THE FORMATION OF POPULATIONS OF NEURONS AND GLIA IN THE PRE AND POSTNATAL DEVELOPMENT OF THE CNS OF VERTEBRATES

Full Text

Исследования формирования ЦНС позвоночных животных и человека как в эмбриональный, так и в постнатальный периоды развития, привели в последние годы к существенным изменениям в понимании процессов происхождения и формирования популяций нейронов и клеток нейроглии в мозгу. Оказалось, что они обладают достаточной степенью гетерогенности как по источникам развития, так и по времени формирования [5, 6, 10, 13, 33]. В настоящей работе представлены краткий обзор собственных исследований и данных литературы о проблемах пре-и постнатального развития нервной системы позвоночных животных. Развитие нейронных и нейроглиальных популяций в пренатальный период развития нервной системы. Исходным источником развития первых популяций нейронов и нейроглии являются нейрональные стволовые клетки (НСК), развивающиеся из нейроэктодермы. В процессе ее формирования на клетки зародышевой эктодермы действуют большое количество сигнальных молекул, в частности хордин (chordin), ноггин (noggin) и фоллистатин (follistatin), синтезированных клетками окружающих эмбриональных зачатков (например хорды) и индуцирующих процесс образования будущих НСК [10]. НСК в стенке формирующейся нервной трубки активно делятся и в процессе прохождения клеточного цикла претерпевают сложные превращения, связанные с последовательным перемещением ядра клетки по отросткам, получившее наименование интеркинетическая ядерная миграция. В результате формируется одно из первых структурных образований развивающейся стенки нервной трубки - вентрикулярный слой или зона (VZ). В этом периоде развития наиболее важным является действие фактора SHH (sonic hedgehog), секретируемого клетками хорды и направляющего дифференцировку НСК в сторону дифферона нейронов и одновременно регулирующего развитие вентральных отделов (базальная пластин ка) нервной трубки. Формирование дорсальной части нервной трубки (крыловидная пластинка) контролируют белки из семейства BMP (bone morphogenetic proteins - костный морфогенетический белок), секретируемые клетками эктодермы, и ряд других факторов: транскрипционные факторы - Pax 3, 4, 6; фактор роста фибробластов - FGF8; нейротрофический фактор глии - GDNF; нейротрофические факторы мозга - BDNF, NT3,4 и ряд других [1, 2, 5, 12, 14]. В этой группе факторов особо следует отметить регуляторные белки из отмеченного выше семейства BMP. Воздействуя на клетки через специфические рецепторы (BMPR), они влияют на разнообразные процессы в развивающемся мозге: пролиферацию, миграцию и дифференцировку НСК и их потомков, а также определяют градиент ростро-каудального и дорсовентрального развития нервной трубки и всей нервной системы [18, 32]. Большое значение для судьбы НСК имеют цитокины из семейства IL-6, включающие цилиарный нейротрофический фактор (CNTF), лейкемический ингибиторный фактор (LIF), кардиотропин-1 (CT-1) и др. Индукция экспрессии CNTF, LIF и CT-1 в раннем эмбриональном периоде приводит к преждевременному образованию нейроглиальных клеток. Другие сигнальные молекулы и их каскады (LIF, Delta-Notch, семейство генов bHLH - ngn1, ngn2, Mash1) также ответственны за раннюю дифференцировку нейронов, переключая стволовые клетки на путь нейроно-или глиогенеза [2, 10, 19, 22]. Таким образом, ясно, что на ранних этапах развития нервной системы действуют целый ряд регуляторных факторов и их сигнальных каскадов, направляющих дифференцировку НСК в сторону либо нейроно-, либо глиогенеза. Развитие нейронов и их предшественников в ранний период развития нервной трубки. Структура формирующегося в стенке нервной трубки VZ и несколько позднее - субвентрикулярного слоя (SVZ) неоднородна. В зависимости от присутствия у клеток вентрикулярного слоя отростков и характера их контакта с поверхностями стенки нервной трубки выделяют три класса нейрогенных клеток-предшественников: монополярные, биполярные и неполярные. Биполярные клетки-предшественники представляют собой либо первичные НСК, либо клетки-предшественники - радиальная глия (RG), в которую превращаются часть НСК на самых ранних этапах эмбриогенеза. Отличительной особенностью последних является наличие длинных отростков, контактирующих с апикальной и базальной поверхностями стенки нервной трубки. Интеркинетические перемещения ядра происходят по этим отросткам и заканчиваются митозом у апикальной поверхности (отсюда их название - апикальные предшественники - АР). Еще одной характерной особенностью АР является наличие на апикальном полюсе ресничек, внедряющихся в просвет канала нервной трубки и формирующихся позднее мозговых желудочков. Показано, что реснички играют роль рецептора, воспринимающего разнообразные молекулярные сигналы - IGF, SHH, Wnt, поступающие из мозговой жидкости, и являются важным звеном в регуляции миграции и дифференцировки клеток-предшественников нейронов и нейроглии [2, 6, 12-14, 32]. Монополярные клетки-предшественники появляются на стадии формирования SVZ, содержащего, как и VZ, популяцию НСК. Митозы происходят как в VZ, так и в SVZ. Ядра этих клеток также претерпевают интеркинетические перемещения по цитоплазме их отростков, однако в процессе клеточного цикла апикальные или базальные отростки могут терять связь с соответствующей поверхностью стенки нервной трубки и формирующихся мозговых пузырей. Монополярные клеткипредшественники являются, по сути, еще одной разновидностью AP, сохраняя во многом признаки клеток RG, о чем свидетельствует экспрессия в них транскрипционного фактора Рах6, нестина и астроцитарных маркеров GLAST, BLBP и GFAP. Во внутренних слоях SVZ были обнаружены неполярные клетки-предшественники, получившие название базальные предшественники (ВР). Характерной чертой этих клеток является ретракция отростков перед митозом и потеря их контакта с апикальной и базальной поверхностью стенки мозга. Сами митозы проходят в толще SVZ. В ряде работ эти клетки получили еще одно наименование - промежуточные нейроно/глиальные предшественники (IPC). Дальнейшая судьба популяций AP и BP зависит от типа митоза (симметричного или асимметричного), в который вступают эти клетки в последующие периоды развития мозга (таблица). Фактически мы имеем дело с двумя путями образования нейронов и нейроглии в развивающемся мозге. Это путь прямого нейроно/глиогенеза, когда источником нейро/глиобластов являются непосредственно НСК или RG, т. е. апикальные предшественники с моно-или биполярной морфологией, и путь непрямого нейроно/глиогенеза, когда источником нейро/глиобластов служат промежуточные базальные предшественники. Непрямой путь нейроногенеза может выступать в роли быстрого увеличения количества нейронов/ клеток нейроглии в условиях ограниченного времени (каждое асимметричное деление через стадию промежуточного предшественника может давать 2-4 нейрона/нейроглиальных клеток). Эти данные позволили сделать ряд заключений, существенно дополняющих прежние представления о раннем развитии мозга и процессах нейроно/глиогенеза: в период эмбрионального развития популяция нейронов, а также нейроглиальных клеток формируется из разных источников: в начальные этапы эмбрионального развития - из НСК нейрогенного эпителия за счет вертикальной миграции в стенке мозга, а ближе к рождению - из их более поздних потомков - клеток так называемых RG и IPC; клетки RG (в зависимости от типа деления) могут продуцировать не только клеткипредшественники нейронов или нейроглии, но и напрямую постмитотические нейроны/нейроглиальные клетки, составляющие в дальнейшем большую часть популяции нейронов и нейроглии мозга; помимо радиальной миграции, в ряде отделов формирующегося мозга (например в коре больших полушарий конечного мозга млекопитающих) пополнение популяции нейронов происходит за счет тангенциальной миграции нейробластов из нейрогенных зон, часто расположенных на большом удалении от данного участка мозга; на пролиферацию и дифференцировку нейрональных и нейроглиальных клетокпредшественников действует большое количество разнообразных ростовых, нейротрофических и транскрипционных факторов; разделение нейроглиальных клетокпредшественников на две линии (астроцитарную и олигодендроцитарную) происходит на ранних этапах эмбрионального периода. Ряд внутренних и внешних факторов направляют дифференцировку клеток-предшественников в ту или иную линию развития; астроциты дифференцируются раньше (основная их масса образуется из клеток-предшественников RG в течение всего периода эмбрионального развития), тогда как олигодендроциты развиваются из предшественников на более поздних этапах пренатального развития (в пренатальный и начале постнатального периода развития), что связано с процессом миелинизации нервных проводников [2, 22, 26, 35]. Особенности нейроногенеза в ЦНС позвоночных животных. В настоящее время установлено, что в структурах мозга позвоночных животных и человека в течение длительного времени после рождения сохраняются участки нейрогенной активности [5, 7, 20, 23, 24, 27]. У млекопитающих они обнаружены в SVZ в районе латеральных мозговых желудочков полушарий конечного мозга и SGZ гиппокампа. SVZ образован несколькими слоями клеток (от 2 до 5), в составе которых выделяют несколько типов клеток. Клетки типа А представляют собой незрелые нейроны (мигрирующие нейробласты), формирующие небольшие скопления вблизи поверхности желудочка. Эти клетки имеют округлое или овальное тело и, как правило, 2 коротких отростка, направленных к просвету желудочка и поверхности мозга. Данные клетки контактируют с соседними астроцитами и обладают способностью к тангенциальной миграции вдоль SVZ. Специфическими мембранными маркерами данного типа клеток являются молекулы межклеточной адгезии (PSA-NCAM) и мембранный маркер Dcх (doublecortin). Они также экспрессируют транскрипционный фактор Dlx2, характерный для клеток-предшественников. Клетки типа В (клетки-предшественники) находятся в тесном контакте с эпендимой, имеют довольно крупный размер и часто образуют небольшие скопления рядом с группами клеток типа А. В цитоплазме обнаруживаются большое количество промежуточных филаментов (ГКФБ, виментин, десмин). Обычно В-клетки контактируют с полостью желудочка и имеют ресничку. Полагают, что ресничка имеет важное значение в регуляции пролиферации этих клеток и их дальнейшей дифференцировки, являясь местом рецепции сигнальных молекул из ликвора (например, Shh). У млекопитающих выделяют 2 субпопуляции В-клеток: В1-клетки, как полагают, являются потомками клеток RG - клеток-предшественников нейронов и нейроглии как в эмбриональный, так и в постнатальный периоды [1, 3, 15, 21], аВ2-клетки имеют признаки, типичные для зрелых астроцитов (наличие ГКФБ и мембранного маркера CD133). Клетки С-типа (промежуточные посредники) находятся в тесном контакте с А-клетками и также разделяются на 2 субпопуляции: С-клетки с большим количеством глиофиламентов и рибосом рассматриваются как В-Спромежуточный подтип, а клетки со светлой цитоплазмой и меньшим количеством микротрубочек и рибосом - как С-А-промежуточный подтип. Клетки С-типа экспрессируют маркеры Mash1, EGFR и транскрипционный фактор Dlx2, но никогда не имеют маркера, характерного для нейробластов (PSA-NCAM). Таким образом, данный тип клеток следует рассматривать как промежуточную (транзиторную) стадию дифференцировки между клетками В-иА-типа. Клетки Е-типа (эпендимные клетки) выстилают полость латерального мозгового желудочка, имеют кубическую форму и несут на апикальной поверхности реснички и микроворсинки. Иммунологически эпендимные клетки характеризуются наличием виментина, белка S-100 и мембранного антигена СD-24. Эпендимные клетки сохраняют способность к делению, и ряд авторов рассматривают их как клетки-предшественники нейронов [5, 20, 24]. В SGZ зубчатой фасции гиппокампа также выявляют несколько типов клеток, образующих нейрогенную зону. Во-первых, это нейрональные клетки-предшественники (клетки I типа), имеющие многие признаки радиальной глии (ГКФБ, нестин, Sox1, Sox 2, GLAST, BLBP, ароматаза В и др.) и являющиеся ее прямыми потомками. Эти клетки способны образовывать не только нейроны, но также астроциты и олигодендроциты, являясь, по сути, мультипотентными стволовыми клетками [7, 15, 23, 35]. Во-вторых - промежуточные посредники (клетки II типа), которые подразделяются на типы IIa и IIb, что отражает процесс перехода от глиоподобных клетокпредшественников к клеткам, имеющим признаки нейрональной дифференцировки (Dcx, PSA- NCAM). Образовавшиеся нейробласты (клетки III типа) мигрируют во внутренний гранулярный слой зубчатой фасции. Там они дифференцируются в зрелые гранулярные клетки, посылающие свои дендриты в молекулярный слой, а аксоны - в зону СА3 гиппокампа. Новые клетки экспрессируют серию маркеров: Dcx, CRMP4, PSA-NCAM, кальретинин и ряд других, которые характерны для молодых нейронов в период раннего развития. Вновь образованные нервные клетки формируют систему отростков и синапсов и встраиваются в функциональные нейронные сети. Нейрогенные ниши: структура, клеточный состав, функции. Развивающиеся в нейрогенных зонах мозга клетки-предшественники и их потомки находятся в тесном контакте с целым рядом других клеточных элементов: эндотелиальными клетками мозговых капилляров, астроцитами и олигодендроцитами, эпендимой и соседними зрелыми нейронами. Эта совокупность клеток образует своеобразную цитоархитектоническую структуру, называемую нейрогенной нишей (neurogenic niche) [5, 9, 15, 20]. Эти элементы играют важную роль в регуляции пролиферации и дифференцировки нейрональных предшественников. Показано, что при совместном культивировании эксплантата SVZ крысы с эндотелием наблюдается усиление процессов нейрональной дифференцировки. Астроциты, входящие в состав гематоэнцефалического барьера, секретируют большое количество факторов, регулирующих пролиферацию и дифференцировку [25]. Эпендима в зоне нейрогенных ниш тесно связана с НСК и их потомками, осуществляя их своеобразную защиту, а работа ресничек создает градиент концентрации сигнальных молекул, контролирующих миграцию нейробластов. Предполагают, что эпендимные клетки стенки латеральных желудочков могут обладать свойствами клеток-предшественников [5, 31]. Еще один элемент нейрогенной ниши - микроглия (макрофаги мозга) - активно влияет на процессы нейроногенеза, фагоцитируя часть вновь образующихся нейробластов и участвуя в секреции про-и антивоспалительных факторов [11, 24]. Таким образом, видно, что микроокружение в нейрогенной нише синтезирует большое количество факторов различной природы, действующих на разные стадии нейроно-и глиогенеза. Это транскрипционные факторы (Shh, Sox1, Sox2, Tbr1, Wnt, BMP, Notch1, Pax6 и др.), разнообразные ростовые факторы (EGF, TGFα, bFGF, IGF1,VEGF; IFN-γ), нейромедиаторы и газообразные субстанции (ГАМК, серотонин, допамин, NO, H2S, CO) [1, 5, 8, 9, 18-20, 25, 30]. Исследования, проведенные в этом направлении, позволили сделать ряд общих выводов относительно особенностей постнатального нейроногенеза в ЦНС позвоночных животных: - в ЦНС взрослых млекопитающих, включая высших приматов и человека, в течение длительного периода сохраняются участки, где происходят пролиферация и дифференцировка новых популяций нервных и нейроглиальных клеток; - НСК и их потомки (RG-клетки) находятся в тесном взаимодействии со многими элементами окружающей их структуры мозга, формируя вместе с ними своеобразные нейрогенные ниши (neuronal stem niche); - клетки нейрогенных ниш выделяют ряд факторов (факторы роста и дифференцировки, нейромедиаторы, газообразные субстанции и др.), которые ауто-и паракринно влияют на процессы пролиферации, дифференцировки, миграции, нейроно/глиальных предшественников и их потомков; на основную роль нейрогенных предшественников в зрелом мозге претендуют клетки RG, популяция которых сохраняется в постнатальном периоде развития длительное время [4, 15, 17, 18, 21, 28, 29]; образовавшиеся в нейрогенных нишах нейробласты и глиобласты мигрируют в разные отделы мозга, иногда довольно далеко от мест их образования (в обонятельную луковицу, гиппокамп, стриатум, мозжечок и даже в кору больших полушарий); у млекопитающих процессы постнатального нейроногенеза ограничены несколькими пролиферативными зонами в районе гиппокампа. Кроме того, пролиферативная активность RG в ЦНС млекопитающих с возрастом довольно быстро падает; у низших позвоночных (рыб, амфибий) процесс постнатального нейроногенеза протекает в течение длительного времени и имеет как много общего с таковым у млекопитающих, так и ряд специфических черт [5, 16, 30, 31]. Во-первых, в ЦНС взрослых рыб выявлены несколько пролиферативных зон, где в течение длительного периода происходит образование новых нейронов. Иммуногистохимические исследования показали, что в промежуточном, среднем, продолговатом и спинном мозгу выявляются гетерогенные популяции клеток RG (или ее потомков), образующие молодые нейробласты [5, 6, 29, 31]. Важно подчеркнуть, что расположение пролиферативных зон соответствует нейромерной (сегментарной) организации закладки нервной системы. Это подтверждается при маркировании пролиферативных зон с помощью ядерного антигена пролиферации PCNA и ТН (тирозингидроксилазы) [5, 30]. Во-вторых, в зависимости от области мозга новые клетки могут как оставаться рядом с областью, где они появились, так и мигрировать на довольно большое расстояние в течение 1-2 нед после их образования в определенные районы головного и спинного мозга [16, 31, 37]. Третьей характерной особенностью постнатального нейроногенеза в мозгу рыб является элиминация большого числа клеток путем апоптоза. Это происходит в течение нескольких недель с момента их появления в областях окончательного местонахождения. Четвертая особенность пролиферативных зон мозга низших позвоночных (рыб, амфибий) заключается в сложных процессах взаимодействия пролиферирующих клеток и клеток, вступивших на путь нейронной или нейроглиальной дифференцировки. Иммуногистохимически в данных зонах выявляется высокая активность NO, H2S, ГАМК и ТН - тирозингидроксилазы. В настоящее время установлено, что молодые нейроны задолго до установления межнейронных связей и формирования синапсов начинают секретировать характерные для них сигнальные молекулы, включая молекулы типичных нейромедиаторов и газообразных посредников. Предполагают, что эти молекулы, попадая в межклеточные пространства в местах пролиферативной активности, могут выступать в качестве регуляторов пре-и постэмбрионального нейрогенеза, участвуя в аутокринной и паракринной регуляции пролиферации и дифференцировки нейронов. Особую актуальность эти сведения приобретают в связи с отмеченной выше функцией оксида азота, как регулятора пролиферативной активности клеток, а также в качестве цитотоксического проапоптогенного фактора, оказывающего регулирующее действие на развитие и дифференцировку различных областей мозга в постнальный период развития [5, 8, 30, 34]. Несмотря на отмеченные выше особенности постнатального нейрогенеза у низших позвоночных животных, сходство в организации постнатального нейрогенеза у представителей разных групп позвоночных животных, включая высших млекопитающих, позволяет использовать многих из них в качестве модельных объектов для изучения этого явления как в условиях нормы, так и при регенерации [16, 30, 31, 36].

About the authors

D. K. Obukhov

St. Petersburg State University

Email: dkobukhov@yandex.ru
Department of Cytology and Histology

T. A. Tsehmistrenko

Peoples’ Friendship University of Russia

Department of Human Anatomy

E. V. Puschina

National Scientific Center of Marine Biology

Laboratory of Cell Cytodifferentiation

A. A. Varaksin

National Scientific Center of Marine Biology

Laboratory of Cell Cytodifferentiation

References

Supplementary files