Посещений:
рецепторы ВМР
Роль в формировании паттерна эмбрионов и в развитии нервного гребня
Differential requirement of bone morphogenetic protein receptors Ia (ALK3) and Ib (ALK6) in early embryonic patterning and neural crest development Carolin Schille, Jens Heller and Alexandra Schambony
BMC Developmental Biology BMC series – open, inclusive and trusted 2016 16:1
DOI: 10.1186/s12861-016-0101-5
|
Bone morphogenetic proteins regulate multiple processes in embryonic development, including early dorso-ventral patterning and neural crest development. BMPs activate heteromeric receptor complexes consisting of type I and type II receptor-serine/threonine kinases. BMP receptors Ia and Ib, also known as ALK3 and ALK6 respectively, are the most common type I receptors that likely mediate most BMP signaling events. Since early expression patterns and functions in Xenopus laevis development have not been described, we have addressed these questions in the present study.
Here we have analyzed the temporal and spatial expression patterns of ALK3 and ALK6; we have also carried out loss-of-function studies to define the function of these receptors in early Xenopus development. We detected both redundant and non-redundant roles of ALK3 and ALK6 in dorso-ventral patterning. From late gastrula stages onwards, their expression patterns diverged, which correlated with a specific, non-redundant requirement of ALK6 in post-gastrula neural crest cells. ALK6 was essential for induction of neural crest cell fate and further development of the neural crest and its derivatives.
Рис. в оригинале статьи
|
Bone morphogenetic proteins (BMPs) подсемейство из сверхсемейства TGFβ секретируемых ростовых факторов. Первоначально идентифицированы как регуляторы формирования костей [1-3] ,но теперь хорошо известно, что BMPs являются главными факторами детерминации дорсо-вентральной оси от Drosophila до млекопитающих [4-10]. Во время более позднего развити, BMPs вносят вклад в формирование паттерна и дифференцировку нервов, индукцию нервного гребня и плакод позвоночных и в развитие хрусталиков и внутреннего уха [11-18]. Передача сигналов BMP также необходима для развития глаз, сердца, почек и органогенеза тимуса, дифференцировки зародышевых клеток и гематопоэза [19-25]. Кроме того, установлена их роль в хондрогенезе, развитии скелета и конечностей и формировании их паттерна [rev. 26-29].
BMP лиганды соединяются с и активируют тетрамерный рецепторный комплекс, состоящий из двух типа I и двух типа II рецепторов [30-34]. Типа I рецепторы также обозначаются как Activin-receptor Like Kinase (ALK). Геном человека содержит 35 генов семейства Transforming Growth Factor beta (TGFβ), но только 7 генов кодируют типа I и 5 генов кодируют типа II рецепторы. BMP рецепторы являются лишь раз пронизывающими мембрану белками и обладают серин/треониновым киназным доменом в их внутриклеточных доменах [35-40]. BMP лиганды активируют лишь субнабор из этих рецепторов, а именно, BMP Receptor II (BMPRII) или Activin Receptor IIB (ActRIIB) в качестве типа II рецепторов и BMP Receptor Ia (BMPRIa/ALK3), BMP Receptor Ib (BMPRIb/ALK6) или Activin Receptor Ia (ActRIa/ALK2) в качестве типов I рецепторов; в некоторых случаях активируется также Activin Receptor Ib (ActRIb/ALK4) [41, 42]. После соединения лиганда с типа II рецепторами, последние фосфорилируются и активируют типа I рецепторы. В каноническом TGFβ пути сигнальной трансдукции активированные типа I рецепторы фосфорилируют рецепторный субстратный белок семейства Mad/Smad транскрипционных регуляторов (R-Smads). Фосфорилированные Smads соединяются с др. членом семейства Smad, т. наз. Co-Smad, который сам по себе не является субстратом для рецепторов типа I; затем они импортируются в ядро. Ядерные Smads ассоциируют с дополнительными транскрипционными регуляторами и кофакторами и регулируют транскрипцию их генов мишеней [rev. 43]. R-Smads подразделяют на две группы, Smad 2/3 и Smad 1/5/8 группы, которые обеспечивают передачу сигналов с помощью TGFβ, Activin и Nodal лигандов или с помощью BMPs, соотв. [rev. 44].
У Xenopus laevis, BMP4 экспрессируется в полукружье на вентральной стороне эмбриона на ст. ранней гаструлы на 10.5 и играет основную роль в индукции судеб вентральных клеток [7, 45]. Активности в вентральной части BMP противодействуют секретируемые BMP антагонисты, такие как chordin или noggin, которые испускаются организатором, создавая тем самым градиент BMP, который предопределяет паттерн дорсо-вентральной оси [rev. 46]. Подобно экспрессии BMP4 в вентральной части Xenopus, градированная экспрессия BMP лигандов используется в формировании дорсо-вентрального паттерна у рыбок данио [47]. BMP7, BMP2 и Anti Dorsalizing Morphogenetic Protein (ADMP) также вносят вклад в спецификацию судеб вентральных клеток у эмбрионов Xenopus, хотя эти BMP лиганды экспрессируются, не обнаруживая дорсо-вентрального градиента или даже исключительно в дорсальной части Шпемановского организатора [6, 48-51]. У эмбрионов на ст. после гаструлы BMP лиганды экспрессируются в виде специфических, пространственно ограниченных паттернов, которые отражают их роль в развитии соотв. тканей и органов. [6, 45, 48]. Сходным образом, у эмбрионов головастиков экспрессия BMPR1a обнаруживается в глазах, слуховом пузырьке, почках, бранхиальных дугах, передней кишке и межсомитных тканях. Экспрессия BMPR1b обнаруживается также в тканях головы, но не туловища [52-54].
Напротив, мало известно о паттернах экспрессии BMP рецепторов у ранних эмбрионов Xenopus. Мы анализировали паттерн экспрессии и функцию BMPRIa/ALK3 и BMPRIb/ALK6 в раннем развитии Xenopus. Наблюдалось лишь частичное функциональное перекрывание рецепторов в формировании дорсо-вентрального паттерна. На ст. поздней гаструлы и нейрулы паттерны экспрессии и функции заметно расходились. В частности, мы идентифицировали специфическую, не перекрывающуюся функцию ALK6 в развитии нервного гребня.
DISCUSSION
Полученные данные продемонстрировали роль ALK3 и ALK6 в ранней спецификации предшественников нервного гребня, тогда как исключительно ALK6 необходим для поддержания и миграции нервного гребня на стадиях после гаструлы. Мы продемонстрировали, что ALK3 и ALK6 необходимы для спецификации предшественников нервного гребня во время гаструляции, хотя, скорее всего, они действуют независимо др. от др. В соответствии с ролью обоих рецепторов в раннем формировании ВМР-зависимого дорсо-вентрального паттерна эмбрионов, вполне возможно, что передача сигналов ALK3 и ALK6 вносит свой первый вклад в позиционирование границы нервной пластинки и затем обеспечивает умеренную активацию передачи сигналов BMP в клетках латеральных частей нервной пластинки, это приводит к экспрессии генов грая нервной пластинки, таких как msx2. На ст. поздней гаструлы и ранней нейрулы ALK3 экспрессируется в этом регионе, экспрессия ALK6 активируется в передней части нервной пластинки и на границе нервной пластинки с NF стадии 12 и далее. Эта локально увеличивающаяся экспрессия коррелирует по времени и в пространстве с локальной активацией Smad, и мы продемонстрировали снова, что оба типа I рецептора играют роль в этом процессе. Однако, мы также наблюдали, что специфически ALK6, но не ALK3, играет существенную роль в развитии нервного гребня после ст. гаструлы.
Переход со спецификации клеточных судеб на границе нервной пластинки, чтобы поддерживать качественные особенности нервного гребня и дальнейшее развитие имеют место на ст. ранней нейрулы. Базируясь на паттернах экспрессии и функциональном анализе, мы предположили, что переключение с ранней, кооперативной и перекрывающейся функции ALK3 и ALK6 в спецификации нервного гребня в направлении высоко специфичной функции ALK6 в поддержании и миграции нервного гребня происходит во время этой фазы. Это д. быть связано с изменениями в BMP лигандах, которые доступны. Во время раннего эмбрионального развития BMP2, BMP4 и BMP7 экспрессируются и необходимы для формирования дорсо-вентрального паттерна и все три лиганда могут передавать сигналы посредством ALK3 или ALK6 или гетеромерных рецепторных комплексов [34, 64, 84]. Недавнее исследование на рыбках данио показало, что во время ранней нейруляции два самостоятельных домена активируют передачу сигналов BMP, чтобы демаркировать границы между эпидермисом, пре-плакодной эктодермой и нервным гребнем; было также показано, что эта локальная активация BMP зависит от GDF6, также известным как BMP13 [101]. У Xenopus, gdf6 экспрессируется в виде одиночной полоски на границе нервной пластинки со ст. поздней гаструлы вплоть до ст. поздней нейрулы [102], перекрываясь с экспрессией ALK6, как показано на Fig. 1a. Соответственно мы выявили только одну полоску pSmad1/5/8 вдоль границы нервной пластинки на NF стадии 13. Несмотря на эти различия, которые могут быть обусловлены временным расхождением в спецификации нервного гребня и плакод у рыбок данио и Xenopus, очень возможно, что GDF6, обеспечивающий локальную активацию передачи сигналов BMP в нервном гребне, законсервирован у обоих видов. GDF6 передает сигналы посредством ALK3 и ALK6, но обнаруживается предпочтение в отношении ALK6 [42]. Мы продемонстрировали, что у Xenopus переход от спецификации судеб клеток к поддержанию качественных особенностей нервного гребня сопровождается сдвигом в потребности от типа I рецептора к ALK6. Поэтому мы предположили, что развитие нервного гребня после гаструлы специфически нуждается в ALK6 , чтобы обеспечить передачу сигналов GDF6, эта гипотеза нуждается в подтверждении в дальнейших исследованиях.
Conclusion
Here we have demonstrated overlapping and non-redundant functions of the type I BMP receptors ALK3 and ALK6 in early Xenopus development. Both contribute to BMP dependent ventral identity, but ALK6 is additionally required for gene expression and size of the dorsal organizer in Xenopus embryos. These results show that despite overlapping expression patterns and activation of the same Smad signaling pathway, ALK3 and ALK6 exert temporally and spatially specific, diverging functions; indeed, they are important factors in the regulatory network that controls patterning of early embryos and the ectoderm.
In addition, we have demonstrated a highly specific expression of ALK6 in the neural crest and an exclusive requirement of ALK6 in neural crest induction and development. ALK6 likely acts a receptor for GDF6 in the neural crest and mediates neural crest development via an evolutionary conserved mechanism in the transition from neural crest specification to maintenance and further determination of cell fate.
|