Регуляція спеціалізації ентодерми при формуванні шлунково-кишкового тракту у плода

розвиток Шлунково-кишкового тракту відбувається в три етапи. Перший етап - первинна спеціалізація ентодерми. Другий етап полягає у формуванні та структуруванні кишкової трубки, що визначає передньо-задню вісь ембріона і кордони між різними органами. На третьому етапі починається утворення органів, які в процесі розвитку виходять за межі кишкової трубки, наприклад печінки і підшлункової залози.

В експериментах на лабораторних тваринах встановлено еволюційно консервативні групи генів, які беруть участь в спеціалізації ентодерми, і ряд інших генів, що беруть участь тільки в процесі розвитку шлунково-кишкового тракту хребетних. Епітелій цього тракту формується з ентодерми - одного з ембріональних зародкових листків, що виникають в процесі гаструляції. Дослідження, проведені на таких лабораторних організмах, як круглі черв`яки (грунтові нематоди Caenorhabdilis elegans), плодові мушки (рід Drosophila), африканські шпорцевие жаби (рід Xenopus), акваріумні рибки Danio rerio і лабораторні миші, дозволили встановити деякі основні молекулярні механізми регуляції процесу розвитку ентодерми. Моделювання на лабораторних мишах, у яких було проведено нокаут певних генів для дослідження їх функцій, в даний час розглядається в якості основи для вивчення таких захворювань шлунково-кишкового тракту у людини, як стеноз воротаря, різні атрезії, неперфоровані анус.

спеціалізація ентодерми може бути простежено на самих ранніх стадіях розвитку ембріона. У класичних експериментальних дослідженнях продемонстрована здатність експлантатов курячих ембріонів ще до процесу гаструляції, в культурі, до розвитку шлунково-кишкового тракту, що свідчить про чітку детермінації процесу вже на даному етапі ембріонального розвитку. Ентодерма курячих ембріонів, виділена і поміщена в лабораторних умовах в культуру до формування шлунково-кишкового тракту, характеризується експресією молекулярних маркерів, які повинні в нормі з`явитися in vivo, що свідчить про наявність феномена ранньої спеціалізації.

з`являються докази на підтримку гіпотези, що відмінні риси ентодерми обумовлені функціональної клітинної незалежністю, проте для нормального розвитку органів необхідна тісна взаємодія ентодерми і мезодерми. В даний час на численних лабораторних організмах встановлені цілі групи генів, що сприяють спеціалізації ентодерми. Один клас генів кодує фактори транскрипції, які, в свою чергу, безпосередньо активують гени-мішені. Другий клас генів кодує синтез сигнальних молекул, що забезпечують процес міжклітинної кооперації. Як мінімум кілька факторів транскрипції, які беруть участь в процесі спеціалізації ентодерми, продовжують експресуватися в тканинах ШКТ протягом усієї подальшої його розвитку, наприклад сімейства генів Fox і факторів GATA (сімейство факторів транскрипції, що характеризуються здатністю зв`язуватися з фрагментом дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) і з GATA- послідовністю нуклеотидів).

В регуляції розвитку шлунково-кишкового тракту беруть участь, діючи в строго певний час в різних локусах, сигнальні шляхи, або механізми передачі регуляторних стимулів всередині клітини через певну ланцюг молекул-посередників, представники групи чинників зростання - трансформують фактори росту b в тому числі безпосередньо трансформує фактор росту b (TGF-b ), і білок морфогенезу кісткової тканини (BMP), а також сигнальні шляхи hedgehog (сигнальні системи ссавців, представлені трьома різними білками). Продемонстровано, що фактор транскрипції Sox-17 грає дуже важливу роль у розвитку ентодерми у мишей на ранніх етапах ембріогенезу, проте роль Sox-17 надалі не встановлена. Останнім часом виявлено, що сигнальний шлях Notch (рецепторзавісімий латентний фактор транскрипції, локалізований в клітинній цитоплазмі) також виконує важливу функцію в регуляції розвитку шлунково-кишкового тракту.

До теперішнього часу не вдалося з`ясувати, чи існує «головний ген», Що запускає формування ентодерми і подальший розвиток шлунково-кишкового тракту. При дослідженні деяких тварин моделей встановлені гени, присутність яких є необхідною і в той же час достатньою умовою для формування ентодерми, наприклад ген mixer у шпорцевих жаб. Ген мишей mixl1 грає основну роль в диференціюванні ембріональних клітин в ентодерму. У інших лабораторних тварин виявлені гени, необхідні для забезпечення даного процесу, проте недостатні для формування повноцінної ентодерми.

В дослідженнях на лабораторних тваринах встановлені початкові етапи індукції освіти ентодерми. Ентодерма у мишей формується з передньої частини первинної смужки епібласта. Ключовий регулятор ранніх етапів розвитку ентодерми - nodal-ліганд чинників зростання суперсімейства TGF-b. Nodal експресується в розташованому в бластодерме організаційному центрі або в вузлику первинної борозенки ембріона миші. За відсутності експресії nodal ембріони миші не здатні до гаструляціі або до формування діфінітівной ентодерми. Аналогічно у ембріонів Danio rerio за відсутності експресії гомологів nodal також не утворюється ентодерми. Навпаки, експресія функціонально активних рецепторів до TGF-b сприяє перетворенню ембріональних клітин в ентодерму. Реалізація сигнального шляху TGF здійснюється за допомогою стабільного комплексу проміжних білків Smad.

необхідною для розвитку ентодерми є білок Smad2, і нокаут цього білка призводить до порушення формування ентодерми задньої кишки, а різні мутації в гені, що кодує Smad2, викликають різні аномалії передній / головний кишки. FoxA2 також грає важливу роль в розвитку ентодерми, будучи мішенню сигнального шляху, запущеного фактором nodal через білок Smad2. Smad2 і Smad3 спільно регулюють процес розвитку ентодерми у мишей, надаючи різний вплив на формування передньої кишки і задньої кишки. Крім того, сигнальна система Smad необхідна для розвитку печінки. Основну роль у формуванні печінки відіграє ген Hex, експресія якого відсутня або істотно знижена при порушеній продукції білків Smad.

Встановлено, що ентодерми знаходиться в тісному контакті з мезодермой протягом усього шлунково-кишкового тракту. В експериментальних дослідженнях, виконаних на культурах тканин, було показано, що формування ентодерми і її диференціювання в окремі органи є результат взаємодії мезодерми і ентодерми. Перш за все було показано, що для формування передньозадній осі ентодерми мишей необхідно сигнальне вплив мезодерми на ентодерму допомогою фактора росту фібробластів (FGF).

інші члени сімейства FGF і рецептори до них необхідні для формування печінки. Ще три сімейства генів вкрай необхідні в процесі взаємодії мезодерми і ентодерми - гени, що кодують фактори сигнальних шляхів hedgehog і BMP, гени box.

У грунтової нематоди Caenorhabditis elegans для спеціалізації клітин, з яких розвивається кишковий епітелій, необхідні два гени, що кодують фактори транскрипції GATA, в той час як фактор GATA у плодових мушок роду Drosophila кодується одним геном serpent, наявність якого потрібно для диференціювання кишкової ентодерми. У кишечнику хребетних експрессируются три фактори групи GATA. Передбачається, що в процесах проліферації і диференціювання кишкового епітелію чинники GATA4, -5 і -6 виконують різні функції, однак їх функціональне значення на ранніх етапах розвитку кишкової трубки у ссавців поки не встановлено. Крім факторів GATA, представники сімейства forkhead-related факторів (кодуються генами Fox) і сигнального шляху WNT / Tcf є важливими регуляторами розвитку ентодерми.

У хребетних важливу роль в ініціації формування ентодерми грають представники суперсімейства TGF-b. Молекула цитоскелета ELF3 задіяна в сигнальному шляху через фактори TGF-P, а також необхідна для розвитку ентодерми. За відсутності гена, що кодує ELF3, у мишей повністю відсутня кишкова ентодерми.

численні фактори транскрипції, спочатку вважалися специфічними для формування печінки, грають роль і в розвитку кишечника. При вивченні ембріонів миші було відзначено, що деякі з факторів транскрипції мають характерні патерни експресії, що дозволило припустити їх участь у розвитку кишечника. Наприклад, нуклеарний печінковий фактор (HNF) 3b (зараз відомий як FoxA2) виявився важливим елементом в процесі самих ранніх етапів диференціювання ШКТ і продовжує експресуватися в похідних ентодерми у дорослих. Гомозиготні мутанти з повною відсутністю HNF3b не здатні до формування первинної смужки, що передує утворенню кишкової трубки і ряду інших структур. HNF3b бере участь в утворенні передньої і середньої, але не задньої кишки.

ідентифіковано велике кількість факторів сімейства Fox, деякі з яких характеризуються переважною або специфічної експресією в кишечнику. Один з представників даного сімейства, Foxl1, в нормі експресується кишкової мезодермой і являє собою основний медіатор взаємодії між епітелієм і мезенхимой. Відсутність зазначеного фактора супроводжується патологічною проліферацією епітеліальних клітин і порушенням розвитку кишечника. Цей фактор діє через експресію протеогліканів, які проявляють себе як корецептор до компонентів сигнального шляху WNT, і таким чином активує комплекс WNT / P-катенин, який регулює проліферацію клітин. Група дослідників на чолі з Zaret запропонувала модель, в якій фактори FoxA2 і GATA відкривають ДНК в клітинах ентодерми, забезпечуючи її доступність для подальшого зв`язування з факторами транскрипції, регулюючими клітинно-специфічні гени. Таким чином, ймовірно, при розвитку кишечника численні представники сімейства факторів Fox грають важливу роль в цьому складному процесі, який остаточно не вивчений.

У мишей деякі гени, гомологічні гену caudal у дрозофіл, експресуються виключно в кишечнику. Cdx-1, експресується в кишечнику дорослих організмів, також широко експресується в тканинах ембріона. Інший ген, Cdx-2, експресується в вісцеральної ентодермі на ранніх стадіях ембріонального розвитку, але згодом його патерн експресії обмежений виключно кишечником. Надмірна експресія Cdx-2 призводить до подальшої диференціювання популяції клітин кишечника, які в нормі повинні залишатися недиференційованими. У той же час ектопічна експресія Cdx-2 в стінці шлунка призводить до формування тканини, аналогічної кишечнику. Cdx-2 являє собою важливий фактор диференціювання кишечника, проте до теперішнього часу його роль у формуванні кишкової трубки на ранніх стадіях ембріонального розвитку точно не встановлена.