Установление лево-правой висцеральной асимметрии в эмбриогенезе человека



Позвоночные отчетливо проявляют лево-правую асимметрию в строении и положении внутренних органов. Установление лево-правой асимметрии представлено 2-х этапным процессом асимметричного морфогенеза, включающим потерю билатеральной симметрии и запуск каскада генов, ответственных за реализацию асимметрии. Симметрия нарушается подвижными ресничками, генерирующими асимметричный поток жидкости, в результате чего сигнальный Nodal-Pitx2 путь устанавливается в мезодермальной ткани только с левой стороны. В последнее время был достигнут прогресс в понимании как нарушений эмбриональной лево-правой симметрии, так и того, как Nodal-Pitx2 путь контролирует латерализованную дифференцировку, миграцию и другие аспекты поведения клеток, а также механизмы на тканевом уровне, которые приводят к асимметрии в формировании органов. Правильное выполнение асимметричного органогенеза имеет решающее значение для здоровья, что делает дальнейшее понимание развития асимметрии важной проблемой.

Ключевые слова: лево-правая асимметрия, реснички, Nodal, Pitx2, морфогенез органов.

Индивидуальное развитие организма — это непрерывный процесс, начинающийся с момента образования зиготы и продолжающийся до смерти организма. В основе Индивидуального развития лежит реализация наследственной информации, проявляющейся в структурных и функциональных преобразованиях организма.

В ходе индивидуального развития эмбриона позвоночных последовательно устанавливаются передне-задняя, дорсо-вентральная и лево-правая оси тела. Несмотря на наличие билатеральной симметрии в общем плане строения тела и в организации опорно-двигательного аппарата, позвоночные обладают висцеральной асимметрией, которая генетически контролируется во время эмбрионального развития и определяется последовательностью биофизических процессов, происходящих в определённые временные промежутки.

Изучение механизмов установления асимметричного расположения и морфогенеза имеет важное значение для человека, так как отклонения от нормы влияют на здоровье или даже несовместимы с жизнью. Необходимо как молекулярное понимание взаимодействий, существующих между клетками и внутри них, так и понимание роли физических процессов, таких как поток жидкости и механическая деформация. Детальное представление того, как возникает лево-правосторонняя асимметрия, даст возможность использовать стволовые клетки для создания и регенерации органов. Другие связанные с этим феномены, а именно причины необъяснимой латеральности некоторых видов рака, также требуют дальнейшего изучения.

В практической деятельности врача появляются значительные трудности в обследовании пациентов с транспозицией органов, что связано с большей вероятностью анатомической дезориентировки, так как большинство симптомов будут локализоваться на «неправильной» стороне, а это может повлечь постановку неверного диагноза и выбор некорректного метода лечения заболевания. Асимметрия внутренних органов также усложняет операции по трансплантации, поскольку донором с большой вероятностью является человек с обычным расположением внутренних органов (situs solitus). Поскольку сердце и печень не симметричны, возникают геометрические проблемы при помещении органа в полость, сформированную в зеркальном отображении.

Основная часть

Латеральность внутренних органов- широко распространенная черта в животном царстве. Определение латеральности требует сложного взаимодействия между большим разнообразием молекулярных, клеточных и биофизических процессов, с точным пространственным и временным контролем во время эмбриогенеза. Несмотря на существование некоторых видоспецифических различий, большинство этих процессов эволюционно сохраняются. Было высказано предположение, что наружная симметрия используется в качестве измерения генетической пригодности потенциального партнера при половом отборе, так как раскрывает лежащие в основе фенотипические и генотипические качества и тем самым измеряет стабильность развития. [2]. Асимметрия, в этом отношении, широко рассматривается как дефект. Однако асимметрия также повсеместно встречается в природе. Это колеблется от хиральности биомолекул, до функциональных асимметрий в симметричных структурах, до явных морфологических асимметрий органов. Сердце в конечном итоге приобретает левостороннее положение в грудной полости, правое и левое легкие состоят из различных количеств долей, желудок и поджелудочная железа расположены слева, а печень справа в брюшной полости. Кишечник извивается асимметрично, в то время как мозг проявляет морфологические и функциональные асимметрии [2].

Изучение установления лево-правой асимметрии имеет и важное прикладное значение, так как среди людей встречаются представители с аномалиями установления лево-правой асимметрии органов, примерно у одного на 8000 [1]. У одного новорожденного из 20 000 наблюдается situs inversus — аномалия, при которой происходит полная инверсия внутренних органов относительно сагиттальной плоскости, но работа органов в данном случае скоординирована [1].

Наблюдаются другие типы аномалий, которые могут привести к серьезным проблемам со здоровьем, например, изомеризм (потеря асимметрии), гетеротаксия (потеря согласованности органов), инверсия отдельных органов [1].

Гетеротаксисия встречается примерно в 1 из 10 000 родов, при этом значительно увеличивается частота врожденных пороков сердца, особенно распространены транспозиции магистральных артерий и дефекты межжелудочковой перегородки [1]. Экстракардиальные пороки развития, включая множественные селезенки, срединную печень и внепеченочную билиарную атрезию, также могут присутствовать у пациентов с гетеротаксисом [1].

На ранних стадиях развития в латеральной ткани мезодермы устанавливается лево-правосторонний асимметричный путь («Узловой-Pitx2 путь»). Этот путь активен только с левой стороны, а в последующем сообщает асимметричный морфогенез органов, используя при этом различные молекулярные, клеточные и тканевые механизмы [3].

Происхождение асимметрии и установление узлового пути Pitx2

Установление лево-правой висцеральной асимметрии происходит в 2 этапа:

1. Потеря билатеральной симметрии и перенос сигнала из области гензеновского узелка в мезодерму левой боковой пластинки.
2. Каскад генов ответственных за реализацию асимметрии и асимметричный морфогенез

Основной регулирующий фактор этапа 2 у млекопитающих — экспрессия гена Nodal, продукт которого запускает экспрессию гена Ptx2 в левой части эмбриона, который определяет развитие морфологических признаков левой стороны [4].

У позвоночных лево-правосторонняя асимметрия возникает в переходных структурах средней линии, называемых лево-правыми организаторами (ЛПО), появляющихся на заднем конце нотохорды на ранних стадиях сомита. Вскоре после образования ЛПО, в клетках вокруг появляются асимметрии в экспрессии генов. Реснички, которые выступают из апикальной поверхности клеток, находятся в пределах ЛПО, где они генерируют лево-правосторонние асимметричные потоки жидкости, которые приводят к асимметрии активности сигнальных молекул по периферии организаторов.

Реснички ЛПО расположены на задней стороне клеток и позиционированы таким образом, что имеют задний наклон, который вследствие вращения ресничек по часовой стрелке приводит к неэффективному правостороннему движению вблизи поверхности клетки и эффективному левостороннему движению, приводящему поток жидкости через узел к левой стороне. А асимметричные потоки, в свою очередь, далее способствуют асимметричной экспрессии генов вокруг организаторов; репрессор узлового пути Dand5 понижается на левой стороне и способствует активации левосторонней узловой сигнализации [4].

Асимметрии, возникающие в ЛПО и вокруг него, затем передаются в латеральную (боковую) пластинку мезодермы (ЛПМ), где экспрессия гена, трансформирующего лиганд суперсемейства фактора роста-бета (TGFß), активируется в задней левой ЛПМ. Процесс передачи сигналов на пластинку может происходить по-разному. Во-первых, преобладающие левосторонние Ca 2+ сигналы распространяются латерально за пределы узла и достигают ЛПМ, где способны проходить внутрь клетки. Во-вторых, сам активный узловой лиганд, который вырабатывается в больших количествах на левой стороне, может непосредственно перемещаться в ЛПМ и активировать свою собственную экспрессию. Независимо от этого, сульфатированные гликозаминогликаны (сГАГ), расположенные в базальной мембране между эндодермой и мезодермой, также необходимы для передачи сигнала от ЛПО к ЛПМ. А именно, поток Ca 2+ через клетки приводит к увеличению секреции сГАГ, которые затем способствуют передаче Nodal белка. После инициации узловая активность распространяется по всему левому ЛПМ по механизму аутоактивации, но отсутствует с правой сторон. Узловая сигнализация в левом ЛПМ активирует экспрессию гомеодоменного транскрипционного фактора-кодирующего гена Pitx2, экспрессия которого сохраняется в течение многих часов [5].

Таким образом, асимметричная экспрессия Nodal и Pitx2 чрезвычайно консервативна у всех изученных позвоночных, а также у многих беспозвоночных и влияет на асимметричное развитие нескольких органов. Но структуры, сохраняющие симметрию, такие как сомиты и развивающиеся конечности, должны быть активно защищены от воздействия этого асимметричного пути [6].

Асимметричный морфогенез органов

Узловой путь Pitx2 и другие латерализованные сигналы управляют морфогенезом органов, устанавливают морфологические асимметрии, являются этиологическими факторами врождённых дефектов, эволюционных новшеств, но для большинства органов фаза органогенеза исследована недостаточно. На данный момент изучено развитие кишечника, сердца и мозга.

Кишечник и его производные

Ранняя кишка, разделенная на переднюю, среднюю и заднюю, представляет собой стержневидную трубку эндодермальных клеток. Асимметрии впервые появляются, когда части кишечника смещаются от срединной линии во время петлеобразования кишечника. Эпителиальные клетки ЛПМ, окружающие эндодерму, отталкивают ее влево. Такое асимметричное поведение клеток приводит к перестройке внеклеточного матрикса, что, в дальнейшем, активирует путь Nodal-Pitx2. В частности, по пути миграции клеток ЛПМ ламинин разрушается матричными металлопротеиназами, активность которых регулируется транскрипционным фактором HAND2. Поэтому у HAND2 мутантов петлеобразование не происходит. Таким образом, ламинин и HAND2 необходимы на ранних стадиях формирования лево-правого паттерна для запуска узлового пути во время петлеобразования.

Асимметрия кишечника изучалась на средней кишке куриных и мышиных эмбрионов. Кишечные петли формируются вследствие более быстрого роста кишечника по сравнению с ростом тела. Паттерны петлеобразования зависят от физических сил, возникающих между кишечной трубкой и связанной с ней дорсальной брыжейкой (ДБ). Первоначальная хиральность петлеобразования зависит от асимметрии клеточной архитектуры внутри самой ДБ, которая состоит из правого эпителия и мезенхимы и левого эпителия и мезенхимы [7].

Первоначально, левый и правый эпителиальные слои являются столбчатыми, в то время как внутренняя мезенхима плотно упакована. Pitx2 экспрессируется в левосторонних эпителиальных и мезенхимальных клетках ДБ, так как они являются производными левого ЛПМ. Правосторонний эпителий становится кубовидным, а мезенхима деконденсируется. В результате происходит наклон кишечной трубки в левую сторону и нарушение симметрии. Таким образом, первоначальное отклонение кишки в левую сторону координируется дифференциальным ростом кишки и дорсальной брыжейкой.

Сопоставимую роль в кишечном цикле играет также спланхническая мезодермальная пластинка (СМП)- временная структура в спленопанкреатической области развивающейся кишки, являющаяся частью ЛПМ. Левая сторона СМП пролиферирует больше, чем правая сторона, что приводит к асимметричному её разрастанию. Кроме того, клетки левостороннего эпителия сохраняют столбчатый вид, в то время как эквивалентные клетки справа приобретают мезенхимальные характеристики. Это зависит от Nodal-Pitx2 каскада, а именно от асимметричной экспрессии гена, кодирующего транскрипционный фактор Nkx3–2. Одна из моделей предполагает, что транскрипционный фактор Nkx3–2 индуцирует Fgf10 (фактор роста фибробластов), который передает сигналы дорсальному зачатку поджелудочной железы, инициируя его миграцию в направлении сигнала Fgf с левой стороны, где происходит избыточный рост СМП.

Также представляет интерес формирование морфологической диспропорции между сторонами желудка. Отличительная форма желудка, характеризующаяся более длинной большой кривизной слева и более короткой малой кривизной справа является неотъемлемой частью нормальной функции. Ранее эмбриологи утверждали, что данная диспропорция является результатом эволюционной ротации, в которой якобы увеличенная дорсальная поверхность поворачивается влево, чтобы стать большей кривизной. Однако настоящие исследования утверждают, что кривизна возникает в результате асимметричного роста, при этом Pitx2 экспрессируется только в левой стенке желудка. Количество клеточных слоев эндодермы в левой и правой стенках желудка различно. До кривизны разница отсутствует, однако, по мере появления кривизны, в левой стенке наблюдается меньшее количество слоев.

Таким образом, данные примеры демонстрируют важнейшую роль ткани ЛПМ и ее производных в асимметрии кишечника. Конечная топология пищеварительного тракта является результатом двух процессов нарушения симметрии, опосредованных Pitx2: дисторсия брыжейки, которая асимметрично позиционирует кишечную трубку в полости тела; и асимметричный морфогенез кишки, который формирует различное строение в пределах контралатеральных стенок самой кишки [8].

Сердце и сосуды

Сердце является уникальным примером асимметричного органа с точки зрения расположения в грудной полости, соединения с сосудами и внутреннего строения. Дефекты установления лево-правосторонней асимметрии сердца приводят к врожденным порокам сердца.

Сердце является первым органом, нарушающим симметрию в развивающемся эмбрионе, а начало образования сердечной петли является первым признаком этого события. Сердечная петля включает примитивный желудочек, атриовентрикулярный канал и выходной тракт, которые прогрессивно вращаются и перемещаются вдоль дорсовентральной оси.

Сердечная латеральность также обусловлена сложным взаимодействием лево-правого сигнального пути. Процесс нарушения симметрии происходит в несколько этапов. Клетки-предшественники сердца на стадии симметричного кардиального конуса получают сигнал Nodal от передней левой ЛПМ. Этот сигнал приводит к быстрой миграции левосторонних клеток (0,5 мкм/мин) по сравнению с правосторонними клетками (0,3 мкм/мин). Сердечная трубка изгибается при формировании сердечной петли и формирует свёрнутое сердце, в котором структуры приводятся в их приблизительную окончательную конфигурацию. Начальный изгиб в прямой трубе происходит в сторону брюшной стороны, а спиральный поворот приводит к перегибу трубы с выпуклой поверхностью, направленной вправо. Это первое асимметричное событие в цикле и называется «декстральным (D) циклом». Выполнение правильно латерализованного сердечного цикла зависит от координации асимметричной экспрессии генов и механических сил, как внутренних, так и внешних по отношению к сердцу [10].

Сердце является уникальным примером асимметричного органа с точки зрения расположения в грудной полости, соединения с сосудами и внутреннего строения. Сердце должно генерировать кровоток задолго до образования конечной формы. Хотя сила сокращения и кровоток не требуются для сердечного петлеобразования, потоки жидкости играют роль в развитии артерий жаберных дуг (АЖД). Эмбрионы млекопитающих демонстрируют пять АЖД, важных структур, через которые кровь оттекает из сердца во время развития. Первоначально, система АЖД симметрична. Однако через пять дней у эмбрионов система BAA подвергается обширному лево-правостороннему асимметричному ремоделированию. Четвертая и шестая артерии слева образуют аорту и легочный ствол, а эквивалентные структуры на правой стороне регрессируют. У мутантов Pitx2 правая шестая дуговая артерия сохраняется, а не регрессирует. Однако Pitx2 сам по себе не присутствует в асимметричных артериях, оставляя открытым вопрос о том, как он оказывает свое влияние на асимметричную персистенцию/регрессию АЖД. Отчасти ответ заключается в том, что Pitx2 управляет морфогенезом вторичного кардиогенного поля (ВКП), где он присутствует в левом слое миокарда выходного тракта. Обычно выходной тракт вращается по спирали примерно в 180°, а затем подвергается обратному повороту на 90°, приводимому в действие вращение артериального полюса, который расположен у входа правой шестой АЖД, прилегающей к аорте. Эти движения делают правую шестую АЖД более узкой и Вместе эти результаты подтверждают модель, в которой Pitx2 управляет хиральными вращениями выходного тракта, что приводит к лево-правостороннему асимметричному распределению кровотока; снижение циркуляции справа вызывает снижение сигнального фактора роста и, как следствие, регрессию правой шестой АЖД. Напротив, на левой стороне, более высокие уровни кровотока приводят к персистированию левой шестой АЖД. Таким образом, асимметрия в динамике кровотока, управляемая вышестоящей лево-правосторонней Pitx2 асимметрией, переводит генетическую асимметрию в морфологическую [11].

Мозг

У человека существуют структурные и функциональные асимметрии между полушариями, что также связано с передачей Nodal сигналов, но механизмы того, как они вызывают асимметрию мозга, изучены недостаточно.

В настоящее время наибольший прогресс в понимании истоков возникновения асимметрии головного мозга получен на моделях рыбок данио-рерио, у которых реверсия сторон узловой активности по большому счету обращало вспять морфологические асимметрии мозга, а также некоторые латерализованные формы поведения [12]. В головном мозге рыбок данио асимметрия наиболее выражена в эпиталамусе, который состоит из левого и правого поводков и шишковидного комплекса, который сам состоит из срединно-расположенного эпифиза и левостороннего парапинеального органа (ППО). ППО достигает своего левостороннего положения, мигрируя из положения средней линии во время развития к левому Hb.

Этот процесс включает в себя сигнализацию узловым фактором, выраженным в левой стороне эпителия, и фактором роста фибробластов (ФРФ), выраженным симметрично в поводке. Состояния с симметричным узлом приводят к рандомизированной миграции ППО влево или вправо, поскольку ФРФ может управлять его миграцией. В условиях, где ППО является нестабильным на средней линии из-за двусторонних источников ФРФ, Nodal каким-то образом смещает активность ФРФ, позволяя ППО мигрировать влево. Возможно, что Nodal повышает компетентность левосторонних клеток ППО отвечать на сигналы ФРФ. При отсутствии влияния Nodal, небольшие случайные отклонения в асимметрии ФРФ могут нарушить неустойчивое положение средней линии ППО, вызывая его миграцию влево или вправо случайным образом [13].

Заключение

Установление лево-правой асимметрии — сложно организованный биологический морфогенез, в котором тесным образом сочетаются биохимические и морфогенетические процессы. В течение более чем 20 лет, прошедших с момента первого описания асимметричной экспрессии генов в левой латеральной пластинке мезодермы куриного эмбриона, в понимании молекулярных и клеточных механизмов, приводящих к асимметрии органов, остаются большие пробелы. Большинство позвоночных используют реснично-зависимый способ нарушения симметрии; в этих случаях оценка генной экспрессии узловых каскадных паттернов в латеральной пластинке мезодермы может многое рассказать о лежащих в их основе дефектах. Модель установления лево-правой асимметрии у млекопитающих представляется 2-х этапной схемой асимметричного морфогенеза, включающей потерю билатеральной асимметрии и запуск каскада генов, ответственных за реализацию асимметрии. Каскад реакций происходит с участием генов Nodal в левой боковой пластинке, который приводит к активации экспрессии Ptx2.

Асимметричный морфогенез пищеварительной системы, сердца и мозга включает множество процессов, где роль механических сил имеет решающее значение, начиная от асимметричных потоков жидкости, создаваемых ресничками и нарушающих симметрию внутри лево-правых организаторов, и заканчивая деформациями тканей в результате процессов роста и миграции. Тканевая деформация лежит в основе петлеобразующего морфогенеза — изгиба и спирального свертывания первоначально прямых трубок в различных органах. Кроме того, направленная миграция, приводящая к асимметрии, может происходить и внутри самого органа, а миграция соседних тканевых структур способна дислоцировать близлежащие или связанные трубчатые структуры, чтобы вызвать их асимметрию.

Таким образом, для более полного понимания механизмов установления лево-правой асимметрии у млекопитающих и, в частности, человека, необходимо объединение усилий не только эмбриологов и генетиков, но и биофизиков, математиков, механиков, реологов, структурных биохимиков, кристаллографов и специалистов по компьютерному моделированию. Изучение данного морфогенеза — яркий пример того, насколько тесно генетика и молекулярная биология могут смыкаться с механикой молекулярных машин, непосредственно участвующих в построении морфологических структур.

Литература:

1. Ермаков, А. С. Правая, левая где сторона? Химия и жизнь — XXI век. № 8. — С. 18–21. 2014.
2. Schweickert A., Ott T., Kurz S., Tingler M., Maerker M., Fuhl F., Blum M. Vertebrate left-right asymmetry: What can nodal cascade gene expression patterns tell us? J. Cardiovasc. Devel. Dis., 5(1):1, 2018
3. Capdevila J., Vogan K. J., Tabin C. J., Izpisúa Belmonte J. C. Mechanisms of left-right determination in vertebrates. Cell. 2000; 101:9–21. doi: 10.1016/S0092–8674(00)80619–4.
4. Shiratori H, Yashiro K, Shen MM, Hamada H. Conserved regulation and role of Pitx2 in situs-specific morphogenesis of visceral organs. Development (Cambridge, England) 2006; 133:3015–3025.
5. Shiratori H, Hamada H. TGFbeta signaling in establishing left-right asymmetry. Seminars in cell & developmental biology. 2014;32:80–84.
6. Namigai EK, Kenny NJ, Shimeld SM. Right across the tree of life: the evolution of left-right asymmetry in the Bilateria. Genesis. 2014;52:458–470.
7. Hochgreb-Hagele T, Yin C, Koo DE, Bronner ME, Stainier DY. Laminin beta1a controls distinct steps during the establishment of digestive organ laterality. Development (Cambridge, England) 2013; 140:2734–2745.
8. Welsh IC, Thomsen M, Gludish DW, Alfonso-Parra C, Bai Y, Martin JF, Kurpios NA. Integration of left-right Pitx2 transcription and Wnt signaling drives asymmetric gut morphogenesis via Daam2. Developmental cell. 2013;26:629–644.
9. Ramsdell AF. Left-right asymmetry and congenital cardiac defects: getting to the heart of the matter in vertebrate left-right axis determination. Developmental biology. 2005;288:1–20.
10. Smith KA, Chocron S, von der Hardt S, de Pater E, Soufan A, Bussmann J, Schulte-Merker S, Hammerschmidt M, Bakkers J. Rotation and asymmetric development of the zebrafish heart requires directed migration of cardiac progenitor cells. Developmental cell. 2008;14:287–297.
11. Yashiro K, Shiratori H, Hamada H. Haemodynamics determined by a genetic programme govern asymmetric development of the aortic arch. Nature. 2007;450:285–288.
12. Karlebach G, Francks C. Lateralization of gene expression in human language cortex. Cortex; a journal devoted to the study of the nervous system and behavior. 2015;67:30–36.
13. Gunturkun O, Ocklenburg S. Ontogenesis of Lateralization. Neuron. 2017;94:249–263.