Neural Tube Patterning: ventral

Неральная трубка: формирование вентрального паттерна

A homeodomain protein code specifies progenitor cell identity and neuronal fate in the ventral neural tube
J.Briscoe, A. Pierani, T.M.Jessell, J.Ericson
Cell. 2000. V.101. P. 435-445


Положение каждого из 5 классов вентральных нейронов в нервной трубке предопределяет какая концентрация Shh потребуется для их индукци: нейроны, генерируемые все в более вентральных областях трубки нуждаются во все больших концентрациях Shh.Различные гмеодоменовые белки (Рах7,Рах3,Рах6, Dbx1,Dbx2 и Nkx2.2), экспрессируюемые вентральными клетками предшественниками, регулируются Shh сигналами.
Напр., гомеодоменовые белки Тkx6.1 и Irx3 экспрессируются клетками-предшественниками дискретных доменов и регулируются градированными сигналами Shh. Дифференциальная экспрессия 5 белков класса I (Shh-репрессируемые) Рах7, Irx3, Dbx1, Dbx2 и Рах6 и 2 белка класса II(Shh-индуцируемые) Nkx6.1 и Nkx2.2 подразделяет вентральную часть нервной трубки на 5 кардинаьных домена предшественников. Между белками двух классов имеются взаимно-репрессирующие взаимодействия, что позвляет формироваться доменам с четкими границами. В результате градированные сигналы Shh превращаются в решения типа все-или-ничего. Кроме того было показано, что пространственные паттерны экспрессии Nkx6.1, Irx3 и Nkx2.2 достаточны для управления как положением, так и судьбой трех нейрональных субтипов.
Итак, на первой ступени экспрессия гомеодоменовх белков дифференциально репрессируется или активируется градированными сигналами Shh. На второй ступени, взаимно-репрессивные взаимодействия между бклками класса I и II определяют и стабилизируют домены предшественников. На третьей ступени профили гомеодоменовых белков, экспрессируемых внутри каждого домена предшественников, генерируют специфические наборы постмитотических нейронов.
Формирование и поддержание доменов предшественников нейронов
Вентро-дорсальный градиент активности сигналов Shh играет инициирующую роль в предопределении вентро-дорсальных доменов. Потеря функции Рах6 у эмбрионов мыши ведет к экспансии в дорсовентральном направлении р3 домена несмотря на неизменный уровень Shh активности. Напротив потеря функции Nkx6.1 ведет к вентральной экспансии границ р1 домена. Очевидно, что граница каждого домена четко определяется. Пока известны белки класса ШШ предопределяющие границы pMN/p3 и р1/р2.
Когда нейрональная судьба предопределена клетки-предшественники проходят много раундов пролиферации, вентральная часть нервной трубки увеличивается в размерах и уровень Shh активности в данной позиции вентральной части нервной трубки меняется существенно со временем. Тем не менее к ст.15 вентральные домены предшественников сохраняются несмотря на потерю сигналов Shh. Взаимные репрессивные взаимодействия белков классов I и II м. помочь в поддержании доменов несмотря на изменения уровней активности Shh.
2 транскрипционных фактора с цинковыми пальчиками, Gli1 и Gli2, являются обычно передатчиками Shh сигналов. Уровень активности Gli варьирует пропорциоально концентрации внеклеточного Shh. Значит разные уровни Gli активноти могут репрессировать или активровать белки классов I и II. Однако у мышей с мутациями этих Gli генов сохраняется нормальный нейрональный паттерн. Следовательно, должны участвовать дополнительные медиаторы, участвующие в инициальной интерпретации градиентных Shh сигналов.
Время взаимных регуляторных взаимодействий белков двух классов совпадает с началом клональных ограничений дисперсии клеток. Следовательно, гомеодоменовые белки, предопределяющие индивидуальные домены, должны контролировать поверхностные свойства клеток предшественников и ограничивать их перемешивание вдоль дорсовентраьной оси.
Контроль нейрональной идентичности с помощью кода гомеодоменовых белков
Выявлена роль генов Nkx6.1, Nkx2.2 и Irx3 в спецификации судьбы V2, MNs и V3 нейронов. У мышей отсутствие Рах6 активности обусловливает дорсальную экспансию домена экспрессии Nkx2.2, что сопровождается экпансией домена V3 нейронов и потерей MNs нейронов. Потеря Nkx2.2 ведет напротив к потере V3 нейронов и эктопической генерации MNs внутри домена р3. Потеря Nkx6.1 активно устраняет большинство MNs и V2 нейронов.
Финальные деления клеток определенных вентральных предшественников сопровождаются началом экспрессии определенного набора гомеодоменовых белков, напр., MNR2 и Lim3. Эктопическая экспрессия MNR2 способна индуцировать дифференцировку MN нейронов независимо от дорсовентральной позиции, а эктопическая экспрессия Lim3 индуцирует нейроны V2. Белки класов I и II стоят выше MNR2 и Lim3. Таким оразом, действие гомеодоменовых белков по спецификации нейрональных субтипов опосредуется через MNR2 и Lim3 внутри рMN и р2 доменов. Nkx6.1 может индуцировать экспрессию как MNR2, так и Lim3 в MN предшественниках и подобно MNR2 способен специфицировать MN судьбу в клетках дорсальной части нервной трубки.

Control of Shh activity and signaling in the neural tube
Litingtung, Chiang (2000)
Dev. Dyn. V.219. P. 143-154

SHH ВЕНТРАЛИЗУЮЩИЙ СИГНАЛ В НЕРВНОЙ ТРУБКЕ
Эктопическая экспрессия Shh способна индуцировать различные типы клеток, характерные для вентральной части нервной трубки. Показано, что Shh обязателен для дифференцировки вентральных типов клеток, включая донную (floor) пластинку, V2 и V3 интернейроны и олигодендроциты

Рис.1. Формирование нейрального паттерна в норме и у мутантов Shh-/- в спинном мозге. Слева, типы вентральных клеток и ассоциированные с ними маркеры в каудальной части нервной трубки. Презумптивный Shh градиент ч наивысшим уровнем в донной пластинке и наинизшим на дорсо-вентральной границе показан красным. Справа отсутствие донной пластинки, двигательных нейронов, V3 и М2 интернейронов у мутантов Shh-/-.


(Рис. 1 и 2). Кроме того генерация двигательных нейронов нуждается в постоянном присутствии Shh вплоть до финальных делений клеток предшественников.

Рис.2. Анализ in situ РНК у эмбрионов мыши (Е10.5) дикого типа в спинном мозге с использованием Sax1, En1, Evx1 и Рах2 рибозондов.


Предполагется, что донная пластинка генерируется путем инсерции клеток-предшественников из узелка в нейральную пластинку средней линии. У мутантов с отсутствием хорды донная пластинка формируется. Однако клетки каудальной части средней линии нервной трубки временно экспрессируют маркеры двигательных нейронов, это указывает на то, что клетки ранней средней линии в нервной трубке не коммиторованы к судьбе клеток донной пластинки до индукции с помощью подлежащей хорды. Имеются две отделные популяции клеток в донной пластинке и их генерация у данио, по-видимому, связана как Shh-зависимыми, та и независимыми сигналами.
Было показано, что высокие концентрации Shh индуцируют клетки вентрального типа, располагающиеся вблизи хорды, тогда как низкие концентрации Shh индуцируют клетки, обнаруживаемые дистальнее от хорды. Следовательно, shh, секретируемый хордой и донная пластинка могут перемещаться на относительно бoльшие расстояния, специфицируя различные типы клеток концентрационно-зависимым способом.
МОДУЛЯЦИЯ SHH АКТИВНОСТИ И ТРАНСДУКЦИЯ SHH СИГНАЛОВ

Cholesterol и cyclopamine
   Shh синтезируется как предшественник, который подвергается аутопроцессингу давая холестерол-модифицированный N-терминальный домен (Shh-Np) и С-терминальный домен (Shh-C). Тогда как Shh-C обладает холестерол-зависимой аутопроцессинговой активностью, то Shh-Np содержит все известные сигнальные активности, включая формирующую нейральный паттерн. В тканевой культуре Shh-Np преимущественно ассоциирует с клеточными мембранами, указывая на то, что холестерол м. ограничивать диффузию Shh-Np. Shh-N, untethered форма, лишенная холестерола, преимущественно обнаруживается в среде тканевой культуры. присутствие sterol sensing domain (SSD) в Shh рецепторах, Patched (Ptc) также указывает на то, что холестерол вставленный в Shh-Np м. иметь добавочные функции, возможно улучшать связывание с Ptc рецепторами или влиять на состояние клеточного метаболизма посредством Ptc. У дрозофилы высвобождение Hh-Np нуждается в присутствии Dispatched (Disp) 12-пассов трансмембранном белке с SSD. Disp может способствовать высвобождению Hh-Np через взаимодействие холестролового фввгсе в SSD. Помимо холестерола N-конец Shh может модифицироваться пальмитиковой кислотой, которая, по-видмимому, ограничивает диффузию Shh и потенцирует функцию Shh.
Cyclopamine естественно возникший алкалоид растения Veratrum californicum, ответственнен за мистическое появление циклопических коз в 1960. У животных циклопамин обусловливает черепно-лицевые нарушения, сходные с таковыми у Shh-/- мутантов и голопрозэнцефалией у человека. Индуцируемые им эффекты результат ареста передачи сигналов Sgg? Структурное сходство циклопамина с холестеролом позволяет предполжить, чтол циклопамин выступает антогонистом функции Shh. Процессинг Shh и образование аддуктов (довесок) холестерола не нарушаются в присутствии циклопамина. Следовательно, он м. взаимодействовать только с холестероловым гомеостазом. У Крыс и мышей, которым скармливали ингибиторы синтеза холестерола, AY9944 или ВМ 15.766, развиваются нарушения, сходные с голопрозэнцефалией. Мыши, дефицитные по гену Megalin, члену LDL семейства рецептрных генов, участвующего в усвоении холестерола, также имеют фенотип голопрозэнцефалии. Более того некоторые пациенты с Smith-Lemli-Opitz synd (SLOS), заболевании связанном с дефицитом последней ступени пути биосинтеза холестерола, имели голопрорзэнцефалию.
Patched и Smoothened
Ptc кодирует 12-пассовый трансмембранный белок, имеет область гомологичную choltsterol sensing domain (CSD). У позвоночных Ptc1 и Ptc2, оба связываются с Shh с высоким сродством. Транскрипция Ptc плотно контролируется с помощью Shh, чтобды держать его уровень в соответствии с задачей рероуляции транскрипции генов-мишеней. Экспрессия Ptc наивысшая вблизи донной пластинки и постепенно уменьшаетс в дорсальном направлении в соответствии с концентрационным граденом Shh. Ptc по-видимому, не только мембранный белок, способный секвестрировать Shh. У мышей идентифицирован hedgehog-interactiong protein (Hip), который экспрессируется по соседству с доменом экспрессии Shh во многих тканях и кодирует мембранный гликопротеин.
Smo 7-пассовый трансмембранный белок со структурой сходной с G protein-coupled receptotrs. Предполагается, что Ptc блокирует Hh передачу сигналов путем ингибирования активности Smo. Механизм, с помощью которого Shh активирует Smo неясен, но т.к. Smo формирует комплекс с Ptc в клетках млекопитающих, то возможно, что Shh-связанный Ptc непосредственно активирует Smo.
Gli семейство
Gli гены принадлежат семейству транскрипционных факторов, участвующих в передаче сигналов Shh (рис.3).

Рис.3. Путь передачи сигналов Shh. Связывание Shh c Ptc/Smo рецепторами вызывает 2 внутриклеточных события. Во-первых, активация пути Shh с помощью увеличения ядерной концентрации Gli (Gli2 иGli3). Этот процесс, по-видимому, облегчается с помощью Fu и тормозится с помощью Su(fu). В ядре Gli может кооперировать с СВР, чтобы активировать нижестоящие гены мишени, включая Gli1 и Ptc/ Во- вторых, блокирование образования Gli репрессора, возможно, путем ингибирования образования фосфорилированных форм Gli (Gli-P). Эффективный процессинг Gli, по-видимому, нуждается в Gli фосфорилировании и м.б. протеосом-зависимым. Гомолог позвоночных Cos2 не идентифицирован; у дрозофилы Cos2 связывается с микротрубочками и негативно регулирует передачу сигналов Shh.


У позвоночных 3 Gli гена, все белки этого семейства содержат 5 высоко законсервированных последовательности (TGGGTGGTC), обнаруженные в промоторах генов-мишенй для Shh/Hh, включая Ptc и Wg дрозофилы и Hnf3β энхансер донной пластинки у мышей. Ci дрозофилийный гомолог Gli функционирует и как активатор и как репрессор нижестоящих генов мишеней. В отсутствие Hh сигнала Ci подвергается процессингу в репрессорную форму (CiR) протосом-зависимым способом. В присутствии сигнала Hh Процессинг Ci блокируется, он накапливается в ядре и активирует гены-мишени. Лишь очень большое количество Ci необходимо для активации генов-мишеней для сигналов Hh. В цитоплазме он часть большого комплекса, включающего Fused (Fu), серин-треониновую киназу, suppressor of fused (Su(fu)) и родственнуй кинезину белок Costal-2 (Cos-2). Su(fu) у мышей и человека секвестрирует Gli, предупреждая его накопление в ядре. С другой стороны hFu взаимодействует со всеми тремя Gli облегчаф их импорт в ядро. Споcобность hFu противодействовать Su(Fu) и потенцировать Gli2 транскрипционную активацию репортерного гена указывает на то, что Gli трансформируется в активную форму. Для эффективного процессинга необходима протеин киназа А.
Все 3 Gli позвоночных в тканевой культуре м. активировать экспрессию репортерного гена, сцепленного с чувствительным к Shh промотором. N- и С-терминальные части Gli1 необходимы floor пластинки индуцирующей активности у Xenopus. Активирующая функция Gli2 и Gli3, по-видимому, связана с С-концом, а N-концевые домены связаны с репрессиорной функцией, отделимой от активационного домена. В отличие от Gli1 Gli2 и Gli3 обладают занчительной гомологией вне домена цинковые пальчики, включая и сайт связывания для cAMP response element binding protein (CBP), который, по-видимому, функционирует как ко-активатор Hh/Shh генов-мишеней. Кроме того Gli 1 регулируется с помощью Shh только на транскрипционном уровне. Он м. индуцироваться другими членами семейства Gli в ответ на действие сигнала Shh. С этим согласуется факт, что активность Gli1 подавлена у мутантов Gli2.
Gli у мышей экспрессируются в перекрывающихся доменах нервной трубки во время ранней ее спецификации. Экспрессия Gli2 и Gli3 обнаруживается во всей нервной трубке до ее закрытия, экспрессия Gli1 ограничена вентральной частью нервной трубки. У мутантов Gli2 отсутствует дифференцировка клеток донной пластинки и редуцировано развитие V3 интернейронов (сходный фенотип у Shh мутантов). У Gli1/Gli2 двойных мутантов V3 интернейроны не развиваются в спинном мозге, а фенотип вентральной части переденего мозга более тяжелый, чему у мутантов Gli2. Нулевые мутанты Gli3 не обнаруживаеют аберрантного распределения венральных нейронов в области спинного мозга, хотя развитие дорсальной части переднего мозга нарушено. У Gli2/Gli3 мутантов фенотип венральной части нервной трубки боле тяжелый чем у Gli2 мутантов. Таким образом, Gli2 и Gli3 гены позитивно опосредуют передачу сигналов Shh в нервной трубке (Рис.5) Gli1 также играет роль в паттернировании вентральной части нервной трубки.

Рис.4. Gli-опосредованная нейральная индукция с помощью Shh. В ответ на градированный Shh сигнал Gli2 и Gli3 активируются по-разному вдоль дорсо-вентральной оси нервной трубки. Gli1 играет, по-видимому, меньшую роль в этом процессе. Градиенты активности Gliмогут возникать в результате дифференциального ядерного импорта Gli белков в ответ на передачу сигналов Shh. Gli2 является более мощным активатором, чем Gli3. Вместе Gli2 и Gli3 спобны к индукции различных типов клеток в нервной трубке. Так как интерпретация градиента сигналов Shh в нервной трубке обеспечивается гомеодоменовыми белками класса I (Pax6, Irx3, Dbx1) и класса II (Nkx2.2, Nkx6.1). то наиболее приемлемой моделью является то, что Gli репрессируют гомеопротеины класса I и активируют гомеопротеины класса II. Взаимные репрессивные взаимодействия между классами I и II белками создают и стабилизируют четкие границы нейрональных предшественников. Внутри индивидуальных доменов предшественников (р0-р3, pMN) гомеопротеины класса I и II контролируют экспрессию генов нейрональной identity (качественных особенностей)


Остается неясным как Gli3 осуществяет свою репрессорную функцию в паттернировании вентральной части нервной трубки. Он не м. функционировать как конституитивный репрессор. Способность Shh модулировать процессинг Gli3 указывает на то, что репрессорная активность Gli3 становится эффективной в отсутсвие сигналов Shh.
Пролит некоторый свет на то, как градированная передача сигналов Shh определяет домены инициальной экспрессии двух отдельных классов гомеобокс-содержащих генов вдоль дорсо-вентраьной оси нервной трубки (Briscoe et al., 2000). Экспрессия генов класса I и класса II репрессируется или активируется сигналами Shh, соответсвенно (рис.5). Репрессивные взаимодействия между белками этих классов, выделяя общие домены предшественников будут создавать дискретные границы предшественников. Внутри индивидуальных доменов предшественников белки класса I и II контролируют экспрессию генов нейрональной идентичности. Т.к. Shh сигналы опосредуются через Gli, то ясно, что эти гомеобелки находтся под прямым контролем Gli.
Vitronectin
Витронектин, гликопротеин ВКМ, потенциирует активность Shh, индуцирующую моторыне нейроны. У кур он избирательно экспрессируется в хорде и вентральныцх частях нервной трубки. По-видимому, существует прямое взаимодействие между Shh и витронектином. Он м. облегчать перемещение Shh или презентацию его клеткам-мишеням. Отсутствие витронектина не вызывает существенных нарушений.
Ретиноевая кислота
РК обильна в параксиальной мезодерме и важна для спецификации спинного мозга Способность РК индуцировать V0 и V1 интернейроны независимо от Shh указывает на то, что РК является альтернативным сигналом в генерации вентральных нейронов. Хотя в конечностях РК регулирует активность Shh по установлению ЗПА.
Помимо интернейронов РК участвует в генерации специфичных для конечностей модорных нейронов в спинном мозге. Этот РК сигнал появляется в рано возникших моторных нейронах, которые экспрессируют retinaldehyde dehydrogenase 2 (RALDH-2), ключевой энзим биосинтеза РК.
Bmp и Fgf
И другие сигнальные молекулы влияют на судьбу нейрональных клеток, специфицируемую с помощью Shh. В переднем мозге Shh экспрессируется в прехордальной мезодерме, подлежащей под диэнцефалоном и нуждается в генерации Nkx2.1-позитивных клетках средней линии. Блокирование функции Bmp7 в прехордальной мезодерме, устраняет Nkx2.1-позитивные клетки средней линии. Очевидно, что Shh и Bmp7, происходящие из прехордальной мезодермы, действуют кооперативно в генерации Nkx2.1 клеток средней линии Мыши с отвутствием Bmp7 не обнаруживают ожидаемых фенотиписеских отклонений. Следует отметить, что в спинном мозге Bmp, участвующие в генерации клеток дорсального типа, функциональные антогонисты Shh на вентральной стороне.
В вентральной части среднего мозга Shh участвует в индукции dopaminergic (DA) нейронов. Shh способен индуцироватть эктопические DA нейроны в дорсальной части среднего мозга, но не заднего. Fgf8 специфически экспрессируется на границе средний/задний мозг и, по-видимому необходим для генерации DA нейронов. Установлено, что Shh и Fgf8 кооперируются в индукции DA нейронов.
Сайт создан в системе uCoz