АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Регуляція нейрогенеза

Безліч досліджень було спрямовано на визначення і вивчення факторів, які регулюють проліферацію, виживання, міграцію і диференціювання нейрональних попередників. Цими факторами є гормони, ростові фактори, нейротрансмітери, цитокіни, електрофізіологічних активність, стрес та ін [5] [6]

Стимулювання ендогенного нейрогенеза для лікування нейродегенеративних захворювань

Якщо нейрогенез спочатку присутній в дорослому мозку на базовому рівні, то можна спробувати посилити його і тим самим компенсувати недолік нейронів, викликаний нейродегенеративними захворюваннями [8]. Може здатися науковою фантастикою, що новостворені нейрони можуть мігрувати в пошкоджену область для того, щоб диференціюватися в нейрони необхідного фенотипу. Тим не менш, є група робіт, в яких у тварин з паркінсонізмом було використано управління ендогенними нейрональних попередниками для спроби відновлення дофамінергічної іннервації стріатума [9].

Всі нейральні функції від простої сенсорної відповіді і моторної команди і до складної пізнавальної поведінки - залежать від злагодженої роботи ансамблів нервових клітин, що формуються в ході індивідуального розвитку.

Процес диференціювання нейрона, проходження клітиною багатоступінчастого шляху від незрілого нейробласта до спеціалізованого нейрона, обслуговується ієрархічною системою генів, що взаємодіють один з одним і функціонують на різних рівнях (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Ієрархія генетичних систем, контролюючих процеси нейрогенеза. За Корочкін. / - Генетичні системи, діючі всередині самого дифференцирующегося в певному напрямку нейрона: 2,3-генетичні системи, що діють усередині інших нейронів і тканин і виявляють свій ефект на його діфференці-ження через вплив цих тканин і утворюваних у них продуктів (включаючи нейроро-стів фактори); 4 - генетичні системи, що діють в ендокринних і нейро-ендокринних органах і здійснюють свій ефект на диференціювання нейронів на організмовому рівні через ефекти різних гормонів і взагалі речовин, що проявляють свою активність на рівні цілого організму.

1. Гени, що функціонують у самому диференціюються нейроні.(pcd + Lc + pcd + + +).

Наприклад, рсd (Purkinje cell degeneration) і Lurcher порушують розвиток мозочка у мишей. У тварин, гомозиготних за цими генами, в певний момент постнатального онтогенезу селективно гинуть клітини Пуркіньє зі всіма витікаючими звідси поведінковими наслідками. Аналіз химерних тварин дозволив зробити висновок, що гени загибелі клітин Пуркін'є експресуєтьсяются в самих цих клітинах. Аномалії в їх експресії викликають характерну для мутантів клітинну дегенерацію. Такі "внутрішньоклітинні" генні комплекси, що діють у межах самої клітини.

Можна розділити принаймні чотири генетичні підсистеми, які контролюють різні етапи нейрогенеза.

а. Генетична підсистема, яка контролює позиційну інформацію, певний генетичний механізм, загальний для епідермісу і нервової системи, який використовується для реалізації позиційної інформації або регуляції клітинних взаємин, формують позиційну інформацію.

б. Генетична підсистема, відповідальна за локальні взаємодії даної клітини з сусідніми. Це - гени, включені в регуляцію латерального гальмування нейробластів сусідніх клітин, похідних ектодерми, дифференцирующихся внаслідок цього гальмування в не-нейральні похідні. Якщо за допомогою лазерного променя убити клітку, вступившую на шлях нейральной діфференціровкі і зняти таким чином латеральне гальмування, то одна з сусідніх клітин займає її місце і замість епідермального шляху розвитку вибирає нейральні (рис. 5.2). Відомі нейрогенні локуси, відповідальні за здійснення цього виду регуляції, нижче вони будуть розглянуті.

в. Генетична підсистема, відповідальна за детермінацію нейробластів і гангліозних материнських клітин. Для таких важливих в нейрогенеза подій, яким є детермінація, визначення клітинної долі, існують спеціальні гени, про яких поки що відомо мало, але передбачається участь у цьому процесах гомеодомінов і генних комплексів типу Antennapedia (ANT-O і bithorax (ВХ-С).

аг. Генетична підсистема, контролююча сегментарну специфікацію нервових клітин. Міжсегментні нейрональні відмінності виявляються в числі попередників нервових клітин, кількості їх ділень, особливостях загибелі клітин, складових їхнього потомства, і в особливостях диференціювання цього потомства.

Оскільки відомо, що у дрозофіли, наприклад, якісна специфіка сегментації епідермісу контролюється гомеозисними генами ANT-C і ВХ-С комплексів, можна було припускати функціональну участь цих комплексів в процесі регіоналізації нервової системи. Це припущення підтверджується експериментами з використанням імуногістохімічної техніки і методів гібридизації in situ на зрізах фрагментів ДНК, що містять ANT-C або ВХ-С.

У цих експериментах було показано, що експресія гомеозисних генів сегментоспеціфічна в центральній нервовій системі. Подібні дані були отримані, як ми побачимо, і при дослідженні регіоналізації нервової системи хребетних, так що участь гомеозисних генів в сегментарної спеціалізації різних елементів нервової системи можна вважати доведеним.

Відомі нейрогенні локуси, відповідальні за здійснення цього виду регуляції, нижче вони будуть розглянуті.

Виявилося, що у мутантів pcd клітини Пуркіньє дегенерують не раніше ніж через місяць після народження і клітини-зерна встигають встановити з ними контакти і в зв'язку з цим пройти шлях в своєму розвитку, достатній, щоб не загинути. У мутантів Lurcher клітини Пуркіньє дегенерують значно раніше, тому клітини-зерна не встигають утворити систему відростків і синаптичних зв'язків, що оберігають їх від загибелі. Їх смерть запрограмована, таким чином, в генах (Апоптоз), порушення експресії яких виявляється первинно на долю зовсім інших нервових клітин, хоча з ними і пов'язаних. Ураження клітин-зерен є в такому випадку вторинним, що реалізується за іншим механізмом.

У мутантів-вертуном (reeler) первинним є дія мутованого гена в клітинах-зернах, які все втрачають здатність мігрувати і затримуються в поверхневому шарі, в результаті чого порушуються звичайні зв'язки між шарами і, як наслідок, спостерігається зменшення числа паралельних волокон, а у клітин Пуркіньє відсутні характерні розгалуження. Зміни клітин Пуркіньє вказують на те, що дозрівання дендритних гілок і дендритних виростів-шипиків у своїй заключній стадії регулюється аксонами клітин-зерен, які в нормі представлені паралельними волокнами (рис. 5.3).

Гени, що діють в гліальних клітинах. Цілком природна залежність розвитку нейральних клітинних ансамблів від ступеня диферен-ференцірованності гліальних клітин. В якості прикладу можна навести порушення в розвитку мозку при синдромі Дауна.

Одним з факторів, що обумовлюють недорозвинення нервової тканини у хворих, є, мабуть, порушення гліогенеза, обумовлене тим, що при даному варіанті трисомії зростає доза гена, що кодує S-100 білок і експресованого дуже рано в ході детермінації і диференціювання гліальних клітин. Істотні порушення в розвитку нейронів можуть бути викликані мутаціями, які заторкують гени, що контролюють утворення мієлінових і Шваннських оболонок в провідних нервових шляхах.

Гени, що діють в оточуючих тканинах. Це гени, що визначають особливості розвитку тканин-мішеней і навколишніх тканин і побічно впливають на експресію нейрогенного. Наприклад, у дрозофіли при мутації Hairy wing різко зростає число волосків на крилі, що супроводжується, по-перше, збільшенням кількості відповідних рецепторних нейронів і, по-друге, порушенням фундаментального принципу, що стосується ходу відростків сенсорних клітин. У нормі вони не виходять за межі свого компартмента, у мутантів це правило порушується.

Далі нерви крила поширюються по ходу жилок, але у мутантів, у яких жилки відсутні, поширення нервових волокон зберігається. Отже, в тканині крила функціонують гени, які детермінують формування такого просторового розподілу концентрацій певних речовин, яке визначають шлях поширення відростків нервових клітин.

У миші відомі мутації, що порушують становлення системи ембріональної індукції, - це мутації серії Т, Ki, Sd. Одним із наслідків прояву цих мутацій є аномалії в нейроморфогенезі: у KilKi ембріонів - гіперплазія і дуплікації (подвоєння структур) в нейроектодермі, у мутантів Т / Т - недорозвинення нейральной закладки. Первинним у цих випадках є ураження хордомезодермального матеріалу, тобто тканини індуктора. Аномалії у формуванні нервової системи відображають в даному випадку не первинні порушення і функціонуванні власного генетичного апарату нейробластів, а є наслідком порушень у функціонуванні генетичного апарату навколишньої тканини.

Гени, що діють на організменному рівні. До них слід зарахувати гени, які контролюють гормональний статус організму. Відомо, до яких істотним перебудовам в структурі нейронів і їх асоціатів веде зрушення співвідношення екдізон - ювенільного гормону при метаморфозі комах. Помітні зміни зазнає нервова тканина і при тиреотоксикозі і інших гормональних розладах. Наприклад, в кишці пуголовків жаби-повитухи під впливом ін'єкцій тироксину може сформуватися мейснеровське сплетіння, яке в нормі у них відсутнє.

Ми розглянули так званий вертикальний просторовий ієрархічний ряд генів, розставлених на різних рівнях "направляючих прапорців" на шляху становлення нервової клітини.

Але гени складаються ще і в горизонтальний, часовий ряд у залежності від того ефекту, який вони чинять на послідовний у часі перехід від однієї фази клітинної детермінації і диференціювання до іншої.

У їх числі і так звані ранні гени, найкраще вивчені у дрозофіли. Цілком природно, що вони (гени) повинні вести нервову клітину за визначеним їй шляху, починаючи з того моменту, коли вона відокремлює себе від навколишніх тканин і однозначно вибирає свою долю.

Ці події відбуваються в поляризованій системі, яка створюється генами поляризації. Таких генів у дрозофіли відомо близько трьох десятків. Від них залежить формування краніо-каудальної і дорзовентральної осей зародка. Мутанти за деякими з цих генів можуть бути безголовими, з двома головними або каудальними полюсами або втрачають черевце і полярну плазму і т.д. Продукти цих генів, наприклад, гена bicoid, утворюють градієнт розподілу, на зразок градієнта розподілу індукторів хребетних.

Функціонуючи в період дозрівання яйцеклітини, гени поляризації синтезують деякі продукти заздалегідь, до того як вони знадобляться зародку. Подібний принцип випередження є особливістю індивідуального розвитку багатоклітинних.

На такій попередньо поляризованій основі виявляє свою активність наступна, більш пізня група генів, яка обумовлює регіоналізацію ектодермальної закладки на дорзальний і вентральний відділи. З дорзальної ектодерми в подальшому розвиваються тільки епідермальні похідні, вентральний називають вентральним неірогенним регіоном (vnR), з якого формуються як епідермальні, так і нейральні похідні (рис. 5.4).

Нейроспецифічні гени контролюють міжклітинні взаємовідносини, які відіграють суттєву роль для правильного поділу клітин всередині так званої еквівалентної групи (equivalence groups) в ході ембріогенезу і при метаморфозі у дрозофіли. "Еквівалентна група" складається з набору клітин, члени якого володіють потенцією до прийняття (adoption) тієї чи іншої клітинної долі.

У нормі, хоча всі клітки усередині такої групи мають рівні потенції, тільки одна або декілька клітин з кожної даної групи реалізують потенцію розвитку в напрямку нейробластів, в той час як інші члени групи розвиваються по альтернативному шляху.

Контрольована відповідними генами дорзалізація і вентралізація клітинних закладок настільки сильна, що на її фоні не проявляються ефекти генів, які визначають подальшу долю клітин, а саме їх розвиток в нейральному або епідермальному напрямку. Так, введення різних алелей гена Notch, індукують нейралізацію всього епідермісу вентральної нейрогенної закладки, в особин з мутантним дорзально фенотипом не призводить до очікуваного ефекту: клітини, де міститься мутантний ген dorsal в гомозигот, втрачають здатність до нейралізаціі навіть в експериментальних умовах, зазвичай сприяють такому ефекту.І навпаки, введення гена Notch в геном, що містить активний ген вегеталізаціі Toll, веде до нейралізаціі епідермісу не тільки вентральної, але і дорзальної половини зародка, чого в звичайних умовах не відбувається.

Отже, обидва згадані гени епістатично по відношенню до генам, включеним в процес комітування ектодермальних клітин. При цьому встановлено, що нейрогенна здатність ектодермальних клітин залежать від активності генів, контролюючих ембріональний дорзовентральний патерн, ніж від положення клітин.

Таким чином, реалізація генетичної програми нейрогенеза на першому етапі ембріонального розвитку підрозділяє ембріональну закладку на дві частини - вентральну, здатну розвиватися як в нейральнрму, так і в епідермальному напрямках, і дорзальну, в якій здатність до нейралізаціі пригнічена.

Нейралізація здійснюється на фоні активності цілком певної генетичної системи, яка підготовлює клітини до вступу на нейральний або епідермальний шлях розвитку. У цих умовах перед 1800 клітинами, складовими вентральної нейрогенної частини, постає питання, чим бути: нейроном або епідермальнгою клітиною. Кожна клітина стоїть перед таким вибором і робить його. Як виявилося, цей вибір визначається специфічною генетичною системою, яка представлена ​​двома групами локусів. Їх Кампос-Ортега запропонував позначити як нейрогенні та антинейрогенні.

Антинейрогенні локуси (зараз їх частіше називають пронейрогенними) - це такі локуси, мутації яких обумовлюють недорозвинення нервової системи, що виявляється в різному ступені і в різні періоди розвитку дрозофіли. ОНН в основному зібрані в кластер в районі IB Х-хромосоми. До них належать такі гени: achaete-scute (j4S-C-complex), Ес-4. elav, ventral nervous system condensation defective (vnd) і ген denen'ed, локалізований в зоні 31АВ 2-ої хромосоми. Крім того, мутації більше як 20 генів викликають аномалії в розвитку периферичної нервової системи, до таких, зокрема, відносяться cut, lozenge та ін. Можливо, таке спільне розташування антинейрогенних локусів є наслідком більш загального, кластерного принципу організації генома, виявлений в ряді родин генів у багатьох об'єктів.

Гени, розташовані в інтервалі 1В1-1В10 і обумовлюють в разі їх мутацій морфологічно реєстровані порушення в ембріональнії нервової системі, можуть бути розділені на дві групи: 1) sc, elav, vnd, мутації яких ведуть до помітних дефектів у розвитку центральної нервової системи, і 2) ас, sc-alpha і проксимальна зона вправо від elav і vnd, що містить ряд генів, делеції яких обумовлюють безсумнівний мутантний фенотип, тим не менше їх роль у розвитку нервової системи залежить також від ефектів інших нейроспецифічних генів (рис. 5.5).

Активація генів achaete, scute, lethal of scute, що кодують helix-loop-helix proteins, передує вичлененню пронейральних клітин з vNR. Експресія гена achaete зберігається надалі тільки в клітках, які стають нейробластами, в інших клітинах vNR вона втрачається.

У нейромутантних ембріонів початковий патерн експресії achaete порівняємо з таким у ембріонів дикого типу.

Кожна клітина підтримує експресію achaete, що визначає долю нейробластів. Ці дані свідчать про те, що експресія цього локуса ніби "обмальовує" пронейральні "equivalence groups". І тому функція нейрогенів необхіна також для того, щоб "вибрати" патерн експресії achaete, який відображає розділення долі нейробластів і дермобластів всередині ембріональної пронейральної "equivalence group".

Зниження функції генів AS-C веде до редукції кількості клітин в ембріональній нервовій системі шляхом зниження кількості ектодермальних клітин, які комітовані до розвитку в нейробласти, і збільшення загибелі клітин в розвиваючій нервовій системі.

Ефект антинейрогенних локусів позначається на розвитку як центральної, так і периферичної нервової системи, і лише делеції великого розміру, на зразок Df (l) svr, викликають також деякі аномалії ненейральної природи.

Комплекс achaete-scute (AS-C), як один з основних нейроспецифічних локусів, досить добре досліджений за допомогою методів молекулярної генетики та генної інженерії. Цей комплекс був виділений і клонований, розміри області sc-75 кб. Для гена ас виявлений один транскрипт розміром 1,1 кб (Т5). Для локусу scute - транскрипти Т4 (scute alpha), ТЗ (Гscute), Т2 (scute beta), Т1 та Tla (scute gamma).

При цьому виявилося, що транскрипти ТЗ і Tla важливі для розвитку центральної нервової системи, а транскрипти Т4 і Т5 - для розвитку периферичної нервової системи. Транскрипт ТЗ відображає функцію гена lethal of scute в ембріональному періоді, транскрипт Т2 необхідний для нормального розвитку макрохет.

Придбання однієї (або небагатьма) клітини з equivalece group нейральної детермінації супроводжується пригніченням потенцій сусідніх клітин до розвитку в нейральному напрямку. Це пригнічення здійснюється в результаті взаємодії нейрогенних генів (за Кампос – Ортега).

Неірогенні гени - це ті гени, мутації яких викликають гіпернейралізацію в вентральній нейрогеній закладці, так що всі складові її клітини зазнають нейральну трансформацію, втрачаючи потенції до розвитку в альтернативному напрямку. Відомо кілька таких генів (рис. 5. 6, 5.7).

1. Споріднений нейрогенним локусами і ген Hairless (Н - генетична локалізація 3-69,5, цитогенетична - 92Д-94А). Він може запобігти клітинній летальності, яка обумовлену гомозиготністю за деякими 0/-аллелям. Велика кількість нейрогенних генів (WG), включаючи гени комплексу enhancer of split (E (spl) C). гени achaete-scute комплексу (AS-C), гени дефектів конденсації вентральної нервової системи (vnd) і ген daughterless (da), що кодують білки ланцюгів регуляторних сигналів, дозволяють клітинам розвиватися в нейробласти або в епідермобласти. Функції, які кодуються генами AS-C, vnd, daughterless, потрібні для того, щоб регулювати активність генів в нейробластів. Функціональні ланцюги, які кодуються генами E (spl) C комплексу, необхідні для регуляції генів у епідермобластах.

2. Мутація одного з нейрогенних генів викликає розвиток всіх нейроектодермальних клітин як нейробластів.

3. Мутації генів AS-C, vnd. daughter-less викликають або розвиток презумптивних нервових клітин як епідермобластов або клітинну загибель. (За Campos-Ortega).

4. Ефект гена Н на E (spl) і останнього на N і DI підтверджується тим, що мухи з трьома нормальними копіями гена Н і двома E (spl) виявляють ненормальності крила, дуже подібні з фенотипом крила мух, які містять тільки одну копію E (spl). Ці відхилення відсутні, коли мухи несуть додаткову дуплікацію нормального локусу E (spl). Таким чином, нормальний алель Н поводиться як функціональний репрессор нейрогенних локусів N, DI і E (spl). При цьому нейрогенні локуси організовані ієрархічно по відношенню до впливів локусу Н і по відношенню один до одного.

Три нейрогенних гена N. DI і bib кодують продукти, асоційовані з клітинною мембраною. Notch і Delta кодують білки клітинної мембрани, які проявляють складний і динамічний патерн експресії в ході розвитку.

Продукт гена Notch (рис. 5.8), який синтезується транскриптом в 10,5 кб-трансмембранний білок, що складається з 2703 амінокислот, містить сигнальний пептид, 36 тандемних повторів спорідненого епідермального фактору росту (EGF) 40 амінокислотного мотиву, 3 тандемних повтори, виявлені в екстраклітинному домені, послідовність ідентичну кодованого геном Нп 12 Caenorhabditis elegans, єдиний включений в мембрану домен і внутрішньоклітинний домен, який включає 6 тандемних повторів мотиву, знайденого в анкіріні (ANK repeat) хребетних і дріжджових cdclO і SW16 генів, ора-послідовність.

Рис. 5.8. Схема структури білків, кодованих генами Notch і Delta.

Клітинна мембрана представлена ​​двома паралельними мембранами. Вище мембрани представлений екстраклітинний компонент білка, нижче-внутрішньоклітинний компонент білка. ELR - EGF-подібний повторюється мотив, LNR-HnI2INotch - повторюється мотив, ANK - анкіринповторюваний мотив, ОРА - поліглютаміновий район, PEST - область, багата проліновими, глютаматними, сериновими і треоніновимми залишкам (За Muskavitch).

ANK повтор є доменом, залученим у міжмолекулярні взаємодії. Функціональна роль М-повторів зводиться до того, що вони забезпечують стабільність білкової молекули або з'єднують функціонально значущі домени в одне ціле. Можливо, що Notch - внутрішньоклітинний домен, який взаємодіє з одним або більше цитоплазматичними білками в процесі передачі сигналу. Отже, структура Notch відповідає своїй ролі як трансмембранний рецептор, який взаємодіє з лігандами в екстрацелюлярному компартменті.

Delta білок складається з 833 амінокислот, містить сигнальний пептид (див. рис. 5.8), аміно-термінальний домен, гомологічний аміно-термінальному домену білка, кодованого геном Serrate дрозофіли, 9 тандемних повторів мотиву, спорідненого епідермального фактору росту (ie, EGF-подібні повтори або "ELRs"), один влключенний в мембрану домен і внутрішньоклітинний домен без суттєвої гомології з будь-якими відомими білками.

Нейрогенний ген bih кодує мембранасоційований білок, що включає 6 включених в мембрану доменів і гомологічний безлічі каналформуючих білків.

Три інших нейрогенних гена - pij, tat і E (spl) - кодують білки, які функціонують в клітинному ядрі. Ген mam кодує великий ядерний білок з чергуванням кислих і основних доменів, які можуть відображати їх функцію як ДНК або хроматинпов'язуючичих білків.

Ген pij кодує ядерний білок з мотивом, що нагадує ДНК-зв'язуючі білки та zink-finger мотив.

Локус E (spl) структурно складний, займає область 36 кб, ймовірно, складається з декількох тісно зчеплених генів, містить ділянки гомології з комплексом AS-C і з-wye-онкогенів і включає мінімум 11 транскрипційних одиниць, які кодують принаймні два типи якісно різних білків.

Транскрипційні одиниці Т5, Т7, Т8 кодують білки, які є членами родини HLH транскрипційних регуляторних факторів. Транскрипційна одиниця т9/10 кодує ядерний білок з множинними копіями повторюваного мотиву (WD-40 repeat), знайденого також в бета-одиниці трансдуцина хребетних і в дріжджовому СДС4 білку. Ядерна локалізація цих білків свідчить про їх функції в якості "downstream effectors" в сигнальних шляхах нейрогенних генів і про їх значення в регуляції експресії генів, що відіграють роль у специфікації клітинної долі.

В ході ембріогенезу особливо помітно накопичення транскриптів Т4, Т5, Т7, Т8. Спочатку їх можна виявити у всіх клітинах вентральної нейрогенної закладки, потім лише в клітинах, які обрали епідермальний шлях розвитку.

З нейрогенними локусами взаємодіють також гени deltex і Supressor Hairless, які, як буде розглянуто нижче, беруть участь у передачі інформації між клітинною поверхнею і ядром.

Отже, функціональне значення нейрогенних локусів полягає:

1) в забезпеченні нейральной детермінації клітин,

2) в забезпеченні клітин, що розвиваються в епідермальних напрямку, білком, що містить EGF-подібні домени,

3) у забезпеченні їх рецептором EGF.

При цьому синтез майбутніми нейробластами EGF-подібного білка створює навколо них ніби антинейрогенне поле, в результаті чого здатність навколишніх майбутній нейронів-сусідів до диференціювання в нейральному напрямку пригнічується. Якщо лазером вбити таку клітину і зняти таким способом утворене нею антинейрогенне поле, то найближчий сусід негайно заповнить прогалину і зазнає нейральні диференціювання замість призначеної йому епідермальної долі. Такого роду гальмування здатності клітин вентральної нейроектодермальної закладки до розвитку в нейральному напрямку в результаті впливу клітини, що почала нейральні диференціювання, називається латеральним гальмуванням (див. рис. 5.2).

Механізм нейрогенеза, ймовірно, є універсальним, про що свідчить виявлення генів, гомологічних нейрогенним локусам дрозофіли у ряді інших об'єктів, як хребетних (Xenopus), так і безхребетних (Caenorhabditis elegans). У Xenopus був виявлений ген X-Noth-l, який експресується в нервовій пластинці і ген Х-Dclta-l, також експресується в нервовій системі ранніх ембріонів, в клітинах, що є проспективними первинними нейронами. Первинні нейрони у хребетних з'являються спочатку в задній частині нервової пластинки. Їх поява супроводжується експресією нейроспецифічного гена typell beta-tubulin (N-tubulin), який маркує саму ранню стадію нейрального диференціювання. За допомогою гібридизації in situ на цілих ембріонах експресія Х-Delta-l в нервовій системі вперше були зареєстровані в кінці гаструляції, в клітинах, розташованих в специфічних відділах нервової пластинки. Експресія X-Delta-J передує експресії N-тубуліну принаймні на 2 години. Більш того, Х-Delta-l вимикається в той момент, коли починає функціонувати ген бета-тубуліну. Подібним чином ген Х-Delta-l послідовно експресується в областях вторинного нейрогенеза, але не в зрілих нейронах. Іншими словами, цей ген експресується в проспективних нейронах до часу їх коммітірованія до розвитку в нейральні напрямку.

У Caenorhabditis elegans також були знайдені гомологічні нейро-генним генам локуси ДНК. Це - Іп12 і glpl, які є гомологами Notch, а також lag2 і apxl - гомологи Delta.

Гомологи Notch виявлені також у риб, гризунів і людини.

Таким чином, початкові стадії в процесі нейрогенеза є універсальними і полягають у генерації пронейральной області, невеликого кластеру клітин, потенційних попередників нейронів. Цей процес включає індукцію експресії пронейраль-них генів, що кодують фактори транскрипції класу helix-loop-helix (bHLH), найбільш помітним з яких є комплекс AS-C. Всередині кожної пронейральной області, однак, не всі клітини трансформуються в нейрони, і процес їх диференціювання супроводжується сигналом латерального гальмування, опосередкованим нейрогенними генами, особливо важливу роль серед яких відіграють гени Delta і Notch. Експресія Delta контролюється пронейральними генами. Білок Delta, трансмембранний ліганд, який активує ген Notch, ініціює внутрішньоклітинні сигнали, які ведуть до репресії пронейральних генів і як наслідок цього до регуляції Delta. Таким чином, ектодерформальні клітини є предметом локальних взаємодій, що примножує спочатку мінорні відмінності в рівні Notch сигналів. Клітини, в яких ці сигнали відносно слабкі, стають нейронами, в той час як клітини, в яких вони достатньо сильні, зазнають альтернативні зміни. Механізми, за допомогою яких контролюється нейрогенез у хребетних і інших тварин, досить консервативні і порівняти з тими, що виявлені у дрозофіли.

І дійсно, білки bHLH експресуються в нервовій тканині хребетних, і багато з них схожі за структурними ознаками з пронейральнимі білками дрозофіли.

Якщо ін'єктувати суміш транскрипту Х-Delta-l гена Xenopus і транскрипту lacZ (службовця в якості маркера розподілу ін'єктувати транскрипту нейрогенного гена) в один з бластомерів двохклітинного ембріона Xenopus (неін'єктований бластомер служив в якості контролю), і проаналізувати розвиток нервової системи, то виявляється, що спостерігається різке зниження або повна елімінація клітин, експресуються N-Тубулін (маркер диференціювання нервових клітин) на боці ін'єкції, в той час як ін'єкція одного транскрипту lacZ не давала ефекту. Райони елімінації нервових клітин збігалися з зонами розподілу ін'єктувати транскриптів, про що свідчила позитивна гістохімічних реакцій на продукт гена lacZ. Втрата експресії N-тубуліну відображає елімінацію нервових клітин на піддослідній стороні розвиваються ембріони. У дослідах з ін'єкцією транскрипту гена Х-ЕеІа-^ ТН, який втратив внутрішньоклітинний домен, був виявлений протилежний ефект - кількість нервових клітин на ін'єктованій стороні істотно зростає, про що свідчить збільшення І-Тубулінпозитивних клітин. Спільні ін'єкції транскриптів Х-Бе1ш дикого і мутантного типу запобігають гіперпродукцію нейронів і ведуть замість цього до супресії нейрогенеза, як було знайдено в експериментах з введенням однієї РНК Х-Оека.

На підставі аналізу порівняльних даних була запропонована модель молекулярних основ генетичної детермінації долі клітин в ході нейрогенеза у хребетних (мал. 5.9). З цієї моделі випливає, що понадекспресія гена Delta або активованої форми Notch гальмує генерацію нервових клітин. Навпаки, експресія домінантною негативної форми Delta викликає генерацію додаткових первинних нейронів. Очевидно, існує програма нейрогенеза, в рамках якої на ранніх стадіях індивідуального розвитку визначається область нервової пластинки, всередині якої клітини здатні генерувати нейрони. Реалізація цієї програми у хребетних, як і у комах, пов'язана з функціонуванням bHLH білків. Поява одного з таких білків хребетних - нейрогеніна. передує експресію гена Delta в тих областях нервової пластинки, які схильні до генерації первинних нейронів.

Понадекспрессія нейрогеніна веде до розширення області, де експресується ген Delta, і відповідно до збільшення кількості клітин, що розвиваються по нейральному шляху. При цьому нейрогенез не обмежується більш трьома смужками, але і в ненейральній ектодермі з'являються ектопічні нейрони.

Понадекспресія нейрогеніна індукує також поява другого, більш пізнього bHLH білка - так званого нейро-D, який теж здатний викликати диференціювання ектопічних нейронів в ненейральній ектодермі. Очевидно, нейрогенін у хребетних є раннім стимулятором нейрогенеза і обумовлює послідовну активацію різних bHLH факторів, які детермінують розвиток клітин в нейральному напрямку або сприяють більш пізнім аспектам диференціювання нервових клітин.

Взаємодія Delta і Notch в процесі нейрогенеза вивчено в основному у дрозофіли. Показано, що екстрацелюлярний домен Delta здатний взаємодіяти з білком Notch на поверхні клітини.

При цьому Notch функціонує як рецептор, який взаємодіє з лігандом в екстраклітинному компартменті і трансдукує отриману інформацію всередину клітини. Зокрема, це було продемонстровано з допомогою клонального аналізу: розвивається епідермісу ембріональної vnR, notum і крил дорослої мухи у соматичних мозаїках.

Notch у цьому випадку функціонує в клітинах автономно, що було передбачене на основі подання, що білок Notch є рецепторною молекулою.

У той же час подібний аналіз розвитку епідермальних клітин в крилах соматичної мозаїки дрозофіли, що містять клітини з мутацією Delta, показав, що функція Delta не автономна, так що якщо Delta експресується в одній клітинної популяції, то ефект цього гена може поширитися на сусідні клітини. Це свідчить про те, що його продукт може бути міжклітинною сигнальною молекулою.

У культурах in vitro клітин дрозофіли за допомогою іммуногістохімічної реакції було показано, що продукти генів Notch і Delta можуть взаємодіяти на клітинній поверхні в результаті агрегації Delta-експресують клітин з Л / огсЛ-експресується клітинами. Це свідчить про важливість родинного Delta-Notch зв'язування на клітинній поверхні. Виявилося, що ELRs 11 або 12 екстра-целлюлярні домени необхідні і достатні для зв'язування Delta з Notch. Отже, ELR мотиви білка Notch відіграють пряму роль у міжклітинних взаємодіях, при цьому Delta аміно-кінець включений в домен, що зв'язує EGF-мотив. Значення Notch ELR 12 у взаємодіях Delta-Notch підтверджується і тим, що антиморфний Notch аллель (N Ml) характеризується наявністю місенс-мутації в цьому повторі.

Крім того, білки, які кодуються генами lag-2 і арх-1 С. elegans, взаємодіють з аналогом Notch, які кодуються у С. elegans геном glp-1. і містять амінокислотну послідовність, гомологичну Delta EBD всередині амінотермінального кінця відповідного Кекстрацелюлярного домену.

У процесі взаємодії Delta і Notch залучені й інші гени, як наприклад tleltex і Supressor Hairless (SuH). Так, редукція в функції deltex веде до розширення жилок (veins) крила - ефекту, схожому з спостережуваним при зниженні функції Delta.

Білок SuH функціонує як "downstream" ефектор в опосередкованій Delta-Notch сигналізації в ході розвитку. При спільному культивуванні клітин дрозофіли, в яких експресуються білки Notch і SuH і клітин, в яких експресується Delta, SuH білок виявляється переважно всередині ядер клітин, експресуються Notch. Отже, взаємодії Delta-Notch на клітинній поверхні можуть обумовлювати ядерну локалізацію білка SuH, здатного до прямого зв'язування з ДНК. SuH білок, взаємодіючи з комплексом Delta-Notch, транспортується в ядро, що є молекулярним механізмом, що забезпечує нейрогенним генам сигнальний шлях між клітинною мембраною і ядром.

Загальна модель взаємодії генів Notch, Delta, deltex, Supressor Hairless представлена ​​на рис. 5.10, А.

Як випливає з малюнка, це взаємодія здійснюється через ряд стадій.

Утворюється активна димерна форма білка Delta в сигналгенегенеруючих клітинах.

Димерних білок Delta координує формування димерів білка Notch в сприймаючий сигнал. При цьому мономери Notch фізично асоційовані з білком deltex, який з'єднується з внутрішнім доменом ANK повтору.

Опосередкована білком Delta димеризація Notch веде до активації рецептора і вивільненню Notch-зв'язаного deltex і сприяє ANK повтор-залежному зв'язуванню SuH з інтерцеллюлярним доменом Notch в сигналсприймаючій клітині.

Взаємодія SuH з активованим Notch веде до активації білка SuH, що стимулює його ядерну транслокацію.

Активоване ядерний SuH діє на експресію генів, що забезпечують специфікацію клітини.

З малюнка випливає, що мутації родинних Notch генів можуть призвести до розладів вищої нервової діяльності типу старечої деменції і, можливо, хвороби Альцгеймера у людини.

Нейрогенні гени в процесі розвитку клітин зазнають також впливу інших генів. Співробітник лабораторії нейрогенетики Інституту біології гена В.В. Панін разом з американським генетиком Ірвіном виявили екстрацелюлярний модулятор сигнальної системи Notch-Delta. Згідно з їх даними є кілька генів, що кодують такі модулятори – екстрацелюлярний, трансмембранні цитоплазм-автоматичні і ядерні (рис. 5.10, Б). Першим серед екстрацелюлярних модуляторів був відкритий ген fringe, який впливає на здатність гена Notch бути активованим продуктом генів Serratum і Delta. Гомологи цього гена знайдені у хребетних, але не у С. elegans. Він кодує секретування глікопротеїну, знайдений як в дифузній, так і в мембранзв'язаній формі. Мутації інших генів-модуляторів braini-ас і egghead ведуть до формування фенотипу, схожого з викликаною втратою функцією гена Notch. Послідовність амінокислот, кодована геном brainiac, належить до родини глікозилтрансфераз. Відповідний продукт з'являється вже в період оогенезу і необхідний для інтеграції не тільки нейральних структур, але і фолікулярних клітин. Ще один з димерних глікопротеїнів, що містить споріднений з фібриногеном домен, кодується геном scabrous і необхідний для розвитку периферичної нервової системи. У мутантів за цим геном формуються додаткові щетинки, а отже, додаткові рецепторні апарати, а також розвиваються грубі очі.

З трансмембранних модуляторів слід зазначити білки, кодовані геном big brain, мутації якого викликають порушення латерального інгібування. До цитоплазматичних модуляторів належать продукти генів numb, sanpodo, які контролюють розвиток центральної і периферичної нервової системи, гена deltex, а також able і disabled, що відіграють важливу роль в детермінації напрямку руху аксона. До ядерних модуляторів відносять продукт гена Hairless. Він кодує антагоністичний білку Notch продукт - білок ЕМВ-5, ідентифікований у С. elegans і подібні родині Notch білки LIN-12 і GLP-1. Гомологічні білки знайдені і у хребетних. Нещодавно виявлено також ген Strawberry notch (Sno), який детермінує фенотип, споріднений Notch-мутантам.

У дрозофіли в певних нервових клітинах контроль нейрогенеза, опосередкований геном Notch, піддається додатковій регуляції за допомогою білків, які асиметрично розподіляються під час ділення клітин-попередників. Серед них помітний білок Numb, від якого залежить нейронна "доля" клітин, що успадковують цей білок, інгібуючий внутрішньоклітинну трансдукцію Notch-опосередкованого сигналу. Споріднені Numb-білки були виявлені й у хребетних, зокрема, у вентрикулярній зоні кори головного мозку ссавців. Асиметрія в їх розподілі під час ділення клітин-попередників, мабуть, відіграє важливу роль у визначенні клітинної долі, у формуванні клітинної різноманітності в популяції нейробластів.

Kuzhaman (kuz) - ще один ген, який має суттєве значення для поділу нейральних і ненейральних клітин. Цей ген потрібно клітинам для отримання сигналів, що гальмують їх нейральну детермінацію. У мутантів kuz виявляються кластери сенсорних щетинок в тих місцях, де в нормі присутня тільки одна щетина. Щоб визначити роль цього гена у розвитку центральної нервової системи, отримували ембріони, в яких були відсутні його продукти і містилася одна або жодної зиготичної копії відповідної ДНК. У материнських null ембріонів з однією копією зиготичного гена kuz виявлена ​​гіперплазія і дезорганізація центральної нервової системи в вентральній частині ембріона, так що фенотипово ці ембріони нагадували мутантів Notch. Однак ембріони, у яких повністю відсутні як материнські, так і зигоичні продукти гена kuz, мали більш виражений нейрогенний фенотип, так що гіпертрофія нервової системи не обмежувалася вентральною областю, але значно більшу кількість клітин ембріона розвивалося по нейральному шляху.

Вивчення розвитку сенсорних органів, де також виявлений каскад генів, керуючих послідовними етапами становлення спеціалізованих чутливих клітин, показало, що в цьому випадку ген kuz відіграє роль в процесі латерального гальмування. Ця роль підтверджується тим, що всі сенсорні щетинки в мутантних кластерах клітин у соматичних мозаїках були А: мг-фенотипу, щетинки дикого типу в такому кластері присутні. Отже, функція kuz необхідна клітинам для того, щоб уникнути долі нейтрального попередника.

Клітини в пронейральному кластері з функцією kuz дикого типу отримують гальмівний сигнал і стають епідермальними, в той час як / ГМГ-клітини не можуть сприйняти такий сигнал і розвиваються як нейральні попередники.

Ген kuz був клонований. Він кодує membrane-spanning protein довжиною 1239 амінокислот, що належить до родини metalloprotease-disintegrin, відома як ADAM родина (члени цієї род містять дезінтегріновий і металлопротеазний домени).

Деякі члени родини ADAM є цинк-зв'язуючими ензимами, і kuz металлопротеазний домен також містить консервативний цинк-зв'язуючий сайт. Дезінтегріни мають цістеїнові залишки, які потрібні для їх прямого зв'язування з рецепторами інтегринів. Ці залишки виявлені і в kuz білку. У цій родині багато білків з мультидоменною структурою, протеолітичні процесуються і продукують множинні пептиди з різними функціями. Так само і молекула kuz як попередник може бути розщеплена на металлопротеазний і дезінтегріновий домени, і ці продукти протеолізу виконують різні функції.

У ссавців відомий гомолог kuz, а саме bovine metallo-protease (BMP). Ці два білки володіють високим ступенем подібності (49% ідентичності по амінокислотах), в тому числі і в структурній організації. BMP був очищений з мієліну мозку бика. Він здатний перетравлювати основний білок мієліну в умовах in vitro і, подібно kuz білку дрозофіли, включений у процес нейрогенеза. У лабораторії М. Ніренберга (М. Nierenberg) був виявлений ще один ген - NK-2, також, мабуть, включений в ланцюжок нейрогенеза.

Взаємодія епідермальної і нейральної закладок в ході розвитку характерно також і для процесу нейрогенеза ссавців і, ймовірно, хребетних взагалі. Епідермальні сигнали здійснюються в цьому випадку членами родини TGF (transforming growth factor)-білками BMP (bone morphogenic protein), що відіграють роль медіаторів епідермальної ектодерми (рис. 5.11). У ембріонів птахів в епідермальній ектодермі на стадії ранньої нервової пластинки експресуються білки ВМР4 і ВМР7, які імітують індукуючий ефект. BMP білки активують гени Pax і Msx, які репресуються продуктом гена Shh. Ці гени, однак, експресуються в клітинах нервової пластинки, які не генерують клітин нервового гребеня або дорзальні інтернейрони, тому експресії генів Pax і Msx недостатньо для "дозволу" диференціювання клітин дорзального типу.

Тим не менше у миші експресія генів РахЗ і Рах7 необхідна для диференціювання клітин нервового гребеня, з чого випливає, що вони частково залучені в процес диференціювання клітин дорзального регіону.

Роль BMP в розвитку дорзальних клітин зводиться до індукції zink finger транскрипційного фактора Slug в преміграторних клітинах нервового гребеня. (Ген Slug містить п'ять цинкових пальців в З'-половині білка. Область пальця має 89 % амінокислотної ідентичності з родинним гомологом Xenopus-Xsna).

Після замикання (closure) нервової трубки кілька BMP білків, включаючи ВМР4, ВМР5, ВМР7 і Dsll, експресуються в перекриваних областях дорзальної середньої лінії і індукують розвиток набору сенсорних інтернейронів в дорзальній половині спинного мозку, які генеруються на більш пізніх стадіях розвитку. У молекулярних основах становлення клітин дорзальної і вентральної половин спинного мозку є як загальні, так і відмінні риси.

Зокрема, індуктивні секреторні сигнальні фактори, передаються від ненейронних тканин (нотохорда і епідермальна ектодерма) клітинам середньої лінії нервової трубки як майбутнім вентральним, так і дорзальним похідним. Однак формування вентрального патерну, в усякому разі у вищих хребетних, регулюється одним Hedgehog білком, - Shh, в той час як в дорзальной половині нервової трубки, як і в епідермальної ектодерми, експресуються BMP білки. У зв'язку з цим білки TGF родини, що передаються з епідермальної ектодерми в нейроектодермі в місцях контакту цих закладок можуть проявляти якісно різну індуктивну активність в залежності від того, з якими з BMP рецепторів вони взаємодіють. З цим же пов'язані й тимчасові зміни відповіді на один і той же індуктивний стимул, що сприяє становленню розмаїття типів дорзальних нервових клітин.

Диференціація вентральних типів нервових клітин відбувається під контролем Shh гена, завдяки його локальній і прямій дії.

Серед вентральних типів клітин провідними є моторні нейрони, які поділяються на субкласи в залежності від того, яку мішень вони іннервують (рис. 5.12).

Як показано на малюнках, в різних субкласи мотонейронів функціонують різні регуляторні генетичні елементи, зокрема, транскрипційні фактори класу Lim гомеодоменів і Isl-гени. Зокрема, у ембріонів курчати найбільш раннім маркером диференціюючих моторних нейронів є ген Isl (Islet-l), член субродини гомеобоксних генів, що приєднується до енхансерному елементу, що містить цистеїн багаті Lim-IJ, Isl-1 Мес-3 (LIM) домени. Інші члени цієї родини включають Lim-11 і Мес-3, які регулюють детермінацію клітин у Caenorhahditis elegans.

Фенотипічна різноманітність моторних нейронів залежить від локальних сигналів, які діють на диференціюючі клітини нервової трубки. Трансплантація сегментів нервової трубки курчати в різні її регіони викликає морфологічну і молекулярну трансформацію клітин трансплантата, включаючи зміни в експресії білків гомеодомена Lim відповідно їх новому просторовому розташуванню.

Подібним же чином інверсія нервової трубки на люмбарному (поперековому) рівні веде до респецифікації моторних нервових клітин відповідно їх новим положенням, що визначається змінами в паттерні проекцій моторного аксона на периферії. Транслокації та інверсії нервової трубки змінюють також експресію Нох генів, що свідчить про включеність Нох генів в детермінацію субтипів моторних нервових клітин у спинному мозку, як і в задньому мозку. Схожа ситуація має місце і у рибки даніо (zebra fish), у якому трансплантація індивідуальних первинних моторних нейронів в різні інтрасегментарні позиції також викликає зміни підтипу моторного нейрона відповідно до його новим положенням, що супроводжується зміною експресії білка LIM і респеціфікацією траєкторії аксона.

Таким чином, сегментарна специфікація нервових клітин у хребетних супроводжується відповідною специфікацією у функціонуванні їх гомеодоменів.

У дрозофіли сегментація центральної нервової системи виражена більш чітко, і ця сегментарна специфічність також регулюється певними комплексами генів, в першу чергу гомеозисних, і, зокрема, від ANT-C і ВХ-С груп. Вхідні в ці комплекси гени активно транскрибуються в нервовій системі, що свідчить про їх істотної ролі в її формуванні. Ця активність становить частину подій, що регулюють сегментоспеціфічні властивості нейронів.

Делеція ВХ-С, при наявності якої розвиток відбувається до пізніх ембріональних стадій, обумовлює трансформацію абдомінальних сегментів в торакальні. Що відбувається при цьому з нейронами сегментарних гангліїв? Чи набувають вони риси, властиві торакальним нейронам, або зберігають свої властивості? Виявляється, делеція ВХ-С індукує поряд із трансформацією епідермісу сегментів, також і певну трансформацію нейронів, принаймні одного з їхніх якостей - всі вони стають темнозабарвлені на гістологічних препаратах, що властиво в нормі тільки нейронам торакальних гангліїв. Звідси можна зробити висновок, що у всякому разі частина сегментоспецифічних властивостей нервової клітини генетично детермінована. Передбачається, що ці сегментоспецифічні особливості визначаються вже на стадії бластодерми, а отже, обумовлені функціональною активністю відповідних генів усередині попередників нервових клітин.

У зв'язку з цим постає досить загальне питання - в яких кордонах сегментоспецифічні особливості нейрона, патерн поширення його відростків, їх розгалуження, особливості утворюваних ними синаптичних контактів і т.д. визначаються функціональною активністю його власного генетичного апарату? Можливість фенотипічної варіабельності розгалуження відростків одних і тих же нервових клітин навіть у особин з ідентичним генотипом виявлена ​​при вивченні ходу нейрональних відростків і їх розгалуження у особин ізогенних ліній дафній, сарани Shistocerca nitens, тропічної рибки Poecilia formosa, одного клона нематоди Caenorhabditis elegans.

У той же час відомо, що розростання відростків нервових клітин відбувається уздовж ніби преформованих шляхів, прокладених так званими піонерськими нейронами або впливами суміжних тканин і, отже, роль морфогенетичних взаємодій досить помітна.

Зручною моделлю для аналізу цієї проблеми виявились гомеозисні мутації дрозофіли. З їх допомогою, зокрема, вдалося проаналізувати ступінь генетичної детермінованості центральної проекції дзвоновидні сенсили при трансформації крил в гальтери.

Дзвоновидні сенсілли - це чутливі структури, відповідальні за сприйняття механічних подразнень. Такі сенсили виявлені в основі крил (W) і гальтерів (Н), вони утворюють досить потужні пучки волокон усередині центральної нервової системи (ЦНС). При цьому всі відростки, утворені однією групою нейронів, слідують в межах одного і того ж шляху. Проекції з W-і Н-сенсил дуже подібні, проте з двома вираженими відмінностями: 1) W-проекція має контрлатеральну гілку, яка повністю відсутня в Н-проекції; 2) W-проекція поширюється далі в глиб мозку.

Можна було б припускати, що сегментоспеціфічность W-і Н-проекцій детермінується не власне активністю генів відповідних нейронів, а є результатом відмінностей у місці входу W-і Н-аксонів в ЦНС. Однак відомі випадки зміщення Н-аксонів, які вступають в ганглій в зоні, властивої У-аксо-нам. Тим не менше їх проекція зберігає характеристику Н-типу. Отже, відмінності між W- і Н-проекціями визначаються внутрішніми відповідним нейронам властивостями і залежать від їх сегментоспецифічної детермінації. У такому разі у подвійних мутантів з трансформованими в крила гальтерами слід було б очікувати і трансформацію проекцій сенсил. Однак це не підтвердилося - мутації, використані в досвіді трансформували лише епідермальні клітини, не зачіпаючи чутливі нейрони, тобто дані функціонуючі генетичні елементи, включені в сегментарну детермінацію епідермісу, але не нейронів. В той же час в дослідах, де ту ж XV-і Н-епідермальну трансформацію отримували за допомогою мутацій гена, який активує комплекс ВХ-С, а також за допомогою обробки ранніх ембріонів парами ефіру, що прешкоджають цій активації, спостерігали трансформацію Н-нейронів, що стають W-подібними.

Детальні гістологічні дослідження трансформованих структур ЦНС в метаторакальном ганглії мутантів ЬНІогах також свідчать на користь вторинної природи зареєстрованих змін. Виявлені на гістологічних препаратах сверхчісленние гілки могли виникнути завдяки додатковим сенсорним волокнам з гомеозісних придатків, що забезпечує нові провідники для постсинаптичних дендритів. Тому спадні відростки интернейронов, створюючі закінчення на них, також виявляють незвичайне підвищений розгалуження. Якщо все постсинаптичні елементи забезпечують таку проекцію гомеозісних зон в ЦНС, то їх сверхчісленние гілки істотно сприяють збільшення третього торакального ганглія у мутантів ЬШюгах. Іншими словами, в цих умовах генетично детерміновані зміни обумовлені не змінами функціональної активності генів у змінили свою морфологію нейронах, а змінами ходу морфогенетичних процесів поза межами самого ганглія, які пов'язані із зміною активності генів не гангліозних, а периферичних нейронів.

Таким чином, для реалізації сегментоспецифіного патерну нейрона, крім активності в ньому власної "сегментоспеціфічнї" генної системи, необхідна ще й взаємодія генів, в тому числі функціонуючих в клітинах, розташованих поза гангліями, а значить, весь процес з точки зору його молекулярно-генетичного забезпечення є досить складним.

Крім функціональної участі власної генетичної системи нейрона, на реалізацію його сегментоспецифічного фенотипу впливають, функціонально активні генетичні комплекси суміжних нейронних мереж і навколишніх тканин на рівні морфогенетичних взаємодій, тобто через ці взаємодії. Вплив цього рівня у комах досить велике. При цьому в морфогенетичних і пластичних властивостях нервової системи комах виявлені типові паралелізми з нервовою системою хребетних. До таких відноситься, наприклад, залежність розмірів структур нервової системи від розмірів рецепторного поля. Це спостерігається, зокрема у мутантів, у яких перший абдомінальний сегмент трансформований у торакальний, в результаті чого розвивається додаткова пара кінцівок. У подібних мутантів спостерігаються надчисленні нейромери - сегменти торакального ганглія. Проте Залежність в даному випадку непроста. Феногенетично механізми реалізації мутації "залежать від специфічних властивостей конкретної алелі гена. Наприклад, у мух додаткові нейромери формуються, навіть якщо не виникають додаткові ноги, у той час як у інших мух ЦНС не виявляє помітної трансформації навіть у разі розвитку двох додаткових кінцівок.

Залежність організації центру від специфічності рецептивних полів продемонстрована також на прикладі статевого диморфізму молі у розвитку нюхових шляхів. У багатьох комах встановлено наявність в антенах довгих волоскоподібних оль-факторних сенсил, відсутніх у самок (так звані тріхоїдні сенсили). Їх наявність визначає особливості статевої поведінки самців, що реагують на запахи самки і летять у напрямку до неї. У відповідності з цими особливостями периферичного сенсорного апарату влаштована і ЦНС, які відрізняються у самців і самок, а саме у мозку самців присутній так званий макрогломерулярний комплекс, якого немає у самок. Під проведення експериментів було виявлено, що утворення цього комплексу в ЦНС зобов'язане рецептивним волокнам, "посланим" в центр тріхоїдними сенсилами. Якщо трансплантувати антеннальні імагінальні диски самців у голови личинок самок замість одного з її власних антенальних імагінальних дисків перед оляльковуванням, то з піддослідних тварин розвиваються гінандроморфи. При цьому в антенах, що розвинулися з трансплантата, диференціюються тріхоїдні сенсили. У відповідності з цим в області мозку самок, куди вони проектуються, виникає невластивий самці макрогломерулярний комплекс, і в поведінці таких самок проявляються риси самця - вони реагують на запах самок і подібно самцям летять в напрямку джерела запахів (рис. 5.13).

В даному випадку морфогенетичні процеси, що протікають в тканині мозку, залежать від функціонування генетичної системи, яка детермінує утворення специфічних рецепторних зон на периферії. У Drosophila melanogaster ця система представлена ​​кластером генів, локалізованих в Х-хромосомі.

Таким чином, якщо поставити запитання, детерміновано чи генетично наявність макрогломерулярного комплексу у самців і відсутність його у самок, то можна відповісти - ні, генетично детермінована специфічність будови антенальних сенсил у самців, а утворення специфічних для самців макрогломерулярних комплексів в мозку є наслідком автоматично розгорнених саме таким способом морфогенетичних процесів.

Інтерпретація процесів нейрогенеза з точки зору участі багатьох генів, що функціонують в різних регіонах розвитку нервової системи і взаємодіючих на багатьох рівнях, дозволяє вирішити деякі дискусійні проблеми молекулярної нейробіологіі.

В описаному вище випадку генетично детермінований певний набір компонентів в певній області мозку (до пори до часу більш менш схожий у самців і самок), генетично детермінована специфічність будови антеннальних сенсил у самців і, отже, специфічність морфогенетичних стимулів, що посилаються з цієї точки периферії в відповідний пункт центру. Даний специфічний стимул організовує реалізацію одного з можливих шляхів морфогенезу в даному нервовому центрі вже незалежно від функціональної активності специфічних комплексів генів в самих нерівних клітинах розвивається нервовий центр (не важливо, чи самець, чи самка). Лише в результаті реалізації індукованих впливів периферичних відростків у відповідних нервових клітинах, що утворюють під цим впливом яке-небудь нервове ядро, включаються нові гени, що забезпечують розвиток нейрона в певний клітинний тип.

Використана література:

Корочкин Л.И., Михайлов А.Т. Введение в нейрогенеку. – М.: Наука, 2003.- 176 с.

Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 481 | Нарушение авторских прав