רקע: אנומליות קרניופציאליות ותאי גדיל העצבי
אנומליות קרניופציאליות הן מומי לידה המשפיעים על צורת הראש והפנים, ומופיעים בשכיחות של כאחד מתוך מאה יילודים. שתי האנומליות הנפוצות ביותר הן שפה/חיך שסועים (בשכיחות של אחד לשבע מאות) וקרניוסינוסטוזיס, כלומר התאחות מוקדמת של תפרי הגולגולת (אחד לאלפיים). כ-70% מהמקרים של שפה/חיך שסועים וכ-85% ממקרי הקרניוסינוסטוזיס הם לא-תסמונתיים, ואין להם גורם גנטי מזוהה ברור. הטיפול הנוכחי העיקרי הוא ניתוחי, פולשני, ומהווה עול כבד על המטופלים ועל מערכת הבריאות.
תאי גדיל העצבי הגולגולתיים (Cranial Neural Crest Cells) הם מקורם של הפנים והחלק הקדמי של הראש. מדובר בתאים רב-פוטנטיים המסוגלים להתמיין לתאי עצם, סחוס, שומן, מלנוציטים, אודונטובלסטים, תאי עצב, תאי גליה ועוד. הפרעות בהתנהגות תאים אלו, לרבות פגמים בהגירה, פגמים בשגשוג, מוות תאי מוגבר, הפרעות בהתמיינות ובקביעת גורל תא, מדווחים פעמים רבות כגורם לאנומליות קרניופציאליות.
לצורך מעקב אחר תאי גדיל העצבי ומניפולציה גנטית ממוקדת בהם, נעשה שימוש נפוץ בשני קווי עכברים טרנסגניים: Wnt1-Cre ו-P0-Cre. שני הקווים מסמנים את תאי גדיל העצבי בצורה דומה אך לא זהה, ולפיכך עכברים מוטנטים עשויים להציג פנוטיפים שונים בין שתי השיטות. ההבדלים נובעים, בין השאר, מכך שפעילות Wnt1-Cre מתחילה באזור המוח האמצעי, ואילו P0-Cre פעיל ראשית באזור המוח האחורי.
חלבונים מורפוגנטיים של עצם (BMP) ומסלול האיתות שלהם
חלבונים מורפוגנטיים של עצם (Bone Morphogenetic Proteins, BMPs) הם חברים במשפחת גורמי הגדילה TGF-β. הם פועלים על ידי קישור לקומפלקסים של קולטנים מסוג I ו-II, שגורמים לזרחון של חלבוני SMAD1/5/9, אשר עוברים לגרעין התא ומשנים את ביטוי הגנים המטרה. בנוסף, קיים מסלול בלתי-תלוי SMAD הפועל דרך TAK1 וקינאזות MAP. רמות האיתות של BMP מווסתות על ידי האנטגוניסט החוץ-תאי Noggin ועל ידי חלבוני SMAD6 ו-SMAD7 המעכבים.
BMPs התגלו במקורם כמשרי היצירה של עצם, אולם מחקרים עדכניים הראו שמסלול ה-BMP ממלא תפקידים מגוונים ורב-תפקודיים בהתפתחות העובר, כולל ויסות שגשוג, מוות תאי, התמיינות וקביעת גורל תאים. פעילות BMP מופרעת בעכברים, בין אם אובדן תפקוד ובין אם רווח תפקוד, גורמת לאנומליות קרניופציאליות במגוון מודלים של עכברים.
שפה/חיך שסועים ומסלול ה-BMP
שפה/חיך שסועים מייצגים את סוג האנומליה הקרניופציאלית הנפוץ ביותר. המצב גורם לקשיים בהאכלה, בבליעה ובנשימה, ומחייב ניתוחים פולשניים. מודלים של עכברים גנטיים חשפו קשר הדוק בין פעילות BMP ובין התפתחות מצב זה.
מחיקת הגן Bmp7 בעכברים גורמת לחיך שסוע עם קיצור של סחוס מקל (Meckel's cartilage), בצורה המזכירה את תסמונת פייר-רובן, שבה לסת תחתונה לא מפותחת מונעת את סגירת החיך. תרביות חוץ-גופיות הראו שסתים החיך של עכברים אלה מסוגלים להתאחות כשהם מוצבים זה ליד זה, אך הסרת האיברים הסמוכים מגלה כי יכולת גבהה של הסתם נפגעת, מה שמעיד על מעורבות ישירה של BMP7 בתהליך.
ביטוי מוגבר של Noggin ברקמת המזנכים של החיך (Osr2-Cre;pMes-Noggin) גורם לחיך שסוע עם ירידה בשגשוג תאים ובהתמיינות לכיוון עצם. מנגד, מחיקה ייחודית לגדיל העצבי של Bmp2 (Wnt1-Cre;Bmp2fl/fl) גורמת לחיך שסוע בשל כשל בירידת הלשון, ללא פגיעה ישירה בשגשוג תאי החיך עצמו.
גם עלייה בפעילות BMP גורמת לאנומליות דומות: ביטוי של Bmpr1a המופעל באופן קונסטיטוטיבי בתאי גדיל העצבי (caBmpr1a) גורם לשפה שסועה, חיך שסוע וגיבוש סחוס אקטופי. מחיקת Tak1 ביחד עם ביטוי caBmpr1a יצרה חיך שסוע בעכברים שבכל אחד מהמוטציות בנפרד לא פתחה את המצב, מה שמצביע על כך שחוסר האיזון בין מסלול SMAD-תלוי לבין מסלול SMAD-בלתי-תלוי עשוי להיות גורם משמעותי. בנוסף, קווי עכברים המבטאים את ACVR1 המופעל באופן קונסטיטוטיבי (caAcvr1) פיתחו פגמים אמצע-פנים כולל חיך שסוע, כאשר ההבדלים בין שני קווי עכברים שונים נובעים ככל הנראה מרמות שונות של זרחון SMAD1/5/9.
קרניוסינוסטוזיס ומסלול ה-BMP
קרניוסינוסטוזיס מאופיין בהתאחות מוקדמת של תפרי הגולגולת, הגורמת לצורה לא תקינה של הגולגולת והפנים, לעלייה בלחץ תוך-גולגולתי ולסיבוכים נוירולוגיים אפשריים. תפרי הגולגולת מכילים תאי גזע/אבות המזנכימליים התומכים בגדילת העצמות, ועד לאחרונה הניחו כי עיקר הגורם לקרניוסינוסטוזיס הוא התמיינות יתר לכיוון אוסטאוגני. אולם מחקרים עדכניים מראים שמסלול ה-BMP תורם לקרניוסינוסטוזיס גם דרך הפרעות בתאי גדיל העצבי ובתאי הגזע של התפר.
כבר ב-1993 זוהה מוטציה ב-MSX2 (גן מטרה של BMP) בחולים עם קרניוסינוסטוזיס מסוג בוסטון. ביטוי מוגבר של Msx2 בתפרים גרם להיפרגדילה של עצמות הקדקוד, ואילו מחיקה מלאה של Msx1 ו-Msx2 בתאי גדיל העצבי הובילה למבני עצם אקטופיים בכיפת הגולגולת. ניסויים עם מחיקה מושרית בזמן הדגימו שפעילות MSX בשלב עוברי מוקדם נדרשת לדיכוי התמיינות אוסטאוגנית, בעוד שפעילותה בשלב מאוחר יותר נחוצה להנעת התמיינות זו.
האנטגוניסט Noggin מתבטא בתפרים פתוחים תקינים, ועלייה בפעילות FGF, הגורם לסינדרומים כמו קרוזון ואפרט, מדכאת את ביטוי Noggin. עיכוב של SMAD7 גרם להתאחות מוקדמת של התפר הכליל בעכברים. מסלול BMP מווסת את רמות האיתות של FGF באופן המושפע משלב ההתפתחות ומסוג התא.
ביטוי caBmpr1a ספציפי לגדיל העצבי (P0-Cre;caBmpr1a) גרם להתאחות מוקדמת של תפרי הגולגולת הקדמיים ותפרי קדם הלסת, לאחר שנמצאה עלייה במוות תאי ב-NCCs. עיכוב מוות תאי p53-תלוי הציל חלקית מהאנומליה. בנוסף, ניתן לראות היווצרות של סחוס אקטופי בתפרים המתאחים, שמוחלף מאוחר יותר בגושי עצם. זאת מרמזת שה-BMP משנה את גורל תאי גדיל העצבי לכיוון כוֹנדרוגני, מה שמוביל להתאחות מוקדמת דרך אוסיפיקציה אנדוכונדרלית.
מעניין לציין שהתפרים המתאחים שונים בין עכברי P0-Cre;caBmpr1a לבין עכברי Wnt1-Cre;caBmpr1a, מה שמלמד על ההבדלים הדקים בדפוסי ה-Cre. לעומת זאת, מחיקה של Bmpr1a בתאי גזע מזנכימליים של התפר גרמה אף היא לקרניוסינוסטוזיס, דרך ירידה ביכולת ההתחדשות ובהתמיינות האוסטאוגנית של תאי הגזע.
ממצאים בבני אדם
בעוד שמודלים של עכברים מדגימים בבהירות את מעורבות מסלול ה-BMP באנומליות קרניופציאליות, הממצאים בבני אדם מועטים יחסית. הסיבה האפשרית לכך היא שמוטציות חמורות בגנים הקשורים ל-BMP עלולות לגרום לתמותה עוברית מוקדמת, בדיוק כפי שקורה בעכברים עם מוטציות גלובליות בגנים אלו.
עם זאת, מספר דוגמאות אנושיות רלוונטיות אותרו: כפילות כרומוזום 10q22.3q23.2 הכוללת את BMPR1A קשורה להיפרטלוריזם (עיניים מרוחקות מדי). מיקרו-מחיקה ב-20p12.3 הכוללת BMP2 קשורה לשפה/חיך שסועים. פולימורפיזם ב-BMP4 קשור לשפה שסועה. מוטציה מיסנס הומוזיגוטית ב-BMPR1A גרמה לקרניוסינוסטוזיס כלילי חד-צדדי עם עלייה קלה ברמות SMAD מזורחן. מוטציות ב-ACVRL1 וב-ACVR2A נמצאו בחולים עם קרניוסינוסטוזיס למבדואידי.
ממצאים אלה מצביעים על כך שדווקא שינויים קלים, ולא שינויים קיצוניים, בפעילות BMP הם אלה המובילים לאנומליות קרניופציאליות בבני אדם מבלי לגרום ללתמותה עוברית. ממצא בולט במיוחד הוא שפולימורפיזמים ב-SMAD6 ובאזור משפר-שיא של BMP2 נמצאו בחולים עם קרניוסינוסטוזיס לא-תסמונתי. מחקרים אלה מלמדים שרק חלק מהנשאים של הפולימורפיזם ב-BMP2 מפתחים אנומליה, ואילו כל הנשאים שיש להם גם מוטציה ב-SMAD6 מפתחים קרניוסינוסטוזיס, מה שמדגים שעלייה קטנה בפעילות BMP עשויה להיות קריטית להתפתחות מומים בבני אדם.
סיכום ומבט לעתיד
הן אובדן תפקוד והן רווח תפקוד של מסלול ה-BMP גורמים לאנומליות קרניופציאליות, דבר המלמד שה-BMP ממלא תפקיד מרכזי בהתפתחות הגולגולת והפנים דרך כיוון עדין של שגשוג, מוות תאי, התמיינות וגורל תאים בשלבים שונים של ההתפתחות. חוסר האיזון בין מסלול SMAD-תלוי ל-SMAD-בלתי-תלוי, ובין BMP ל-FGF, משבש את התיאום ההתפתחותי ומוביל לאנומליות אלו.
כדי להרחיב את הידע בתחום, יש חשיבות רבה לניתוח מוטציות BMP בעוברים שנפלטו ובתינוקות שנולדו מתים, וכן לזיהוי מוטציות גנטיות בחולים עם אנומליות קרניופציאליות לא-תסמונתיות. כלים כמו GWAS וסיקוונסינג של אקסום מאפשרים זיהוי פולימורפיזמים באזורים רגולטוריים של גנים הקשורים ל-BMP. יש לבחון גם כיצד מוטציות אלה משנות את רמות האיתות בפועל, בין השאר דרך מדידת זרחון SMAD1/5/9 ומסלולים לא-SMAD. מאמצים אלה עשויים לפתוח אפשרויות טיפוליות חדשות לחולים עם אנומליות קרניופציאליות לא-תסמונתיות.
מקור
Ueharu, H., & Mishina, Y. (2023). BMP signaling during craniofacial development: new insights into pathological mechanisms leading to craniofacial anomalies. Frontiers in Physiology, 14, 1170511.