The Establishment Of Spemann's Organizer And Patterning Of The Vertebrate Embryo
E. M. De Robertis, J. Larrain, M. Oelgeschlager & O. Wessely
Nature Reviews Genetics 1, 171 -181 (2000)
У Xenopus и рыбок данио установление дорсо-вентральной или 'back-to-belly' оси начинается с перемещения мембранных пузырьков, ассоциированных с дорсальными детерминантами. Это обеспечивает индукцию мезодермы путем продукции градиентов факторов роста. Дорсальная мезодерма затем становится сигнальным центром, Spemann's organizer, который секретирует несколько антогонистов сигнальным факторам роста(growth-factor signalling). Разработана новая модель межклеточной передачи сигналов во вреимя развития, которая приложима и к гомеостазу взрослых тканей.
Дорсо-вентральная асимметрия в оплодотворенном яйце Xenopus стартует, когда набор параллельных кортикальных микротрубочек транспортирует небольшие мембранные пузырьки, которые связаны с белком Dishevelled на их цитоплазматической стороне, в дорсальном направлении оплодотворенного яйца.
Транспорт этих цитоплазматических детерминант необходим для дифференцировки нейральной ткани, хорды, сомитов и почек.
Ингибирование деградации β-Catenin на дорсальной стороне является первой ступенью в биохимическом каскаде, ведущему к дорсальному развитию.
На стадии бластулы градиент, сходного с Nodal, TGF-β фактора (Xnrs) формируется в энтодерме, которая индуцирует как вентральную, так и дорсальную мезодерму. Высокий уровень Xnr ведет к индукции ткани Шпемановского организатора в лежащей поверх дорсальной мезодерме.
Организатор секретирует коктейль антогонистов факторов роста, такие как Noggin, Chordin, Cerberus, Frzb-1 и Dkk-1, которые в дальнейшем усовершенствуют паттерн.
Chordin связывает bone morphogenetic proteins (BMPs) с помощью богатых цистеином модулей, обозначаемых как cysteine-rich(CRs). Ингибирование BMP с помощью Chordin м.б. обратимым за счет комбинированного действия Xolloid, zinc metalloprotease, и Twisted-gastrulation (xTsg).
xTsg является BMP-связывающей молекулой, которая образует четвертичные комплексы с Chordin полной длины и с BMP, при этом превращая full-length Chordin в лучший из антогонистов BMP.
После того как Chordin расщепляется Xolloid, xTsg перемещает свои связи с BMP на CRs, способствуя тем самым скорее, чем предупреждая передаче сигналов через рецепторы BMP.
Большинство внеклеточных белков содержит CR домены Chordin типа, тем самым создется возможность, что эти исследования на эмбрионах помогут создать общую модель тонкой регуляции передачи сигналов факторами роста во внеклеточных пространствах.
Шпемановский организатор(Гензеновский узелок у птиц) характеризуется несколькими свойствами, которые деляют его уникальным у гаструлирующего эмбриона. Эти свойства включают экспрессию молекулярных маркеров (таких как goosecoid, HNF3beta, Not1, Otx2, chordin, ADMP и многие др.), способность дорсолизовать мезодерму, а также индуцировать и формировать паттерн нервной системы. Шпемановский организатор образуется на поздней стадии бластулы, когда он индуцируется сигналами от соседней области, называемой центром Nieuwkoop. Сам этот центр предопределяется локализацией материнских детерминант, которые генерируются в intersection между двумя сигнальными путями: TGFβ/Vg1 и Wnt.
Во время гаструляции клеточные популяции эмбриона подвергаются массивной реорганизации для образования трех зародышевых слоев. Клетки постоянно перемещаются в и из бластопора (у амфибий) или первичную полоску (у амниот) прежде чем достигуть своего окнчательного местоположения в мезодерме или энтодерме. Организатор располагается на одном из концов бластопора/первичной полоски и, по-видимому, участвует в этих перемещениях.
Было показано, что у эмбрионов кур во время гаструляции клетки могут поступать и выходить из организатора (Гензеновского узелка). Во время этих перемещений клетки приобретают или теряют свойства организатора в соответствии со своим положением. Это указывает на существование области с Niewkoop-центр-подобными свойствами во время гаструляции. Этот "Центр, индуцирующий узелок", который выделяет Vg1 и Wnt8C, расположен посредине первичной полоски. Однако клетки этого центра не происходят клонально (линейно) от тех клеток, что расположены в задней маргинальной зоне (Niewkoop центр до гаструляции).
Этот индуцирующий центр, как и эктопическая экспресия Vg1 и Wnt, достаточны для превращения соседних клеток в организатор. Существуют и механизмы регуляции активности этого "node inducing center": организатор и латеральные края эмбриона продуцируют ингибиторы, которые ограничивают его местоположение. Его активность ингибируется ADMP, продуцируемым узелком, и с помощью BMPs по краям. Эти взаимодействия и предопределяют организатор как место эмбриона, чей клеточный состав постоянно меняется. Предполагается, что мигрирующие клетки обладают свойствами организатора временно, в соответствии со своей локализацией в определенное время. Организатор, следовательно, не является популяцией коммитированных клеток, предопределенных своим клеточным происхождением, а скорее состояние клеток, активно поддерживаемое и регулируемое путем взаимодействия с соседними тканями (Joubin , Stern , 1999).
Пространственно различные индукторы головы и сердца в области организатора у Xenopus Schneider, Mercola,(1999)
Организующие центры у эмбрионов позвоночных функционируют во время гаструляции для формировния передне-задней оси. организатор не является гомогенным по своему индуктивному потенциалу, скорее он имеет региональные отличия. Формирование паттерна нейральной эктодермы кпереди от заднего мозга у млекопитающих пространственно отделено от области, необходимой для формирования паттерна остальной части ЦНС. Эктопический узел, вызывающий образование вторичной оси тела дает ось только до уровня заднего мозга, указывая на то, что для формирования переднего эктодермального паттерна необходимы сигналы вне узла (9). Напротив удаление передней висцеральной энтодермы дает эмбрионов с передними нейральными нехватками (10). Сходный дефицит обнаруживается у мозаичных эмбрионов мыши с отсутствием экспрессии или тщвфд или Щеч2 в их висцеральной энтодерме (11, 12). Переднее укорочение наблюдается и у эмбрионов, гомозиготных по делециям гомоебоксных генов Lim 1 и Otx2, экспрессирующихся в передней висцеральной энтодерме (13-16). Все это указывает на то, что висцеральная энтодерма, находящаяся под будущей областью головы, важный сигнальный центр, отвечающий за формирование паттерна кпереди от ромбомера 3.
Висцеральная энтодерма мыши экспрессирует некоторые гены, которые активны в организующей области Xenopus. Нех и Hesx, кодирующие гомеобокс-содержащие белки, первоначально экспрессируются в передней висцеральной энтодерме мыши на стадии предполоски и ранней полоски, соотв. Гомологи этих генов у Xenopus (XHex и XANF-1) впервые экспрессируются в дорсальной губе бластопора на ст. 10, непосредственно перед началом гаструляционных движений. Перекрывание ранних паттренов экспрессии установлено и для XOtx2 и Xlim-1. Все это позволяет предположить, что Шпемановский организатор обладает некоторой активностью, сходной с таковой передней висцеральной энтодермы мыши.
Напротив паттерн экспрессии cerebrus и его гомологов, которые кодируют членов семейства DAN секретируемых белков, указывает на то, что некоторые активности находятся вне Шпемановского организатора. Мышиный mCer-1, подобно Нех, впервые экспрессируется в висцеральной энтодерме на Е5.5 до образования полоски и становится специфичным для передней висцеральной энтодермы на ст E6.0. Куриный cCer экспрессируется аналогично в гипобласте до образования полоски. У Xenopus cerberus экспрессироуется в глубокой дорсо-передней энтодерме, находящейся под Шпемановским организатором. Инъекции сукиукгы эмбрионам Xenopus способны индуцировать экспрессию передних, но не задних нейральных маркеров и формировать эктопическую голову. Инъекции mCer-1 хотя и не продуцируют голову у Xenopus, но увеличивают область головы и индуцируют нейральные маркеры в изолированной анимальной шапочке. Показано, что область, экспрессирующа cerberus, участвует в индукции сердца
Итак, передняя висцеральная энтодерма мыши, необходимая для нормального развития структур ростральнее передней границы хорды, называется головным организатором. Эта ткань обладает также сердце-индуцирующей активностью и экспрессирует mCer1. У Xenopus выявлено 3 области организатора: глубокая энтодерма, экспрессирующая cerberus (гомолог mCer1); прехордальная мезодерма, экспрессирующая XHex и XANF-1; и ведущий край дорсо-передней энтодермы, которая экспрессирует как cerberus, так и гены прехордальной мезодермы. Удаление cerberus-экспрессирующей энтодермы снижает частоту индукции сердца, но не головы. Удаление прехордальной мезодермы напротив обусловливает дефицит в передних головных структурах. Наконец, хотя эктопическая экспрессия cerberus индуцирует эктопическую голову, она неспособна индуцировать гены, участвующие в индукции головы.
Область эмбриона с сердце-индуцирующей активностью находится глбже и существенно шире, чем отсетственная за индукцию головы, и хорошо коррелирует с доменом экспрессси cerberus. Наблюдаение, что индукторы головы и сердца разделены пространственно у Xenopus указывает на то, что обеспечиваются разыми молекулами. Ко-экспрессия mCer-1 с Нех и HESx у эмбрионов мыши подтвержает модель, согласно которой эти две различные активности совпадают пространственно с передней висцеральной энтодермой. Различия, что голову-индуцирующая область у Xenopus и кур связана с прехордальной мезодермой, а у млекопитающих с передней висцеральной энтодермой могут быть объяснены тем, что этот процесс у эмбрионов птиц и амфибий не происходит до гаструляции, а у млекопитающих начинается до формирования/ингрессии (вхождения) прехордальной мезодермы. В результате сигналы, необходимые для дифференцировки передних структур могут экспрессироваться разными тканями у мышей, по сравнению с амфибиями и птицами.
Возникает вопрос, почему cerberus-экспрессирующая энтодерма не нужна для формирования головы in situ, но его эктопическая экспрессия мимикрирует эту активность? Glinka et al (42) полагают, что головы индуцируются, когда оба вентрализующих ВМР и Wnt сигналы блокированы. cerberus же является эффективным антогонистом этих сигнальных путей, связывает ВМР-2 и -4 и XWnt8. Kогда эктопическая экспрессия cerberus в вентрaльную сорону Xenopus может индуцировать вторую голову, но это не является ее нормальной функцией. Другие ВМР (Noggin, chordin) и Wnt (Dkk, FrzB) антогонисты, экспресссируемые в прехордальной мезодерме могут выполнять эту роль.
О формировании организатора и o роли в его возникновении FGF8 смотри ЗДЕСЬ