FGFs составляют большое семейство мультифункциональных, heparin-связывающих белков, которые обнаруживают разные паттерны взаимодействий с семейством рецепторов (FGFR-1 to -4) которое является предметом альтернативного сплайсинга. Специфичность связывания FGFR является жизненно важным механизмом в регуляции передачи сигналов FGF и достигается посредством использования двух альтернативных экзонов, IIIc и IIIb, для второй половины immunoglobulin-like domain 3 (D3) в FGFRs. Т.к. FGF-4 соединяется и активирует IIIc сплайс-формы FGFR1 to -3 на сравнимых уровнях, он обнаруживает незначительную активность в отношении IIIb сплайс-форм FGFR-1 to -3 (Fig. 1; Ornitz et al.,[1996]; Itoh and Ornitz,[2004]). в
Некоторые сообщения показали геномную амплификацию FGF-4 и FGF-3 в опухоли. Kiuru-Kuhlefelt et al. сообщали. что количество копий ДНК и экспрессия
FGF-4 увеличиваются в Kaposi's саркоме (Kiuru-Kuhlefelt et al.,[2000]). Tsuda et al. показали, что ко-амплификация
FGF-4 и FGF-3 генов наблюдается в карциномах пищевода, первичной опухолевой ткани и метастатических опухолях (Tsuda et al.,[1989]). Ко-амплификация генов
FGF-4 и FGF-3 обнаруживает тенденцию к корреляции с клинической стадией. Theillet et al. сообщили, что 1 из 13 меланом (8%), 3 из 43 опухолей мочевого пузыря (7%) и 41 из 238 карцином груди (17%) содержат амплифицированные
FGF-4 и FGF-3 (Theillet et al.,[1989]). Амплификация хромосомного локуса
FGF-4 и FGF-3 генов может участвовать в канцерогенезе, в прогрессировании и особенно в метастазировании карцином. Однако роль FGF-4 в онкогенезе и метастазировании всё ещё нуждается в дальнейшем исследовании.
FUNCTION AND REGULATION OF FGF-4 IN EMBRYOGENESIS
Fgf-4 экспрессируется в преимплантационных бластоцистах мышей и присутствует во inner cell mass (ICM; Niswander and Martin,[1992]; Rappolee et al.,[1994]). Мышиные эмбрионы экспрессируют Fgf-4 мРНК с 1-клеточной стадии. мРНК Fgf-4 обнаруживается в качестве материнских транскриптов и экспрессируется на стадии бластоциста. В 1995, Feldman et al. продемонстрировали существенную роль Fgf-4 в эмбриогенезе (Feldman et al.,[1995]). Инактивация гена Fgf-4 у мышей приводи к смертности после имплантации. Напротив, пролиферация ICM восстанавливается после добавления белка FGF-4 в Fgf-4 нулевые эмбрионы. Drucker and Goldfarb ([1993]) также показали, что экспрессия мышиного Fgf-4 выявляется в первичной полоске (E7.5-E8.5), параксиальной пресомитной мезодерме туловища, примитивной нейроэктодерме, энтодерме глоточных карманов, эктодерме бранхиальных дуг, в апикальной эктодерме конечностей и группах скелетных миобластов. Во время ранних стадий гаструляции экспрессия становится ограниченной первичной полоской (Niswander and Martin,[1992]). Затем экспрессия Fgf-4 обнаруживается в хвостовой почке. Более того, мРНК Fgf-4 mRNA обнаруживается после выделения трех зародышевых слоёв и начала органогенеза. Интересно, что FGF-4 может индуцировать образование мезодермы в изолированных Xenopus laevis эксплантах анимального полюса и стимулировать синтез ДНК в фибробластах млекопитающих (Paterno et al.,[1989]). Embryonic FGF (eFGF), которы является ортологом FGF-4 у амфибий, обладает индуцирующей мезодерму активностью (Isaacs et al.,[1992]). eFGF мРНК экспрессируется матерински и зиготически с пиком во время стадии гаструлы. Зиготическая экспрессия ограничивается задней частью оси тела, а позднее хвостовой почкой. Эти результаты указывают на то, что FGF-4 выполняет множественные роли во время эмбриогенеза позвоночных.
Fgf-4 мРНК выявляется на 11 и 12 день эмбриогенеза, при этом она локализуется в apical ectodermal ridge (AER) зачатка конечностей (Suzuki et al.,[1992]). Эта структура хорошо известна по своей роли обеспечения дистального роста развивающегося зачатка конечности. Экспрессия Fgf-4 мРНК обнаруживается как в передних, так и задних конечностях. FGF-4 стимулирует пролиферацию клеток в дистальной мезенхиме и поддерживает передачу сигналов от задних к дистальным частям (Niswander et al.,[1993]; Niswander and Martin,[1993]). Ochiya et al. получили систему органной культуры, которая позволяет зачаткам конечностей мышей от 9.5-10 days postcoitus (dpc) эмбрионов дифференцироваться в конечность у 12.5 dpc эмбрионов (Ochiya et al.,[1995]). Обработка эксплантов зачатков эмбриональных кончностей антисмысловыми oligodeoxynucleotides из Fgf-4 блокирует развитие конечности. Эти результаты указывают на то, что Fgf-4 выполняет главную функцию в AER. Однако, Moon et al. показали, что Fgf-4 условные мутанты имеют нормальные передние конечности (Moon et al.,[2000]). Более того, Fgf-4 не нужен для нормального развития конечностей и экспрессии Shh в зоне поляризующей активности. Хотя экспрессия Fgf-4 повышена в AER в Fgf-8 передних конечностях условных мутантов, Shh экспрессия снижается на E11.5 у Fgf-8 условных мутантов (Moon and Capecchi,[2000]). Инактивация Fgf-8 в эктодерме ранних конечностей вызывает уменьшение размера зачатка конечности и задержку экспрессии Shh и неправильную регуляцию экспрессии Fgf-4 (Lewandoski et al.,[2000]). Более того, активация Fgf-4 в Fgf-8-нулевых зачатках конечностей вызывает полисиндактилию, но она устраняет все скелетные дефекты, которые возникают в результате потери функции Fgf-8 (Lu et al.,[2006]). Эти результаты указывают на то, что FGF-4 и FGF-8 скоординировано вносят вклад в развитие конечностей. Однако, Fgf-8 скорее. чем Fgf-4, необходим для поддержания экспрессии Shh в AER. Sun et al. подтвердили гипотезу, что имеется механизм позитивной обратной связи между SHH из ZPA и FGF-4 из AER (Sun et al.,[2000]).
В развитии мышей, FGF-4 ингибирует апоптоз в зубной мезенхиме, если применяется локально (Vaahtokari et al.,[1996]). Lymphoid enhancer factor (LEF1), ядерный медиатор передачи сигналов Wnt, является критическим фактором выживания эпителия во время морфогенеза зубов. Ген Fgf-4 действует как непосредственная транскрипционная мишень для LEF1 и показывает, что FGF-4 может устранять арест развития Lef1 (-/-) зародышей зубов (Fig. 1; Kratochwil et al.,[2002]). Все эти данные показывают, что FGF-4 может объяснить функцию LEF1 в развитии зубов, обеспечивая коммуникации между эпителием и мезенхимой.
FGF-2, FGF-1 и FGF-4 обнаруживаются исключительно в энтодерме на ст. 5 и позднее в миокарде эмбрионов кур, проявляясь в виде точечных цитоплазматических отложений (Zhu et al.,[1996]). Экспрессия всех FGFs достигает пика на ст. 18-24, снижаясь после этого параллельно со снижением пролиферации миокардиальных клеток. FGF-4 поддерживает пролиферацию и дифференцировку прекардиальных миобластов in vitro. Sugi et al. сообщили, что FGF-4 экспрессируется в мезенхимных клетках подушек кур (Sugi et al.,[2003]). Добавление FGF-4 индуцирует пролиферацию мезенхимных подушек in vitro и in vivo. Эти находки подтверждают гипотезу, что FGF-4 участвует в регуляции раннего развития сердца посредством паракринных и аутокринных механизмов.
FGF-4-обеспечиваемая передача сигналов необходима для установления доменов кишечной трубки у эмбрионов кур (Dessimoz et al.,[2006]). Он экспрессируется у эмбрионов на ст. гаструляции и сомитной стадии вблизи задней энтодермы. Обработка энтодермы с помощью FGF-4 на ст. гаструлы показывает, что он способствует приобретению судьбы клеток задней части кишки и репрессирует клеточные судьбы передней энтодермы. Кроме того, FGF-4 репрессирует маркеры передней энтодермы и ингибирует морфогенез передней кишки. Нарушение передачи сигналов FGF демонстрирует, что передача сигналов FGF необходима для установления экспрессии генов средней кишки.
Fraidenraich et al. показали, что 3'-нетранслируемая область энхансерного региона гена Fgf-4 является мишенью для миогенных bHLH транскрипционных факторов MYF5 и MYOD в миотомах и AER (Fraidenraich et al.,[2000]). Более того, Iwahori et al. обнаружили минимальную область Fgf-4 энхансера, которая является сайтом связывания для транскрипционных факторов семейства GATA в миотомах (Iwahori et al.,[2004]). Fisher et al. показали регуляцию миогенного регуляторного фактора XmyoD в клоне скелетных мышц Xenopus laevis. Сигнальная молекула eFGF может непосредственно индуцировать экспрессию XmyoD в миогенных клетках (Fisher et al.,[2002]).
Epithelial-mesenchymal transitions (EMT) важны для морфогенеза во время эмбрионального развития (Thiery,[2002]). FGFR1 способствует EMT и морфогенезу мезодермы в первичной полоске путём контроля экспрессии Snail и E-cadherin (Ciruna and Rossant,[2001]). Snail и Twist являются ключевыми индукторами EMT, которая репрессируется экспрессией E-cadherin (Batlle et al.,[2000]; Cano et al.,[2000]). Более того, Twist и Snail вносят вклад в метастазирование путем облегчения EMT (Cano et al.,[2000]; Yang et al.,[2004]). Во время гаструляции позвоночных, EMT необходим для миграции мезодермы из первичной полоски. Чтобы регулировать миграцию мезодермы необходима передача сигналов Fgf для экспрессии Snail (Zohn et al.,[2006]). Экзогенный FGF-4 в зубах и FGF-2 в нёбе индуцируют экспрессию Twist и Snail в изолированных мезенхимных эксплантах (Rice et al.,[2005]). Более того, в Twist (-/-) зачатках передних конечностей, Fgf-4 не экспрессируется (O'Rourke et al.,[2002]). β-Catenin? как было показано, активирует транскрипцию LEF-1 во время EMT, индуцируемую in vitro с помощью c-Fos. LEF-1 может индуцировать EMT непосредственно, если его транскрипционная активность активируется с помощью стабильного ядерного β-catenin (Kim et al.,[2002]). Эти данные подтверждают новую информацию о молекулярных основах и потребности в FGF-4 в процессе EMT.
недавно Sweetman et al. обнаружили ограниченную экспрессию microRNAs (miRNAs) в развивающихся сомитах. в частности в развивающемся миотоме (Sweetman et al.,[2006]). miRNAs это недавно открытые короткие, некодирующие РНК, которые ркгулируют экспрессию генов у metazoans. FGF-4-обеспечиваемя передача сигналов негативно регулирует инициацию экспрессии микроРНК во время развития сомитов. С этой точки зрения miRNAs являются потенциальными регуляторами FGF-4 обеспечиваемого механизма развития. Как было показано выше, FGF-4 выполняет множественные функции в развитии позвоночных. Этот вновь открытый молекулярный механизм с использованием miRNAs высвечивает сложную динамику развития. Важность FGF-4 для эмбриогенеза была продемонстрирована на многих организмах. Дальнейшие исследования выясняют сложные молекулярные механизмы для FGF-4 и предоставят ответ относительно его функции в стволовых клетках и онкогенезе.
ROLE OF FGF-4 IN EMBRYONIC STEM CELLS AND TROPHOBLAST STEM CELLS
Экспрессия FGF-4 ограничена недифференцированными embryonic stem (ES) и embryonal carcinoma (EC) клеточными линиями, такими как F9 и P19, но не дифференцированными клетками(Yoshida et al.,[1988b]; Velcich et al.[1989]; Hebert et al.,[1990]; Schoorlemmer and Kruijer,[1991]). Специфическая для стволовых клеток экспрессия FGF-4 контролируется с помощью дистально локализованного энхансера. Этот энхансер содержит консенсусный октамерный сайт связывания, который контролирует позитивную регуляцию в EC и ES клетках. Комплекс Sox2/Oct-3/4, который жизненно необходим для нормального развития и поддержания плюрипотентных клеток, может связывать FGF-4 ДНК последовательности энхансера и способствовать активации транскрипции FGF-4 (Fig. 2; Yuan et al.,[1995]). Oct-3/4 мРНК экспрессируется в ооцитах и бластоцистах человека и мыши (Scho"ler et al.,[1989]; Curatola and Basilico,[1990]; Scho"ler,[1991]). На преимплантационной стадии мышиного развития паттерны экспрессии Oct-3/4 согласуются с паттернами экспрессии Fgf-4 (Scho"ler,[1991]; Niswander and Martin,[1992]). Однако у пост-имплантационных эмбрионов мышей Fgf-4 и Oct-3/4 экспрессируются в разных областях, а также в перекрывающихся регионах (Rosner et al.,[1990]; Niswander and Martin,[1992]). Это указывает на то. что Oct-3/4 является важным регулятором экспрессии Fgf-4 у преимплантационных эмбрионов млекопитающих. Fgf-4нулевые ES клетки не нуждаются в Fgf-4, чтобы пролиферировать in vitro, а добавление FGF-4 оказывает незначительный эффект на их рост (Wilder et al.,[1997]). Более того, Fgf-4 нулевые ES могут дифференцироваться in vitro после добавления ретиноевой кислоты. Однако жизнеспособность дифференцирующихся ES клеток нарушена. Важно, что добавление FGF-4 к культуральной среде увеличивает количество дифференцированных клеток, происходящих из Fgf-4 нулевых ES клеток, особенно клеток со многими признаками париетальной внеэмбриональной энтодермы. Определенные клоны, формируемые in vitro, затрагиваются инактивацией гена Fgf-4 , особенно специфические клетки, которые формируются во время инициальной стадии дифференцировки ES клеток. Kunath et al. сообщили, что функцией FGF-4 в мышиных недифференцированных ES клетках была активация Erk1/2 сигнального каскада (Kunath et al.,[2007]). Ингибирование FGF или Erk активности не нарушает экспансии недифференцированных ES клеток. Вместо этого, такие воздействия ограничивают способность ES клеток приобретать способность к дифференцировке. Нарушение передачи сигналов Fgf-4 нарушает нейральную и мезодермальную индукцию в ES клетках. Более того, Erk2-нулевые ES клетки неспособны дифференцироваться ни в нейральный, ни в мезодермальный клон и сохраняют экспрессию плюрипотентных маркеров Oct-3/4, Nanog и Rex1. Эти находки показывают, что FGF-4-Erk1/2 важен для нейральной и мезодермальной детерминации в ES клетках. Недавно, Ying et al. сообщили, что блокирование передачи сигналов FGF-4-ERK с помощью алых молекул ингибиторов может поддерживать ES клеточное самообновление (Ying et al.,[2008]). Они использовали два основных ингибитора для FGF рецептороной тирозин киназы (SU5402) и для ERK каскада (PD184352). При использовании низких доз этих двух малых молекулярных ингибиторов недифференцированные ES клетки размножались посредством множественных пассажей. Mayshar et al. сообщили, что анализ микромассивов выявил FGF-4 в качестве кандидата на роль аутокринной передачи сигналов в human embryonic stem (hES) клетках (Mayshar et al.,[2008]). Они показали, что FGF-4 продуцируется множественными недифференцированными hES клеточными линиями. Интересно, что недифференцированные hES клеточные линии также продуцируют сплайс-изоформу FGF-4 (FGF-4si), которая кодирует N-терминальную половину FGF-4. Хотя FGF-4 поддерживает рост недифференцированных hES клеток, FGF-4si противодействует этому эффекту путем нарушения индуцируемого FGF-4 фосфорилирования Erk1/2. Экспрессия FGF-4 и FGF-4si выявляется в hES клетках и на ранних стадиях дифференцировки клеток. Хотя экспрессия FGF-4 заканчивается в зрелых дифференцированных клетках, зрелые дифференцированные hES клетки сохраняют экспрессию FGF-4si. Итак, эти сообщения указывают на то, что FGF-4 является аутоиндуктивным сигналом, который стимулирует дифференцировку ES клеток. Хотя существование FGF-4si в мышиных ES клетках всё ещё неизвестно, важно показать в них функцию FGF-4si.Отсюда следует, что если профили экспрессии FGF-4si отличаются между человеческими и мышиными ES клетками, то это может отражать разные характеристики этих клеток.
Перед имплантацией в матку эмбрионы млекопитающих продуцируют трофэктодермальные стволовые клетки, которые сохраняются во внеэмбриональной эктодерме, чтобы сформировать плодную часть плаценты. Oct-3/4 регулирует передачу сигналов аутокринного ростового фактора в ES клеточных предшественниках трофэктодермы (Nichols et al.,[1998]). Oct-3/4 автономно индуцирует экспрессию Fgf-4, это помогает блокировать дифференцировку трофэктодермы из стволовых клеток. Как было показано выше активность Oct-3/4 существенна для идентификации плюрипотентной клеточной популяции у эмбрионов млекопитающих. Культура мышиных бластоцистов или ранних пост-имплантационных трофобластов в присутствии FGF-4 способна изолировать trophoblast stem (TS) клеточные линии (Fig. 2; Tanaka et al.,[1998]). Более того, FGF-4 и TGF-β поддерживают длительно непрерывную пролиферацию TS клеток (Erlebacher et al.,[2004]). Конституитивная передача сигналов FGF-4 в TS клетках ингибирует способность TGF-β ,блокировать экспрессию
c-myc. Более того, TGF-β-родственный белок Nodal индуцирует экспрессию FGF-4 в эпибласте. Затем Nodal и FGF-4 действуют непосредственно на внеэмбриональную эктодерму, чтобы ингибировать дифференцировку трофобластных стволовых клеток (Guzman-Ayala et al.,[2004]). Yang et al. сообщили, что Shp2 необходим дляr FGF-4-индуцируемой активации пути Src/Ras/Erk (Yang et al.,[2006]). Истощение проапоптического белка Bim блокирует апоптоз и существенно восстанавливает пролиферацию Shp2 нулевых TS клеток. Эти результаты указывают на то, что TS клетки выживают с помощью FGF-4 посредством Shp2/Src/Ras/Erk пути. Итак, FGF-4 действует, чтобы поддерживать плюрипотентность ES клеток и способствует самообновлению TS клеток.
ROLE OF FGF-4 IN ADULT TISSUE STEM CELL
Yamamoto et al. осуществили очень чувствительный RT-PCR анализ, чтобы выяснить экспрессию гена Fgf-4 в тканях взрослых мышей (Yamamoto et al.,[2000]). Ген Fgf-4 экспрессируется преимущественно в нервной системе, кишечнике и семенниках нормальных взрослых мышей и слабо распознается в др. тканях, таких как селезенка, костный мозг, почки, легкие, глазные яблоки и язык. In situ гибридизация показала клеточно-специфическую экспрессию Fgf-4 : в клетках Пуркинье в мозжечке и в клетках Сертоли в семенниках.
В наших сегодняшних экспериментах мы показали, что FGF-4 стимулирует клеточную пролиферацию нейральных предшественников и индуцирует нейрональную дифференцировку в нейросферах, которые являются гетерогенными и состоят из смешанной популяции предшественников и стволовых клеток (Kosaka et al.,[2006]). In situ гибридизация показала, что экспрессия мРНК Fgf-4 сильно ограничена субвентрикулярной зоной, ростральным миграторным потоком и субгранулярной областью dentate gyrus, областями. где постоянно происходит нейрогенез у взрослых (van Praag et al.,[2002]). Ранее сообщалось, что FGF-4 действует как митоген для клеток нейральных предшественников, выделенных из ЦНС плодов и взрослых крыс (Ray et al.,[1997]). Более того, добавление FGF-4 увеличивает количество клеток нервных предшественников, которые генерируются из ES клеток (Ying et al.,[2003]). Ye et al. показали, что FGF-4, который экспрессируется в первичной полоске, индуцируется 5-hydroxytryptamine нейронами в вентральной части среднего мозга (Ye et al.,[1998]). В этой связи, Shimozaki et al. сообщили, что активация Oct-3/4 в ES клетках ведет к формированию нейроэктодермы и нейрональной дифференцировке (Shimozaki et al.,[2003]). Более того, Sox2 экспрессируется в нервной трубке с ранней стадии до её образования (Zappone et al.,[2000]). Уровни экспрессии Oct-3/4 являются критическими для их варьирующих функций. Менее чем 12-кратное увеличение от нормального уровня экспрессии вызывает дифференцировку ES клеток в эктодерму и мезодерму, тогда как снижение менее чем вдвое ведет к их дедифференцировке в трофэктодерму (Niwa et al.,[2000]). Oct-3/4 и Sox2, как известно, кооперируются в активации транскрипции Fgf-4, демонстрируя тем самым роль FGF-4 в нейрональной дифференцировке.
Применение аденовирусов, несущих ген Fgf-4 ил рекомбинантный FGF-4 белок, приводит к увеличению количества тромбоцитов. Количество мегакариоцитов в костном мозге и селезенке у животных с FGF-4 увеличивается по сравнению с таковым у контрольных животных (Sakamoto et al.,[1994]). Более того, FGF-4 увеличивает количество крупных мегакариоцитов в костном мозге, это специфически восстанавливает количество тромбоцитов у мышей с тромбоцитопенией (Konishi et al.,[1995]). Исследования in vitro демонстрируют, что FGF-4 способствует созреванию мегакариоцитов, индуцируя увеличение плоидности ДНК, созревание цитоплазм и мембран и высвобождение тромбоцитоподобных частицы человеческими мегакариоцитами, Dami клеток (Konishi et al.,[1996]). Более того, FGF-4 действует на клетки мегакариоцитов, чтобы индуцировать секрецию IL-6 и TNF-α и повысить адегезию мегакариоцитов с человеческими эндотелиальными клетками посредством молекул very late antigen-4 (VLA-4) и lymphocyte function-associated antigen 1 (LFA-1) . FGF-4 стимулирует пролиферацию предшественников мегакариоцитов не сам по себе, а совместно с IL-3 и thrombopoietin. Эти же результаты также продемонстрированы in vivo (Avecilla et al.,[2004]). Avecilla et al. сообщили, что FGF-4 и SDF-1 усиливают vascular cell adhesion molecule-1 (VCAM-1)- и VLA-4-обеспечиваемую локализацию CXCR4-позитивных предшественников мегакариоцитов в сосудистых нишах, способствуя выживанию, созреванию и высвобождению тромбоцитов у мышей с тромбоцитопенией, дефицитных по TPO или Mpl. Интересно, что добавление FGF-4 к долговременным культурам костного мозга человека увеличивает как плотность клеток стромального слоя. так и количество гематопоэтических клеток предшественников (Quito et al.,[1996]). FGF-4 кроме того вносит вклад в развитие стромальных клеток из лейкемического и не лейкемического костного мозга (Koh et al.,[2002]). Эти наблюдения показывают, что FGF-4 стимулирует экспансию клеток гематопоэтических предшественников посредством развития стромальных клеток, хотя прямой эффект на гематопоэтические стволовые клетки и клетки предшественники исключить нельзя.
Ген Fgf-4 экспрессируется в семенниках нормальных взрослых мышей (Yamamoto et al.,[2000]), это подтверждает его возможную роль в сперматогенезе. Условная экспрессия трансгена Fgf-4 демонстрирует, что специфическая избыточность функции гена Fgf-4 в тестисах приводит к заметному усилению сперматогенеза (Yamamoto et al.,[2002]). Трансгенные мыши, избыточно экспрессирующие Fgf-4 в семенниках, были подвергнуты действию Adriamycin, противоракового лекарства, вызывающего тестикулярную токсичность. Усиленная экспрессия Fgf-4 в семенниках устраняла adriamycin-индцированные повреждения семенников. Более того, FGF-4 может действовать ка физиологический анти-апоптический фактор для зародышевых клеток самцов в стимуляции продукции lactate клетками Сертоли (Hirai et al.,[2004]). Апоптоз играет важную роль в контроле количества зародышевых клеток самцов во время развития семенников и сперматогенеза. Семенники взрослых мышей, которые получали аденовирус, несущий человеческий FGF-4 или контрольный аденовирус, были подвергнуты умеренной гипертермии, которая вызывала апоптоз зародышевых клеток. FGF-4 существенно снижал апоптическую гибель зародышевых клеток и предупреждал потерю сеса семенников и уменьшение количества спермиев. Fgf-4, присутствующий в семенниках мышей, позитивно регулируется in vivo, когда семенники подвергаются воздействию умеренной гипертермии, а экспрессия эндогенной Fgf-4 мРНК в клетках Сертоли также индуцируются, когда клетки подвергаются воздействию умеренной гипертермии in vitro. С др. стороны, после стимуляции FGF-4 продукция lactate клетками Сертоли индуцируется, это является обязательным питанием для жизнеспособности зародышевых клеток.
Недавно множественные сообщения продемонстрировали, что FGF-4 может индуцировать дифференцировку гепатоцитов из ES клеток или мезенхимных стволовых клеток (Banas et al.,[2007b]). Напр., ES клетки. обработанные комбинацией FGF-1, FGF-4 и HGF индуцируют увеличение количество клеток гепатоцитов (Teratani et al.,[2005]). Multipotent adult progenitor cells (MAPCs) из костного мозга могут дифференцироваться в большинство мезодермальных клеток и нейроэктодермальные клетки in vitro и во все эмбриональные клоны in vivo (Reyes et al.,[2002]). MAPCs не только дифференцируются в мезенхимные типы клеток, но и также в эндотелий, а также в клетки с нейроэктодермальным фенотипом и функцией. Schwartz et al. показали, что MAPCs от мышей, крыс или человека, обработанные in vitro FGF-4 и HGF не только экспрессируют маркеры гепатоцитов, но и также обладают функциональными характеристиками, согласующимися с метаболическими активностями гепатоцитов (Schwartz et al.,[2002]). С др. стороны, мезенхимные стволовые клетки, происходящие из жировой ткани, после инкубации с HGF, FGF-1 и FGF-4, особенно CD105 позитивная фракция мезенхимных стволовых клеток, происходящих из жировой ткани, обнаруживают высокую способность к печеноой дифференцировке в условиях adherent монокульуры (Banas et al.,[2007a]). Более того, Fgf-4, чьи уровни экспрессии не обнаружимы в нормальной печени, активируется при регенерации печени после обработки CCl4 (Teratani et al.,[2005]). В эмбриогенезе мышей гепатоциты дифференцируются из энтодермы во время эмбрионального развития. Fgf-4 экспрессируется в мезодерме первичной полоски и может индуцировать экспрессию NeuroD и somatostatin в энтодерме и дифференцировку энтодермы (Wells and Melton,[2000]). Более того, FGF-4 индуцирует экспрессию этих генов зависимым от концентрации способом, проявляющийся как задний морфоген. Это сообщение указывает на то, что стимулирование FGF-4 способствует дифференцировке гепатоцитов из ES клеток, из мезенхимных стволовых клеток тканевого происхождения и эмбриогенезу. Было бы интересно исследовать роль FGF-4 в дифференцировке печеночных стволовых клеток для дальнейшего выяснения молекулярного механизма гепатогенеза.
В тонком кишечнике мышей индукция экспрессии эндогенного
Fgf-4 выявляется, когда мыши подвергаются облучению (Sasaki et al.,[2004]). Экспрессия Fgf-4 обнаруживается в эпителиальных клетках клеток ворсинок и крипт. Предварительная обработка FGF-4 вызывает увеличение количества выживающих клеток крипт и супрессирует индуцируемый облучением апоптоз клеток крипт. Более того, экзогенный FGF-4 усиливает миграцию и пролиферацию эпителиальных клеток в модели
in vitro. FGF-4 также обладает ангиогенной активностью
in vivo и
in vitro (Yoshida et al.,[1994]). NIH3T3 трансформанты, трансфицированные FGF-4, по-видимому, дают выско васкуляризованные опухоли у мышей nude. Всё это указывает на то. что FGF-4 является плейотропным фактором, индуцирующим многие клеточные функции, включая ангиогенез, нейрогенез, сперматогенез и мегакариопоэз (Fig. 3). Однако регуляция FGF-4 и FGF-4-побуждаемой внутриклеточной передачи в этих клеточных функциях всё ещё неясны.
PERSPECTIVE
Хотелось бы обратить особое внимание на FGF-4 в регуляции стволовых клеток и раковых стволовых клеток (Fig. 4).
Большинство тканей и органов содержит минорные популяции стволовых клеток и клеток предшественников. Эти клетки необходимы при развитии плода для генерации тканей и органов и позднее у взрослых для поддержания тканей и регенерации после повреждений. Раковые стволовые клетки являются раковыми клетками, которые возникают в результате трансформации обычных стволовых клеток (Reya et al.,[2001]). Наиболее важным свойством стволовых клеток является их способность к самообновлению. Как нормальные, так и раковые стволовые клетки обладают общими разнообразными маркерами стволовости (stemness).
Сигнальные пути Notch, Wnt и Shh участвуют в самообновлении стволоых клеток. Активация Notch способствует самообновлению hematopoietic stem cell (HSC) (Varnum-Finney et al.,[2000]; Karanu et al.,[2000]). Ген Serrate-1, который кодирует трансмембранные лиганды для Notch рецепторов, индуцируется в зубной мезенхиме с помощью Fgf-4 во время развития зубов (Mitsiadis et al.,[1997]). RA индуцирует экспрессию Fgf-4 в гребне и FGF-4 впоследствии активирует экспрессию Shh (Niswander et al.,[1994]). Более того, Fgf-4 и Shh могут обеспечивать передачу сигналов от гребня и задней мезенхимы , соотв. (Yang and Niswander,[1995]). Путь передачи сигналов Wnt , как установлено, также регулирует и самообновление и онкогенез разных органов. Wnts участвуют в морфогенезе и формировании паттерна , а их роль, способствующая пролиферации, является критической для поддержания стволовых клеток и экспансии пула предшественников
(Willert et al.,[2003]; Hirabayashi et al.,[2004]). Overexpression of activated β-catenin (a downstream activator of the Wnt signalling pathway) in long-term cultures of HSCs expands the pool of HSCs. Cultured human keratinocytes with a higher proliferative potential have increased levels of -catenin compared with keratinocytes with a lower proliferative capacity. However, the molecular mechanisms by which Wnt signalling and FGF-4 influence stem cells remain to be elucidated. For instance, the concerted action of FGFs and Wnts is believed to be important for inducing neural fate decisions (McGrew et al.,[1997]). Of interest, it was reported that the Fgf-4 gene is a direct transcriptional target for LEF1, a nuclear mediator of Wnt signaling by association with its co-activator -catenin. Loss of Lef1 results in inhibited tooth development at the late bud stage and LEF1 is required for a Wnt signaling to a cascade of FGF signaling activities to mediate the epithelial-mesenchymal interaction during tooth morphogenesis (Sasaki et al.,[2005]). However, exogenous FGF-4 can rescue the developmental arrest of Lef1-/- tooth germs (Kratochwil et al.,[2002]). It seems likely that FGF-4 regulates stem cells and cancer stem cells in conjunction with other molecules known to be important in this process. It will also be important to determine whether the Wnt, Notch, Shh, and FGF-4 pathways interact to regulate stem and progenitor cell self-renewal. If these signalings are dysregulated, these pathways could contribute to oncogenesis. There are a few reports that described the identification of FGF-4 induced gene expression. Guthridge et al. isolated the 21 cDNA of late-induced genes from a FGF-4 transformed NIH3T3 cell line. This study indicated that FGF-4 induced a wide range of genes including cyclin D1, HSP-90, LAMP-1 and p63 (Fig. 1; Guthridge et al.,[1996]). Overexpression of cyclin D1 is known to correlate with the early onset of cancer and tumor progression (Fu et al.,[2004]). Moreover, p63 is an essential regulator of stem-cell maintenance in stratified epithelial tissues (McKeon,[2004]). Т.о., эти результаты указывают на косвенную связь FGF-4 со стволовыми клетками и развитием рака.
Recently, pluripotent stem cells - which are called induced pluripotent stem (iPS) cells, produced from adult mouse and human fibroblasts by introducing four factors, Oct-3/4, Sox2, c-Myc, and Klf4 - were established (Takahashi and Yamanaka,[2006]; Takahashi et al.,[2007]). In iPS cells, expression of FGF-4 was confirmed as the marker for a pluripotent stem cell. However there are no reports that describe the function of FGF-4 in iPS cells. It is very interesting why these artificially induced pluripotent stem cells express FGF-4, which is the autoinductive stimuli in ES cells. There are several pluripotent stem cells that have been established other than iPS cells. For example, FGF-2, in the presence of stem cell factor (SCF) and LIF, stimulates long-term proliferation of primordial germ cells (PGCs; Matsui et al.,[1992]; Resnick et al.,[1992]). These embryonic germ (EG) cells resemble embryonic stem cells. Moreover, two groups have reported a new stem cell line, derived from the epiblast, a tissue of the postimplantation embryo that generates the embryo (Tesar et al.,[2007]; Brons et al.,[2007]). These cells, which are referred to as EpiSCs (postimplantation epiblast-derived stem cells), express Oct-3/4, Nanog and Sox-2. Kanatsu-Shinohara et al. established ES-like cells, called mGS (multipotent germline stem), from neonatal mouse testis (Kanatsu-Shinohara et al.,[2004]). These ES-like cells are phenotypically similar to ES and EG cells. Furthermore, Guan et al. showed the isolation of spermatogonial stem cells (SSCs) from adult mouse testis (Guan et al.,[2006]). These isolated SSCs acquire embryonic stem cell properties. These cells are called multipotent adult germline stem cells (maGSCs). There is no strong evidence supporting a relationship between FGF-4 and these stem cells. However, the impact of FGF-4 on ES cell and TS cell suggests that FGF-4 has a function in regulating the stemness of these newly established stem cells.
The diverse function of FGF-4 is partly regulated by (1) specificity of ligand-receptor interactions in FGFR signaling and (2) by transcriptional factor (i.e., Oct-3/4 and Sox2). FGF signaling uses receptor tyrosine kinases that form high-affinity complexes with FGFs and heparan sulfate proteoglycans at the cell surface. Whereas FGF-2 binds heparan sulfate ubiquitously, FGF-4 exhibits a restricted pattern, failing to bind heparan sulfate in the heart and blood vessels and failing to activate signaling in embryonic day-18 mouse aortic endothelial cells. This suggests that FGF-4 seeks a specific heparan sulfate sulfation pattern, distinct from that of FGF-2, which is not expressed in most vascular tissues. This in turn suggests that FGF and FGFR recognition of specific heparan sulfate sulfation patterns is critical for the activation of FGF signaling, and that synthesis of these patterns is regulated during embryonic development (Allen et al.,[2001]). Urakawa et al. reported that a previously undescribed receptor conversion by Klotho, a senescence-related molecule, generates the FGF-23 receptor (Urakawa et al.,[2006]). They showed that the Klotho and FGFR1 (IIIc) reconstitute the FGF-23 receptor. These findings suggest the existence of a novel mechanism of interactions between FGF and FGFRs. Because mitogenic activity of FGF-4 and FGF-2 is similar, unidentified mechanisms for intracellular signaling regulate the different biological activity of FGF-4 and FGF-2. West et al. reported that neuropilin-1 (Npn-1), which is a receptor for semaphorin in the nervous system and interacts with the heparin binding isoforms of VEGF in endothelium, interacts with FGF-4 (West et al.,[2005]). This result raises the possibility that Npn-1 modulates FGF-4 activity. FGF-4 regulates various cell functions at a local level. In this regard, because the expression of FGF-4 is very low in a somatic organ, the gene could be regulated by transcription factors other than Oct-3/4 and Sox2.
Compelling insights into the molecular framework by which FGF-4 promotes several biological processes have been discovered, and further functional analysis based on well-defined models and more elaborate system models defining genetic responses of stem cells will contribute to the understanding of the novel function of FGF-4 in controlling the fate of embryonic and somatic stem cells.
Сайт создан в системе
uCoz