4.3 A lencsevezikulától az érett lencséig
A lencsevezikulum a lencsekehely (más néven lencsegödör) lezárásával és a felszíni ektoderma leválásával alakul ki. Egy köztes lépés a lencseszár kialakulása, amely a zárt vezikulát és a felszíni ektodermát néhány óráig együtt tartja (egérben). A lencsevezikulum közel gömb alakú, nagy központi üreggel; a hátsó pólusból kiinduló sejtek megnyúlnak, amíg elérik az elülső hámsejteket, és kitöltik a teljes lencsevezikulumot; ezeket a megnyúlt sejteket primer lencserostsejteknek nevezzük. Ez a lépés az emberi embriókban a terhesség 44. napja körül, az egérben pedig az E11,5. napon következik be (10.5. ábra). A lencsehólyag elülső pólusán lévő sejtek hámsejtek maradnak. A lencse epitheliumának központi régióját körülvevő mitotikusan aktív sejtek az ekvatoriális régióba (vagy a lencse íves régiójába) mozognak, ahol megnyúlnak és másodlagos lencseszálakká differenciálódnak. A középvonalat, ahol az egyenlítő ellentétes pontjaiból származó másodlagos lencseszálak egyesülnek, elülső és hátsó lencse varratnak nevezik. A másodlagos lencseszálak koncentrikus rétegeket alkotnak a lencsemag elsődleges rostjai körül (egérben az E15,5. napon; 10.5. ábra). Ezzel az elrendezéssel a periféria felé a lencse rostjai fejlődési és differenciálódási szempontból egymás után fiatalabbak. Amíg a lencse növekszik, az egyenlítő felől új másodlagos rostok költöznek be a lencse külső kéregállományára.
10.5. ábra. A lencse kialakulása. Miután a lencsehólyag kialakult, a lencsehólyag hátsó epitéliumából megnyúlnak az elsődleges lencseszálak, és kitöltik a lencsehólyag teljes lumenét. A másodlagos rostsejtek a lencsehajlat régiójában kezdenek megnyúlni; az ellentétes oldalról származó rostok az elülső és a hátsó pólusnál találkoznak, és létrehozzák a lencse varratait (amelyek a háromdimenziós nézetben Y alakúak). A lencse differenciálódásának utolsó lépése a sejtmagok és a mitokondriumok lebomlása, amely az egérnél a születés körül zajlik (Graw, 2003 szerint módosítva; a Nature Publishing Group engedélyével).
A végső differenciálódási folyamat során mind az elsődleges, mind a másodlagos rostsejtek elveszítik mitokondriumaikat és sejtmagjaikat: az elsődleges rostok esetében ez E17/E18-ban zajlik az egerekben, és a születés után 2 héttel, a szemhéjak kinyitásakor fejeződik be (Vrensen et al., 1991). A primer rostsejteket körülvevő másodlagos rostsejtek elveszítik organellumaikat, amikor a külső kéregből a belső kéregbe kerülnek (Kuwabara és Imaizumi, 1974).
Az elülső hámsejtek azonban őssejt niche-ként mitotikusan aktívak maradnak és másodlagos rostsejteket termelnek. Ezek a másodlagos lencse rostsejtek terminálisan differenciálódott sejtek, és elveszítik organellumaikat is, amikor az egymást követő rostsejtek mélyebbre nyomódnak a lencsébe.
A zebrahalban azonban több különbség is előfordul a lencse fejlődésében és differenciálódásában. Különösen az elsődleges rostsejtek megnyúlása körkörös módon történik, ami egy embrionális lencsemagot eredményez koncentrikus rosthéjakkal. A differenciálódó másodlagos rostok magjainak nagyon szoros távolsága az ekvatoriális hámhoz közeli keskeny zónában azonban arra utal, hogy a másodlagos rostsejtek differenciálódása eltér az emlősök vagy madarak lencséjénél leírtaktól. E különbségek miatt óvatosnak kell lennünk, amikor a zebrahalakra vonatkozó eredményeket extrapoláljuk az egér vagy emberi lencse fejlődésére vagy működésére (Dahm et al., 2007).
Egerekben legalább két gén, a Pitx3 és a Foxe3 jellemzi a lencseszár stádium átmeneti jellegének fontosságát. Egér embriókban a Pitx3 az E11-től kezdődően expresszálódik a fejlődő lencsében, először a lencsevezikulában, majd később az elülső epitheliumban és a lencse ekvatorában. A Pitx3 gén szabályozó vagy kódoló régióinak mutációi bizonyítottan az aphakia (ak) vagy a szem nélküli (eyl) egérmutánsok fenotípusát okozzák, amelyekből hiányzik a lencse és a pupilla (Rieger et al., 2001; Rosemann et al., 2010; Semina et al., 2000). Ezekben az egerekben a lencsevég több napig fennmarad, ami végül a csökevényes lencsehólyag lebomlásához vezet, és retinaszövet tölti ki a teljes szemgolyót. Mivel a Pitx3 a substantia nigra dopaminerg neuronjaiban is kifejeződik, ezek az egerek a Parkinson-kór kiváló modelljei is (Rosemann és mtsai., 2010). Az egérrel ellentétben a humán PITX3 mutációi az elülső szegmentum mesenchymalis dysgenesisét (ASMD; Semina et al., 1998) okozzák.
Az ak/ak egerek szemfenotípusa nagyon hasonlít a dyl (dysgenic lens) egerekéhez, ami arra utal, hogy mindkét gén ugyanabban a biológiai folyamatban vesz részt. Blixt és munkatársai (2000) kimutatták, hogy a dyl fenotípust a Foxe3 gén mutációja közvetíti. Egérben a FoxE3 E9,5 körül, a lencse placode indukciójának kezdetén expresszálódik a fejlődő szemben (10.2. ábra). Ahogy a lencse placode kialakul, a FoxE3 expressziója növekszik, és a lencsevezikulára korlátozódik, ahogy az leválik a felszíni ektodermáról. A FoxE3 DNS-kötő doménjén belül két mutációt azonosítottak a dyl egerekben. Emberekben a FOXE3 mutációi felelősek az elülső szegmens optikai diszgeneziséért (ASOD). A FOXE3 expressziós mintázata és a heterozigóta dyl egerek változó fenotípusa miatt a Peters-anomáliában szenvedő betegek kis kohorszát, akiknél nem lehetett PAX6-mutációt kimutatni, FOXE3-mutációkra vizsgálták. Az egyik betegről kiderült, hogy heterozigóta a FOXE3 DNS-kötő doménjét érintő Arg90Leu szubsztitúcióra (Ormestad és mtsai., 2002).
A második fontos lépés a lencsehólyag hátsó felében lévő sejtek megnyúlása, amely primer rostsejtekkel tölti fel azt. Az egérmutáns “átlátszatlan foltok a lencsében” esetében egy pontmutáció érinti a Maf (egy onkogén által kódolt, a musculoaponeurotikus fibroszarkómáért felelős) bázikus régióját, és megakadályozza az elsődleges lencseszálak helyes kialakulását, ami az egyik emberi családban előforduló pulverulens szürkehályoghoz hasonló fenotípushoz vezet (Lyon és mtsai., 2003). Az emlős MAF a lencse placode-jában és a lencsevezikulában, majd később az elsődleges lencserostokban expresszálódik.
Hasonlóképpen, Puk és munkatársai (2008) nemrég jellemeztek egy új etil-nitrozo-urea (ENU) indukálta egérmutánst, amely homozigóta állapotban kis szemfenotípussal és üres lencsevezikulával rendelkezik. Ebben az esetben a Gjf1 (más néven Gje1) gén mutációját azonosították. Az egérben a Gjf1 gén egy 23,8 kDa méretű, konnexinszerű fehérjét kódol, amely a lencsevezikulum hátsó részében fejeződik ki, ahol a primer rostok megnyúlása kezdődik. A mutánsokban a Pax6, Prox1, Six3 és Crygd expressziós mintázata módosul, de a Pax2 mintázata nem. A Gjf1 génről úgy gondolják, hogy nélkülözhetetlen a primer lencseszálak kialakulásához (Puk et al., 2008), és a c-Maf transzkripciós faktor downstream célpontjának tekinthető; a megfelelő Maf gén mutációi hasonló fenotípushoz vezetnek egérben (Lyon et al., 2003; Perveen et al., 2007). Jelenleg nem világos, hogy létezik-e az egér Gjf1 génjének funkcionális humán megfelelője.
Egy harmadik fenotípust a primer lencseszálak megnyúlása nélkül a Pparbp gén (a peroxiszóma proliferátor aktivátor receptor kötő fehérjét kódolja; Crawford és mtsai., 2002) kiütése okoz. E három funkcionálisan különböző fehérje közötti kapcsolat az elsődleges lencse rostsejtek kialakulásában még nem tisztázott.
A három gén mellett a Wnt jelátvitel is szerepet játszhat az elsődleges rostsejtek megnyúlásában. Faber és munkatársai 2002-ben számoltak be a Bmp-receptor 1b (génszimbólum: Bmpr1b) domináns-negatív formájáról transzgenikus egerekben. Ezek a transzgénikus egérmutánsok az elsődleges rostsejtek fejlődésének gátlását mutatták, azonban aszimmetrikus módon: ez csak a lencse ventrális felében, az orr felőli oldalon jelentkezett. A szerzők arra a következtetésre jutottak, hogy különböző differenciálódási ingerek lehetnek aktívak a különböző kvadránsokban.
A lencse elülső oldalán a lencsehámsejtek maradnak az egyetlen mitotikusan aktív sejtek a lencsében. Jellemző rájuk számos Wnt-gén folyamatos expressziója: a közölt részletes expressziós adatok azonban nemcsak a csirke és az egér között különböznek, hanem a különböző egértörzsek között is (részletesen lásd de Iongh és mtsai., 2006). Mindazonáltal továbbra is egyértelmű, hogy a Wnt jelátviteli útvonal génjei túlnyomórészt a lencse epitélsejtjeiben fejeződnek ki. Következetesen az Fzd receptorok (génszimbólumok: Fzd1-8) és a társreceptorok Lrp5 és Lrp6, Sfrp1-3 és Dkk1-3 gének expresszióját is kimutatták a lencse fejlődése során. Ezek főként a hámsejtekben vannak jelen; az egyetlen kivétel az Fzd6, amely egyre inkább a differenciálódó rostsejtekben fejeződik ki (de Iongh és mtsai., 2006). Példaként lrp6 null mutánsokat elemeztek, amelyek (néhány más defektus mellett; lásd MGI adatbázis) kis szemet és aberrált lencsét mutattak, amelyet hiányosan kialakult elülső epithelium jellemez, ami a lencse rostjainak a fedő szaruhártya strómába való extrudálását eredményezi (Stump et al., 2003).
A lencse rostsejtek differenciálódásának legfontosabb kiváltója azonban az Fgf jelátvitel. Az egyik legjelentősebb eredmény patkánylencse-explantátumokon mutatta ki, hogy az Fgf2 (korábban “basic Fgf” vagy “bFGF” néven ismert) különböző koncentrációi felelősek a lencsesejtek proliferációjáért, migrációjáért és a lencse rostsejtek differenciálódásáért (McAvoy és Chamberlain, 1989). Mivel még mindig nem ismert, hogy a számos Fgf közül melyik vesz részt a lencse indukciójában (Smith és mtsai., 2010), a kutatások az Fgf-receptorokra összpontosítottak. Mint már említettük, három Fgf-receptor gént (Fgfr1-3; Zhao és mtsai., 2008) nélkülöző lencsékben súlyos hibák jelentkeztek a lencse rostsejtek megnyúlásában. Az Fgf jelátvitel a nem kanonikus Wnt-útvonal primerizálásához is szükséges (ill, függetlenül a β-katenintől) a lencse epitélsejtjeiben; a lencse explantátumokban a β-kristallin, a rostsejtek differenciálódásának markere felhalmozódásához vezet (Lyo és Joo, 2004).
Az érett lencse a strukturális fehérjék több osztályát tartalmazza: a kristallinokat (α-, β-, γ-, δ-, μ-, ζ-kristallinok), transzmembrán fehérjéket (mint az MP19 és MIP26, valamint a 43, 46 és 50 konnxinok), néhány kollagént, valamint citoszkeletális és intermedier filamentum fehérjéket. A megfelelő gének (vagy specifikus transzkripciós faktorok) mutációi funkcionális egyensúlyhiányhoz és lencsehomályhoz (szürkehályog) vezetnek. A szürkehályog kialakulásának kora és öröklődési módja a megfelelő gének kifejeződésétől és attól a tartománytól függ, amelyet a mögöttes mutáció érint. Összesen ∼60 különböző gén ismert, amelyek egerekben és emberekben felelősek a szürkehályog kialakulásáért. A megfelelő mutációk és funkcionális következményeik részletes tárgyalása meghaladja e fejezet kereteit; az e témának megfelelő áttekintéseket a szerző a közelmúltban publikálta (Graw, 2009a,b)
.