При гаструляции образуются три зародышевых слоя (энтодерма, мезодерма и эктодерма), развитие нервных структур начинается с формирования нервной пластинки. Первые молекулярные признаки развития глаза — это единая «виртуальная» структура — глазное поле, пересекающее среднюю линию, и определяемое по дискретным и сцепленным экспрессирующим доменам различных факторов транскрипции—факторов транскрипции глазного поля.
Rax — наиболее часто используемый в качестве маркера глазного поля фактор транскрипции. Мутации гена RAX человека — редкая причина микрофтальмии. Гомозиготные нуль-мутации Rax у мышей вызывают полное отсутствие структур глаза из-за того, что не формируется оптическая борозда, из которой затем должен развиться глазной бокал. Другие факторы транскрипции глазного поля включают в себя Otx2, самый ранний молекулярный маркер глазного поля.
Гетерозиготные мутации потери функции ОТХ2 у человека вызывают тяжелые пороки развития глаз. Домен экспрессии фактора транскрипции глазного поля Lxh2 находится в пределах домена экспрессии Rax. Мишенные мутации гена Lhx2 мыши вызывают анофтальмию. Как и многие факторы транскрипции глазного поля, LHX2 функционирует на более поздних стадиях развития глаза. Hesx1 не является классическим фактором транскрипции глазного поля, но нарушение экспрессии Hesx1 в передней части нервной пластинки эмбриона мыши приводит к анофтальмии и микрофтальмии, тогда как у человека такие мутации вызывают септо-оптическую дисплазию.
Так же как и многие другие процессы развития, формирование глазного поля — это результат сбалансированного воздействия различных сигнальных механизмов, в том числе градиентов конкурирующих морфогенов, которые вырабатываются соседствующими тканями и часто оказывают разнонаправленное действие — некоторые сигналы стимулируют формирование глазного поля, другие ингибируют этот процесс.
Лиганды сигнальной системы Wnt секретируются в среднем мозге и параксиальной зоне мезодермы. Подавление или стимуляция сигналов Wnt приведет соответственно к увеличению или уменьшению размеров глазного поля. Например, искусственная стимуляция экспрессии ингибитора сигналов Wnt, dickkopfl у данио-рерио вызывает увеличение размеров глазного поля, тогда как гомозиготные мутации потери функции другого ингибитора сигналов Wnt, axinl вызывают уменьшение размеров глаза.
У эмбрионов шпорцевой лягушки (Xenopus) сигнализация Notch также индуцирует развитие глазного поля, а гипоморфные мутации Notch2 у мышей вызывают двустороннюю микрофтальмию. Преплакодная область — это полоска эктодермы, окружающая зрительное поле и нервную пластинку, которая в ходе эмбриогенеза мигрирует и формирует хрусталиковую плакоду.
Для образования двух глаз глазное поле должно разделиться пополам по средней линии, нарушение этого процесса приводит к циклопии. Сигнализация Nodal нижележащей прехордальной пластинки мезодермы вызывает подавление экспрессии Рах6 и Rax по типу отрицательной обратной связи на средней линии с вентральной стороны и только что разделенных доменов, отграничивающих два зачатка глаз. Лиганды Nodal принадлежат к надсемейству сигнальных молекул TGFβ.
У мутантов данио-рерио — циклопов (Cyclops), оер («одноглазый болван» — one-eyed pinhead) и sqt («косоглазый» — squint) — вследствие мутации потери функции (loss-of-function mutation) сигнального пути Nodal развивается циклопия и не формируется вентральный отдел переднего мозга. Действие Nodal оказывается посредством индукции экспрессии Sonic hedgehog (Shh); и у мышей, и у человека при мутациях Shh/SHH развивается циклопия и голопрозэнцефалия.
После разделения глазного поля двусторонние поля презумптивной нейроретины (presumptive neural retina—PNR) становятся различимы в виде пары мелких бороздок (зрительные бороздки) в передней части нервной пластинки; в конечном итоге из них сформируются глазные пузыри (optic vesicles — OVs). Формирование медиальных и латеральных границ презумптивной нейроретины продолжается под влиянием сигнализации Shh из прехордальной мезенхимы и костного морфогенетического белка (bone morphogenetic protein — BMP) параксиальной мезенхимы соответственно.
Этот процесс имеет критически важное значение для нормального развития глаза; у слепой пещерной рыбки астинакса (Astyanax) глаза отсутствуют вследствие эволюционной мутации, вызвавшей гиперактивацию сигнального каскада Shh в средней линии. Это приводит к смещению медиальной границы PNR кнаружи и образованию мелких глазных пузырей.
Разделение глазного поля:
(А) Глазное поле (eye field — ef) это виртуальное образование, формирующееся в пределах нервного поля (neural field — nf) на спинной поверхности эмбриона на ранних стадиях развития.
(Б) На разрезе через глазное поле видно, что оно представляет собою пересекающую среднюю линию пластинку нейроэпителиальных клеток, лежащую над структурой, которая называется прехордальной мезенхимой (precordal mesenchyme — PCM) и является ростральным продолжением ното-хорда.
Экспрессия группы факторов транскрипции глазного поля (eye field transcription factors—EFTFs) является отличительным признаком глазного поля на этой стадии развития.
(В) Сигнальный путь Sonic hedgehog (SHH) через GLI2 из прехордальной мезенхимы ингибирует экспрессию EFTF в области средней линии и разделяет глазное поле пополам.
(Г) SHH также вызывает разделение теперь уже двустороннего глазного поля на медиальный презумптивный зрительный стебель (показан зеленым цветом) и расположенную латеральнее презумптивную нейроретину (желтым).
На этой стадии большая часть поверхностной эктодермы является компетентной тканью и способна образовать хрусталиковый пузырек.
