4.3 Od pęcherzyka soczewki do dojrzałej soczewki
Pęcherzyk soczewki powstaje poprzez zamknięcie kielicha soczewki (zwanego też dołkiem soczewki) i odłączenie się od ektodermy powierzchniowej. Etapem pośrednim jest rozwój szypuły soczewki, która utrzymuje zamkniętą pęcherzyk i ektodermę powierzchniową razem przez kilka godzin (u myszy). Pęcherzyk soczewki jest prawie kulisty z dużą jamą centralną; komórki z jego tylnego bieguna wydłużają się, aż dotrą do komórek nabłonka przedniego i wypełnią cały pęcherzyk soczewki; te wydłużone komórki nazywane są komórkami pierwotnego włókna soczewki. Ten etap ma miejsce około 44. dnia ciąży u embrionów ludzkich i w E11.5 u myszy (rys. 10.5). Komórki znajdujące się na przednim biegunie pęcherzyka soczewki pozostają komórkami nabłonkowymi. Aktywne mitotycznie komórki otaczające centralny obszar nabłonka soczewki przemieszczają się do obszaru równikowego (lub obszaru torebki soczewki), gdzie wydłużają się i różnicują we włókna soczewki wtórnej. Linia środkowa, w której łączą się włókna soczewki wtórnej z przeciwległych punktów równika, jest określana jako przedni i tylny szew soczewki. Włókna soczewki wtórnej tworzą koncentryczne warstwy wokół włókien pierwotnych jądra soczewki (u myszy w dniu E15,5; rys. 10.5). Dzięki takiemu układowi włókna soczewki w kierunku peryferii są kolejno młodsze pod względem rozwojowym i różnicowania. Tak długo jak soczewka rośnie, nowe włókna wtórne przesuwają się od równika na zewnętrzną korę soczewki.
Ryc. 10.5. Formowanie się soczewki. Po uformowaniu się pęcherzyka soczewki, pierwotne włókna soczewki wydłużają się z tylnego nabłonka pęcherzyka soczewki i wypełniają całe jego światło. Wtórne komórki włókniste zaczynają się wydłużać w rejonie dziobu soczewki; włókna z przeciwległych stron spotykają się w przednim i tylnym biegunie, dając początek szwom soczewki (które w widoku trójwymiarowym mają kształt litery Y). Ostatnim etapem różnicowania się soczewki jest degradacja jąder komórkowych i mitochondriów, która ma miejsce około czasu narodzin u myszy (zmodyfikowano wg Graw, 2003; za zgodą Nature Publishing Group).
Zarówno komórki włókien pierwotnych, jak i wtórnych tracą mitochondria i jądra komórkowe podczas ostatecznego procesu różnicowania: w przypadku włókien pierwotnych ma on miejsce u myszy w E17/E18 i jest finalizowany 2 tygodnie po urodzeniu, kiedy myszy otwierają powieki (Vrensen i in., 1991). Wtórne komórki włókniste, które otaczają pierwotne komórki włókniste, tracą swoje organelle, kiedy przechodzą z zewnętrznej do wewnętrznej kory (Kuwabara i Imaizumi, 1974).
Przednie komórki nabłonkowe, jednakże, pozostają mitotycznie aktywne jako nisza komórek macierzystych produkujących wtórne komórki włókniste. Te wtórne komórki włókniste soczewki są komórkami ostatecznie zróżnicowanymi i tracą również swoje organelle, kiedy są wciskane głębiej w soczewkę przez kolejne komórki włókniste.
W zebrafish, jednakże, występuje kilka różnic w rozwoju i różnicowaniu soczewki. W szczególności, wydłużanie się pierwotnych komórek włóknistych zachodzi w sposób okrężny, co prowadzi do powstania embrionalnego jądra soczewki z koncentrycznymi powłokami włókien. Bardzo mała odległość między jądrami różnicujących się włókien wtórnych w wąskiej strefie w pobliżu nabłonka równikowego sugeruje jednak, że różnicowanie się komórek włókien wtórnych odbiega od tego opisanego dla soczewek ssaków i ptaków. Ze względu na te różnice, należy zachować ostrożność przy ekstrapolacji wyników badań na zebrafish do rozwoju lub funkcji soczewki u myszy lub ludzi (Dahm et al., 2007).
W myszach, co najmniej dwa geny, Pitx3 i Foxe3, charakteryzują znaczenie przejściowej natury etapu szypuły soczewki. W embrionach myszy Pitx3 ulega ekspresji w rozwijającej się soczewce począwszy od E11, najpierw w pęcherzyku soczewki, a później w nabłonku przednim i równiku soczewki. Wykazano, że mutacje w regionach regulatorowych lub kodujących genu Pitx3 powodują fenotyp myszy z afakią (ak) lub mutantów bezokich (eyl), które nie mają soczewek i źrenic (Rieger i in., 2001; Rosemann i in., 2010; Semina i in., 2000). U tych myszy szypułka soczewki utrzymuje się przez kilka dni, prowadząc ostatecznie do degradacji rudymentarnego pęcherzyka soczewki, a tkanka siatkówki wypełnia cały glob oczny. Ponieważ Pitx3 ulega ekspresji również w neuronach dopaminergicznych substantia nigra, myszy te są również doskonałymi modelami choroby Parkinsona (Rosemann i in., 2010). W przeciwieństwie do myszy, mutacje w ludzkim PITX3 powodują dysgenezję mezenchymalną przedniego odcinka oka (ASMD; Semina i in., 1998).
Myszy ak/ak mają fenotyp oczny, który jest bardzo podobny do myszy dyl (dysgenic lens), co wskazuje, że oba geny są zaangażowane w ten sam proces biologiczny. Blixt et al. (2000) wykazali, że fenotyp dyl jest mediowany przez mutację w genie Foxe3. U myszy FoxE3 ulega ekspresji w rozwijającym się oku około E9.5, na początku indukcji łożyska soczewki (rys. 10.2). W miarę formowania się łożyska soczewki ekspresja FoxE3 wzrasta i staje się ograniczona do pęcherzyka soczewki, który odłącza się od ektodermy powierzchniowej. Dwie mutacje w obrębie domeny wiążącej DNA FoxE3 zostały zidentyfikowane u myszy dyl. U ludzi mutacje w FOXE3 są odpowiedzialne za dysgenezję optyczną przedniego odcinka oka (ASOD). Ze względu na wzór ekspresji FOXE3 i zmienny fenotyp heterozygotycznych myszy dyl, mała kohorta pacjentów z anomalią Petersa, u których nie wykryto mutacji PAX6, została przebadana pod kątem mutacji FOXE3. Jeden z pacjentów okazał się heterozygotyczny dla substytucji Arg90Leu wpływającej na domenę wiążącą DNA FOXE3 (Ormestad i in., 2002).
Drugim ważnym krokiem jest wydłużenie komórek w tylnej połowie pęcherzyka soczewki wypełniających go komórkami włókien pierwotnych. W mysim mutancie „opaque flecks in the lens”, mutacja punktowa dotyka podstawowego regionu Maf (kodowanego przez onkogen, odpowiedzialny za musculoaponeurotic fibrosarcoma) i uniemożliwia prawidłowe formowanie pierwotnych włókien soczewki prowadząc do fenotypu, który jest podobny do zaćmy pulwerylnej w ludzkiej rodzinie (Lyon et al., 2003). MAF u ssaków ulega ekspresji w łożysku soczewki i pęcherzyku soczewki, a następnie w pierwotnych włóknach soczewki.
Podobnie, Puk et al. (2008) scharakteryzowali ostatnio nowego mutanta myszy indukowanego etylotrozomocznikiem (ENU) z fenotypem małego oka i pustym pęcherzykiem soczewki w stanie homozygotycznym. W tym przypadku zidentyfikowano mutację w genie Gjf1 (zwanym również Gje1). U myszy gen Gjf1 koduje białko koneksynopodobne o masie 23,8 kDa, które ulega ekspresji w tylnej części pęcherzyka soczewki, gdzie rozpoczyna się elongacja włókien pierwotnych. U mutantów wzorzec ekspresji Pax6, Prox1, Six3 i Crygd jest zmieniony, ale nie wzorzec Pax2. Uważa się, że gen Gjf1 jest niezbędny do formowania pierwotnych włókien soczewki (Puk i in., 2008) i może być uważany za cel downstream czynnika transkrypcyjnego c-Maf; mutacje w odpowiednim genie Maf prowadzą do podobnego fenotypu u myszy (Lyon i in., 2003; Perveen i in., 2007). Obecnie nie jest jasne, czy istnieje funkcjonalny ludzki odpowiednik mysiego genu Gjf1.
Trzeci fenotyp bez wydłużenia pierwotnych włókien soczewki jest spowodowany nokautem genu Pparbp (kodującego białko wiążące receptor aktywatora proliferatorów peroksysomów; Crawford i in., 2002). Związek pomiędzy tymi trzema funkcjonalnie odrębnymi białkami w tworzeniu pierwotnych komórek włókien soczewki nie jest jeszcze jasny.
Oprócz tych trzech genów, sygnalizacja Wnt może również odgrywać rolę w wydłużaniu pierwotnych komórek włókien. Faber i wsp. zgłosili w 2002 roku dominującą-ujemną formę receptora Bmp 1b (symbol genu: Bmpr1b) u myszy transgenicznych. Te transgeniczne mutanty myszy wykazały zahamowanie rozwoju pierwotnych komórek włóknistych, jednak w sposób asymetryczny: pojawiło się ono tylko po stronie nosowej soczewki w jej brzusznej połowie. Autorzy doszli do wniosku, że odmienne bodźce różnicujące mogą być aktywne w różnych kwadrantach.
Po stronie przedniej komórki nabłonka soczewki pozostają jedynymi aktywnymi mitotycznie komórkami w soczewce. Charakteryzują się one ciągłą ekspresją kilku genów Wnt: jednak szczegółowe dane dotyczące ekspresji nie tylko różnią się między kurczętami i myszami, ale także różnią się między różnymi szczepami myszy (szczegóły, patrz przegląd de Iongh et al., 2006). Niemniej jednak, pozostaje jasne, że geny szlaku sygnalizacji Wnt ulegają ekspresji przede wszystkim w komórkach nabłonka soczewki. Konsekwentnie, receptory Fzd (symbole genów: Fzd1-8) i ko-receptory Lrp5 i Lrp6, geny Sfrp1-3 i Dkk1-3 również ulegaj± ekspresji podczas rozwoju soczewki. Są one głównie obecne w komórkach nabłonka; jedynym wyjątkiem jest Fzd6, który ulega coraz większej ekspresji w różnicujących się komórkach włóknistych (de Iongh i in., 2006). Jako przykład, mutanty lrp6 null zostały przeanalizowane wykazując (oprócz kilku innych defektów; zobacz bazę MGI) małe oczy i nieprawidłowe soczewki charakteryzujące się niekompletnie uformowanym nabłonkiem przednim, co skutkuje ekstruzją włókien soczewki do leżącego nad nimi zrębu rogówki (Stump i in., 2003).
Kluczowym czynnikiem wyzwalającym różnicowanie komórek włókien soczewki jest jednak sygnalizacja Fgf. Jedno z najbardziej znaczących odkryć wykazało w eksplantatach soczewki szczura, że różne stężenia Fgf2 (znanego wcześniej jako „podstawowy Fgf” lub „bFGF”) są odpowiedzialne za proliferację komórek soczewki, migrację i różnicowanie komórek włókien soczewki (McAvoy i Chamberlain, 1989). Ponieważ wciąż nie wiadomo, które z kilku Fgf są zaangażowane w indukcję soczewki (Smith et al., 2010), badania skupiły się na receptorach Fgf. Jak wspomniano powyżej, poważne defekty w wydłużaniu się komórek włókien soczewki wystąpiły w soczewkach pozbawionych trzech genów receptorów Fgf (Fgfr1-3; Zhao i in., 2008). Sygnalizacja Fgf jest również niezbędna do uruchomienia niekanonicznego szlaku Wnt (tj, niezależnej od β-kateniny) w komórkach nabłonka soczewki; w eksplantatach soczewki prowadzi ona do akumulacji β-krystaliny, markera różnicowania komórek włóknistych (Lyo i Joo, 2004).
Dojrzała soczewka zawiera kilka klas białek strukturalnych: krystaliny (α-, β-, γ-, δ-, μ-, ζ-krystaliny), białka transmembranowe (takie jak MP19 i MIP26 oraz conneksyny 43, 46 i 50), niektóre kolageny oraz białka cytoszkieletu i filamentów pośrednich. Mutacje w odpowiednich genach (lub specyficznych czynnikach transkrypcyjnych) prowadzą do zaburzeń równowagi funkcjonalnej i zmętnienia soczewki (zaćmy). Wiek pojawienia się zaćmy i sposób jej dziedziczenia zależą od ekspresji odpowiednich genów oraz od dziedziny, której dotyczy mutacja. W sumie znanych jest ∼60 różnych genów odpowiedzialnych za powstawanie zaćmy u myszy i ludzi. Szczegółowe omówienie odpowiadaj±cych im mutacji i ich funkcjonalnych konsekwencji wykracza poza ramy tego rozdziału; recenzje dotycz±ce tego tematu zostały niedawno opublikowane przez autora (Graw, 2009a,b).