Последнее обновление: 01/25/2025 20:56:23  Меню и поиск на этом сайте   ЗДЕСЬ  Дополнительная информация   ЗДЕСЬ!!
WMZ: Z191701361450
WMR: R209318204033


Без рекламы только Браузер Uran (скачать )
   Посещений:
ГЕН RAX

Развитие сетчатки и нейроэндокринной системы

An essential role for Rax in retina and neuroendocrine system development
Yuki Muranishi, Koji Terada, Takahisa Furukawa
Development, Growth & Differentiation Special Issue: Neural Development Edited by T. Miyata. Volume 54, Issue 3, pages 341–348, April 2012 DOI: 10.1111/j.1440-169X.2012.01337.x

In vertebrates, the central nervous system (CNS) develops as a highly hierarchical, patterned organ with a vast diversity of neuronal and glial cell types. The vertebrate retina is developmentally a part of the CNS. Establishment of the vertebrate retina requires a series of developmental steps including specification of the anterior neural plate, evagination of the optic vesicles from the ventral forebrain, and differentiation of cells. The transcription factor RAX is a paired-type homeoprotein that plays a critical role in the eye and forebrain development of vertebrate species. Rax is initially expressed in the anterior neural region of developing mouse embryos, and later in the retina, pituitary gland, hypothalamus, and pineal gland. The targeted deletion of Rax in the mouse results in no eye formation and abnormal forebrain formation. In humans, mutations in the RAX gene lead to anophthalmia and microphthalmia. These observations indicate that RAX plays a pivotal role in the establishment of the retina. In addition, recent studies have reported that retina and pituitary gland tissues can be induced in a culture system from embryonic stem cells, using RAX expression as an indicator of neuronal progenitor cells in the induced tissue, and suggesting that the Rax gene is a key factor in neuronal regeneration. This review highlights the biological functions and molecular mechanisms of RAX in retina, pituitary, hypothalamus, and pineal gland development.


Рисунки к статье




Identification and expression of the Rax homeobox gene


Гомеобоксные гены, которые кодируют сильно консервативные транскрипционные факторы, играют существенные роли в развитии различных органов, включая ЦНС. Retina and anterior neural fold homeobox gene (Rax) впервые был идентифицирован как гомеобоксный ген, экспрессируемый в развивающейся сетчатке мыши (Furukawa et al. 1997a; Mathers et al. 1997). После этого ген Rax был идентифицирован у многих видов, включая Xenopus (Casarosa et al. 1997), Drosophila (Eggert et al. 1998), кур (Ohuchi et al. 1999), рыбок данио (Mathers et al. 1997; Chuang et al. 1999) и медака (Deschet et al. 1999; Loosli et al. 2001). Поскольку Rax также известен как Rx (Mathers et al. 1997), у млекопитающих "Rax" является официальной генетической номенклатурой, поскольку мышиная Rax кДНК была выделена и название Rax было внесено в GenBank для млекопитающих прежде, чем стало использоваться название Rx. Ген Rax расположен на хромосоме 18 у человека, мыши и крысы.
Rax является гомеобоксным геном paired-типа. Кодируемый им белок содержит два характерных домена гомеодоменовых белков: octapeptide мотив на N-конце и OAR (otp, aristaless, and rax) домен на C-конце. Октапептидный мотив встречается и в др. гомеодоменовых белках, таких как PAX6 и CHX10. Домен OAR это последовательность в 15 аминокислот, которая консервативна среди otp, aristaless, и Rax генов (Furukawa et al. 1997a; Mathers et al. 1997). Ген Rax эволюционно хорошо законсервирован от Drosophila melanogaster до человека (Fig. 1). Drosophila Rax экспрессируется в головном мозге мух, указывая, что экспрессия Rax в ЦНС также законсервирована в ходе эволюции.
У развивающихся эмбрионов мыши нейроэпителий сетчатки и гипоталямуса происходит из области вблизи вентральной части диэнцефалона. При инициации нейрогенеза клетки предшественники сетчатки и гипоталямуса ко-экспрессируют некоторые гомеодоменовые транскрипционные факторы, включая SIX3 и RAX, которые специфичны для вентральной части нейроэпителия диэнцефалона, вместе с др. геном, экспрессирующимся в вентральной части диэнцефалона, таким как WNT рецептор FRIZZLED5 (Ikeda et al. 2005; Byerly & Blackshaw 2009). На эмбриональный день 7.5 (E7.5) у мышей экспрессия Rax обнаруживается в цефалической нервной складке (головной складке), которая позднее развивается в передний и средний мозг (Furukawa et al. 1997a). На E9.5, Rax мРНК ограничена зрительными пузырьками, оптической ножкой и вентральной частью диэнцефалона. С E10.5 по E11.5, Rax экспрессия обнаруживается во всей области сетчатки (Fig. 2). После рождения экспрессия Rax ограничивается немногими регионами сетчатки, включая слой предшественников, слой предшественников фоторецепторов и внутренний ядерный слой. С одной стороны, во время эмбриональных стадий Rax экспрессируется также в гипоталямусе, гипофизе и шишковидной железе грызунов (Asbreuk et al. 2002; Bailey et al. 2009; Medina-Martinez et al. 2009; Shimogori et al. 2010; Rohde et al. 2011). Между E10.5 и E12.5 экспрессия Rax первоначально начинается непосредственно в гипоталямусе и задней части гипофиза вентральной части переднего мозга. У взрослых мышей Rax экспрессируется в шишковидной железе также (Asbreuk et al. 2002; Bailey et al. 2009; Rohde et al. 2011). Оказывается возможным проследить экспрессию Rax у мышей с развития диэнцефалона на эмбриональных стадиях до сетчатки и вентральной части гипоталямуса после рождения.

Rax in retinal progenitor proliferation


RAX является ключевым транскрипционным фактором для формирования гла у позвоночных. Рыбки медака обладают мутацией в локусе Rx3 и поэтому не образуют зрительных пузырьков, а мутации потери функции Rx3 у рыбок данио лишены глаз (Loosli et al. 2001; Zilinski et al. 2002). Rax-нулевые мутантные мыши обнаруживают уменьшение размера головного мозга и отсутствие зрительных пузырьков (Fig. 3) (Mathers et al. 1997). Rax-нулевые эмбрионы не формируют каких-либо хрусталиковых структур, несмотря на тот факт, что Rax не экспрессируется в хрусталике (Swindell et al. 2008). У человека мутации в гене RAX ассоциируют с анофталмией и микрофталмией (Bailey et al. 2004). С др. стороны, избыточная экспрессия Rax у эмбрионов Xenopus и рыбок данио ведет к избыточной пролиферации клеток сетчатки (Terada et al. 2006). Эти сообщения указывают на то, что Rax важен для развития глаз.
В развивающейся ЦНС Xenopus laevis, Terada et al. (2006) идентифицировали Xhmgb3 (Xenopus high mobility group b3) в качестве нижестоящего медиатора RAX. Индукция экспрессии Rax в анимальной шапочке Xenopus вызывает экспрессию Xhmgb3. Напротив, нокдаун RAX с помощью антисмыслового morpholino-oligo против Rax (Rax MO) редуцирует размеры глаз у эмбрионов Xenopus.
XOPTX2 (SIX6), a six-family гомеодоменовый транскрипционный фактор, способствует пролиферации глазного поля и развитию сетчатки у Xenopus (Zuber et al. 2004). Хотя паттерн экспрессии XOptx2 мРНК напоминает таковой Rax мРНК, экспрессия XOptx2 начинается позднее, чем Rax (Zuber et al. 2004, 1999). Более того, экспрессия XOptx2 достоверно снижается при использовании доминантной ингибирующей мутации Rax (Rax-EnR) (Andreazzoli et al. 1999, 2003), при которой engrailed репрессорный домен слит с Rax. Наконец, блокирование функции Rax c помощью Rax MO приводит к образованию маленьких глаз. Ингибирование функции Rax уменьшает размеры глаз и головного мозга в основном из-за снижения пролиферации клеток (Andreazzoli et al. 2003; Casarosa et al. 2003). Малые размеры глаз и головного мозга в результате блокады функции RAX не могут быть устранены избыточной экспрессией только Xhmgb3; однако он могут быть восстановлены c помощью одновременно избыточной экспрессии Xhmgb3 и XOptx2. Одновременна инъекция мРНК Xhmgb3 и XOpt2 обнаруживает синергичный эффект, нормализацию нокдаун-фенотипа Rax MO. Эти результаты указывают на то, что Xhmgb3 и XOptx2 являются нижестоящими молекулами по отношению к RAX и синергично регулируют клеточную пролиферацию в глазаах и головном мозге (Fig. 4).
Необходимо отметить, что XHMGB3 белок физически и функционально ассоциирует с SUMO E2 лигазой UBC9 (Terada & Furukawa 2010). UBC9 не сумоилирует белок XHMGB3 в культивируемых клетках. Вместо этого, UBC9 связанная с XHMGB3 сумоилирует и инактивирует транскрипционный фактор SP1, который индуцирует экспрессию p27Xic1, зависимого от клеточного цикла киназного ингибитора, приводя к содействию пролиферации retinal progenitor cells (RPCs) и стволовых клеток сетчатки.

Rax in optic vesicle development


Избыточная экспрессия транскрипционных факторов глазного поля, включая Rax, Pax6, Otx2, XOptx2, Six3, Tll и ET, приводит к образованию эктопических глаз у Xenopus с высокой частотой (Zuber et al. 1999). XOptx2 способствует клеточной пролиферации, специфической для глазного поля и развивающейся сетчатки (Zuber et al. 2004). Rax-нулевые мыши не развивают зрительного пузырька, тогда как гомозиготные Pax6 мутантные мыши первоначально формируют зрительный пузырек (Hill et al. 1991; Mathers et al. 1997). Необходимо отметить, что широко недооценивается, что Pax6-нулевые мыши не формируют зрительные пузырька. Pax6-нулевые мыши первоначально формируют зрительные пузырьки, но пузырьки не обнаруживают достаточного роста. Затем они дегенерируют и в конце концов исчезают. В системе анимальной шапочки Xenopus, Rax индуцирует транскрипцию Pax6 и XOptx2 (Zuber et al. 1999). Избыточная экспрессия Rax у эмбрионов Xenopus индуцирует ткани, происходящие из зрительного пузырька, RPE (Mathers et al. 1997). Более того, Otx2 иSox2 непосредственно взаимодействуют др. с др. и синергично активируют экспрессию Rax (Danno et al. 2008). Т.о, проведенные исследования выявили, что транскрипционные факторы глазного поля выполняют свои роли в сложном контексте. Эти факторы трансформируют нервную пластинку в глазное поле м способствуют клеточной пролиферации, чтобы расширить глазное поле, приводя к образованию зрительного пузырька и к развитию глаз или путем активации или репрессии, чтобы модулировать активность клеток. Однако точный молекулярный механизм RAX , лежащего в основе образования зрительного пузырька всё ещё плохо изучен.

Rax in retinal cell fate determination


В ЦНС механизмы точно регулирующие клеточную пролиферацию и детерминацию судеб предшественников нейронов важны для формирования многослойных структур, таких как сетчатка и кора. В этих структурах генерация определенных типов клеток в определенные слои также испытывает влияние от времени, в которое клетки предшественники выходят из клеточного цикла (Livesey & Cepko 2001; Ohnuma et al. 2001). RPCs являются мультипотентными и поэтому не ограничены генерацией только одного типа дочерних клеток (Turner & Cepko 1987; Holt et al. 1988; Wetts & Fraser 2008; Turner et al. 1990). В развивающемся головном мозге многие клетки предшественники способны давать несколько разных типов клеток, включая разные типы нейронов и глии, как в развивающейся сетчатке (Walsh & Cepko 1988, 1993). Во время развития сетчатки позвоночных мультипотентные RPCs генерируют клетки ретинальных ганглиев, горизонтальные клетки, палочковидные и конусовидные фоторецепторные клетки, амакринные клетки, биполярные клетки и клетки Мюллеровой глии в консервативном порядке во время развития. Rax экспрессируется в RPCs и его экспрессия снижается, когда RPCs дифференцируются (Furukawa et al. 1997a). Клетки нейральной сетчатки Xenopus избыточно экспрессирующие Rax, могут развиваться в любой тип клеток сетчатки, указывая тем самым, что RAX регулирует пролиферацию клеток путем поддержания клеток предшественников с плюрипотентном состоянии, не влияя на детерминацию клеточных судеб (Casarosa et al. 2003). Инъекции вируса Rax-GFP в сетчатку детенышей крыс на постнатальный день 0 (P0) продемонстрировали, что GFP-меченные клетки экспрессируют маркеры Мёллеровской глии (Furukawa et al. 2000). Эти результаты указывают на то, что RAX обладает способностью управлять RPC, детерминируя их в клетки Мёллеровской глии в постнатальной сетчатке крыс.

Rax in photoreceptor cell fate determination


Ранее гомеобелок OTX2 был описан как главная управляющая молекула в предопределении судьбы фоторецепторных клеток (Nishida et al. 2003). Otx2 conditional knockout (CKO) мыши обладают тотальной потерей фоторецепторов сетчатки и выраженным увеличением амакрино-подобных клеток. Принудительная экспрессия Otx2 в клетках ретинальных предшественников с использованием ретровирусов предопределяет судьбу клеток предшественников в фоторецепторы in vivo. Во время развития сетчатки фоторецепторы колбочки возникают в основом на эмбриональных стадиях, тогда как палочковидные фоторецепторы генерируются в основном на постнатальных стадиях. Транскрипты Otx2 необнаружимы в клетках предшественниках сетчатки. Приблизительно на ст. E11.5, когда начтнают дифференцироваться предшественники конусообразных фоторецепторов, активируется транскрипция Otx2 в предшественниках конусообразных фоторецепторов. Поскольку Otx2 важен для детерминации судьбы конусообразных фоторецепторов, трансактивация Otx2 тесно ассоциирует с детерминацией судеб клеток фоторецепторов. Т.о., понимание механизмов транскрипционной регуляции Otx2 в предшественниках фоторецепторов ведет к выяснению молекулярного механизма, лежащего в основе детерминации судьбы клеток фоторецепторов.
Мы идентифицировали примерно в 500 п.н. цис0регуляторную область, которая ответственна за экспрессию Otx2 в предшественниках фоторецепторов с LacZ репортером при использовании трансгенных мышей in vivo. Мы назвали этот энхансерный регион embryonic enhancer locus for photoreceptor Otx2 transcription ("EELPOT"). RAX соединяется с энхансером EELPOT in vivo, как было установлено, с помощью ChIP метода с использованием экстрактов сетчатки эмбрионов мыши, и достоверно трансактивирует EELPOT-luciferase репортер в культивируемых клетках. Кроме того, экспрессия Otx2 заметно снижается специфически в предшественниках фоторецепторах сетчатки у Rax CKO мышей (Muranishi et al. 2011), указывая тем самым, что RAX непосредственно регулирует транскрипцию Otx2 в эмбриональной сетчатке мышей.
Энхансер EELPOT содержит несколько консенсусных сайтов для связывания транскрипционных факторов, включая N-boxes (связывающую последовательность белков семейства HES) и paired-типа гомеодомен-связывающие сайты. RAX и HES семейства белков участвуют в поддержании RPCs (Levine & Green 2004; Ohsawa & Kageyama 2008). Мы показали, что HES семейство транскрипционных факторов HES1, HES5 и HEY1, стоят ниже канонического пути Notch, супрессирует RAX-индуцированную активацию EELPOT зависимым от дозы способом (Muranishi et al. 2011). В последнем клточном цикле RPC NOTCH-HES сигнальный путь оказывается инактивированным и RAX активируется, чтобы заставить EELPOT активировать транскрипцию Otx2 (Fig. 5). После выхода из клеточного цикла экспрессия Rax снижается, но сохраняется и постоянно трансактивирует Otx2 в постмитотических предшественниках. Т.о., RAX является ключевой молекулой для детерминации клеточной судьбы эмбриональных фоторецепторов.

Rax in vitro induction of photoreceptor cells and the pituitary gland


Исследования регенеративной медицины отследили in vitro индукцию сетчатки и гипофиза из эмбриональных стволовых (ES) клеток/iPS (induced pluripotent stem cells) клеток. Ранее была описана лишь нечастая экспрессия фоторецепторных маркеров в нервной ткани, происходящей из ES клеток (Zhao et al. 1988; Hirano et al. 2003). Недавно был использован эффективный метод генерации in vitro предшественников нейральной сетчатки из ES клеток мышей с помощью комбинации Serum-free Floating culture of Embryoid Bodies-like aggregates (SFEB) культуры и внеклеточных индуктивных сигналов Dkk1, LeftyA, serum and activin (DLFA) (Ikeda et al. 2005). В соответствии со свойствами in vivo ретинальных предшественников индуцированные RAX-позитивные клетки совместно экспрессируют Pax6 и митотический маркер Ki-67 in vitro, но не Nestin. Чтобы эффективно собрать RAX-позитивные клетки предшественников сетчатки, была создана репортерная ES клеточная линия мышей, в которой green fluorescent protein (GFP) бы подавлен в Rax локусе (Rax-KI) (Osakada et al. 2008, 2009). Rax-KI ES клетки культивировали в условиях SFEB/DLFA и диссоциировали на одиночные клетки, которые затем сортировали с помощью сортинга флюоресцентно активированных клеток. Эти культуральные условия могут индуцировать генерацию предполагаемых фоторецепторов в ES клетках мышей, обезьян и человека. Сходным образом клетки, происходящие из Rax-KI ES клеток могут дифференцироваться в ранние предшественники гипоталямических нейронов(Wataya et al. 2008) и генерировать функциональную переднюю часть гипофиза in vitro из клеток, происходящих из ES (Suga et al. 2011). Кроме того, при использовании этой Rax-KI ES линии клеток в качестве маркера ретинальных предшественников, происходила индукция полностью стратифицированной архитектуры сетчатки из ES клеток (Eiraku et al. 2011; Eiraku & Sasai 2012). Следовательно, Rax служит к качестве кардинального маркера в процессе индукции клеток и тканей сетчатки и гипофиза из ES клеток in vitro.

Rax in pineal gland development


Шишковидная железа является нейроэндокринным органом . расположенном на поверхности головного мозга. У человека важной функцией шишковидной железы является синтез melatonin. Melatonin является циркадной сигнальной молекулой у позвоночных и существенен для адекватной интеграции физиологических функций в условиях освещенности дня и сезона (Klein 1985; Lincoln et al. 2006; Maronde & Stehle 2007; Bailey et al. 2009). Шишковидная железа и сетчатка являются родственными тканями в нескольких отношениях. Функционально оба органа являются циркадными фотонейроэндокринными системами, которые переносят информацию об освещенности окружения у млекопитающих путем увеличения синтеза шишковидной железой melatonin в ночное время (Klein et al. 2010). Эволюционно как нейроны шишковидной железы позвоночных, так и фоторецепторы сетчатки, как полагают, происходят из общей родоначальной воспринимающей свет продуцирующей melatonin клетки (Klein 2004; Rohde et al. 2011). Эта идея базируется на общих структурных свойствах и кроме того, транскриптомы обоих органов обнаруживают существенное сходство др. с др. (Bailey et al. 2009; Rohde et al. 2011). Некоторые сообщения показывают, что каскады транскрипционных факторов, которые контролируют развитие шишковидной железы и сетчатки, сходны (Ekstrom & Meissl 2003; Maronde & Stehle 2007).
Анализ микромассивов между шишковидной железой и сетчаткой выявил, что 55 общих генов экспрессируются на сходных высоких уровнях. Rax экспрессируется в шишковидной железе с эмбриональной стадии до взрослой стадии (Asbreuk et al. 2002; Bailey et al. 2009; Rohde et al. 2011). Подобно melatonin, Rax экспрессия также обнаруживает дневной ритм в шишковидной железе взрослых крыс (Rohde et al. 2011). Уровеньт экспрессии Rax увеличивается вдвое во время светлого периода и снижается постепенно во время темного периода. Кроме того, онтогенетическая экспрессия Rax, Pax6, Otx2 и Crx, каждый из котолрых важен для развития сетчатки, также наблюдается в шишковидной железе крыс (Fig. 6). Т.о., выяснение молекулярных механизмов функционирования Rax в сетчатке может помочь нашему пониманию не только развития сетчатки, но и эволюции шишковидной железы.

Conclusion


The development of the CNS is strictly controlled by multiple factors including extracellular secreted molecules and spatiotemporal-specific transcription factors. Absence of the RAX transcription factor in mouse development leads to a total absence of the diencephalon and retina. Furthermore, RAX notably exerts multiple functions in the late development of the retina, including retinal progenitor proliferation, photoreceptor cell fate determination, and differentiation of Mьller glial cells. The molecular mechanisms of how RAX regulates the proliferation of retinal progenitor cells has become clearer; however, how RAX-positive progenitor cells are led to the cell fate of either photoreceptor cells or Mьller glial cells is still largely unknown. In addition, it would be interesting to know if Rax is possibly involved in the development of the postnatal retina. It would also be interesting to understand how RAX regulates cell fate determination together with other transcription factors in the development of the pituitary gland, retina, and pineal gland, all of which are derived from the ventral diencephalon. Finally, RAX serves as an important marker, which paves the road to realizing the in vitro induction of retina and pituitary gland tissues from ES/iPS cells in regenerative medicine.

→ | K титульной странице | K оригиналам в pdf- и html-формате
Посещений:

Сайт создан в системе uCoz