Основные принципы и этапы морфогенеза глаза (биологии глаза)
а) Дифференцировка. Оплодотворенное яйцо представляет собой тотипотентную клетку, т.е. из этой клетки развиваются все эмбриональные и внеэмбриональные ткани. Дифференцировка — это процесс потери «стволовых свойств» при функциональной специализации дочерних клеток. Этот процесс завершается терминальной дифференцировкой, во время которой клетки выходят из клеточного цикла, а структура клетки изменяется для осуществления предназначенной ей функции.
«Родословную» палочки можно представить следующим образом: оплодотворенное яйцо => клетка бластомера => клетка эмбриобласта => примитивная эктодермальная клетка => нейроэктодермальная клетка => клетка зрительного поля => клетка глазного пузыря => клетка предшественник сетчатки => фоторецептор. Такая последовательность развития любой клетки называется картой зачатков.
б) Миграция клеток. В процессе эмбриогенеза происходят значительные изменения формы в течение коротких промежутков времени. Многие из этих изменений происходят вследствие различных темпов роста в пределах одной ткани и между разными тканями. Однако существует подгруппа клеток, мигрирующих от места своего возникновения в отдаленные области эмбриона.
Из таких мигрирующих клеток лучше всего изучены клетки нервного гребня, образующиеся на губах медуллярной складки вдоль нервной трубки. Краниальные клетки нервного гребня играют важную роль в развитии глаза. Исследуются молекулярные основы миграции клеток нервного гребня, выявлено несколько участвующих в этом процессе «центров управления генами» (master control genes), играющих важную роль при развитии раковой инвазии и метастазировании.
в) Программируемая клеточная гибель. Во многих развивающихся тканях у части составляющих их клеток наблюдается процесс фрагментации ядра, приводящий к гибели клетки. Микроскопически и молекулярно этот процесс отличается от физиологического старения, он называется апоптозом или программируемой клеточной гибелью. Правильное протекание программируемой клеточной гибели критически важно для нормального развития многих органов, она позволяет избавиться от лишних клеток.
г) Сигнализация. Сигнализация — то один из наиболее важных процессов в биологии развития. Он включает в себя взаимодействие лиганда с рецептором, что вызывает изменения, обычно путем изменения фосфорилирования белка и/или изменения профиля транскрипции клетки, несущей рецептор. Лиганды могут представлять собою белки (напр. белок «Sonic hedgehog» — SHH) или мелкие молекулы (например, политрансретиноевая кислота). Рецепторы (например, рецепторы фактора роста фибробластов) могут локализоваться на поверхности клетки или интрацел-люлярно (напр. рецепторы к ретиноевой кислоте).
Взаимодействие лиганда и рецептора часто вызывает каскад сигнальной трансдукции (например, пути МАРК). Иногда взаимодействие лиганда и рецептора активирует несколько разных путей сигнальной трансдукции, в этом случае наиболее часто активируемый путь называется каноническим (напр, активация бета-катенина в сигнальном пути Wnt), а альтернативные пути — неканоническими. Развитие глаза регулируется большим количеством различных сигнальных путей.
Градиенты морфогенов представляют собою различные зависящие от концентрации воздействия распространяющихся лигандов на ткани-мишени. Этот важный механизм иллюстрируется так называемой моделью французского флага.
д) Коды факторов транскрипции. Факторы транскрипции — это белки, обратимо связывающиеся — изолированно или в комбинации с другими факторами транскрипции — со специфическими последовательностями ДНК (сайтами связывания) и оказывающие цис-регуляторный эффект на один или несколько генов.
Экспрессию комбинаций факторов транскрипции — TF-код — можно использовать для маркировки зоны внешне недифференцированной ткани, которая впоследствии разовьется в специфическую структуру. Факторы транскрипции часто используются в качестве маркерных генов для определения дальнейшего пути развития ткани. Пример такой диагностики приведен в следующем разделе, где для выявления глазного поля используется фактор транскрипции RAX.
Изменение состояния клетки под действием различных градиентов морфогена.
Градиенты морфогенов образуются при распространении лигандов сигнального каскада.
В зоне вырабатывающего лиганды источника возникает пик градиента концентрации;
на угол наклона (кривой зависимости концентрация/расстояние) и протяженность градиента оказывают влияние внеклеточная среда, катаболизм и интернализация лиганда.
Сигнальный градиент вызывает изменения состояния клетки посредством порог-зависимого механизма. Это можно проиллюстрировать при помощи диаграммы по типу «французского флага»:
между определенными пороговыми точками кривой сигнального градиента дифференцировка находящихся в этой зоне групп клеток будет происходить по-разному.
Принцип сигнальной трансдукции — конкуренция между растворимыми лигандами и антагонистами за связывание с рецепторным комплексом.
Если связывается лиганд, запускается синальная трансдукция, вызывающая протеомные или транскриптомные изменения в клетке.
Основные сигнальные пути, регулирующие развитие глаза.
Сигнальные пути сформированы лигандами, антагонистами, рецепторами и эффекторами сигнальной трансдукции.
Пути называют по названиям лигандов, которые представляют собой либо группы белков, составляющих гомологическую последовательность, либо мелкие молекулы.
В зависимости от клеточного окружения в некоторых взаимодействиях рецептор-лиганд могут участвовать несколько каскадов сигнальных трансдукций.
