A role for biliverdin IXα in dorsal axis development of
Xenopus laevis embryos Proc. Natl. Acad. Sci. USA, Vol. 99, Issue 1, 251-256, January 8, 2002 | |
Детерминанты эмбрионов Xenopus laevis, которые действуют еще до первого клеточного деления, обязательны для формирования мРНК, необходимых для установления дорсальной оси. Хотя их химическая природа неизвестна, но ряд их свойств известен. Один из детерминантов присутствует в цитоплазме и чувствителен к облучению УФЛ. Т.о., облучение эмбрионов на ст. 1 или стандартными 254-nm или, как показано здесь, 366-nm УФЛ во время 0.3-0.4 части их первого цикла инактивирует цитоплазматические детерминанты. Как следствие оба типа облученных эмбрионов оказываются неспособными экспрессировать дорсальные маркеры, напр., goosecoid и chordin, не влияя на формирование вентральных маркеров, напр., Vent-1. Установлено, что biliverdin IXα, обычный компонент цитоплазматических желтковых platelet, обнаруживает фото-трансформацию при облучении или 254- или
366-nm УФЛ и что трансформация эта запускает формирование дефицита дорсальной оси. Если такие 254- или 366-nm облученные УФЛ эмбрионы инкубировали лишь с µM количеством biliverdin, то они восстанавливались и формировали ось. Напротив, инкубация или с фото-трансформированным биливердином in vitro или с
biliverdin IXα диметиловым эфиром не вызывало восстановления.
| Northern blots of RNA from UV-irradiated stage 10.5 embryos. | Morphology of embryos irradiated with UV light. | Biliverdin IXα rescues UV-irradiated embryos from dorsal axis deficiency. | HPLC elution profile of an extract of eggs or stage 1 embryos. | Rechromatography of purified 23.3-min fraction before and after UV light irradiation. | Physical chemical features of the HPLC fraction 23.3 min identifies it as biliverdin IXα. The numbers in the structure indicate the position of the protons and the carbons described in Fig. 7. | NMR one-dimensional 1H spectrum and total correlation spectroscopy (TOCSY) spectra of the 23.3-min HPLC fraction identified it as biliverdin IXα. | Molecular switch for induction of dorsal axis. Biliverdin is proposed to interact with a cortical factor to trigger or switch on the downstream activation of genes. When the chemical switch is turned on, the Nieuwkoop center and the Spemann-Mangold organizer are sequentially formed. The UV irradiation of biliverdin renders an ineffective photo-product, the chemical switch remains off, and the dorsalizing gene products that participate in the configuration of the dorsal axis are not formed. The result is adorsal teratology. MBT, midblastula transition. | Многие молекулы участвуют в сложном процессе детерминации дорсо-вентральной оси у эмбрионов. Они м.б. операционно подразделены на две группы по времени их действия. Первая группа распределеяется первоначально в вегетативном кортексе и цитоплазме яйца и на ст. 1 эмбриогенеза. Затем они оказываются локализованными в дорсо-вегетативной зоне. Они действуют рано в период после оплодотворения, но до первого деления дробления. Действие этих ранних детерминант существенно для формирования и/или активации многих молекул второй группы, формируемых ниже после перехода к ст. средней бластулы (midblastula transition) в дорсо-экваториальной зоне эмбрионов. Последняя довольно хорошо охарактеризована. Они активируются или формируются в дорсальной (напр., wnt, β-catenin, siamois, goosecoid, activin, XANF-1, Xnr3, noggin, chordin, transforming growth factor β, follistatin, xSOX3) или вентральной (напр., BMP4, fibroblast growth factor, Vent 1) зоне эмбриона.
Химическая идентификация первой, ранней группы не осуществлена. Известно, что эмбрионы ст.1 не формируют нормальной дорсальной оси, если их vegetal-dorsal кортекс удален, их вегетеивное полушарие, облученно 254-nm УФЛ перед первым митозом или они подвергнуты холодовому температурному шоку или инкубированы с колхицином, или их цитоплазма удалена. "Мolecule(s)" из вегетеативной цитоплазмы эмбрионов инактивируются облучением УФЛ, но м.б. восстановлены при переносе цитоплазмы от необлученных яиц/эмбрионов. Реципиенты облученные эмбрионы тогда восстанавливают свою способность формировать дорсальную ось.
Две молекулы попали под подозрение. Микротрубочки, как полагади, осуществляют ротацию кортикальных детерминант после оплодотворения. Этот феномен не проявляся после воздействия УФЛ. Стали думать, что дестабилизация молекул нарушает их способность перемещать кортикальные детерминанты дорсально-экваториальную зону и тем самым вызывает отсутствие дорсальной оси. Следовательно, тубулин стал рассматриваться как молекула-мишень для облучения УФЛ. Др. акт. полагали, что молекулой-мишенью является цитоплазмтический компонент. Эта мишень отлична от тубулина, т.к. если облученные ооциты затем оплодотворить, то образующиеся эмбрионы формируют аномальный фенотип, хотя кортикальная ротация происходила нормально. Присутствие молекул мишеней обнаруживается и на ст. 1 эмбриогенеза при удалени цитоплазмы без нарушения кортикальной ротации. Итак, детерминаниты находятся в вегетативном кортексе и м.б. инактивированы или УФЛ или физическим удалением.
Последовательность событий, описанная выше, демонстрирует что цтоплазматический фактор действует на стадии 1 эмбрионов, затрагивая синтез мРНК, обнаруживаемых позднее после перехода на ст. средне бластулы и на ст. гаструлы. Это сопровождается нижестоящими эффектами на транскрипцию, которые напоминают лиганд-рецептор сигнальную систему. Предпринята попытка выделить малые лигандного типа молекулу(ы), которые не являются тубулинами. Было известно, что они инактивируются УФЛ не только 254-nm, но и 366-nm. Это важно, т.к. 366-nm УФЛ не д. затрагивать белки или нуклеиновые кислоты яйца и эмбиона. Установлено, что чувствительным к УФЛ цитоплазматическим фактором является biliverdin. Он присутствует в ооците, яйце и цитоплазме эмбриона, фото-трансформируется как короткими так и длинными УФЛ (Рис. 1-7).
Образование дорсальных органов нуждается в транскрипции и трансляции специфических мРНК. Появление этих мРНК зависит от активностей и взаимодействий материнских детерминант, присутствующих в вегетеативном кортексе и цитоплазме и которые действуют в период между оплодотворением и первым делением дробления. Нарушения ранних цитоплазматических детерминант на ст.1 эмбрионов ведет к отсутствию этих мРНК на ст. гаструлы и отсуствию дорсальных частей эмбриона на ст.35 (4, 9, 13-22, 30, 31). Обычно это вызывается УФЛ 254-nm , но как было установлено авторами эффект воспроизводится и УФЛ 366-nm (Рис. 1-3).
Выделены и охарактеризованы, инактивированы и тестированы способности biliverdin восстанавливать облученные УФЛ эмбрионы (Рис. 1-7). Т.обр., этот обычный компонент ооциов и яиц лягушек присутствет в своей IXα изомерной форме и трансформируется, если эмбрионы облучены или 254- или 366-nm УФЛ. Такие эмбрионы были способны к восстановлению после добавления биливердина IXα. Интактная изоформа IXα и, по крайней мере, одна из карбоксильных групп на ее propionic боковой цепочке являются существенными для биологической активности, т.к. фото-трансформированный биливердин или диметиловый эфир биливердина не вызывают восстановление образования дорсальных структур у облученных эмбрионов. Следовательно, биливердин IXα м.б. необходим для формирования дорсальной оси у Xenopus laevis эмбрионов, а его фото=трансформация УФЛ ответственна за неспособность развивать дорсальные структуры (Рис. 1-7).
Т.к. инактивация цитоплазматических детерминант происходит до первого деления дробления, то и восстановление с помощью biliverdin происходит в период между вторым и третьим делением дробления. Более того, восстановление способности облученных эмбрионов формировать нормальную дорсальную ось при добавлении биливердина вместе с отсутствием множественных эктопически осей (Рис. 2 D и E) указывает на то, что 254- и 366-nm УФЛ повреждают биливердин в цитоплазматических желтковых platelet, нежели затрагивают локализацию кортикальных детерминант в будущую дорсальную зону. Образование единственной нормальной дорсальной оси у восстановленных биливердином эмбрионов м. происходить только, если кортикальные детерминанты соответственно локализуются в дорсо-вегетельной зоне. Теперь считается, что кортикальный фактор достигает своего окончательного положения посредством ротации кортекса, зависящей от микротрубочек. Считалось также, что 254-nm УФЛ ингибируют эту микротрубочками управляемую ротацию и , следовательно, ведут к нехватке органов дорсальной оси. Однако, идентичные adorsal teratology возникает и при облучении УФЛ 254- или 366-nm и м. б. восстановлена биливердином указывает на то, что нарушение УФЛ кортикальной ротации м. б. более сложным и вообще отличным от современной модели.
После проникновения спермия, желтковые platelets концентрируются во всем вегетативном полушарии оплодотворенного яйца. Предполагается, что биливердин высвобождается из органелл, чтобы взаимодействовать с кортикальным фактором
(Рис. 8). Комплекс биливердин-кортикальный фактор, локализованный в будущей дорсо-вегетативной зоне, м. действовать как переключатель, чтобы инициировать каскад событий, ведущих к фомированию центра Nieuwkoop и организатора Spemann-Mangold. Дорсализующие сигналы, которые синтезируются и/или действуют после перехода средней бластулы детерминируют конфигурацию дорсальной оси и ингибируют активность др. вентрализующих сигнгалов. Фото-трансформация биливердина УФЛ делает продут неэффективным. Следовательно, химического переключения не происходит и центр Nieuwkoop
и организатор Spemann-Mangold не образуются и дорсализующие сигналы, такие как продукты генов goosecoid и chordin (Рис. 1) и др., напр., xSOX3 и siamois, отсутствуют или редуцированы. Напротив, the вентральные сигналы действуют неограниченно. в результате формируются adorsal эмбрионы.
Молекулы кортикального фактора, которые м. взаимодействовать с биливердином неизвестны. Biliverdin, как известно, соединяется с белками, такими как миоглобин и aryl hydrocarbon рецепторы, среди прочих. Соединение с миоглобином происходит посредством carboxyls боковых propionic цепочек. Поэтому проверяли, м. ли боковые пропионовые цепочки участвовать в востановлении после облучения УФЛ. Предполагалось, что нативный biliverdin IXα связывается со своим предполагаемым партнером с помощью тех же самых компонентов. что и миоглобином. Это предположение подтвердилось, диметиловый эфир биливердина, молекула, чьи карбоксильные группы на propionic acid боковой цепочке эфиризированы, неспособен восстанавливать свособность формировать дорсальную ось у облученных эмбрионов.
Итак, biliverdin м. рассматриваться как breakdown продукт на пути деградации гема. Необходимо понять, как первичная молекула связана с критической функцией в эмбриогенезе. Необходимо исследовать вопрос синтеза, транспорта, утилизации, молекулярных партнеров, механизм генной регуляции и др.
|