Генетическая регуляция формирования поджелудочной железы человека
Несмотря на то что морфогенез поджелудочной железы был описан более 100 лет назад, молекулярные медиаторы, лежащие в основе этого процесса, были идентифицированы недавно. Современное понимание молекулярных механизмов развития поджелудочной железы предполагает совместное действие «обучающих» и «разрешающих» факторов в процессе формирования какого-либо органа.
Если придерживаться этой точки зрения, то органогенез представляется удивительно постоянным явлением, воспроизводимым от животного к животному. Значит, вполне возможно действие многочисленных защитных и/или стимулирующих механизмов, суть которых пока не совсем понятна.
Паренхиматозные клетки поджелудочной железы (как эндокринной, так и экзокринной частей) происходят из энтодермального эпителия примитивной кишечной трубки. Например, перед тем как зачаток поджелудочной железы будет эвагинировать (выпячиваться) из примитивной кишечной трубки, многие молекулярные программы, определяющие дальнейшее развитие поджелудочной железы, запускаются под действием соседних тканей. В процессе гаструляции энтодерма подразделяется на передний и задний домены под действием сигналов, исходящих из расположенной рядом мезэктодермы.
Ретиноевая кислота, BMP и FGF играют важную роль в процессе поздней гаструляции, локализуя препанкреатический домен, который в дальнейшем будет отвечать за «обучающие» сигналы, определяющие развитие ткани поджелудочной железы.
Будущие вентральная и дорсальная части поджелудочной железы подвергаются действию различных местных факторов, поэтому их индукция зависит от определенных моментов. Энтодерма, которая впоследствии будет дифференцироваться в вентральную часть поджелудочной железы, первой начинает экспрессировать панкреатические гены.
Этот процесс индуцируется активином и молекулами семейства BMP, которые происходят из расположенной рядом латеральной пластинки мезодермы. Формирование дорсальной части поджелудочной железы индуцируется другим механизмом. Ее энтодерма кратковременно контактирует сначала с нотохордой, а затем с дорсальной аортой.
Контакт с нотохордой индуцирует локальное исключение Shh из препанкреатической энтодермы. Это сигнальное событие необходимо для развития дорсальной части поджелудочной железы, поскольку эктопическая экспрессия Shh влияет на последующие процессы. Контакт между энтодермой и нотохордой приводит к интерпозиции дорсальной аорты, что также обеспечивает возникновение значимых сигналов для последующего развития поджелудочной железы. Одним из них является фактор роста эндотелия сосудов.
События, описанные ранее, вносят свой вклад в процесс формирования препанкреатической энтодермы, что важно для последующего образования ткани поджелудочной железы. Следующий шаг заключается в экспрессии факторов транскрипции в энтодерме и окружающей мезенхиме для дальнейшей дифференцировки этих клеток с целью последующего развития поджелудочной железы. Одним из значимых генов является blx-9, кодирующий протеин гомеобокса НВ9. Его генетическая аблация (отсутствие, обусловленное генетическими нарушениями) ведет к селективному отсутствию дорсальной части поджелудочной железы.
Ген pdx-1, один из первых открытых факторов панкреатоспецифической транскрипции, экспрессируется как дорсальным, так и вентральным зачатками поджелудочной железы. Его аблация приводит к остановке развития железы сразу же после формирования этих структур. Было выявлено, что мутация гена pdx-1 у человека вызывает агенезию поджелудочной железы. Функция pdx-1 — «обучающая», на что указывает способность к трансформации печени в поджелудочную железу при гепатической экспрессии гомолога Xenopus pdx-1, спаренного с трансактиватором VP16. Кроме этого, pdx-1 позднее участвует в поддержании идентичности b-клеток и транскрипции гена инсулина.
Говоря о роли окружающей мезенхимы, следует упомянуть, что протеин Isl1 LIM-гомеодомена экспрессируется в мезенхиме дорсальной части поджелудочной железы, он необходим для ее развития. Если Isl1 отсутствует, дорсальная часть поджелудочной железы не формируется; при этом вентральная ее часть остается интактной и продолжает развиваться.
Энтодерма превращается в ткань поджелудочной железы под действием исходящих от нотохорды сигналов (активин, FCF2), которые действуют через свои рецепторы (ActR, FCFR) и ингибируют экспрессию hedgehog (НН) в препанкреатической энтодерме. Эктопическая экспрессия hedgehog ведет к развитию клеток в интестинальном направлении. НН-негативные клетки экспрессируют pdx-1, который необходим для дальнейшего роста зачатка поджелудочной железы.
Механизм «латерального ингибирования», регулируемый сигнальной системой Notch, разделяет клетки на эндо- и экзокринные. Клетки, лишенные влияния сигнальной системы Notch, развиваются как эндокринные, в то время как экспрессированные сигнальной системой Notch клетки активируют репрессор транскрипции Hes-1, который репрессирует экспрессию нейрогенина и других островок-специфических генов. р48 является экзокрин-специфическим белком, необходимым для развития экзокринной части поджелудочной железы.
ActR — рецептор активина; FGF — фактор роста фибробластов; FCFR — рецептор FCF
Дифференцировка клеток поджелудочной железы: разделение для выполнения экзокринной и эндокринной функций
После образования клеток поджелудочной железы и первичного почкования ее зачатка клетки-предшественники энтодермы дифференцируются по двум путям: экзокринному и эндокринному. В последние годы были расшифрованы молекулярные эффекторы, влияющие на эти события и раскрыт механизм распределения клеток между различными органами. Используя в качестве примера опубликованную ранее работу по изучению аллокации нейрональных клеток, ученые исследовали сигнальную систему Notch мутантных мышей и обнаружили, что сигнал Notch является определяющим для последующей дифференцировки клеток в экзокринные или эндокринные.
В частности, ранее было известно, что для дифференцировки клеток по эндокринному пути необходим основной «спиральпетля-спираль» (basic helix-loop-helix, bHLH) фактор транскрипции ngn3. ngn3 активирует экспрессию Notch-лигандов Delta, Serrate и Jagged, которые затем активируют сигнальную систему Notch на соседних клетках. Данный сигнал приводит к экспрессии Hes-1, который, в свою очередь, репрессирует ngn и другие гены-мишени.
Таким образом, недифференцированная клетка поджелудочной железы, которой уготована роль островковой клетки, будет давать ближайшим клеткам сигнал к выполнению ими экзокринной функции. С помощью указанного механизма, который называют латеральным ингибированием, сигнальная система Notch способствует дифференцировке клеток поджелудочной железы на эндокринные и экзокринные.
Недавно проведенные исследования продемонстрировали роль ретиноевой кислоты в дифференцировке клеток. Возможно, ретиноевая кислота действует в направлении, противоположном действию сигнальной системы Notch. Интересно, что результат воздействия ретиноевой кислоты, используемой в качестве лечебного препарата, на дорсальную часть и вентральную часть поджелудочной железы различается. Например, отмечается дифференцировка дорсальной части поджелудочной железы по эндокринному пути, в то время как вентральная часть развивается по экзокринному пути.
Эти данные рассматривают как еще одно доказательство существования различных программ развития дорсальной и вентральной частей зачатка поджелудочной железы.
