Генетические основы формирования головного мозга крысы в период эмбриогенеза

Данный обзор посвящен процессам, лежащим в основе гистогенеза различных участков головного мозга, а также описанию генов, экспрессия которых играет ключевую роль в морфогенезе центральной нервной системы.

Молекулярное подразделение мозга начинается на стадии нервной пластинки, раньше, чем проявляются морфологические различия между ее регионами. Различные факторы транскрипции и гены, кодирующие морфогенез структур головного мозга экспрессируются однородно или градиентно в пределах задней и дорсовентральной нейроэктодермы, как правило, симметрично относительно средней линии.

Каждая структура головного мозга развивается под воздействием повышение или снижения уровня экспрессии определенных генов, а также эпигенетической дистанционной межклеточной сигнализации.

Проведенные исследования позволяют предположить, что ранняя специализация различных регионов и субрегионов нервной пластинки и нервной трубки часто коррелирует с определенным уровнем так называемой «компетентностью развития». Состояние компетентности подразумевает частичную диффе- ренцировку ткани, при которой, хотя многие из альтернативных путей ее специализации уже невозможны, другие все еще остаются вероятными.

Таким образом, компетентность развития – это способность ткани в нормальных условиях сформировать на определенном этапе онтогенеза конкретный морфологический объект [Anderson et al., 1997, 2001].

Путь развития клеток по их молекулярной спецификации возможно определить уже на стадии бластулы. Экспрессия определенного гена, или целой их группы указывают путь последующей компетенции развития. Появляющиеся в процессе онтогенеза различия в цито-, миело- и хемоархитектонике между различными структурами головного мозга являются уже вторичными по отношению к молекулярной специализации ранних этапов развития.

По мере того, как нейронный зачаток прогрессирует, проходя последовательные этапы, следуя все более разнообразными эпигенетическими путями, формирующаяся из него структура становится все более дифференцированной.

Самые динамичные изменения происходят на ранних этапах онтогенеза, когда чувствительность к различным воздействиям (межклеточная интеграция, состав межклеточной среды) максимальна, затем процесс стабилизируется и протекает более медленно [Berquist, 1954].

Результаты научных исследований последних десятилетий свидетельствует о том, что существует общий для всех позвоночных план дифференциации областей головного мозга.

Это обеспечивается аналогичностью комбинацией генов, которые отвечает за специализацию нейроэпителиальных клеток. В результате экспрессии этих генов в различных живых организмах происходит формирование аналогичных морфогенетических структур до определенных стадий компетентности развития. Данное явление называется «полем гомологии».

В ходе пренатального онтогенеза происходит активация определенных генов. Кодируемые ими белки обладают способностью проникать в ядро нервной клетки, взаимодействовать с ДНК и регулировать дальнейшую транскрипция на РНК. Это так называемые «гены развития», дисфункция которых приводит к глубоким нарушениям развития нервной системы [Zhuang et al., 2019].

Данные гены не связаны с нейрональной и глиальной дифференциацией, так как последние практически не влияют на региональный морфогенез.

В нервной пластинке максимальная экспрессия генов наблюдается среди нейробластов продольной вентродорсальной области и по большей части каудальной [Bulfone, 1995; Cobos et al., 2001].

На данном этапе онтогенеза наблюдается активация таких генов пролиферации клеток, как Nkx, ENC-1, Wnt, Six, Otlx2, En, Irx, Pax, Zic и ряда других. Причем на дорсальной части пластинки отмечается экспрессия тех генов, которые управляют дифференцировкой вентральной зоны [Avantaggiato et al., 1995; Barth & Wilson, 1995; Bastian & Gruss, 1990;

Изгиб оси нервной пластинки приводит к формированию нервной трубки и активации ряда генов, необходимых для дальнейшего развития нервной системы.

Ген Nkx. Принадлежит к семейству гомеобокс-генов. Одним из механизмов, с помощью которого Nkx может осуществлять клеточноспецифичные программы – это активация транскрипции [Briscoe & Sussel, 1999].

Кроме Nkx, к гомеобоксным генам относят и Lhx, кодирующий богатый цистеином цинк-связываю-щий LIM-белок, выполняющий функцию регулятора транскрипции [Bachy et al., 2001; Bertuzzi & Porter, 1999; Bulchand, 2001].

В первые недели беременности у крыс экспрессия Dbx ограничена конечным мозгом, промежуточным мозгом, дорсальным средним мозгом и спинным мозгом. На более поздних сроках беременности экспрессия Dbx распространяется на средний, промежуточный мозг и мозжечок. Все области, экспрессирующие Dbx, содержат высокую долю пролиферирующих клеток [Broccoli et al., 2002; Lu et al., 1996].

Ген ENC-1. Кодирует актин-ассоциированные протеины, которые играют важную роль в реакциях окислительного стресса путем регуляции транскрипционного фактора Nrf.

Ген Six3. При закрытии нервной трубки под влиянием активирования гена Six3 происходит ограничение ростромедиальной области. Данная область послужит зачатком для формирования переднего мозга, который включает в себя конечный мозг, перегородку, глазные пузырьки (зачаток глазных яблок) и гипоталамус.

Ген Six3 является фактором транскрипции, контролирующим активность гена Wnt1, который обеспечивает развитие переднего мозга и устанавливает правильную передне-заднюю идентичность в мозге млекопитающих. Блокируя активность Wnt1, Six3 способен предотвращать аномальную инвагинацию задней части мозга в переднюю. Подавление экспрессии Six3 приводит к задержке роста переднего мозга и дизморфогенезу среднего мозга.

Ген Otx2. Кодируемый геном Otx2 белок действует как фактор транскрипции и играет роль в развитии мозга, черепно-лицевой области и органов чувств. Также влияет на пролиферацию и дифференцировку дофаминергических нейрональных клеток-предшественников во время митоза. Мутации в этом гене вызывают синдромальную микрофтальмию и комбинированный дефицит гормонов гипофиза. Предполагается также, что этот ген играет онкогенную роль в медуллобластоме.

Ген Irx1. Ген Irx1 кодирует белки, участвующие в развитии нервной системы позвоночных во время эмбриогенеза. Активность данного гена наблюдается в стволе и среднем мозге до интраталамической области.

Гены En1 и En2. Сигналы генов En1 и En2 достигают ростральной границы среднего мозга. Они кодируют белки, участвующие в фолиации корковых структур, в том числе, и коры мозжечка [Acampora et al., 1999; Arimatsu & Ishida, 1999].

Ген Wnt. Факторы роста, кодируемые Wnt, играют ключевую роль в поддержании плюрипотентности, процессах перепрограммирования, детерминации и дифференцировки развивающихся клеток.

Гены Pax представляют собой семейство генов, кодирующих тканеспецифические транскрипционные факторы. Pax-белки играют ключевую роль при сегментации тела зародыша в эмбриогенезе. Для нейрогенеза особенно важна экспрессия генов Pax5 и Pax6 [Acampora et al., 1999; Arimatsu & Ishida, 1999].

Гены BMP кодируют костные морфогенетические белки (BMPs; bone morphogenetic proteins). Это группа внеклеточных факторов роста (также иногда относимых к цитокинам) воздействуют на клетки через специфические рецепторы на их поверхности, которые называются BMP-рецепторы (BMPR). Они играют важную роль в формировании формирование передне-задней оси тела зародыша в период эмбриогенеза. В результате взаимодействия BMP и его ингибитора хордина происходит образование нервной трубки из эпителия спинной эктодермы [Arimatsu & Ishida, 1999].

Гены Zic кодируют транскрипционные факторы, которые способны как непосредственно связываться с ДНК, так и опосредованно влиять на транскрипцию путем взаимодействия с другими белками.

Экспрессия генов Zic наблюдается в эмбриогенезе в дорсальной части заднего мозга и в периотической мезенхиме, по соседству с развивающимся внутренним ухом.

На 15-е сутки эмбриогенеза происходит экспрессия радиальных глиальных маркеров RC2, BLBP и Slit1, способствующие росту и правильной ориентации нейропиля [Pearson et al., 2019].

Обычно в процессе гисто- и морфогенеза преобладает радиальная миграция нейробластов в латеральную мантийную зону. Центростремительные тяжи нервных клеток, таким образом, простираются от полостей формирующихся желудочков мозга до поверхности нервной трубки. Данное явление особенно характерно для корковых структур экранного типа [Marin & Puelles, 1995;

Тем не менее, в ряде случаев созревающие нервные клетки мигрируют на достаточно большое расстояние от исходной зоны своего зарождения и колонизируют одну или несколько эктопических зон нервной трубки.

Примером служит миграция популяции тормозных интернейронов от ганглионарных возвышений в вышележащие паллидарные структуры. Большинство нейронов обонятельной луковицы также приходят из иных гистогенетических областей ростральным миграционным путем.

В результате молекулярной специализации и дифференцировке в нервной трубке формируются «пузырьки» и «сегменты». Пузырьки, как правило образованы продольными зонами миграции нейробластов, тогда как сегменты – поперечными. Смежные сегменты и пузырьки со сходной компетенцией развития образуют тагму.

Развивающаяся нервная трубка в процессе эмбриогенеза подразделяется на несколько регионов. Прежде всего это морфологические объекты – везикулы, нейромеры, доли, извилины, возвышения, углубления, но их также можно охарактеризовать как паттерны экспрессии генов.

Более интенсивно растущие области нервной трубки сдавливают или деформируют морфогенетически менее экспансивные соседние регионы, что приводит к их тангенциальному расширению или сжатию, изменению толщины, к формированию выступов и инвагинаций. Этим, вероятно, и объясняется форма различных участков мозга [Acampora et al., 1999; Arimatsu & Ishida, 1999; Berquist, 1954].

Таким образом, развитие головного мозга, происходит под контролем сложных взаимосвязанных процессов молекулярной сигнализации. Схема активации генов в некоторой степени весьма сходна для человека и некоторых животных, что позволяет использовать полученные в эксперименте сведения для последующих клинических исследований.