Жүйке тінінің биохимиясы туралы мәлімет

Жүйке тінінің аймақтық ерекшелігі
Ересек жануарларда жүйке жүйесінің әртүрлі салаларының жасушалары олардың атқаратын қызметіне байланысты өзінің фенотипінде елеулі айырмашылықтарға ие. Мишық жасушалары полушарий қабығының жасушаларынан ерекшеленеді, және торлы жасушалардың екі түрі де ерекшеленеді. Даму процесінде осындай жасушалардың әртүрлі фенотиптерінің қалыптасуы қалай жүреді? Басқа жасушалар сияқты, Нейрон фенотипі қандай гендердің, өз кезегінде, транскрипция факторларымен, бір немесе бірнеше гендердің реттеуші аймақтарымен байланысатын және олардың транскрипция процестеріне әсер ететін ақуыздармен бақыланатыны экспрессияланады. Даму транскрипция факторларының дәйекті және иерархиялық экспрессиясымен сипатталады, олардың әрқайсысы кейіннен экспрессияға әсер етеді және жасушаның соңғы фенотипін шектейді.

Сур. 1. Омыртқалы β түрінде артқы мидың дамуы. (А) артқы мидағы ромбомерлердің (r1-r8) сегменттік ұйымдастырылуын бейнелейтін балапанның үш күндік эмбрионының диаграммасы. (В) үш күндік балапанның R1-r7 ромбомерлеріндегі жасушаларды ұйымдастыру Паттерн. Ретикулярлы нейрондар (сол жақта) және брахиомоторлы нейрондар (оң жақта) сегментті қайталанатын паттерн құрайды. Мотонейрондар мен олардың аксондары бас сүйек-ми нервтерін V, VII және IX жұп құрайды.

Омыртқа миындағы жүйке тінінің аймақтық ерекшеліктерін зерттеуге эмбрион жасушаларының орналасуын және дифференцировкасының орналасуына байланысты дрозофиланың жеміс шыбыны гендерінің гомологтары ашылды. Бұл гендер омыртқалы гендермен ұқсас болды және жиі ұқсас функцияларды орындайды. Осы гендердің көпшілігі транскрипция факторларын кодтайды.

Сур. 2. Омыртқаның артқы миындағы R1-ден r8-ге дейінгі ромбомерлерде гендердің сегменттік экспрессиясы. Сұр жолақтар гендердің экспрессиясы болатын ромбомерлерді көрсетеді; қара жолақтар экспрессияның жоғары деңгейін көрсетеді. Транскрипцияның ерте факторлары, Eph тұқымдас тирозинкиназаның және оның лигандасының рецепторы ромбомерлердің сегменттік паттернін құрайды Нох гомеобоксикалық гендерінің тұқымдастығы сегментке байланысты әрбір ромбомер шегінде жасушалардың тағдырын анықтайды. Деректер балапандар мен тіндердің эмбриондарында алынды.

Гомеотикалық гендер және сегменттеу
Омыртқаның артқы миын зерттеу нәтижелері сонша әртүрлі жануарлардың гендерінің қызмет етуінде осындай ұқсастықтың таңғажайып мысалы болып табылады. Омыртқаның барлық миына қарағанда, эмбрионның артқы миы (rhombencephalon) нақты сегменттік құрылымы бар. Оның әрбір сегменті нервтік дифференциалаудың жалпы паттернасын көрсетеді, алайда сегменттен сегментке дифференциалаудың өз ерекшеліктері бар (сурет. 1). Бірнеше гендер анықталды, экспрессия патенттері ерте даму сатыларында артқы ми сегменттерінің шекарасымен корреляцияланады (сурет. 2). Бұл гендер екі санатқа бөлінеді:

(1) бірінші санаттағы гендер қайталанатын сегменттік бірліктерден тұратын жалпы құрылымды құруда рөл атқарады. Бұл топтың кейбір гендері транскрипция факторларын кодтайды (kreisler, Krox-20), басқалары тирозинкиназа рецепторын (Sek-4 бойынша Sek-l) немесе оның лиганды (Elf-2) кодтайды. (Тирозинкиназаның рецепторы трансмембранды ақуыз болып табылады, оның жасушаішілік домен, тирозинкиназаның ферменті болып табылады, лиганды жасушадан тыс доменмен байланыстыру кезінде белсендіріледі.)

(2) екінші санат әрбір сегменттің тағдырын анықтайтын гендерден тұрады. Бұл гендер гендердің Нохының жоғары консервативті отбасын құрайды.

Гендердің мұрын қасиеттері алғаш рет гомеостазды реттейтін дрозофилада сипатталған. Гомеотикалық гендер даму кезінде көптеген басқа гендердің экспрессиясын үйлестіретін басқарушы гендер болып табылады. Мысалы, дрозофиладағы мұрын тұқымдас гомеотикалық гендерді мутациялау дененің бір бөлігінің екіншісімен ауыстырылуына әкеледі; осылайша антенна орнында аяғы дамуы мүмкін. Гомеотикалық Гендер ДНҚ консервативті кезектілігі, гомеобокс бар. Гомеобокс 60 амин қышқылдарының тізбегін кодтайды, олар бағынышты гендер сериясының ДНҚ белгілі бір тізбектілігімен байланыстырады. Әрбір гомеотикалық ген, осылайша, эмбрионның бір сегментінің құрылысын бірге анықтайтын гендердің көп санының экспрессиясын үйлестіреді.

Мұрын тұқымдас гендер экспрессиясының сегментарлы паттерны балапандар мен кеміргіштердің артқы миында байқалады, бұл бізге гендер мұрын омыртқалы даму процесін реттейтін гомеотикалық гендердің басқарушылар рөлін атқара алады және эмбрионның артқы миының белгілі бір салаларында рострокаудальды осьтің белгілі бір құрылымдарын құру. Трансплантация, белгілі бір гендер мен эктопиялық экспрессияны өшіру кезінде алынған деректер осы идеялармен келісіледі. Қосымша дәлел адамда ОЖЖ белгілі бір салаларында өзгерістерге әкелетін гендердің мұрындарының мутациясын және басқа гомеобоксикалық гендерді зерттеу болып табылады.

Келесі айқын сұрақ: гендердің мұрын экспрессиясының паттернін не анықтайды? Жауап, өте ішінара, ретиной қышқылының градиенті. Ретиной қышқылы гензен түйінінде өндіріледі, ол құстар мен омыртқалы эмбриондарда Шпемандық ұйымдастырушы (Spemann organizer) деп аталады (күріш. 3). Бірақ ретиной қышқылы тек гендердің барлық мұрындарының транскрипциясын белсендіріп қана қоймай: Ретиной қышқылына түрлі мұрын гендерінің сезімталдығының жүйелі айырмашылығы сипатталған. Осылайша, Гензен түйінінен ретиной қышқылының диффузиясы мидағы рострокаудальдық бағытта әртүрлі hax гендердің реттелген экспрессиясында үлкен рөл атқаратын градиентті қалыптастыруға ықпал етеді.

Хорда және базальды пластинка
Омыртқаның жүйке жүйесінің құрылысы мен функциялануы дорзовентті және рострокаудальды бағытта өзгереді. Мысалы, базальды пластина (floor plate) деп аталатын арнайы глиаль жасушаларының жолақтары жұлынның вентральды бетінің бойымен орта сызықта орналасқан. Нерв түтігінің көршілес, латеральды орналасқан базальялық аймақтары мотонейрондарды құрайды, неғұрлым дорзальды аймақтар интернейрондарға бастау береді және ең дорзальды аймақтар жүйке тарағын құрайды.

Негізгі пластинканың дифференциялануы және мотонейрондардың түзілуі сияқты вентральды Хорданың тән қасиеттері жұлын миының сигналымен (notochord) реттеледі. Осылайша, егер эмбрионға жүйке түтікшесінің жанында бір хорды салса, онда бұл екінші базальды пластинканың және екінші мотонейронның қалыптасуына алып келеді (сурет. 3) Егер эмбрионда хорды алып тастаса, онда мотонейрондар да, базальды пластинка да қалыптаспайды.

Негізгі пластина мен мотонейрондар жасушаларының қалыптасуын басқаратын Хорданың сигналдары-Sonic hedgehog24 генінің транскрипциясының өнімдері). Sonic hedgehog ақуызы Хорданың жасушаларымен (сондай-ақ базальды пластинканың жасушаларымен) синтезделеді, олардың беттеріне шоғырланады және көрші жасушаларға диффундирлейді. Хорданың бетінде Sonic hedgehog жоғары деңгейі жүйке түтігі жасушаларының базальдық пластина жасушаларының қалыптасуына әкеледі. Төмен деңгей гомеотикалық геннің (Mkx-2.2) экспрессиясына әкеледі, бұл висцеральды мотонейрондарға жасушалардың дамуын тудырады. Sonic hedgehog одан да төмен деңгейі Nkx-2.2 экспрессиясын тежейтін Рах-6 транскрипциясын тудырады, бұл жасушалардың негізгі жолы бойынша дамуына және соматикалық мотонейрондарға айналуына мүмкіндік береді.

Аймақтық саралаудың жалпы схемасы
Транскрипция факторларының бойрокаудальды және дорзовентальды градиенттері ОЖЖ шегінде жасушалардың жергілікті идентификациясын анықтайды. Бұл факторлар эмбрионның қай жерде экспрессирленуіне байланысты өте әртүрлі қасиеттердің дамуына әкелуі мүмкін. Мысалы, Sonic hedgehog ақуызы жұлынның мотонейрондарының, артқы мидың алдыңғы бөлігіндегі серотонинергиялық нейрондардың, артқы мидың артқы бөлігіндегі дофаминергиялық нейрондардың, орта мидың алдыңғы бөлігіндегі көз қозғағыш нейрондардың пайда болуына алып, рострокаудальдық ось бойымен вентральды фенотипін анықтайды. Транскрипцияның басқа да факторлары (ВМР-4 және ВМР-7) дорзальдік фенотипа30 пайда болуына әкеледі). Жалпы ереже-плюрипотентті клетканың дамуының мүмкін жолдары дамыған жүйке жүйесінің белгілі бір аймағында бірінші кезекте оның алдыңғы оське қатысты жағдайымен шектеледі, мысалы, гендердің мұрын экспрессиясы арқылы (сурет. 23.9)31). Ықтимал жасушалық фенотиптер одан әрі Sonic hedgedog сияқты делдалдардың көмегімен орта желі бойынша дорзовенттік жағдайды ескере отырып шектеледі.

Сур. 3. Жұлын миының дамуы кезінде базальды пластинканың және қозғалыс нейрондарының индукцияланған хорды түзілуі. (А және В) базальды пластинканың жасушаларына антиденелердің көмегімен ерекше бояу (F). (А) балапанның қалыпты эмбрионы. (В) екінші Хорданың клеткаларын қосу (N) екінші базальды пластинканың пайда болуын тудырады. (С және D) базальды пластинканың жасушаларына, қозғалыс нейрондарына және жұлын ганглийдің афференттеріне антиденелердің көмегімен ерекше бояу. (С) қалыпты эмбрион. (D) базальды пластинка клеткасының хорды және қозғалтқыш пластинкасын алып тастағанда жоқ, ал жұлын ганглийдің жасушалары (D) ерекше вентральды жағдайға ие. Әдетте жұлынның вентральды бөлігінің құрамында жүретін сенсорлық интернейрондардың аксондары қазір жұлын миынан (стрелка) шығатын талшықтардың шоғырын қалыптастырады.

Нейрондар мен гли жасушаларының пайда болуы
Жасушалар арасындағы омыртқалы индукциялық өзара әрекеттесуде олардың тағдырын анықтауда маңызды рөл атқарады. Қарапайым организмдерде жасушаның тағдыры оның шығу тегі негізінде дербес анықталуы мүмкін.

Қарапайым нерв жүйелеріндегі жасушалардың пайда болуы және индукциялық өзара әрекеттесуі
Жасушалардың пайда болуы қарапайым Омыртқасыздардың мысалында жақсы зерттелген, мысалы, пиявка, шегіртке, жеміс шыбыны және кішкентай нематод Caenorhabditis elegans. Бұл препараттарда әрбір жасушаның дамуын қадағалауға және мембрананың қасиеттері, трансмиттерлер, аксондардың өсуі және олардың тармақталуы сияқты сипаттамалардың қалыптасуын зерттеуге болады. Elegans, құрамында 300 Нейрон бар, эмбрион соншалықты кішкентай және мөлдір, бұл әрбір Нейронды анықтауға және микроскоптың көмегімен оның жұмысын бақылауға болады. Альтернативті тәсіл жеке жасушаларды таңбалау және олардың жасушаларының қандай түрлері алынатынын анықтау болуы мүмкін. Мұндай талдау Вайсблат, стент және олардың әріптестері үшін пиявка эмбриондары үшін алғаш рет ұсынылған талдау, флуоресцентті декстран немесе хрен пероксидазының ферменті (HPR) сияқты жасушаішілік маркерлерді жеке клеткаларға енгізу және осылайша одан әрі ұрпағын немесе тірі эмбрионды зерттеу, немесе фермент орналасқан жасушаларды көруге болатын эмбрионды бояғаннан кейін қамтиды. ДНҚ-ның комплементарлық тізбектерін енгізу, флуоресцентті ақуыздың гендерін кодтау немесе осы протеинді экспрессиялайтын трансгендік жануарларды жасау арқылы салыстырмалы эксперименттер жүргізуге болады.

Сур. 4. Омыртқаның артқы миындағы кеңістіктік ақпарат координаттары жүйесі, екі кезеңде орнатылған. (А) алдымен hox генінің экспрессиясы бойынша рострокаудаль позициясы анықталады. (В) осыдан кейін дорзовентральды позиция Sonic Hedgehog және BMP 4/7 сияқты орта сызық сигналдарының градиенттерімен анықталады. (С) кеңістіктік ақпарат координаталарының екі өлшемді жүйесі плюрипотентті жасушалардың клеткалық саралаудың ықтимал репертуарын шектейді.

Мұндай эксперименттер қарапайым омыртқасыздарда жасушаларды бөлу мен саралауда белгілі бір тізбекті ойнату мүмкін екенін көрсетеді. Осылайша, лазер сәулесін пайдалана отырып, бұл қалған жасушалардың тағдырына қалай әсер ететінін қадағалау мақсатында жеке сәйкестендірілген жасушалардың өлімін тудыруға болады. Көп жағдайда выжившие жасушалары елемейді жоғалуына көршіміз, оларды дамыту айқындалған дербес негізінде қай жасушалық желісі, олар тиесілі. Мұндай жасушаларда гендер экспрессиясы бастапқыда олардың цитоплазмасында немесе ядросында болатын және тәуелсіз жасушаішілік сигналдарды білдіретін факторлармен анықталады. Басқа жағдайларда, дегенмен, көршісін жоғалту тірі жасушалардың тағдырына әсер етуі мүмкін. Осылайша, тіпті жасушалардың бөлінуінің қатаң белгілі бір патенттері бар жануарларда да, олардың одан әрі дамуы индукциялық өзара іс-қимылдарға байланысты өзгеруі мүмкін.

Дрозофила көзінің дамуы кезіндегі индукциялық өзара іс-қимыл
Күрделі көздің стереотипті дамуы дрозофиланың тағы бір жүйесін білдіреді, онда жеке жасушаларды сәйкестендіру және олардың одан әрі дамуын қадағалау үшін тікелей бақылау болуы мүмкін. Сонымен қатар, дрозофиланың генетикасы жасушалардың пайда болуының ролін және жүйке тіндерін дифференциялауда олардың арасындағы индукциялық өзара әрекеттесуді бағалауға үлкен мүмкіндік береді. Белгілі бір жасушалық түрі жоқ немесе саралау паттері аз ғана бұзылған мутанттардың бөлінуі мүмкін, бұл олардың қалған жасушалардың тағдырына әсерін анықтауға мүмкіндік береді.

Сур. 4. Дрозофиладағы фоторецепторлы жасушалардың дамуын реттейтін индукциялық өзара әрекеттесулер. (А) дрозофиланың күрделі көзінің Сканограммасы. Әрбір фасетка-бір омматид. (В) әрбір омматидиядағы сегіз фоторецепторды дифференциялаудың қалыпты дамуы. Seven / ess (sev— ) және bride of seven (boss ) мутациялар R7 дифференциалын бұзады. (С)R7 дифференцировкасын реттейтін сигналдық каскадтар. Өнім boss гена, интегралдық мембраналық ақуыз, экслрессируемый » R8 (Boss), қосса өнім гена sev, жүрдім тирозинкиназы (SevRTK). Sev киназа бірнеше нысаны бар MAP киназаны белсендіретін жасушаішілік сигнал каскадын іске қосады. MAP киназа фосфорилирует протеин Van (ол басқаша блокировал дифференцировку) келтіріп, оны ыдырауға. MAP киназа сондай-ақ екінші протеинмен бірге Phyl ақуызының экспрессиясын тудырады, Sina, ttk88 ttk88 транскрипция факторының ыдырауына әкеледі нервтік саралауды болдырмайды. MAP киназа сондай-ақ pntp2 және АР-1 белсендіреді, нейрондық саралауға ықпал ететін транскрипцияның екі факторы.

Мұндай техника Бензер, Реди, Рубин, Толимсон, Цирупски және олардың әріптестерінің эксперименттерінде қолданылған. Дрозофиланың көзі омматидия деп аталатын қайталанатын бірліктердің кристаллободобтық жиынтығынан тұрады (сурет. 4A), олардың әрқайсысында 8 фоторецептор (R1-R8) бар. Әрбір омматидияда дифференциялаудың басталуын анықтайтын бірінші тор, R8 фоторецепторлардың бірі болып табылады. R8 жасушалары нейроэпителия аймағында хаотично пайда болады. R8 жасушасын саралау басталғаннан кейін, бұл R8 жасушасында оның көршілерінің дифференцировкасын тежеуге әкеледі. Содан кейін дифференияға R2 және R5 жасушалары ұшырайды, содан кейін R4, R1 және R6 және соңында R7 (сурет. 4В). R7 түзілмеуінен басқа, көз қалыпты дамитын екі мутантты сызық анықталды (сурет. 4В). Мұндай желілер sevenless (sev—) және brideof-sevenless (boss—) деп аталды. Осы мутантты желілерді егжей-тегжейлі зерттеу кезінде жасушалар арасындағы индукциялық өзара әрекеттесу жасушалардың одан әрі дамуына әсер етуі мүмкін молекулалық механизмдер алғаш рет зерттелді. Ген sevenless кодирует рецепторлардың (деп аталатын Sevenless, немесе Sev), өнім экспрессиясын bride-of-sevenless гена, аталған Boss болып табылады лигандом. Даму кезінде R8 R7 білімін индукциялайды. Бұл R8 клеткасының бетінде экспрессирленетін Boss R7 торында орналасқан Sev байланысқан кезде орын алады (сурет. 4С). Boss мен Sev арасындағы өзара іс-қимыл R7 торындағы сигналдық каскадты бастамашы тирозинкиназаны Sev рецепторының жасушаішілік доменін белсендіреді. Сигналдық каскад күрделі жол болып табылады, ол протеинкиназ (ақуыздарды фосфорлайтын ферменттер) сериясын дәйекті белсендіруді қамтиды, бұл теріс әсерді тежеуге, сондай-ақ R7 гендерінің экспрессиясына оң әсерді арттыруға әкеледі. Гендердің эспрессиясындағы өзгерістерге әкелетін сигналдардың көп саны бұл жасушалық каскадтарды басқаратын тирозинкиназа арқылы жүзеге асырылады.

Сүтқоректілердің ОЖЖ-да жасушалардың пайда болуы
Сүтқоректілердің ОЖЖ-да жасушалардың даму кезектілігін зерттеу қиын, себебі жеке жасушаларды анықтау және бояумен толтыру қиын. Зерттеудің сәтті әдістемелерімен мұнда химиялық Жануарлар — эмбриондар мен ересектерде генетикалық белгіленген жасушалардың даму жолдарын карталау, сондай-ақ арнайы құрылған вирустармен дамушы жануарлардың ОЖЖ жасушаларын жұқтыруды көрсетті (сурет. 5). Мұндай вирустар жасушаның иесі-хромосомаларының құрамына перманентті түрде қосылатындай етіп құрастырылған, Жасушаның бөлінуі кезінде репликацияланады, демек, осы жасушаның ұрпақтарына беріледі. Осылайша, вирустағы ақпарат жасушаларды бөлу кезінде азаймайды. Вирустың болуы, содан кейін ол кодтайтын ақуызды пайдалана отырып, жасушалардың кез келген даму сатысында табылуы мүмкін. Бастапқыда жұқтырылған жасушалардың саны аз болған жағдайда, бұдан әрі осы ақуызды қамтитын жасушалардың кластері бұрын жұқтырылған жасушаның клоны, ұрпағы болып табылады деген қорытынды жасауға болады.

Мысалы, мұндай вирус жаңа туған егеуқұйрықтың көзіне енгізілген кезде, ал тор қабығы ересек жаста зерттелген кезде, ақуыз балшық жасушалары мен нейрондардың бірнеше түрлері болған. Осылайша, жалпы жасуша-тор қабатындағы ізашары бөлу кезінде нейрональды және балшық жасушаларын құрайды.

Сүйкімділіктен немесе дрозофиладан айырмашылығы кеміргіштердің торларында бір жасушаның бірнеше түрлі нейрондарды түзетін жасушалардың дамуының ерекше реттілігі жоқ. Бұл жағдайда, бәлкім, тор-предшественник қоршаған ортада сыртқы сигналдар мен сигналдарға жауап беру туралы кейбір ішкі ақпарат (intrinsic competence) бар. Бұл сигналдар уақытпен өзгереді, бұл әр түрлі жасушалардың дәйекті қалыптасуына әкеледі. Екінші жағынан, мұндай эксперименттер үлкен жарты шарда, балшық жасушалары және нейрондар бар клондар өте сирек болды. Бұл жұқтыру кезінде балшық және жүйке жасушалары жасушаларының жекелеген популяциялары қабықтың вентрикулярлы аймағында қалыптасты деп пайымдауға негіз береді. Сонымен қатар, клондар көбінесе тек қана пирамидалық немесе пирамидтік емес жасушалар бар, бұл екі сызықтың арасындағы бөліну нейрогенездің ерте кезеңінде орын алатынын көрсетеді.

Сур. 5. Бір клонның жасушалары егеуқұйрықтың торына ретровирустық маркерлерді енгізу арқылы белгіленеді. (А) бета-галактозидазаны кодтайтын Ретровирус ерте даму кезеңінде торлы және пигментті эпителий арасында көзге енгізілді, бұл тор жасушаларының бірнеше ізашарының зақымдануына әкелді. (В) ересектердің торлы қабығын бета галактозидазаға гистохимиялық реакцияның көмегімен бояу белгі бар және бір жасуша-ізашардың ұрпақтары болып табылатын кластерлерді анықтайды. Клонның бейнесі 5 таяқшаны (г), бір биполярлы торды (bp) қамтиды.)

Жоғарыда айтылғандарды түйіндей отырып, қарапайым ағзалардың жүйке жүйесінде жасушаның одан әрі дамуының ықтимал спектрі (lineage history) оның даму әлеуетін шектейді. Қиын жануарлардың ОЖЖ-да жасушаның даму бағытында ерекше рөл атқаратын жасушалар арасындағы индукциялық өзара іс-қимыл бар. Сидней Брендердің жақсы танымал және ұшқындық ұқсастығында клетканың дамуының екі жолдарын сипаттады «американдық жоспар» және «еуропалық жоспар»: «еуропалық бойынша» сен кім (қандай нейрон), сіздің ата-бабаларың анықталады; «американдық бойынша» бұл сіздің көршілеріңізбен анықталады.