Транскрипционный фактор цинковые пальчики CASZ1 (CASTOR) необходим для собственно сердечно-сосудистого развития у Xenopus вдоль вентральной срединной линии (Christine and Conlon, 2008; Charpentier et al., 2013). Кардиомиоциты, лишенные CASZ1 обнаруживают высокий митотический индекс, указывающий на то, что CASZ1 играет критическую роль в регуляции пролиферации кардиомиоцитов (Christine and Conlon, 2008). Человеческий гомолог CASZ1 (hCASZ1) также считается опухолевым супрессором, при этом наблюдаются высокие уровни экспрессии во время дифференцировки нервной ткани (Liu et al., 2006,2011a, b). Недавняя работа показала, что hCASZ1 ингибирует ход клеточного цикла в нейробластоме (Liu et al., 2013). Два независимых исследования геномных ассоциаций идентифицировали генетическую ассоциацию локуса hCasz1 с гипертензией и высоким систолическим кровяным давлением (Levy et al.,2009; Takeuchi et al., 2010). Эти исследования указали на потенциальную связь между CASZ1 и дисфункцией сердца и сосудов. Роль CASZ1 в многочисленных онтогенетических контекстах подчеркивает его важность как ключевого транскрипционного фактора развития.

Паттерн ткане-специфичной экспрессии мРНК Casz1 у Xenopus и млекопитающих установлен (Vacalla and Theil, 2002; Liu et al., 2006; Christine and Conlon, 2008), хотя мало известно о пост-транскрипционном контроле или субклеточной локализации белка CASZ1 во время развития. Casz1 мРНК экспрессируется по всему эндокарду и миокарду (Christine and Conlon, 2008). Однако, истощение CASZ1 в сердечной ткани затрагивает только небольшую фракцию кардиомиоцитов. Это может быть обусловлено функцией CASZ1 в этих клетках, регуляцией ядерного расположения CASZ1 в этих клетках ли присутствием или пространственной регуляцией CASZ1 ко-факторов, которые модулируют его активность. Для решения этих вопросов мы получили антитела, чтобы исследовать уровни белка CASZ1 и характер его расположения во время развития сердца. Мы установили, что белок CASZ1 экспрессируется в ходе всего развития миокарда и подавляется во время пролиферации кардиомиоцитов. Мы также установили, что экспрессия белка CASZ1 коррелирует с клеточной дифференцировкой кардиомиоцитов, скелетных мышц и эктодермальных производных в ходе всего эмбрионального развития.

Discussion

В этом исследовании мы охарактеризовали экспрессию белка CASZ1, транскрипционного фактора, который играет критическую роль в биологии развития и рака. Мы показали, что CASZ1 обнаруживается в развивающемся сердце, сомитах, глазах и нервной трубке. Эти результаты согласуются с полученными ранее по in situ гибридизации экспрессии мРНК Casz1. Мы получили карту высокого разрешения экспрессии белка CASZ1 в этих органах и в тканях, которые ранее не были тестированы с помощью гибридизации in situ. Локализация CASZ1 в ядре согласуется с его предполагаемой ролью в качестве транскрипционного фактора. Пространственная и временная экспрессия CASZ1 в сердце, нервной трубке и глазах подтверждает генеральную роль CASZ1 в дифференцировке ткани во время развития. Мы продемонстрировали потенциальную роль CASZ1 в развитии дополнительных тканей, а именно в лимфатическом сердце и производных скелетных мышц.

Mechanisms of CASZ1 Function During Cardiac Development

Casz1 мРНК обнаруживается по всему миокарду и эндокарду. Однако , CASZ1 необходим для дифференцировки только субнабора кардиомиоцитов по вентральной срединной линии. Это указывает на то, что Casz1 может подвергаться пост-транскрипционной регуляции в субнаборе клеток кардиальных предшественников вентральной срединной линии. Мы не определили CASZ1 белок внутри эндокарда, это согласуется с пост-транскрипционной регуляцией (Figs. 3, 4). Мы не определили белок CASZ1 по всему миокарду. Это указывает на то, что дополнительные ко-факторы, которые могут быть пространственно ограничены этими клетками кардиальных предшественников, модулируют активность CASZ1. Было показано, что человеческий CASZ1 (hCASZ1) регулирует экспрессию генов и что эта активность зависит от цинковых пальчиков 1-4. Однако делеция цинкового пальчика 5 или всего С-конца hCASZ1 не сказывается на транскрипционной активности (Virden et al., 2012). Мы полагаем, что эти регионы могут быть необходимы для обеспечения взаимодействий с предполагаемыми CASZ1 ко-факторами, чтобы пространственно регулировать функцию CASZ1 во время развития. Альтернативно, CASZ1 может функционировать избыточно с др. кардиальными транскрипционными факторами, чтобы способствовать дифференцировке кардиальных предшественников в кардиомиоциты. Комбинация CASZ1 и этих дополнительных факторов может влиять на дифференцировку кардиомиоцитов и пространственные характеристики (напр., атриальные в противовес вентрикулярным).

Белок CASZ1 экспрессируется во время раннего развития сердца. Экспрессия сохраняется в миокарде в ходе всего развития, включая миокард взрослого сердца. Это привело к предположению, что CASZ1 выполняет дополнительны роли во время развития сердца, вообще-то регулируя рост и функцию кардиомиоцитов. Это подтверждено недавними исследованиями, связавшие hCasz1 с гипертензией и высоким систолическим кровяным давлением у человека (Levy et al., 2009; Takeuchi et al., 2010). Необходимы дальнейшие работы, чтобы установить роль CASZ1 в функционировании взрослого сердца, используя кондиционную делецию, чтобы определить роль CASZ1 при болезнях сердца у взрослых.

CASZ1 Expression in Muscle Development

Интересный аспект экспрессии белка CASZ1 заключается в его присутствии в мускулатуре лимфатического сердца. Лимфатические сердца - это пульсирующие органы, которые проталкивают лимфу в венозную систему, чтобы обеспечить гомеостаз жидкости. Лимфатическая система регулирует иммунитет и метастазирование. Головастики Xenopus пригодны в качестве модели для изучения функции генов во время образования и развития лимфатической системы (Ny et al., 2005). Недавняя работа показала, что мускулатура лимфатического сердца развивается под самостоятельным контролем, отличным от лимфатического эндотелия (Peyrot et al., 2010). Пара передних лимфатических сердец возникает во время стадии хвостовой почки, тогда дополнительные 4 пары появляются сзади во время поздней стадии головастика. Мускулатура лимфатического сердца обнаруживает характеристики скелетных и сердечной мышц. Однако, мышечные трубки лимфатического сердца обнаруживают более значительное структурное и функциональное сходство с кардиальной мышцей, чем со скелетной мышцей, при этом наблюдается тонкая разветвляющаяся структура (Fig. 6K-O) которая сокращается ритмично. Лимфатическое сердце экспрессирует скелетно-мышечные маркеры (12/101 и myoD), но не содержит маркеров кардиальных предшественников (GATA-4/5/6) или кардиомиоцитов (troponin) (Peyrot et al., 2010). Это привело к гипотезе, что мышечные клетки лимфатического сердца могут быть скелетно-мышечными клетками со свойствами, сходными с клетками сердечной мышцы. Мы установили здесь, что транскрипционный фактор CASZ1 экспрессируется в клетках дифференцированных лимфатических мышц. Следовательно, д. быть ядерный транскрипционный фактор, связывающий развитие скелетных и сердечной мышцы в лимфатической мускулатуре.

Транскрипционный фактор engrailed-1 (En-1) регулирует экспрессию генов в миобластах между третьим и четвертым передними сомитами, начиная со ст. 28. En-1-экспрессирующие миобласты в конечном итоге сливаются в регион, где формируется лимфатическое сердце. Эти клетки в конечном итоге дифференцируются в переднюю пару лимфатических сердец на ст. 39 и экспрессируют 12/101, myoD и CASZ1 (Fig. 6) (Peyrot et al., 2010). Этот процесс зависит от передачи сигналов Hedgehog (Hh), поскольку блокирование передачи сигналов Hh приводит к потере En-1-позитивных клеток и к неспособности формирования мышц лимфатического сердца. Недавние исследования на Drosophila показали, что передача сигналов Hh действует выше Castor (Drosophila гомолог CASZ1), чтобы регулировать поддержание стволовых клеток фолликулов во время оогенеза и выходт из клеточного цикла в нейробластах (Chai et al., 2013; Chang et al., 2013). Дисфункция лимфатического сердца приводит к развитию отека, как и при истощении CASZ1. Однако, поскольку истощение CASZ1 у ранних эмбрионов затрагивает как кардиальное, так и сосудистое развитие (Christine and Conlon, 2008; Charpentier et al., 2013), то трудно определить, обусловлен ли отек лимфатической дисфункцией. В данном исследовании мы показали, что экспрессия CASZ1 взаимно исключающая с экспрессией маркера митоза phospho-histone H3 в лимфатическом сердце (Fig. 7). Поэтому мы предположили, что CASZ1 регулирует пролиферацию клеток в лимфатическом сердце и это зависит от передачи сигналов Hh. Целенаправленная делеция CASZ1 в лимфатической мускулатуре необходима, чтобы точнее определить роль CASZ1 в развитии и функционировании лимфатического сердца.

CASZ1 and the Cell Cycle

Мы показали ранее, что СASZ1 необходим для собственно дифференцировки субнабора клеток кардиальных предшественников в области вентральной линии эмбрионов Xenopus (Christine and Conlon, 2008). Делеция CASZ1 приводит к повышению митотического индекса в кардиомиоцитах во время развития. В данном исследовании мы показали, что CASZ1 белок обнаруживается в нескольких дифференцированных тканях, включая палочковидные фоторецепторы в глазу и различных типах мышц. Мы также показали, что экспрессия CASZ1 тесно связана с клеточным циклом в кардиомиоцитах и лимфатическом сердце, поскольку CASZ1 белок не выявляется в большинстве митотических клеток. Недавнее сообщение показывает, что экспрессия Casz1 в нейробластомах активирует pRb в G1 фазе клеточного цикла и ингибирует G2/M регуляторы cyclin B1 и Chk1, увеличивая тем самым длину клеточного цикла и снижая клеточную пролиферацию (Liu et al., 2013). Drosophila гомолог CASZ1 действует ниже передачи сигналов Hh, чтобы регулировать клеточную судьбу нейробластов и поддерживать стволовые клетки в фолликулах (Chai et al., 2013; Chang et al., 2013). Неизвестно, регулирует ли передача сигналов Hh экспрессию Casz1, и тем самым ингибирует пролиферацию и супрессию образования опухолей. Наши наблюдения экспрессии белка CASZ1 в лимфатическом сердце, где передача сигналов Hh необходима, подтверждает, что Casz1 позвоночных может регулироваться на некотором уровне с помощью передачи сигналов Hh, как это происходит у Drosophila. Наши исследования также предоставили информацию, которая может помочь прояснить, как CASZ1 влияет на кардиальное и нейральное развитие. Напр., исследования Xenopus и мышей показали, что передача сигналов Hh способствует ходу клеточного цикла и выходу из него в сетчатке (Locker et al., 2006; Sakagami et al., 2009). У Drosophila, engrailed является мишенью для Hh в глазу. Это подтверждает, что CASZ1 может действовать ниже Hh/En-1 во время дифференцировки фоторецепторов в глазу. Будущие исследования д. проверить взаимоотношения между передачей сигналов Hh и CASZ1 во время развития мышц и нейронов и их потенциальную роль в супрессии опухолей.

Differential regulation of CASZ1 protein expression during cardiac and skeletal muscle development Nirav M. Amin, Devin Gibbs and Frank L. Conlon1 Developmental Dynamics Volume 243, Issue 7, pages 948–956, July 2014

Differential regulation of CASZ1 protein expression during cardiac and skeletal muscle development
Nirav M. Amin, Devin Gibbs and Frank L. Conlon1
Developmental Dynamics Volume 243, Issue 7, pages 948–956, July 2014