Регионализация нейроэктодермы: факторы, трансформирующие нейральные потенции

Среди молекул, синтезируемых и секретируемых "организатором" в I конце гаструляции - начале нейруляции, особого внимания заслуживает белковый продукт гомеобокс-содержащего гена Xhox 3 (это известный Нох 3 ген, идентифицированный также у шпорцевой лягушки). На стадии ранней нейрулы этот белок распределен в дорзальной мезодерме (т.е. "организаторе") в виде концентрационного градиента вдоль переднезадней оси с максимумом в наиболее задних ее отделах.

При культивировании in vitro, задние области дорзальной мезодермы, содержащие Xhox 3 в относительно высоких концентрациях, инду­цируют в эктодермальных тканевых фрагментах заднемозговые струк­туры. Напротив, передние отделы дорзальной мезодермы, характеризу­ющиеся низким содержанием этого морфогена, провоцируют эктодермальные эксплантаты к развитию в ткань переднего и(или) среднего мозга. In vivo искусственное увеличение концентрации Xhox 3, вызван­ное введением его мРНК в ранние зародыши амфибий, приводит к раз­витию личинок с редуцированным головным отделом или так называе­мых безголовых головастиков (рис. 4.5). Напротив, искусственное уменьшение его концентрации в результате введения в зародыши свя­зывающих антител не затрагивает развитие передноголовных структур, но существенно нарушает формирование спинно-каудальных отделов (включая и спинной мозг) тела личинок. Данные этих опытов предпола­гали, что белковый продукт гена Xhox 3 является типичным морфогеном, способным трансформировать потенции нейрального зачатка в за­висимости от концентрации.

И действительно, переднезадний градиент этого белка был обнару­жен не только в "организаторе" (дорзальная мезодерма), но также в нервной пластинке зародышей амфибий. Примечательно, что профиль градиента белка Xhox 3 в нервной пластинке нормальных зародышей совпадает с таковым для гипотетического мезодермализующего факто­ра (см. двухградиентную модель нейральной регионализации Саксена-Тойвонена). Более того, этот белок был обнаружен в заднем и сре­днем, но не в переднем отделе нервной пластинки.

У зародышей амфибий кандидатами на роль возможных агентов, участвующих в процессах "трансформации" нейроэктодермы, являются белки из семейства так называемых "факторов роста фибробластов" (Fibroblast Growth Factors - FGFs). При физиологических концентрациях эти белки практически лишены нейрализующей активности, но способны вызывать in vitro "трансформацию" переднемозговой тка­ни в ткань, характерную для заднего и(или) спинного мозга. Механизмы нейротрансформирующего действия FGFs пока неизвестны. Показано только, что эффекты FGFs не связаны с презентацией соответствую­щих рецепторов на клетках нейроэпителия. Во всяком случае, экспери­ментальное инактивирование FGF-рецепторов, достигнутое у трансген­ных шпорцевых лягушек, не влияло на нейро-трансформирующую ак­тивность этих факторов.

У зародышей рыб импланта­ция FGF-содержащих гранул в область будущей нейроэктодермы вызывала значительные морфо­логические нарушения в разви­тии переднего мозга, без каких-либо морфологических или молекулярных признаков "трансформации" его ткани в заднемозговые структуры. Можно полагать, что FGFs спо­собны ингибировать реализацию переднемозговых потенций нейроэпителия. Вместе с тем их нейро-трансформирующая активность остается пока под вопросом.

В работах на зародышах многих видов было показано, что некото­рые непептидные ростовые факторы, например ретиноиды, вовлечены в процессе первичной регионализации нервной системы.

Ретиноевая кислота (РК) и соответствующие ей рецепторы были обнаружены в зародышах амфибий в процессе гаструляции. In vitro об­работка эксплантатов эктодермы гаструлы амфибий РК не приводила к развитию в них нейральных или мезодермальных структур. Тем не ме­нее, инкубация целых зародышей в присутствии РК вызывала избира­тельное нарушение формирования нервной системы в дозовой зависи­мости. Если при низких концентрациях экзогенной РК наблюдали толь­ко уменьшение размеров передней трети нервной пластинки, то при вы­соких ее концентрациях у зародышей отсутствовали передний и сред­ний мозг, при сохранении, однако, заднего и спинного мозга. В экстре­мальных случаях, высокие концентрации экзогенной РК провоцирова­ли развитие "безголовых" личинок.

На молекулярном уровне ранние эффекты РК проявлялись в ингибировании транскрипции генов, специфичных для переднемозговых структур. При этом экспрессия общих нейро-специфичных генов и мар­керов, характерных для заднемозговых отделов, не нарушалась (рис. 4.6).

К этому времени уже стало известно, что РК способна активиро­вать разные наборы генов-регуляторов, определяющих формирование общего плана строения тела зародыша в дозовой зависимости. Поэтому появились высказывания, что градиент концентраций РК может конт­ролировать не только общий план строения тела зародыша, но может также детерминировать переднезаднюю регионализацию "организато­ра" и, соответственно, нейрального зачатка. Первые результаты пока­зались обнадеживающими: введение в ранние зародыши амфибий экзо­генной РК (т.е. общее повышение ее концентрации во многих эмбрио­нальных пластах) приводило к развитию уродливых личинок с чрезмер­но развитыми туловищно-хвостовыми отделами. Однако ряд сопутству­ющих эффектов не вписывался в эту привлекательную и простую экс­периментальную модель.

Тогда предположили, что нейро-трансформирующие эффекты РК могут быть связаны с ингибированием процессов нейральной индукции. Действительно, оказалось, что "организатор", выделенный из зароды­шей, обработанных РК, утрачивал способность к индукции переднемозговых структур в эктодерме гаструлы амфибий. Казалось, что пробле­ма решена: РК ингибирует нейрализующую активность "организатора" и, как следствие, извращается процесс последующей переднезадней спе­цификации нервной пластинки (вместо переднего мозга формируются заднемозговые и(или) спинномозговые структуры). Однако в других опытах было показано, что эктодерма, выделенная из зародышей ам­фибий, обработанных РК, не отвечает на нейрализующие сигналы, секретируемые нормальным (интактным) "организатором".

Последнее заставило предположить, что РК может влиять на нейральные потенции непосредственно в эктодерме. Добавление РК в культуральную среду с эксплантированной нейроэктодермой амфибий ингибировало развитие в ней переднемозговых структур. Более того, изучение экспрессии маркеров, характерных для различных отделов нервной пластики амфибий, показало, что экзогенная РК провоцирует "смещение" экспрессии генов, специфичной для заднего и спинного мозга, в передние отделы нейрального зачатка. Следует особо подчерк­нуть, что исходные молекулярные результаты были получены в анало­гичных опытах на зародышах птиц и млекопитающих. Совокупность этих данных позволяет говорить о прямом нейротрансформирующем действии РК в пределах нервной пластинки.

Первичную регионализацию нервной системы нельзя увидеть под микроскопом. Первые морфологические контуры буду­щего головного и спинного мозга начинают проступать на более позд­них этапах развития. Однако предварительно нервная пластинка долж­на сформировать нервную трубку. Сворачивание нервной пластинки - сложный морфогенетический и механо-химический процесс. Этот про­цесс начинается в области будущего головного мозга и постепенно рас­пространяется на спинной мозг (рис. 4.7). На этих стадиях опытный глаз эмбриолога уже может различить первые морфологические признаки: будущих отделов центральной нервной системы. Замыкание нервных валиков (на дорзальной стороне тела зародыша) приводит к формиро­ванию внутренней полости центральной нервной системы и к началу процесса компартментализации ткани нервной трубки вдоль дорзо-вентральной ее оси.

Окружающий эпи­дермис оказывает определенные влия­ния на процессы регионализации нерв­ной пластинки вдоль ее дорзо-вентральной оси. Посредниками таких эпидермальных дорзо-вентральных нейротрансформирующих воздействий явля­ются, вероятно, так называемые "морфогенетические белки кости" (Bone Morphogenetic Proteins - BMPs), относя­щиеся к суперсемейству "трансформиру­ющих факторов роста" (Transforming Growth Factors). Напомним, что у зароды­шей амфибий BMPs являются эпидермальными морфогенами и препятствуют нейрализации эктодермы ранней гаструлы. Эти факторы про­должают экспрессироваться в поверхностном (дорзальном!) эктодермальном эпителии и в период нейруляции. При действии на экспланта­ты раннего нейроэпителия эти факторы индуцируют транскрипцию в нем дорзо-специфических нейральных генов.

Хотя представления о механизмах первичной регионализации нерв­ной системы базируются, как правило, на моделях с обязательным уча­стием "организатора", возможно, что собственно нейроэктодерма так­же способна в определенной степени к генерации различий вдоль своей переднезадней оси. В процессе развития эти региональные тенденции "закрепляются" с помощью "организатора" и в дальнейшем более тон­кая и детальная компартментализация центральной нервной системы все больше и больше обособливается от внешних влияний.

28