Трансформация глазного пузырька в глазной бокал На рисунке показаны две стадии развития глаза: глазной пузырь (вверху) и глазной бокал (внизу). Редко выделены индивидуально отслеживаемые стволовые клетки сетчатки (правый столбец). В левых столбцах показаны траектории отдельных стволовых клеток сетчатки на их пути от глазного пузыря к глазному бокалу. На рисунке показан вид сверху и виртуальный продольный разрез. Стрелки указывают направление потока стволовых клеток, отслеживаемое in vivo с течением времени.
В ходе анализа развития глаз in vivo исследователи из Гейдельбергского и Фрайбургского университетов получили принципиально новое понимание развития колобомы глаза, что побудило их пересмотреть классический взгляд на развитие этого органа чувств у позвоночных. Команда, возглавляемая биологами-биологами и клеточными биологами доктором. Стефан Хеерманн и проф. Доктор. Йохен Виттбродт из Гейдельбергского центра органических исследований (COS) использовал 4D микроскопию in vivo, чтобы продемонстрировать, что направленный тканевой поток трансформирует зрительный пузырек в глазной бокал во время развития глаза. Это важно не только для понимания причины колобомы ("синдром кошачьего глаза"), но также означает, что развитие глаз у позвоночных, включая человека, фундаментально отличается от того, чему учили более 70 лет. Результаты своих исследований были опубликованы в журнале eLife.
В своем анализе исследовательская группа, в которую вошли проф. Доктор. Керстин Криглштейн из отделения молекулярной эмбриологии Института анатомии и клеточной биологии Фрайбургского университета объединила современную генетику с покадровой микроскопией живых клеток. Это позволило им зафиксировать динамику морфогенеза органов. В процессе они сделали три фундаментальных открытия. "Теперь мы знаем, что орган формируется потоком, а не постепенно, поэтапно. Если поток прекращается, развивается колобома. И мы обнаружили источник стволовых клеток в глазу, что имеет большое значение в исследованиях стволовых клеток," объясняет проф. Виттбродт.
Глаз является выростом мозга и формируется в эмбрионе из мешковидного пузырька, который быстро превращается в глазной бокал с внутренней сетчаткой, окруженной снаружи пигментным эпителием. В случае неудачи этого шага возникают серьезные проблемы; глазной стакан не закрывается, что приводит к колобоме, одной из наиболее частых причин детской слепоты.
До сих пор считалось, что глазной бокал развивается довольно статично из двух слоев везикулы, при этом обращенный к линзе слой становится сетчаткой, а другой, отведенный от хрусталика слой, формирует пигментированный эпителий. "Однако при детальном исследовании этого этапа развития с помощью видеомикроскопии высокого разрешения на живых рыбах мы обнаружили, что оптический стакан формируется из динамического потока отведенных от хрусталика клеток в обращенный к объективу оптический стакан, что в точности противоположно статическому развитию," объясняет доктор. Heermann. Исследователи также обнаружили фактор роста, который контролирует отток тканей и, таким образом, необходим для развития глаз. Сигнальный путь фактора роста BMP должен быть модулирован, чтобы ткань текла и трансформировала везикулу в чашечку. "Без этой модуляции ткань остается застрявшей на противоположной от линзы стороне и начинает развиваться в сетчатку," продолжает Стефан Хеерманн.
Еще один важный вывод исследования – тесная связь движения (морфогенеза) и дифференциации. Уже было известно, что клетки-предшественники начинают дифференцироваться в нервные клетки сетчатки в центре внутреннего глазного бокала и непрерывно продвигаются к периферии. "Новые данные дают нам совершенно новый взгляд на это событие," объясняет Йохен Виттбродт. Клетки, которые дифференцируются первыми, уже находятся внутри глазного бокала в начале развития. Клетки, которые дифференцируются позже, попадают в глазной бокал позже, и только там они первоначально подвергаются влиянию сигналов дифференцировки. Из-за своего положения эти клетки не подвергаются воздействию сигналов на ранней стадии. Это особенно верно в отношении стволовых клеток изучаемой модельной системы рыб.
"Используя 4D микроскопию, мы теперь могли идентифицировать и анализировать эту особую популяцию клеток," объясняет Йохен Виттбродт. Было ясно, что есть две отдельные области в отведенной от хрусталика области развивающегося глазного бокала, где изначально расположены эти будущие стволовые клетки. Эти клетки последними достигают глазного бокала и оказываются на границе между сетчаткой и пигментным эпителием. "Наши результаты впервые описывают происхождение стволовых клеток в глазах рыб и предполагают, что эти клетки определяются на ранней стадии. На первый взгляд это может показаться не очень интересным для людей, у которых больше нет стволовых клеток в глазу. Но эти данные чрезвычайно важны для исследования стволовых клеток."
По словам Стефана Херманна, текущие результаты имеют большое биомедицинское значение, поскольку они объясняют происхождение колобомы. Описанный раздвоенный поток ткани создает трещину на нижней стороне глаза, оптическую щель. По мере того, как глаз продолжает развиваться, очень важно, чтобы эта трещина закрывалась, чтобы глаз мог видеть во всех направлениях. "Текущие данные ясно показывают, что как развитие зрительной щели, так и ее закрытие существенно зависят от скоординированного оттока ткани." Колобома – это медицинский термин, обозначающий открытую щель зрительного нерва.