Pax6

Pax6 — это ген семейства paired box (PAX), кодирующий одноимённый транскрипционный фактор, играющий ключевую роль в раннем развитии центральной нервной системы, особенно глаз, а также поджелудочной железы, гипофиза и обонятельной системы. Ген Pax6 является одним из наиболее консервативных генов развития у животных: его гомологи обнаружены у всех билатерально-симметричных организмов, от плоских червей до человека. Мутации в гене Pax6 у человека приводят к врождённым аномалиям глаз, наиболее известной из которых является аниридия (отсутствие радужной оболочки).

Структура и расположение

Геномная организация

У человека ген PAX6 (HGNC: 8620) расположен на коротком плече 11-й хромосомы в локусе 11p13. Ген состоит из 14 экзонов и занимает около 35 тысяч пар оснований (35 кб). У мыши ген Pax6 находится на хромосоме 2, у дрозофилы — на хромосоме 2L (локус eyeless). Альтернативный сплайсинг даёт две основные изоформы белка: PAX6(5a) и PAX6(5b), различающиеся наличием вставки в парном домене, что меняет специфичность связывания с ДНК.

Белковая структура

Белок PAX6 имеет молекулярную массу около 46 кДа и содержит три функциональных домена:

• Парный домен (PD) — ДНК-связывающий домен длиной 128 аминокислот, характерный для всего семейства PAX. Он состоит из двух субдоменов (PAI и RED), распознающих специфические последовательности ДНК.
• Гомеодомен (HD) — второй ДНК-связывающий домен, типичный для гомеозисных генов. У PAX6 он расположен C-терминальнее парного домена.
• Трансактивационный домен (TA) — C-концевой участок, отвечающий за активацию или репрессию транскрипции целевых генов.

Функции в развитии

Развитие глаз

Pax6 является главным регуляторным геном (master control gene) морфогенеза глаз. У позвоночных его экспрессия начинается в переднем мозге (глазных пузырьках) на ранних стадиях эмбриогенеза. Он контролирует:

• Формирование глазного бокала — инвагинация глазного пузырька для образования двуслойной структуры, из которой развиваются сетчатка и пигментный эпителий.
• Развитие хрусталика — индукция эктодермы, из которой образуется хрусталиковая плакода, и последующая дифференцировка клеток хрусталика.
• Дифференцировку сетчатки — поддержание мультипотентности ретинальных клеток-предшественников и их последующая спецификация в фоторецепторы, биполярные, ганглиозные и другие нейроны.
• Образование роговицы и радужки — регуляция формирования переднего сегмента глаза.

У дрозофилы гомолог Pax6 — ген eyeless — при эктопической экспрессии (введение в нехарактерные ткани) способен индуцировать формирование полноценных глаз на антеннах, крыльях и ногах, что демонстрирует его статус мастер-гена.

Развитие центральной нервной системы

Pax6 экспрессируется в развивающемся переднем мозге, среднем мозге, мозжечке и спинном мозге. Он участвует в:

• Паттернинге нервной трубки — установлении дорсо-вентральной и передне-задней полярности.
• Нейрогенезе — регуляции пролиферации, миграции и дифференцировки нейронов, особенно в коре больших полушарий, таламусе и гипоталамусе.
• Развитии обонятельной системы — формировании обонятельных луковиц и нейроэпителия носовой полости.

Другие ткани

• Поджелудочная железа: Pax6 необходим для развития α-клеток (продуцирующих глюкагон) и β-клеток (инсулин) островков Лангерганса. У мышей с нокаутом Pax6 поджелудочная железа значительно уменьшена, а количество α-клеток резко снижено.
• Гипофиз: ген участвует в формировании передней доли гипофиза и регуляции экспрессии гормонов (например, адренокортикотропного).
• Пинеальная железа: Pax6 контролирует развитие эпифиза у позвоночных.

Мутации и заболевания

Аниридия (OMIM #106210)

Наиболее частым заболеванием, связанным с мутациями в гене PAX6, является аниридия — врождённое отсутствие или гипоплазия радужной оболочки. Заболевание наследуется по аутосомно-доминантному типу с высокой пенетрантностью. Клинические проявления включают:

• Гипоплазию радужки (от частичного дефекта до полного отсутствия).
• Нистагм и снижение остроты зрения.
• Катаракту (помутнение хрусталика) в 50–80% случаев.
• Глаукому (повышение внутриглазного давления) — развивается у 30–50% пациентов.
• Помутнение роговицы и фовеолярную гипоплазию.

Мутации могут быть миссенс-мутациями, нонсенс-мутациями, делециями или транслокациями, затрагивающими как кодирующую область, так и регуляторные элементы (например, консервативные некодирующие последовательности, CEN).

Другие офтальмологические нарушения

• Синдром Гиллеспи (Gillespie syndrome) — редкое аутосомно-рецессивное заболевание, характеризующееся частичной аниридией, мозжечковой атаксией и умственной отсталостью. Связан с гомозиготными мутациями в гене PAX6.
• Изолированная катаракта — некоторые мутации приводят только к катаракте без аниридии.
• Колобома — дефект развития глаза (расщелина радужки, сетчатки или зрительного нерва) также может быть ассоциирован с мутациями PAX6.

Нейроразвивающие нарушения

Гетерозиготные мутации PAX6 могут вызывать:

• Нарушения обоняния (аносмию или гипосмию) из-за гипоплазии обонятельных луковиц.
• Когнитивные дефекты — лёгкие нарушения памяти, внимания и исполнительных функций.
• Эпилепсию — описаны единичные случаи.

Экспериментальные модели

У мышей гомозиготный нокаут Pax6 (Pax6-/-) летален на стадии эмбриона (E10.5–E12.5) из-за тяжёлых дефектов нервной трубки и отсутствия глаз. Гетерозиготные мыши (Pax6+/-) имеют маленькие глаза (Small eye — фенотип Sey) и аномалии радужки, что служит моделью аниридии человека.

Эволюционная консервативность

Pax6 является одним из самых консервативных генов развития в животном мире. Белковые последовательности PAX6 человека и мыши идентичны на 100% в парном домене и гомеодомене. У дрозофилы гомеодомен PAX6 идентичен человеческому на 94%, а парный домен — на 90%. Ген Pax6 обнаружен даже у таких примитивных организмов, как книдарии (например, медузы), у которых он участвует в формировании светочувствительных структур (оцеллей).

Эта консервативность позволяет проводить функциональные замены: человеческий PAX6 способен частично компенсировать потерю функции eyeless у дрозофилы, индуцируя формирование глаз. Это свидетельствует о том, что молекулярный механизм развития глаз возник на ранних этапах эволюции билатерий и сохранился, несмотря на огромные различия в строении органов зрения.

Регуляция экспрессии

Экспрессия PAX6 жёстко регулируется на нескольких уровнях:

• Цис-регуляторные элементы: в интронах и фланкирующих областях гена обнаружены консервативные некодирующие последовательности (CEN), которые действуют как тканеспецифичные энхансеры. Например, энхансеры для экспрессии в сетчатке, хрусталике и поджелудочной железе различны.
• Транскрипционные факторы: PAX6 регулирует собственную экспрессию через механизм ауторегуляции (петля положительной обратной связи). Также на его промотор влияют факторы SOX2, OTX2 и SIX3.
• МикроРНК: например, miR-7 и miR-96 могут подавлять экспрессию PAX6 в определённых тканях.

Источники

• OMIM: #106210 — Aniridia; PAX6 gene.
• Callaerts, P., Halder, G., & Gehring, W. J. (1997). PAX-6 in development and evolution. Annual Review of Neuroscience, 20, 483–532.
• van Heyningen, V., & Williamson, K. A. (2002). PAX6 in sensory development. Human Molecular Genetics, 11(10), 1161–1167.
• Simpson, T. I., & Price, D. J. (2002). Pax6; a pleiotropic player in development. BioEssays, 24(11), 1041–1051.
• Gehring, W. J. (2005). New perspectives on eye development and the evolution of eyes and photoreceptors. Journal of Heredity, 96(3), 171–184.
• Manuel, M., & Price, D. J. (2005). Role of Pax6 in forebrain development. Developmental Dynamics, 233(3), 659–672.