Посещений: 
МОДУЛЯЦИЯ KЛЕТОЧНОЙ АДГЕЗИИ
Роль Fasciclin III
|
|
Control of tissue morphology by Fasciclin III-mediated intercellular adhesion Richard E. Wells, Joseph D. Barry, Samantha J. Warrington, Simon Cuhlmann, Paul Evans, Wolfgang Huber, David Strutt and
Martin P. Zeidler
 Development м.140, 3858-3868. 2013 |
Morphogenesis is dependent on the orchestration of multiple developmental processes to generate mature functional organs. However, the signalling pathways that coordinate morphogenesis and the mechanisms that translate these signals into tissue shape changes are not well understood. Here, we demonstrate that changes in intercellular adhesion mediated by the transmembrane protein Fasciclin III (FasIII) represent a key mediator of morphogenesis. Using the embryonic Drosophila hindgut as an in vivo model for organogenesis, we show that the tightening of hindgut curvature that normally occurs between embryonic stage 12 and 15 to generate the characteristic shepherd's crook shape is dependent on localised JAK/STAT pathway activation. This localised pathway activity drives the expression of FasIII leading to its subcellular lateralisation at a stage before formation of septate junctions. Additionally, we show that JAK/STAT- and FasIII-dependent morphogenesis also regulates folds within the third instar wing imaginal disc. We show that FasIII forms homophilic intercellular interactions that promote intercellular adhesion in vivoand in cultured cells. To explore these findings, we have developed a mathematical model of the developing hindgut, based on the differential interfacial tension hypothesis (DITH) linking intercellular adhesion and localised surface tension. Our model suggests that increased intercellular adhesion provided by FasIII can be sufficient to drive the tightening of tube curvature observed. Taken together, these results identify a conserved molecular mechanism that directly links JAK/STAT pathway signalling to intercellular adhesion and that sculpts both tubular and planar epithelial shape.
Рисунки к статье
|
Органогенез является кульминацией множественных клеточных процессов. Сюда входят регуляция клеточной пролиферации и тканевого роста, а также спецификации различных судеб клеток. Кроме того, необходимы сложные морфогенетические процессы, чтобы отформатировать возникающие в результате клетки и генерировать окончательную форму и структуры ткани, необходимые для функции органа.
В частности органогенез часто требует передвижений и перестроек физически ассоциированных клеточных популяций, процессы, которые нуждаются в аккуратной хореографии во времени и в пространстве. Принимая во внимание важность этих процессов, молекулярные механизмы, которые связывают пути передачи межклеточных сигналов сигналов с изменениями в форме ткани изучены довольно плохо. Так как органогенез у высших позвоночных моделей и сложен, и труден для визуализации, то изучение относительно простых морфогенетических процессов и использование гипотез, базирующихся на математическом моделировании для проверки получаемых в результате данных, обладает потенциалом предоставления фундаментальной информации о механистической подноготной развития.
Один экспериментально поддающийся обработке пример трехмерной ткани, пригодный для изучения таких морфогенетических процессов, это мнослойная эпителиальная трубка эмбриональной задней кишки Drosophila. Кишка впервые определяется во время ст. 5 эмбриогенеза (Hartenstein, 1993) и подвергается трем асинхронным делениям клеток во время ст. 7 (Lengyel and Iwaki, 2002). Во время эмбриогенеза, каждая секция кишки осуществляет тонко регулируемые морфологические движения и к моменту, когда задняя кишка становится впервые морфологически различимой на ст.10, кишка уже умеренно искривлена (Fig. 1A,B). Этот инициальный изгиб сохраняется в ходе удлинения зародышевого диска, тогда как задняя кишка удлиняется за счет процесса, зависимого от конвергентного удлинения (convergent extension). На ст. 15, задняя кишка развивается, чтоб сформировать форму искривленной пастушьей палки (shepherd's crook) (Fig. 1D,E), характеризующейся сглаженной кривой ~140° и ротированной вдоль продольной оси эмбриона, с нарушением медиолатеральной симметрии (supplementary material Movie 1) (Campos-Ortega and Hartenstein, 1985). Эти морфогенетические процессы не зависят от клеточных делений и клеточной гибели (supplementary material Fig. S1A-H) (Iwaki et al., 2001; Lengyel and Iwaki, 2002).
Одним из сигнальных механизмов, центральным для морфогенеза задней кишки является JAK/STAT путь (Johansen et al., 2003b; Arbouzova and Zeidler, 2006). В задней кишке передача сигналов JAK/STAT активируется с помощью локализованной экспрессии upd (os - FlyBase) в токном кишечнике, домен ограниченной экспрессии, который необходим для правильной элонгации задней кишки (Johansen et al., 2003b; Hombr?a et al., 2005). Более того, т.к. активация пути необходима в соседнем толстом кишечнике, Upd д. действовать неавтономно (Johansen et al., 2003a; Johansen et al., 2003b). В конечном итоге потеря передачи сигналов JAK/STAT или эктопическая активация JAK/STAT по всей задней кишке ведет к укорочению , которое не является результатом потери клеток, а скорее неспособности к перестройке клеток.
Центральным для всех морфогенетических процессов являются межклеточные силы, которые действуют, чтобы поддерживать физическую целостность тканей. В случае задней кишки Drosophila такая физическая целостность зависит от межклеточных соединений, которые существуют между эпителиальными клетками (Gumbiner, 1996;Carthew, 2005). Эти межклеточные соединения состоят из апикальных слипчивых соединений, которые обеспечивают слипание клеток, и более базальных перегородчатых соединений (SJ), которые аналогичны плотным соединениям позвоночных и ограничивают свободную диффузию растворов через эпителий.
Здесь мы представили новую роль, в не перегородчатых соединениях для обычно присутствующего в перегородчатых соединениях белка Fasciclin III (FasIII) (Snow et al., 1989) в развивающейся задней кишке Drosophila - роль, которая зависит от локализованного во времени и пространстве пути передачи сигналов JAK/STAT. Наши результаты идентифицировали прямую механистическую связь между путями сигнальной трансдукции и биофизическими процессами, которые формируют трехмерные органы in vivo.
DISCUSSION
Здесь мы описали, как измененная межклеточная адгезия обеспечивается с помощью FasIII, который играет ключевую роль в развитии формы ткани и в частности изгибов в происходящих из эпителия органов. Мы продемонстрировали, что FasIII является гомофильной адгезивной молекулой и разработали математическую модель, которая воспроизводит in silico изменения, обеспечиваемые с помощью FasIII in vivo. Наши находки подтверждают, что фенотипы после потери или избытка активности FasIII могут быть объяснены изменениями межклеточной адгезии.
FasIII in the hindgut
Мы показали, что активация пути JAK/STAT на ст. 12-14 в задней кишке асимметрична и что это вызывает усиление экспрессии белка FasIII в клетках вдоль внутренней стороны изгиба задней кишки. Это увеличение достаточно, чтобы вызвать латерализацию FasIII за пределами перегородчатых соединений, субклеточное перераспределение, которое, как мы полагаем, необходимо для обычного изгиба задней кишки. Механистическая основа инициальной асимметрии активации пути JAK/STAT неясна; однако, одной из возможных причин может быть, лежащая в основе, асимметрия взаимодействия Upd с внеклеточными heparin sulphate протеогликанами Dally и/или Dally-like (Hayashi et al., 2012). Хотя мы не наблюдали какой-либо асимметрии в Dally-подобной экспрессии (not shown), различия в распределении Dally или пост-трансляционные модификации или heparan sulfate proteoglycan (HSPG) могут присутствовать.
Не имеет значения, какова механистическая основа, путь асимметрии на стадии 12-14 в задней кишке, обусловливающие высокие уровни экспрессии FasIII вдоль внутренней стороны изгиба задней кишки. В таких условиях, возникающая в результате латерализация FasIII ведет к увеличению области контакта, поверх которой накладываемый FasIII в соседних клетках, может взаимодействовать. В соответствии с нашими результатами по исследованию культур клеток, это увеличение FasIII:FasIII в области контакта, как полагают, вызывает увеличение межклеточной адгезии. DITH модель подтверждает, что этого достаточно, чтобы увеличить общую область латеральной мембраны и, следовательно, обеспечить дальнейшее увеличение области контакта FasIII:FasIII. Мы предусмотрели, что как только FasIII уходит из своей обычной субапикальной позиции соединений, то этот процесс может самоупрочиться в природе, преподнося адгезивный механизм застежки, с помощью которого ткань локально ремоделирует свою геометрию в ответ на внешние сигнальные воздействия.
FasIII-mediated adhesion and junctions
Одной из интригующих находок стало то, что межклеточный адгезивный эффект, обеспечиваемый с помощью как потери, так и избыточной экспрессии FasIII, не зависит от слипчивых соединений и др. белковых компонентов перегородчатых соединений. В случае перегородчатых соединений, анализ агрегации клеток тканевых культур подтвердил, что гомотипическая адгезия FasIII эффективна даже в отсутствие др. белков перегородчатых соединений (которые отсутствуют в Kc167 клетках). Более того, латерализацией вызываемый изгиб задней кишки происходит на ст. развития, когда перегородчатые соединения ещё не сформированы (Oshima and Fehon, 2011).
Кроме того, изменения в межклеточной адгезии обнаруживаются также вдоль границы клонов потери функции FasIII в крыловом диске, где они оказываются достаточными, чтобы приводить к достоверному выправлению клональных границ. Более того локальная потеря FasIII также достаточна, чтобы ремоделировать трехмерные складки, обычно присутствующие в крыловом диске. Эти изменения происходят в слое цилиндрического эпителия с интактными слипчивыми соединениями - соединительным комплексом, который содержит E-cad (Shg у Drosophila) и который традиционно рассматривается как обеспечивающий большинство межклеточных адгезий (Adams and Nelson, 1998). Хотя неизвестно в какой пропорции межклеточная адгезия обеспечивается с помощью FasIII в этом контексте, наши результаты подтверждают, что выявляемые изменения FasIII имеют биологическое значение даже в контексте во всем остальном нормальных слипчивых соединений.
Modulation of adhesion as a morphogenetic sculpting tool
В целом наши результаты по трем отличающимся онтогенетическим процессам - изгибу задней кишки, морфологии крыловых складок и выправления клональных границ - показывают, что модуляция FasIII-обеспечиваемой межклеточной адгезии является фундаментальным механизмом, который действует, чтобы придать форму трехмерным органам во время развития.
В частности 25% уменьшение локального изгиба клональных границ, разделяющих FasIII-экспрессирующий от не экспрессирующего региона, предоставляет информацию об измененной межклеточной адгезии и демонстрирует, как изменения в адгезии могут придавать форму этим клонально родственным популяциям клеток. Сходное клональное округление ранее было описано для др. адгезивных молекул, включая те, что ответственны за интеграцию слипчивых (adherens) соединений (Justice et al., 1995; Wei et al., 2005), а in silico моделирование клеточной сортировки, базирующееся на дифференциальной межклеточной адгезии, также продемонстрировало, что первоначально случайные смеси из двух популяций дифференицально адгезивных клеток рассортировываются на разные группы, чтобы минимизировать общие границы (Graner and Glazier, 1992; Graner and Sawada, 1993; Gonzalez-Rodriguez et al., 2012). Сходным образом, наше собственное моделирование задней кишки демонстрирует, что даже сравнительно слабые изменения в локальной межклеточной адгезии способны вызывать крупномасштабные изменения в форме и изгибе органа. В согласии с нашими результатами, недавно было показано, что Fasciclin II, др. гомофильная адгезивная молекула и Drosophila гомолог N-CAM (neural cell adhesion molecule), также действует. чтобы модулировать динамику мембран in vivo (Gomez et al., 2012).
Conservation of FasIII-like molecules?
Наша работа подтвердила, что изменения в адгезии, обусловленные с помощью FasIII, важны для развития и морфогенеза. Хотя FasIII не имеет прямого гомолога у позвоночных, трансмембранные адгезивные молекулы со сходной доменовой структурой присутствуют у позвоночных. Одним из примеров является Ig домен содержащая гомофильная адгезивная молекула PECAM-1 (supplementary material Fig. S6A), белок, экспрессирующийся в гематопоэтических и эндотелиальных клетках (Watt et al., 1995). Поразительно, искривленные трубчатые структуры, которые дают аортальную дугу у взрослых мышей, также обнаруживают существенную асимметрию в уровнях PECAM-1, при этом достоверно более высокий уровень экспрессии наблюдается на внутренней стороне изгиба (supplementary material Fig. S6C,D). Хотя функциональная роль PECAM-1 ещё предстоит определить, аналогичное увеличение экспрессии адгезивных молекул у мышей и мух подтверждает, что дифференциальная межклеточная адгезия, обеспечиваемая с помощью Ig домен содержащих молекул, может представлять более широко законсервированные характеристики искривленных тканей в ходе эволюции. Было бы интересно установить в точности, насколько широко распространена роль FasIII-подобных молекул в органогенезе и формообразовании ткани.
|