Радиальная глия : строение, функционирование, путь развития

Радиальная глия (РГ) - глиальные клетки с длинными отростками, играющие важную роль в нейрональной миграции, построении слоёв коры мозга и мозжечка, а также являющиеся прекурсорами (предшественниками) в процессе нейрогенеза (Campbell K, Götz M ,2002).
РГ образуется на ранней стадии развития нервной системы из нейроэпителиальных клеток. Некоторые глиальные популяции, например, Мюллерова глия в сетчатке,  танициты в гипоталамусе и Бергмановская глия в мозжечке,  сохраняют радиальную морфологию (строение) , а также иммунологические и биохимические свойства, присущие РГ,  и во взрослом организме (Rakic P,2003). Показано, что функционирование радиальной глии напрямую связано с процессами старения мозга и организма в целом. Радиальная глия- это тот запас, из которого образуются нейроциты-основные клетки нервной ткани. Уничтожение этого запаса, а следовательно невозможность образования новых клеток,- это отправная точка процесса старения согласно астроцитарной теории.

Показано, что клетки РГ, которая на ранних этапах онтогенеза служит субстратом для миграции дифференцирующихся нервных клеток, становятся нейронами. Однако потом выяснилось, что на самом деле популяция клеток радиальной глии гетерогенна: часть клеток содержит нейральные маркеры (маркеры-белки или другие молекулы, экспрессия котрых характерна для какого-либо вида клеток и для разных стадии их развития) (они впоследствии становятся нервными), а часть – глиальные (такие и становятся глиальными). Иными словами, несмотря на то,  что все клетки радиальной глии вначале выполняют одну и ту же временную функцию, они уже детерминированы к развитию (т.е. их развитие предопределено) в разных направлениях.

Вопрос об общности или различии происхождения предшественников двух основных клеточных элементов нервной ткани долгое время обсуждался как в отечественной, так и в зарубежной литературе.  Удалось показать, что глиальные клетки продолжают пролиферацию в постнатальном периоде развития. Вопрос о формировании глии на ранних стадиях развития до последнего времени оставался открытым.  Однако по мере исследований накапливались данные о наличии глиальных клеток на очень ранних стадиях эмбриогенеза. Так,  многочисленными исследованиями было показано, что элементы радиальной глии (танициты) развиваются в коре одновременно или даже раньше, чем основная популяция нервных клеток. Предполагают, что в ранний эмбриональный период развития млекопитающих отростки клеток радиальной глии простираются от просвета нервной трубки до базальной пограничной мембраны и играют решающую роль в процессе миграции нейронов при образовании корковой пластины, мозжечкаи других отделов мозга.

Как говорилось выше, исследования показали наличие в вентрикулярной зоне(ростовая зона около желудочков головного мозга) мозгового пузыря двух типов клеток. Одни из них содержат характерный для глии кислый фибриллярный белок (белок , служащий маркером глиальных клеток) и оцениваются авторами как предшественники глии, тогда как в других нейроэпителиальных клетках этот белок отсутствует. Эти клетки рассматриваются как предшественники нейронов. Таким образом, были получены прямые доказательства правильности классической точки зрения о существовании в вентрикулярном слое нервной трубки различных предшественников нейронов и глии.  Дальнейшие исследования показали, что клетки радиальной глии существуют в неизменной форме в течение длительного периода эмбриогенеза, а затем трансформируются в астроциты, хотя часть астроцитов возникает, по-видимому, позднее непосредственпо из клеток-предшественников. Справедливость такого предположения получила подтверждение в недавних исследованиях, проведенных с помощью техники моноклональных антител. Что же касается олигодендроцитов, участвующих в процессе миелинизации (процесса образования миелина) аксонов ЦНС и некоторых других видов глиальных клеток, то имеются данные о том, что они продуцируются позднее из элементов субвентрикулярной зоны. Формирование различных классов глиальных клеток осуществляется как в эмбриогенезе за счет деления клеток субвентрикулярной зоны, так и в постнатальном периоде развития за счет пролиферации малодифференцированпых клеток в соответствующих отделах мозга. Таким образом, глиогенез (процесс формирования клеток глии) начинается одновременно или даже несколько раньше нейрогенеза (процесса формирования нейроцитов) - в раннем периоде эмбрионального развития, но в отличие от нейрогенеза он продолжается в течение довольно длительного периода и после рождения животных.

Обнаружить стволовые клетки, в том числе и клетки РГ, можно с помощью специальных методов. Дело в том, что в «нативных» стволовых клетках и их производных синтезируются специфические белки, которые выявляются с помощью иммуногистохимической техники (методы, заключающиеся в специфическом окрашивании клеток различными красителями,в том числе флуоресцентными). На каждый белок получают антитела, которые метят флюоресцентным красителем. Такой реагент выявляет белки, присутствующие в стволовых клетках на разных стадиях развития. Так, нейральные стволовые клетки содержат белок виментин.  Если клетки развиваются в нейральном направлении, то синтезируются соответствующие маркирующие белки – нейрофиламентные (белки нейрофиламентов-элементов цитоскелета,рост и функционирование которых обеспечивает рост и транспорт в нервной клетке), b3-тубулин, энолаза и др. Когда клетки специализируются как вспомогательные,  глиальные, появляются другие маркеры, например глиальный фибриллярный кислый белок, белок S-100 и др.
Для клеток РГ характерна экспрессия GFAP, виментина, FABP7. РГ, из которой образуются новые нейроны, характеризуется экспрессией PAX6  (Mo Z, Zecevic N, 2008).Существуют межвидовые отличия в экспрессии маркеров: у приматов РГ выраженно иммуннореактивна к GFAP в самый активный период нейромиграции, а у грызунов экспрессия GFAP наблюдается только после рождения. Многие клетки РГ у приматов на время останавливают митотическую активность, выполняя лишь роль направляющих для мигрирующих нейронов. Кортиконейрогенез у макак длится около двух месяцева у человека - около пяти, и, как предполагается, для построения более крупного и сложного мозга требуются более устойчивые, дифференцированные клетки поддержки.

Проблема трансформации клеток радиальной глии в звездчатые астроциты в постнатальный период развития лежит в основе астроцитной теории старения млекопитающих. Имеет место исчезновение эмбриональных радиальных путей миграции клеток от места их пролиферации к местам их конечной локализации в мозгу взрослой особи, что является причиной постмитотичности мозга млекопитающих. Исчезновение РГ индуцирует целый каскад системных процессов, которые названы как механизм возрастзависимого самоуничтожения млекопитающих (МВСМ). Исчезновение клеток РГ делает невозможной замену исчерпавших свой жизненный ресурс нейронов (Бойко,2007).
Среди филогенетических ветвей позвоночных нестареющие виды встречаются у рыб, амфибий, черепах, птиц, но не у тероморфных (в том числе и среди ныне живущих млекопитающих). Постмитотичный мозг, т.е. мозг,для клеток которого митоз является пройденным этапом,- явление уникальное и среди позвоночных характерно только для млекопитающих.
Согласно астроцитарной теории, старение эволюционно возникает только у млекопитающих путем приобретения такого признака, как почти полное исчезновение РГ в начале постнатального периода. 4 возможных эволюционных варианта развития событий:
1. Побочный результат механизма ограничения роста у позвоночных тероморфной линии (Bidder, 1932)
2. Побочный результат эволюции механизма постнатального развития млекопитающих (Dilman, 1971,1981)
3. МВСМ возник как механизм возрастзависимого самоубийства по сценарию Боулса (Bowles, 1998, 2000)
4. Результат дальнейшей эволюции механизма ограничения роста тероморф в многозадачный механизм.

Но многие ученые считают механизм старения, связанный с  трансформацией РГ в астроциты, неким частным случаем, сочетающим черты теории программированного старения и эволюционной теории.

Изучение процессов развития мозга и функционирования его клеток - это актуальная проблема в современной науке. Необходимы обширные исследования, которые приведут к практическому использованию РГ в борьбе с заболеваниями и старением.

Среди филогенетических ветвей позвоночных нестареющие виды встречаются у рыб, хвостатых амфибий, черепах, и возможно, у птиц. Исследования показали возможность как репаративной, так и физиологической регенерации у этих животных (Barres, 1999). Длительное время считалось, что у птиц постмитотичный мозг, но Ноттебом показал, что в мозгу птиц нейроны генерируются в вентрикулярной и субвентрикулярной зонах, где персистируют нейрогенные стволовые клетки, а затем мигрируют вдоль волокон РГ, пополняя количество нейронов. Установлено наличие хорошо развитой радиальной сети в мозгу взрослых птиц (Kalman, 1993). Т.е. РГ сохраняется там,где идет активный процесс нейрогенеза.
У амфибий РГ участвует в посттравматической репарации спинного мозга, а так же в репарационных процессах в коре головного мозга.
У костистых рыб мозг обладает огромным потенциалом генерирования новых нейронов. Количественно митотически активные клетки (т.е. клетки, которые интенсивно делятся) мозга распределяются так: 25% из них находятся в конечном, промежуточном, ромбовидном мозгу и в среднем мозговом пузыре. Остальные 75% клеток распределены в пролиферативных зонах мозжечка, которые представляют собой остатки эмбриональных пролиферативных зон. После миграции в место конечной локализации многие из новых нейронов продолжают существовать в течение длительного периода,а возможно пожизненно. Такое долгосрочное существование вместе с постоянным продуцированием новых клеток ведет к неограниченному росту мозга. Рыбы обладают огромной посттравматической репарационной способностью. Восстановление нервной ткани достигается целым каскадом процессов, включая продуцирование и направление миграции новых нейронов к месту повреждения волокнами РГ.После того как новогенерированные клетки достигают места назначения, для регуляции их численности запускается процесс апоптоза. С возрастом у костистых рыб наблюдается снижение интенсивности апоптоза на единицу массы нерной ткани (Zupanc,2006)

На основании всего вышесказанного можно сделать вывод, что наличие или отсутствие клеток РГ в мозгу взрослых позвоночных определяет уровень нейрогенеза, а возможно и продолжительности жизни. Отсутствие клеток РГ в мозгу взрослых млекопитающих, в том числе и человека, может быть причиной старения.

Способность любых стволовых клеток давать разные клеточные типы делает их весьма удобной системой для изучения молекулярно-генетических событий, обусловливающих специфическую дифференцировку клеток. Действительно, изолировав стволовые клетки в чистом виде, можно затем анализировать функции генов, ответственных за последовательные этапы дифференцировки.
Оказалось, в частности, что время последовательного включения генов, контролирующих развитие, совпадает и в постимплантационных зародышах, и в культуре эмбриоидных тел. Значит, стволовые клетки – действительно хорошая экспериментальная модель для изучения молекулярных механизмов клеточной специализации.

На начальном этапе гистогенеза нервной ткани - стадии пролиферации и дивергентной дифференцировки (т.е. развитие клеток в определенном направлении) нейроэпителиальных предшественников - медуллобластов и их превращение в нейробласты и глиобласты - преимущественное значение имеют генетические факторы и позиционная информация (судьба клетки определяется контактными взаимосвязями с соседними низкодифференцированными предшественниками). Генетически и фенотипически детермированные предшественники нейронов и нейроглиальных клеток оказывают выраженные взаимные трофические влияния (т.е. влияния с помощью выделения каких-либо веществ, например, цитокинов или кейлонов) в процессе своего развития. Большое значение имеет вопрос о первых фенотипических признаках формирующихся нейронов и глиоцитов. Для нервных клеток информативными следует считать белки нейрофиламентов, белок продукта гена 9,5 (РОР 9,5), нейронспецифическую енолазу, ферменты синтеза нейромедиаторов и их клеточные рецепторы, а также нейропептиды.  Для астроцитов наличие виментина - белка промежуточных филаментов, характерного для всех типов незрелых клеток макроглии, и постепенно заменяющегося в процессе развития на основной маркер клеток - глиальный кислый фибриллярный белок. Отличительным признаком олигодендроцитов является плазмолеммальный гликопротеид - галактоцереброзид.

Показано, что переход к фенотипу радиальной глии, сопровождающийся экспрессией FABP7, индуцируется активацией рецепторов Notch 1, (Anthony TE, Mason HA, Gridley T, Fishell G, Heintz N,2005) в частности, под воздействием белка рилин. Интересно, что Notch1 в пренатальном периоде стимулирует превращение клеток-предшественников в радиальную глию, однако постнатально способствует метаморфозу (превращению) радиальной глии в астроциты. Так, при вентрикулярной инъекции ретровирусного вектора Notch1 осуществлялось избирательное ингибирование (подавление) нейрогенеза нейронов,происходящих от телеэнцефалических прекурсоров (замедление выхода клеток из субвентрикулярной зоны) и активация глиальных потомков нео- и архикортекса (Chambers CB, Peng Y, Nguyen H, Gaiano N, Fishell G, Nye JS,2001)

Имеет место взаимодействие прогениторных клеток по «тандему» рецепторов Delta-Notch. Delta является внешним мембранным лигандом. Клетки с экспонированным Delta избирательно взаимодействуют с Notch рецептором других прогениторных клеток. Эта пара рецепторов стабилизирует клон за счет контактов прогениторных клеток между слоями нейросферы. Эти взаимодействия, стабилизирующие клон, одновременно тормозят нейрогенез. Delta – Notch контакты прогениторных клеток в нейросферах ингибировали экспрессию нейрогенинов и Mash1, стимулируя пролиферацию. Показательно, что в растущих нейросферах эмбрионального мозга экспрессирован ген Notch-1, тогда как в растущих нейросферах постнатального мозга экспрессирован ген Notch-2. Этот маркер различал первичные и вторичные нейросферы (Higuchi M., Kiyama H., Hayakawa T. et al, 1995). Если Notch стимулировал образование новых прогениторных клеток в развивающейся ЦНС, то ген Numb отвечал за генерацию новых клонов и появление клон-инициирующих клеток. Выключение гена Numb приводило к гибели зародышей мыши на стадии 10,5-12 дня развития из-за дефектов формирования головной части нервной трубки и ускоренной генерации зрелых нейронов (Zhong W.,Jiang M.M.,Schonemann M.D. et al., 2000). Поэтому предположили, что градиент экспрессии Notch/Numb контролировал число прогениторных слоев в нейросферах и фазу перехода клона к постмитотическому созреванию (Rao M., Mattson M.P., 2001). В эксперимете взаимодействие Delta / Notch заканчивалось протеолизом цитоплазматического домена Notch. Последний транспортировался в ядро, где связывался с транскрипционным комплексом RBI-J (Schroeder T, Just U., 2000). Notch рецептор, активированный лигандом, одновременно снижал апоптоз прогениторных клеток (Han W., Ye Q, Morre M.A.,1999). Сигнализация через Delta/Notch в прогениторных клетках сопряжена с экспрессией фактора плюрипотентности Hes-1, который блокировал преждевременное включение генов Mash-1, Ngn1, Ngn2. И одновременно поддерживал уровень нестин+ и виментин+ клеток в клонах (Yuki N., Sakakibura S., Takaki M. et al., 2000).

Нервная плакода у зародышей млекопитающих остается наиболее древней тканью, где рекордно высока плотность Delta-Notch взаимодействий в кластерах прогениторных клеток. В интенсивно обновляющихся клонах обонятельной плакоды (зачатка) активированы оба фактора плюрипотентности НЕS-1 и HES-5. В клетках нейроэпителия плакоды экспрессирован только HES-1. Пока экспрессирован HES-1, невозможна экспрессия Mash-1, т.е. количество будущих нейробластов не определено в данном регионе. Пока в ткани доминировал фактор плюрипотентности HES-1, в клонах преобладала Delta-Notch зависимая пролиферация прогениторных клеток. Если HES-1 клоны определяли общую территорию, занимаемую клетками обонятельного эпителия, то ген HES-5 контролировал региональную плотность клеток (Cau E., Gradwohl G., Casasosa S. et al., 2000). Мутации (делеции) HES -генов, как правило, вели к уменьшению размеров органов эмбрионов за счет ранней, ускоренной дифференцировки прогениторных клеток и укорочения цикла HES-Delta-Notch (Kageyama R., Ohtsuka T. et al., 1999). Сам механизм размножения клонов в разных отделах головного и спинного мозга оставался неизменным, хотя пролиферация прогениторных клеток контролировалась сменными Hes- репрессорами (Ohtsuka T., Ishibashi M., Gradwohl G. et al.,1999). В цикле созревания предшественников олигодендроцитов экспрессия гена Hes -5 определяла максимальную наработку прогениторных клеток без Т3 рецептора. Выключение Hes- 5 переключало клон на наработку Mash+ прогениторных популяций, экспрессирующих Т3 рецептор. В свою очередь Т3 запускал терминальную постмитотическую дифференцировку олигодендроцитов (Kondo T., Raff M., 2000).
Внутрижелудочковая имплантация эмбрионам стволовых клеток, трансфицированных Notch геном, вызывала образование радиальной глии (РГ) из клеток трансплантата. (Gaiano N., Nye J.S., Fishell G.et al., 2000).

Следующая стадия гистогенеза- стадия миграции клеток ярко выраженна на ранних сроках развития нервной трубки и у производных нервного гребня, когда будущие нейроны целенаправленно перемешаются на значительные расстояния в организме зародыша. Пути миграции в разных отделах нервной системы определяются многими механизмами. В нервной трубке, коре мозжечка и большого полушария мозга большое значение имеют глиальные клетки, образующие своими вытянутыми телами и отростками радиальные волокна. Нервные клетки используют эти глиальные волокна для своего перемещения из глубоких отделов в более поверхностные. В периферической нервной системе преимущественное значение придается гликопротеидным компонентам внеклеточного матрикса, в частности фибронектину, ламинину, энтактину, направляющим миграцию клеток нервного гребня

Известно, что число клеток каждого типа довольно стабильно в каждом из отделов ЦНС и оно определяется двумя основными факторами - числом "родившихся" клеток и гибелью части нервных клеток в процессе дальнейшего развития. Чем же определяется число родившихся клеток? Иначе говоря, что является сигналом для прекращения митоза данной группы клеток? Эти вопросы интенсивно изучаются на различных не нервных тканях организма. В настоящее время принято считать, что пролиферация клеток подавляется особыми веществами - кейлонами, представляющими собой специфичные для каждой ткани, но видонеспецифичные белки или гликопротеиды. Предполагают, что они действуют, подавляя экспрессию генов, связанных с делением клеток. В нервной ткани, зрелые клетки которой не делятся, ингибиторы клеточного деления - кейлоны - не изучены, хотя, возможно, именно они ответственны за прекращение деления нервных клеток и регулируют число клеток данного типа на ранних стадиях эмбриогенеза.
Есть ли пути преодоления терминации? Возможно ли управление процессами пролиферации клеток радиальной глии? Это задачи для научных исследований,которые могут помочь человечеству в борьбе с заболеваниями мозга и старением.

Радиальная глия - глиальные клетки с длинными отростками, играющие важную роль в нейрональной миграции, построении слоёв коры мозга и мозжечка, а также являющиеся прекурсорами в процессе нейрогенеза.
Популяция клеток радиальной глии гетерогенна: часть клеток содержит нейральные маркеры (они впоследствии становятся нервными), а часть – глиальные (такие и становятся глиальными).
Проблема трансформации клеток радиальной глии в звездчатые астроциты в постнатальный период развития лежит в основе астроцитной теории старения млекопитающих.
Постмитотичный мозг-явление уникальное и среди позвоночных характерно только для млекопитающих.
Время последовательного включения генов, контролирующих развитие, совпадает в постимплантационных зародышах и в культуре эмбриоидных тел. Стволовые клетки –хорошая экспериментальная модель для изучения молекулярных механизмов клеточной специализации.
На стадии пролиферации и дивергентной дифференцировки нейроэпителиальных предшественников - медуллобластов и их превращения в нейробласты и глиобласты- преимущественное значение имеют генетические факторы и позиционная информация (судьба клетки определяется контактными взаимосвязями с соседними низкодифференцированными предшественниками).

В заключение необходимо отметить,что клетки радиальной глии являются перспективным объектом исследования,особенно в области геронтологии,в частности- астроцитарной теории старения. До конца неизученные сложные каскады реакций запуска и терминации их активности, важность выполняемой ими в эмбриогенезе и постнатальном периоде функции представляет несомненный интерес для научной общественности. Важность более детального  изучения вышеописанных процессов неоспорима, т.к существует необходимость в практических разработках: 
 1.  Изучение процессов в мозге в эмбриогенезе.

 2.  Более детальное изучение роли РГ в эмбриональном мозге.

 3.  Изучение роли РГ в мозге "нестареющих животных".

 4.  Изучение возможности трансплантации РГ при лечении заболеваний нервной системы.

 5. Нахождение доказательств или контраргументов астроцитарной теории старения.
Перспективы огромны, необходимы действия...

27 августа 2008 года