh сигнальный путь активируется связыванием лиганда Hh с Patched (Ptch) и Cdo/Boc ко-рецепторами, что позволяетс Smoothened (Smo) переместиться к первичные отростки. Это событие подавляет Supressor of fused (Sufu), что приводит к накоплению активных форм фактора транскрипции Gli и активации транскрипции таргетных генов. В отсутствие лиганда Hh активность Smo подавляется Ptch, приводя к деградации активированных форм белка Gli, накоплению репрессорных белков Gli и супрессии экспрессии таргетных генов.

B. Взаимодействие лиганда Wnt с Frizzled (Fzd) рецептором инициирует одну из трех ветвей Wnt сигнального пути. Активация стандартного пути приводит к стабилизации и накоплению ?-catenin, а затем его транслокации в ядро и взаимодействии с фактором TCF и активации таргетного гена. Активация пути planar cell polarity (PCP) вовлекает активацию родопсиновых ГТФаз и Rac, что приводит к изменениям цитоскелета. Активация пути Wnt/Кальций pathwayвызывает повышение уровня внутриклеточного кальция и активацию протеин-киназы С (PKC) и кальциевой или кольмодулин-зависимой протеинкиназы II (CaMKII) для регуляции движения клетки и ее предназначения.

C. В каскадном пути Notch лиганд (Delta, Serrate, Jagged) связывание с Notch рецептором заканчивается внутриклеточным расщеплением Notch с помощью гамма-секретазы, усиливая ядерную транслокацию внутриклеточного домена Notch (NICD), его ассоциацию с CSL (CBF1, Su(H), Lag1) и активацию транскрипции таргетного гена.

Экспрессия и функция Hh и Wnt в развивающемся глазу

A. В сетчатке мыши Shh экспрессируется в ганглиозных клетках и вызывает экспрессию таргетных для Gli генов и пролиферацию прилежащих клеток предшественников сетчатки (retinal progenitor cells (RPCs). Shh экспрессия также включается при развитии типов клеток, зарождающихся позже, таких как Мюллеровы клетки. Shh белок переносится антероградно в аксонах ганглиозных (GC) клеток, где он вовлечен в развитие глиальных клеток зрительного нерва. Hh сигналы вдоль зрительного тракта играют роль в прокладывании пути аксонами ганглиозных GC клеток и Indian hh (Ihh) сигнал от клеток развивающейся хориоидеи усиливает дифференциацию склеры из периокулярной мезенхимы (periocular mesenchyme (POM). Wnt2b экспрессия в дистальной части (самой близкой к хрусталику) пигментного эпителия сетчатки (RPE) активирует стандартный ?-катениновый (?-cat) сигнальный путь и определение края ciliary margin (CM) отростков цилиарного тела.

B. На уровне пигментного эпителия RPC, экспрессия Atoh7 начинается на последнем цикле деления клеток и нужна для дифференциации большинства ганглиозных клеток (GC) (хотя не все Atoh7+ клетки дифференцируются как ганглиозные). Shh ингибирует рост ганглиозных клеток и оба Shh и Notch сигналы усиливают развитие клеток-предшественников сетчатки (RPCs).

Сеть взаимодействия гена OTX2 в развивающейся сетчатке

Otx2 экспрессия в клетках-предшественниках - ключевой регулятор развития клеток сетчатки. По стандартному сигнальному пути Wnt с помощью действия ?-катенина, экспрессия Mitf и тирозина (Tyr) приводит к превращению в клетки пигментного эпителия сетчатки RPE. В присутствии Crx, Ror?2, Blimp1 и TR?2 дифференцируются колбочки. Палочки дифференцируются под комбинированным воздействием Crx, NRL и Nr2e3 генов.. Экспрессия Vsx2 и Crx приводит к превращению в биполярные клетки.

Пути гибели клеток во время развития сетчатки

Окончательный клеточный состав сетчатки опрелеляется частично удалением избыточных клеток во время процесса развития. Если в клетке наблюдается недостаток метаболитов для синтеза или химический дисбаланс, тогда активируется аутофагия для переработки клеточных компонентов в качестве защитного механизма. Если клетка при аутофагии ведет себя странно, действие по пути Bcl2 компонента приведет клетку к апоптозу. Если сигнал клеточной смерти поступил на рецептор мембраны клетки, то активируется апоптотический сигнал через BID и митохондриальный путь или напрямую через Fadd. Однако, если каспаза-8 становится неактивной, тогда Rip1 и Rip3 формируют комплекс, который инициируется некроптоз путем фосфорилирования (P) MLKL. Морфологически фрагменты апоптотической клетки в маленьких "упаковках" клеточной мембраны лизируются через отверстия клеточной мембраны. Стимуляторы и ингибиторы этих путей обозначены красным: Nec-1, некростатин; NSA, некросульфонамид; zVAD-fmk, пан-каспазный ингибитор; siREDD2, siRNA против репрессора mTor REDD2.

Материал опубликован 10 февраля 2013 г. Переведен с английского
Марианной Ивановой, идею подал Андрей Демчинский
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350946212000730