В недавнем исследовании, опубликованном в Nature Communications, был проведен комплексный геномный анализ с использованием клеточного секвенирования мезенхимы лица человеческих эмбрионов и сравнения результатов с генами, связанными с внешним видом лица с помощью GWAS, чтобы понять сложное развитие структур черепно-лицевого скелета и улучшить методы лечения врожденных черепно-лицевых пороков развития.

Общие сведения

Распознавание лиц является важнейшим аспектом большинства социальных коммуникаций у людей, а врожденные черепно-лицевые аномалии оказывают глубокое влияние на социальные взаимодействия. В висцерокрании находятся важнейшие структуры и поддерживаются органы чувств. Взаимодействие генетических, экологических и эпигенетических факторов формирует черепно-лицевой скелет.

Потребление алкоголя во время беременности является известным фактором, влияющим на морфогенез лица. Висцерокраний формируется из потомков клеток нервного гребня (NCC) у всех Gnathostomata, включая мышей, рыбок Данио и людей.

Несколько субпопуляций мезенхимальных клеток, полученных из NCC, конденсируются и дифференцируются в остеобласты и хондроциты. Форма мезенхимальных хондрогенных уплотнений определяет форму элементов черепно-лицевого скелета.

Сложное взаимодействие между эктодермой лица, плакодами, NCC, нейроэпителием и энтодермой обеспечивает точное формирование висцерокраниума; это включает непрерывные изменения экспрессии тысяч генов.

Более того, правильная миграция и дифференцировка NCC и их взаимодействие с соседними тканями включают сохраненные сигнальные пути.

Сигнальные пути и связанные с ними морфогены образуют систему, ответственную за формирование внутренних органов. Тем не менее, способность сигнальных путей воспринимать сигналы окружающей среды и интегрировать их в морфогенез лица остается неизвестной.

Восприятие питания по пути mTORC1 в значительной степени сохранено эволюционно. Кроме того, изменения в активности mTORC1 могут влиять на форму черепно-лицевых структур.

Исследование и результаты

В настоящем исследовании выдвинута гипотеза и проверено, что передача сигналов mTORC1 может опосредовать взаимодействия между сигналами окружающей среды и морфогенезом черепа.

Сначала был секвенирован материал лица эмбриона человека для выявления активно транскрибируемых усилителей, участвующих в развитии лица в период с 3 по 12 неделю беременности.

Усилители были перепроверены и обогащены по сравнению с ранее идентифицированными. Команда отметила обогащение компонентами пути фосфоинозитид-3-киназы (PI3K) / протеинкиназы B (AKT) / mTORC1 / аутофагии.

Затем были проведены манипуляции с сигнальным путем mTORC1 во время развития лица, чтобы исследовать механизмы, лежащие в основе формирования черепа.

С этой целью передачу сигналов mTORC1 активировали путем скрещивания мышей с туберозным склерозом 1 (Tsc1), которым вводили флокс, со штаммом транскрипционного фактора SRY-box 10 (Sox10)-CreERT2, в котором введение тамоксифена на 8.5-й день эмбрионального развития (E8.5) индуцирует рекомбинацию в NCC.

Изображения микрокомпьютерной томографии выявили измененную толщину элементов скелета и незначительные аномалии развития по E17.5.

Ранее исследователи продемонстрировали, что форма черепа у мышей формируется при мезенхимальном уплотнении. Эмбрионы окрашивали на E12.5, чтобы проиллюстрировать форму мезенхимальных уплотнений.

Общая форма осталась сохраненной, но наблюдались более толстые отделения носовой капсулы. Когда Tsc1 был удален, клоны назальных хондроцитов появились в виде больших объемных скоплений с обширным разбросом и смещением.

Эти результаты показали, что активация пути mTORC1 модулирует хондрогенную конденсацию и клональное расположение. Дальнейшие анализы показали, что путь mTORC1 был вовлечен в формирование черепа на стадии до или во время хондрогенных уплотнений.

Затем рапамицин ингибировал mTORC1 у беременных самок на E10.5; это привело к слегка удлиненной морде у эмбрионов на E17.5.

Более того, уменьшенная толщина хондрогенных мезенхимальных уплотнений наблюдалась на E12.5. Затем команда исследовала, сохраняются ли эти эффекты mTORC1 у разных видов.

Таким образом, они отобрали рыбок Данио и подвергали личинок воздействию рапамицина в несколько временных периодов во время развития. Воздействие рапамицина до или во время хондрогенного уплотнения не повлияло на общий размер лицевого скелета, хотя хрящевые структуры были сужены.

Далее, при воздействии до уплотнения наблюдалось небольшое искривление решетчатой пластинки с изменением положения различных элементов хряща.

Затем исследователи изучили, могут ли изменения активности mTORC1 при употреблении диет с различным уровнем белка повлиять на формирование черепно-лицевой области потомства. Соответственно, беременные мыши потребляли изокалорийный рацион с содержанием белка 4%, 20% или 40%, начиная с 6.5.

Самая низкая и наиболее выраженная активность mTORC1 наблюдалась у эмбрионов, полученных от реципиентов диеты с низким и высоким содержанием белка.

Уровень белка в рационе матери влиял на длину хряща Меккеля, а также на ширину и длину капсулы носа у эмбрионов. Толщина хряща капсулы носа увеличивалась при увеличении содержания белка в рационе.

Выводы

В целом, исследование проиллюстрировало механизмы mTORC1-зависимого формирования элементов черепно-лицевого скелета у мышей и рыбок Данио, что в основном происходит наряду с хондрогенными мезенхимальными уплотнениями, с тонкой настройкой во время интеркаляции хондропрогенизаторов.

Более того, содержание белка в рационе матери модулировало активность mTORC1 у эмбрионов мышей. В целом, результаты дают представление о формировании черепа и его фенотипической пластичности.