4.3 De la vezicula cristalinului la cristalinul matur
Vesicula cristalinului se formează prin închiderea cupei cristalinului (cunoscută și sub numele de groapa cristalinului) și detașarea de ectodermul de suprafață. O etapă intermediară este dezvoltarea unui peduncul al cristalinului care menține împreună vezicula închisă și ectodermul de suprafață timp de câteva ore (la șoarece). Vezicula cristalinului este aproape sferică, cu o cavitate centrală mare; celulele de la polul său posterior se alungesc până când ajung la celulele epiteliale anterioare și umplu întreaga veziculă a cristalinului; aceste celule alungite sunt denumite celule primare ale fibrelor cristalinului. Această etapă are loc în jurul zilei 44 de gestație la embrionii umani și la E11,5 la șoarece (Fig. 10.5). Celulele de la polul anterior al veziculei cristalinului rămân ca celule epiteliale. Celulele active din punct de vedere mitotic care înconjoară regiunea centrală a epiteliului cristalinului se deplasează în regiunea ecuatorială (sau regiunea arcului cristalinului), unde se alungesc și se diferențiază în fibre secundare ale cristalinului. Linia mediană, în care se unesc fibrele secundare ale cristalinului din puncte opuse ale ecuatorului, este denumită sutura anterioară și posterioară a cristalinului. Fibrele secundare ale cristalinului formează straturi concentrice în jurul fibrelor primare ale nucleului cristalinului (la șoarece în ziua E15,5; Fig. 10.5). Cu această dispunere, fibrele cristalinului spre periferie sunt succesiv mai tinere din punct de vedere al dezvoltării și diferențierii. Atâta timp cât cristalinul crește, noi fibre secundare se deplasează dinspre ecuator pe cortexul exterior al cristalinului.
Figura 10.5. Formarea cristalinului. Odată ce vezicula cristalinului s-a format, fibrele primare ale cristalinului se alungesc din epiteliul posterior al veziculei cristalinului și îi umplu întregul lumen. Celulele fibrelor secundare încep să se alungească în regiunea arcului cristalinului; fibrele din părțile opuse se întâlnesc la polul anterior și posterior și dau naștere suturilor cristalinului (care sunt în formă de Y în vederea tridimensională). Etapa finală în diferențierea cristalinului este degradarea nucleelor celulare și a mitocondriilor, care are loc în jurul datei nașterii la șoarece (modificat după Graw, 2003; cu permisiunea Nature Publishing Group).
Atât celulele fibroase primare cât și cele secundare își pierd mitocondriile și nucleele celulare în timpul procesului final de diferențiere: pentru fibrele primare, acesta are loc la șoareci la E17/E18 și se finalizează la 2 săptămâni după naștere, când șoarecii își deschid pleoapele (Vrensen et al, 1991). Celulele fibroase secundare, care înconjoară celulele fibroase primare, își pierd organitele, atunci când se deplasează de la cortexul extern la cel intern (Kuwabara și Imaizumi, 1974).
Celele epiteliale anterioare, cu toate acestea, rămân active din punct de vedere mitotic ca o nișă de celule stem producătoare de celule fibroase secundare. Aceste celule secundare ale fibrelor cristalinului sunt celule diferențiate în fază terminală și își pierd și ele organitele, atunci când sunt presate mai adânc în cristalin de către celulele fibroase succesive.
La peștele zebră, totuși, apar mai multe diferențe în dezvoltarea și diferențierea cristalinului. În special, alungirea celulelor fibroase primare are loc într-un mod circular, rezultând un nucleu de cristalin embrionar cu cochilii concentrice de fibre. Cu toate acestea, distanța foarte mică dintre nucleele fibrelor secundare care se diferențiază într-o zonă îngustă, aproape de epiteliul ecuatorial, sugerează că diferențierea celulelor fibrelor secundare diferă de cea descrisă pentru lentilele mamiferelor sau păsărilor. Din cauza acestor diferențe, trebuie să fim prudenți atunci când extrapolăm constatările privind peștele zebră la dezvoltarea sau funcția cristalinului la șoareci sau la om (Dahm et al., 2007).
La șoareci, cel puțin două gene, Pitx3 și Foxe3, caracterizează importanța naturii tranzitorii a stadiului de tulpină a cristalinului. La embrionii de șoarece, Pitx3 este exprimată în cristalin în curs de dezvoltare începând cu E11, mai întâi în vezicula cristalinului, iar mai târziu în epiteliul anterior și în ecuatorul cristalinului. S-a demonstrat că mutațiile în regiunile reglatoare sau codificatoare ale genei Pitx3 cauzează fenotipul mutanților de șoarece afakie (ak) sau fără ochi (eyl), care nu au cristalin și pupile (Rieger et al., 2001; Rosemann et al., 2010; Semina et al., 2000). La acești șoareci, tulpina cristalinului persistă timp de câteva zile, ducând în cele din urmă la o degradare a veziculei rudimentare a cristalinului, iar țesutul retinal umple întregul glob ocular. Deoarece Pitx3 este exprimat, de asemenea, în neuronii dopaminergici din substantia nigra, acești șoareci sunt, de asemenea, modele excelente pentru boala Parkinson (Rosemann et al., 2010). Spre deosebire de șoarece, mutațiile în PITX3 uman cauzează disgenesia mezenchimală a segmentului anterior (ASMD; Semina et al., 1998).
Șoarecii ak/ak au un fenotip ocular foarte asemănător cu șoarecii dyl (cristalin disgenic), ceea ce indică faptul că ambele gene sunt implicate în același proces biologic. Blixt et al. (2000) au arătat că fenotipul dyl este mediat de o mutație în gena Foxe3. La șoarece, FoxE3 este exprimată în ochiul în curs de dezvoltare în jurul datei de E9,5, la începutul inducerii placodei cristalinului (Fig. 10.2). Pe măsură ce se formează placodul cristalinului, expresia lui FoxE3 crește și se limitează la vezicula cristalinului pe măsură ce se desprinde de ectodermul de suprafață. Două mutații în cadrul domeniului de legare la ADN al FoxE3 au fost identificate la șoarecii dyl. La om, mutațiile în FOXE3 sunt responsabile de disgenesia optică a segmentului anterior (ASOD). Din cauza modelului de expresie al FOXE3 și a fenotipului variabil al șoarecilor dyl heterozigoți, o mică cohortă de pacienți cu anomalie Peters la care nu au putut fi detectate mutații PAX6 a fost analizată pentru mutații FOXE3. Unul dintre pacienți s-a dovedit a fi heterozigot pentru o substituție Arg90Leu care afecta domeniul de legare la ADN al FOXE3 (Ormestad et al., 2002).
A doua etapă importantă este alungirea celulelor din jumătatea posterioară a veziculei cristalinului umplând-o cu celule primare de fibre. În mutantul de șoarece „pete opace în cristalin”, o mutație punctiformă afectează regiunea de bază a Maf (codificată de o oncogenă, responsabilă de fibrosarcomul musculoaponevrotic) și împiedică formarea corectă a fibrelor primare ale cristalinului, ceea ce duce la un fenotip care este similar cataractei pulverulente dintr-o familie umană (Lyon et al., 2003). MAF la mamifere se exprimă în placodul cristalinului și în vezicula cristalinului, iar mai târziu în fibrele primare ale cristalinului.
În mod similar, Puk et al. (2008) au caracterizat recent un nou mutant de șoarece indus de etil nitroso-uree (ENU) cu un fenotip de ochi mici și o veziculă a cristalinului goală în stare homozigotă. În acest caz, a fost identificată o mutație în gena Gjf1 (denumită, de asemenea, Gje1). La șoarece, gena Gjf1 codifică o proteină asemănătoare conexinei de 23,8 kDa, care este exprimată în partea posterioară a veziculei cristalinului, unde începe alungirea fibrelor primare. La mutanți, modelul de expresie al Pax6, Prox1, Six3 și Crygd este modificat, dar nu și cel al Pax2. Gena Gjf1 este considerată a fi esențială pentru formarea fibrelor primare ale cristalinului (Puk et al., 2008) și ar putea fi considerată o țintă în aval a factorului de transcripție c-Maf; mutațiile în gena Maf corespunzătoare conduc la un fenotip similar la șoarece (Lyon et al., 2003; Perveen et al., 2007). În prezent, nu este clar dacă există un omolog uman funcțional al genei Gjf1 de șoarece Gjf1.
Un al treilea fenotip fără alungire a fibrelor primare ale cristalinului este cauzat de knock-out-ul genei Pparbp (care codifică pentru proteina de legare a receptorului activatorului de proliferare a peroxisomului; Crawford et al., 2002). Relația dintre aceste trei proteine distincte din punct de vedere funcțional pentru formarea celulelor fibroase primare ale cristalinului nu este încă clară.
În plus față de aceste trei gene, semnalizarea Wnt ar putea juca, de asemenea, un rol în alungirea celulelor fibroase primare. Faber și colab. au raportat în 2002 o formă dominantă negativă a receptorului Bmp 1b (simbolul genei: Bmpr1b) la șoarecii transgenici. Acești mutanți de șoareci transgenici prezintă o inhibiție a dezvoltării celulelor fibroase primare, însă într-un mod asimetric: aceasta a apărut doar pe partea nazală a cristalinului în jumătatea ventrală. Autorii au concluzionat că stimuli de diferențiere distincți ar putea fi activi în diferite cadrane.
În partea anterioară, celulele epiteliale ale cristalinului rămân singurele celule active din punct de vedere mitotic în cristalin. Acestea sunt caracterizate de o expresie continuă a mai multor gene Wnt: cu toate acestea, datele detaliate de expresie raportate nu numai că sunt diferite între pui și șoareci, dar variază, de asemenea, între diferitele tulpini de șoareci (pentru detalii, a se vedea o analiză realizată de de Iongh et al., 2006). Cu toate acestea, rămâne clar că genele căii de semnalizare Wnt sunt exprimate predominant în celulele epiteliale ale cristalinului. În mod consecvent, s-a demonstrat că receptorii Fzd (simboluri genetice: Fzd1-8) și coreceptorii Lrp5 și Lrp6, genele Sfrp1-3 și Dkk1-3 sunt, de asemenea, exprimate în timpul dezvoltării cristalinului. Acestea sunt prezente în principal în celulele epiteliale; singura excepție este Fzd6, care se exprimă din ce în ce mai mult în celulele fibroase în curs de diferențiere (de Iongh et al., 2006). Ca exemplu, au fost analizați mutanți nuli lrp6 care prezintă (pe lângă alte defecte; a se vedea baza de date MGI) ochi mici și lentile aberante caracterizate de un epiteliu anterior incomplet format, ceea ce duce la extrudarea fibrelor cristalinului în stroma corneană suprapusă (Stump et al., 2003).
Cu toate acestea, declanșatorul cheie pentru diferențierea celulelor fibroase ale cristalinului este semnalizarea Fgf. Una dintre cele mai semnificative descoperiri a demonstrat în explantele de cristalin de șobolan că diferite concentrații de Fgf2 (cunoscute anterior ca „Fgf de bază” sau „bFGF”) sunt responsabile pentru proliferarea celulelor cristalinului, migrația și diferențierea celulelor fibroase ale cristalinului (McAvoy și Chamberlain, 1989). Deoarece nu se știe încă care dintre cele câteva Fgf sunt implicate în inducerea cristalinului (Smith et al., 2010), cercetările s-au concentrat asupra receptorilor Fgf. După cum s-a menționat mai sus, defecte severe în alungirea celulelor fibroase ale cristalinului au apărut în lentilele lipsite de trei gene ale receptorilor Fgf (Fgfr1-3; Zhao et al., 2008). Semnalizarea Fgf este, de asemenea, necesară pentru amorsarea căii Wnt necanonice (de ex, independentă de β-catenină) în celulele epiteliale ale cristalinului; în explantele de cristalin, aceasta duce la acumularea de β-cristalin, un marker pentru diferențierea celulelor fibroase (Lyo și Joo, 2004).
Lentila matură conține mai multe clase de proteine structurale: cristalinele (α-, β-, γ-, δ-, μ-, ζ-cristaline), proteine transmembranare (cum ar fi MP19 și MIP26, și conexinele 43, 46 și 50), unele colagenice și proteine citoscheletare și de filament intermediar. Mutațiile în genele corespunzătoare (sau în factori de transcripție specifici) duc la dezechilibre funcționale și la opacitate a cristalinului (cataractă). Vârsta de apariție a cataractei și modul lor de moștenire depind de expresia genelor corespunzătoare și de domeniul care este afectat de mutația care stă la baza acesteia. În total, ∼60 de gene diferite sunt cunoscute ca fiind responsabile de formarea cataractei la șoareci și la oameni. O discuție detaliată a mutațiilor corespunzătoare și a consecințelor funcționale ale acestora depășește scopul acestui capitol; recenzii corespunzătoare acestui subiect particular au fost publicate recent de către autor (Graw, 2009a,b).
.