Введение
Плюрипотентная эмбриональная группа клеток, дающая начало разнообразным клеточным линиям.
Клетки нервного гребня – это временная группа клеток, происходящая из зародышевого эктодермального листка и, в свою очередь, дающая начало разнообразным клеточным линиям, включая меланоциты, черепно-лицевой хрящ и кости, гладкую мускулатуру, периферические и энтеральные нейроны и глию. После гаструляции клетки нервного гребня специфицируются на границе нервной пластинки и не-нервной эктодермы. В процессе нейруляции границы нервной пластинки, также известные как нервные складки, сходятся на дорсальной средней линии, формируя нервную трубку. Впоследствии клетки нервного гребня из крыши нервной трубки претерпевают эпителиально-мезенхимальный переход, отслаиваясь от нейроэпителия и мигрируя по периферии, где они дифференцируются в различные типы клеток. В основе развития нервного гребня лежит сеть регуляции генов, представляющая собой набор взаимодействующих сигналов, факторов транскрипции и нижележащих эффекторных генов, которые обеспечивают клеткам такие характеристики, как мультипотентность и миграционная способность. Понимание молекулярных механизмов формирования нервного гребня важно для наших знаний о заболеваниях человека в связи с его вкладом в множество клеточных линий. Нарушения в развитии нервного гребня вызывают нейрокристопатии, включающие такие состояния, как фронтоназальная дисплазия, синдром Ваарденбурга-Шаха и синдром ДиДжорджа. В первой половине 20-го века большая часть исследований нервного гребня проводилась на эмбрионах амфибий, что было рассмотрено Хёрстадиусом (1950) в известной монографии. Методы клеточной маркировки продвинули изучение нервного гребня, поскольку они позволили исследователям визуализировать миграцию ткани в развивающихся эмбрионах. В 1960-х годах Уэстон и Чибон использовали радиоизотопную маркировку ядра тритированным тимидином у зародышей курицы и амфибий соответственно. Однако этот метод имеет недостатки в плане стабильности, поскольку при каждом делении помеченной клетки сигнал разбавляется. Современные методы клеточной маркировки, такие как родамин-лизинированный декстран и витальный краситель diI, также были разработаны для временной маркировки клеточных линий нервного гребня. Химеры, полученные путем трансплантации, позволили исследователям различать клетки нервного гребня одного вида и окружающую ткань другого вида. С помощью этой техники поколения ученых смогли надежно маркировать и изучать онтогенез клеток нервного гребня.
Индукция
Молекулярный каскад событий задействован в формировании миграционных и мультипотентных свойств клеток нервного гребня. Эта сеть регуляции генов может быть подразделена на следующие четыре подсети, описанные ниже.
Индуктивные сигналы
Во-первых, внеклеточные сигнальные молекулы, секретируемые из прилегающего эпидермиса и нижележащей мезодермы, такие как Wnts, BMPs и Fgfs, отделяют не-нейральную эктодерму (эпидермис) от нейронной пластинки в процессе нейронной индукции. Современная роль BMP в формировании нейронного гребня связана с индукцией нейронной пластинки. Антагонисты BMP, диффундирующие из эктодермы, создают градиент активности BMP. Таким образом, родословная нейронного гребня формируется из промежуточных уровней BMP-сигналинга, необходимых для развития нейронной пластинки (низкий уровень BMP) и эпидермиса (высокий уровень BMP). Понимание роли путей BMP, Wnt и Fgf в экспрессии спецификаторов нейронного гребня остается неполным.
Спецификаторы границ нейронных плит
Сигнальные события, определяющие границу нейронной пластинки, приводят к экспрессии набора факторов транскрипции, которые мы здесь определяем как спецификаторы границы нейронной пластинки. Эти молекулы включают факторы Zic, Pax3/7, Dlx5, Msx1/2, которые могут опосредовать влияние Wnt, BMP и FGF. Эти гены широко экспрессируются в области границы нейронной пластинки и предшествуют экспрессии истинных маркеров нейронного гребня. Более того, Pax3 необходим для экспрессии FoxD3 в эмбрионах мыши.
Спецификаторы нейронной гребной
После экспрессии спецификаторов границы нейронной пластинки следует набор генов, включающий Slug/Snail, FoxD3, Sox10, Sox9, AP 2 и c Myc. Этот набор генов, который мы здесь обозначаем как спецификаторы нейронного гребня, активируется в формирующихся клетках нейронного гребня. По крайней мере, у Xenopus каждый спецификатор нейронного гребня необходим и/или достаточен для экспрессии всех остальных спецификаторов, что демонстрирует наличие обширной перекрестной регуляции. За пределами строго регулируемой сети спецификаторов нейронного гребня находятся два других фактора транскрипции – Twist и Id. Twist, bHLH-транскрипционный фактор, необходим для мезенхимной дифференцировки структур глоточных дуг. Id является прямой мишенью c Myc и, как известно, играет важную роль в поддержании стволовых клеток нейронного гребня.
Эффекторные гены нервной гребной коры
Наконец, спецификаторы нейронного гребня запускают экспрессию эффекторных генов, которые обеспечивают определенные свойства, такие как миграция и мультипотентность. Два эффектора нейронного гребня, Rho GTPases и кадерины, участвуют в деламинации, регулируя морфологию клеток и их адгезивные свойства. Sox9 и Sox10 регулируют дифференцировку нейронного гребня, активируя множество эффекторов, специфичных для типа клеток, включая Mitf, P0, Cx32, Trp и cKit. Деламинация определяется как разделение ткани на различные популяции, в данном случае – отделение клеток нейронного гребня от окружающей ткани. Перед деламинацией, предполагаемые клетки нейронного гребня первоначально прикреплены к соседним клеткам белками плотных контактов, такими как окклюдин, и молекулами клеточной адгезии, такими как NCAM и N-кадгерин, а также секретируют матриксные металлопротеиназы (ММП), которые разрушают надлежащую базальную мембрану нервной трубки, позволяя клеткам нейронного гребня высвободиться. В то время как эфрины и белки Eph способны к двунаправленной сигнализации, отталкивание клеток нейронного гребня преимущественно использует сигнализацию в прямом направлении для инициирования ответа в клетках нейронного гребня, несущих рецептор. Развивающиеся клетки нейронного гребня экспрессируют EphB, рецепторную тирозинкииназу, которая связывает трансмембранный лиганд EphrinB, экспрессируемый в каудальной половине каждого сомита. Когда эти два домена взаимодействуют, это вызывает фосфорилирование тирозина рецептора, активацию Rho GTPases и, в конечном итоге, перестройку цитоскелета в клетках гребня, индуцируя их отталкивание. Это явление позволяет клеткам нейронного гребня направляться через ростральную часть каждого сомита.
Клиническое значение
Нейрокристопатии возникают в результате аномальной спецификации, миграции, дифференцировки или гибели клеток нервного гребня на протяжении всего эмбрионального развития. Эта группа заболеваний включает широкий спектр врожденных пороков развития, поражающих многих новорожденных. Кроме того, они возникают из-за генетических дефектов, влияющих на формирование нервного гребня, и из-за действия тератогенов.
Синдром Ваарденбурга
Синдром Ваарденбурга – это нейрокристопатия, возникающая вследствие нарушения миграции клеток нервного гребня. Основными характеристиками этого состояния являются пиебализм и врожденная глухота. При пиебализме обесцвеченные участки кожи обусловлены полным отсутствием меланоцитов, производящих пигмент и происходящих из нервного гребня. Существуют четыре различных типа синдрома Ваарденбурга, каждый из которых обладает уникальными генетическими и физиологическими особенностями. Типы I и II различаются в зависимости от наличия или отсутствия дистопии канторум у членов семьи заболевшего. Тип III вызывает аномалии развития верхних конечностей. Наконец, тип IV также известен как синдром Ваарденбурга-Шаха, и пораженные лица демонстрируют признаки как синдрома Ваарденбурга, так и болезни Гиршпрунга. Типы I и III наследуются по аутосомно-доминантному типу.
Фетольное расстройство алкогольного спектра
Пренатальное воздействие алкоголя (ПВП) является одной из наиболее частых причин нарушений развития. В зависимости от степени воздействия и тяжести возникающих аномалий, пациентам диагностируют состояния в рамках континуума расстройств, обобщенно называемых расстройствами, связанными с фетальным алкогольным синдромом (FASD). Тяжелые формы ФАСД могут нарушать миграцию клеток нервного гребня, что проявляется характерными черепно-лицевыми аномалиями, включая короткие глазные щели, удлиненную верхнюю губу и сглаженную филтру. Однако, из-за неспецифичности связывания этанола, механизмы, лежащие в основе этих аномалий, остаются неясными. Культуры клеток нервного гребня, а также развивающиеся эмбрионы зебрафиша, подвергшиеся воздействию этанола, демонстрируют уменьшение числа мигрирующих клеток и сокращение расстояния, проходимого мигрирующими клетками нервного гребня. Механизмы этих изменений изучены недостаточно, но есть данные, указывающие на то, что ПВП может усиливать апоптоз из-за повышения уровня кальция в цитозоле, вызванного высвобождением кальция из внутриклеточных депо под действием IP3. Также предполагается, что снижение жизнеспособности клеток нервного гребня, подвергшихся воздействию этанола, обусловлено повышенным окислительным стрессом. Несмотря на эти и другие достижения, многое остается неизученным в отношении влияния этанола на развитие нервного гребня. Например, представляется, что этанол оказывает дифференцированное воздействие на различные типы клеток нервного гребня; то есть, хотя черепно-лицевые аномалии часто встречаются при ПВП, пигментные клетки, происходящие из нервного гребня, подвергаются минимальному воздействию.
Синдром ДиДжорджа
Синдром ДиДжорджа связан с делециями или транслокациями небольшого сегмента в человеческой хромосоме 22. Эта делеция может нарушать миграцию или развитие клеток рострального нервного гребня. Некоторые наблюдаемые дефекты связаны с системой глоточных мешков, которая получает вклад от ростральных мигрирующих клеток нервного гребня. Симптомы синдрома ДиДжорджа включают врожденные пороки сердца, лицевые аномалии, а также некоторые неврологические и когнитивные нарушения. У пациентов с делециями 22q11 также сообщается о повышенной частоте возникновения шизофрении и биполярного расстройства.
Синдром Тречера Коллинза
Синдром Тречера Коллинза (ТКС) является результатом нарушенного развития первой и второй глоточных дуг на ранней эмбриональной стадии, что в конечном итоге приводит к аномалиям развития средней и нижней части лица. ТКС вызывается миссенс-мутацией гена TCOF1, которая индуцирует апоптоз клеток нервного гребня в процессе эмбриогенеза. Несмотря на то, что мутации гена TCOF1 являются одними из наиболее хорошо изученных в контексте ТКС, мутации в генах POLR1C и POLR1D также были связаны с патогенезом ТКС.
Линии клеток
Нейронные клетки гребня, происходящие из разных позиций вдоль передне-задней оси, развиваются в различные типы тканей. Эти области нейронного гребня можно разделить на четыре основные функциональные домена, включающие в себя краниальный нейронный гребень, нейронный гребень туловища, вагальный и сакральный нейронные гребни, а также сердечный нейронный гребень.
Крениальный нервный гребень
Черепно-нейронный гребень мигрирует дорсолатерально, формируя черепно-лицевой мезенхим, который дифференцируется в различные черепные ганглии, черепно-лицевые хрящи и кости. Эти клетки проникают в глоточные мешки и дуги, где участвуют в формировании тимуса, костей среднего уха и челюсти, а также одонтобластов зубных зачатков.
Нейронный гребень ствола
Нейронный гребень ствола дает начало двум популяциям клеток. Одна группа клеток, предопределенная к развитию в меланоциты, мигрирует дорсолатерально в эктодерму в направлении вентральной средней линии. Вторая группа клеток мигрирует вентролатерально через переднюю часть каждой склеротомы. Клетки, остающиеся в склеротоме, формируют спинномозговые ганглии, а те, что продолжают миграцию в более вентральном направлении, формируют симпатические ганглии, мозговое вещество надпочечников и нервы, окружающие аорту.
Эволюция
Несколько структур, отличающих позвоночных от других хордатов, формируются из производных клеток нервного гребня. В своей теории "Новой головы" Ганс и Норткат утверждают, что наличие нервного гребня стало основой для специфических признаков позвоночных, таких как сенсорные ганглии и черепной скелет. Более того, появление этих признаков имело решающее значение в эволюции позвоночных, поскольку позволило им перейти к хищническому образу жизни. Однако, признание нервного гребня инновацией позвоночных не означает, что он возник с нуля. Скорее, новые структуры часто возникают в результате модификации существующих программ регуляции развития. Например, регуляторные программы могут изменяться за счет привлечения новых регуляторов, действующих выше по иерархии, или использования новых генов-мишеней, тем самым помещая существующие сети в новый контекст. Эта идея подтверждается данными in situ гибридизации, демонстрирующими сохранение спецификаторов границы нейронной пластинки у протохордовых, что позволяет предположить, что часть предшественнической сети нервного гребня присутствовала у общего предка хордовых.