Посещений:
БИНАРНЫЙ ВЫБОР КЛЕТОЧНЫХ СУДЕБ С ПОМОЩЬЮ АСИММЕТРИЧНЫХ ДЕЛЕНИЙ



Роль передачи сигналов β-catenin

β-catenin-driven binary cell fate decisions in animal development
• Bertrand, V.
WIREs Dev Biol, 5: 377–388. doi:10.1002/wdev.228

The Wnt/β-catenin pathway plays key roles during animal development. In several species, β-catenin is used in a reiterative manner to regulate cell fate diversification between daughter cells following division. This binary cell fate specification mechanism has been observed in animals that belong to very diverse phyla: the nematodeCaenorhabditis elegans, the annelid Platynereis, and the ascidian Ciona. It may also play a role in the regulation of several stem cell lineages in vertebrates. While the molecular mechanism behind this binary cell fate switch is not fully understood, it appears that both secreted Wnt ligands and asymmetric cortical factors contribute to the generation of the difference in nuclear β-catenin levels between daughter cells. β-Catenin then cooperates with lineage specific transcription factors to induce the expression of novel sets of transcription factors at each round of divisions, thereby diversifying cell fate

Peter Hofsteena, Aaron M. Robitaillec, Daniel Patrick Chapmana, Randall T. Moonc, and Charles E. Murry Quantitative proteomics identify DAB2 as a cardiac developmental regulator that inhibits WNT/?-catenin signaling// PNAS vol. 113 no. 4, 1002–1007, doi: 10.1073/pnas.1523930113

The directed differentiation of human embryonic stem cells into cardiomyocytes provides a tool for understanding human heart development and disease. During the process of cardiomyocyte differentiation, tight regulation of the WNT/?-catenin signaling pathway is required. Thus, understanding which proteins are involved in promoting or repressing the WNT/?-catenin signaling pathway is crucial for identifying positive and negative regulators of cardiac development. Here we measured protein expression during a time course of cardiomyocyte differentiation. We identified a regulator of cardiac development, Disabled 2, and found that in zebrafish embryos, it negatively regulates WNT/β-catenin signaling to promote cardiomyocyte differentiation. Thus, our work reveals a highly conserved, previously unidentified process relevant for human heart development.

PNAS vol. 113 no. 11 E1498–E1505, doi: 10.1073/pnas.1601599113 Axin2 marks quiescent hair follicle bulge stem cells that are maintained by autocrine Wnt/β-catenin signaling Xinhong Lima, Si Hui Tana, Ka Lou Yua, Sophia Beng Hui Lima, and Roeland Nussec

How stem cells maintain their identity and potency as tissues change during growth is not well understood. In mammalian hair, it is unclear how hair follicle stem cells can enter an extended period of quiescence during the resting phase but retain stem cell potential and be subsequently activated for growth. Here, we use lineage tracing and gene expression mapping to show that the Wnt target gene Axin2 is constantly expressed throughout the hair cycle quiescent phase in outer bulge stem cells that produce their own Wnt signals. Ablating Wnt signaling in the bulge cells causes them to lose their stem cell potency to contribute to hair growth and undergo premature differentiation instead. Bulge cells express secreted Wnt inhibitors, including Dickkopf (Dkk) and secreted frizzled-related protein 1 (Sfrp1). However, the Dickkopf 3 (Dkk3) protein becomes localized to the Wnt-inactive inner bulge that contains differentiated cells. We find that Axin2 expression remains confined to the outer bulge, whereas Dkk3 continues to be localized to the inner bulge during the hair cycle growth phase. Our data suggest that autocrine Wnt signaling in the outer bulge maintains stem cell potency throughout hair cycle quiescence and growth, whereas paracrine Wnt inhibition of inner bulge cells reinforces differentiation.
Во время развития животных формируется большое разнообразие клеток с разными судьбами из одиночной клетки. При образовании определенных типов клеток используется комбинированное действие нескольких путей передачи сигналов. Одним из таких сигнальных каскадов является путь Wnt/β-catenin (или канонический Wnt путь) он выполняет ключевые роли во время развития животных. Он также играет важную роль в тканевом гомеостазе, а нарушение его регуляции приводит к болезням, таким как рак и врожденные уродства.[1, 2]
Ключевыми транскрипционными эффекторами этого пути являются транскрипционные факторы семейства T-cell factor (TCF) и транскрипционный кофактор β-catenin (Figure 1). В целом этот путь активируется с помощью секретируемых белков семейства Wnt. В отсутствие Wnt, β-catenin деградирует в цитоплазме с помощью деструктивного комплекса. Этот комплекс состоит из двух каркасных белков, Axin и adenomatous polyposis coli (APC), а также двух киназ, casein kinase 1 (CK1) и glycogen synthase kinase 3 (GSK3). Этот комплекс фосфорилирует β-catenin, который затем деградирует с помощью протеасом. В отсутствие β-catenin, TCF действует как репрессор генов мишеней для Wnt. Когда Wnt лиганды соединяются со своими трансмембранным рецептором Frizzled, то Frizzled ингибирует активность деструктивного комплекса посредством цитоплазматического белка Dishevelled. β-Catenin накапливается в цитоплазме и вступает в ядро, где он соединяется с TCF и активирует транскрипцию генов мишеней для Wnt.

Figure 1.

The Wnt/β-catenin pathway. Simplified scheme of the Wnt/β-catenin pathway. Only the components discussed in this review are presented. LRP, lipoprotein receptor-related protein (a Frizzled coreceptor); Dsh, Dishevelled; CK1, casein kinase 1; GSK3, glycogen synthase kinase 3; APC, adenomatous polyposis coli; β-cat, β-catenin.
Путь Wnt/β-catenin присутствует у всех животных от губок до человека. Изучение его функции у разных животных выявил некоторые консервативные роли во время развития животных. Наиболее впечатляющим свойством является ключевая роль этого пути по спецификации первичных осей у многих животных (переднезадней и/или анимально-вегетативной оси)[3] (Figure 2). Wnt способствует приобретению задних специфических особенностей, а Wnt лиганды преимущественно экспрессируется в заднем регионе у многих билатеральных животных , включая позвоночных, головохордовых, планарий или нематод. Кроме того, путь Wnt/β-catenin также выполняет роль в спецификации первичной оси у кишечнополостных, подтверждая, что эта функция возникла ещё до появления животных с двухсторонней симметрией (bilaterians).



Figure 2. Role of β-catenin in axis specification and reiterative binary cell fate specification in metazoans. Phylogenetic tree summarizing the role of Wnt signaling in axis specification or binary cell fate specification, as indicated by the key. The question mark for binary cell fate specification in vertebrates illustrates the potential role of β-catenin in several vertebrate stem cell lineages (see text for details).
Здесь будет рассмотрена др. функция Wnt/β-catenin пути:[4] повторяющееся использование β-catenin обеспечивает бинарные переключения, чтобы разнообразить клеточные судьбы.

REITERATIVE β-CATENIN ASYMMETRIES DRIVING CELL FATE SPECIFICATION IN DIVERSE ANIMAL PHYLA


Использование повторяющихся β-catenin-обусловленных бинарных переключений во время развития животных впервые наблюдалось у нематод Caenorhabditis elegans. TЭмбрион C. elegans развивается из фиксированного количества клеточных клонов и многие клетки генерируются за счет последовательных асимметричных делений, ориентированных вдоль переднезадней.[5] Эксперименты с потерей функции генов в специфические временные точки с использованием чувствительных к температуре мутантов в комбинации с клональным анализом показали, что многие из этих делений регулируются с помощью общего генетического пути, который генерирует разные качественных характеристики в передней и задней дочерних клетках при каждом последовательном делении.[6] Дальнейшие исследования установили, что этот путь является вариантом каскада Wnt/β-catenin, названного Wnt/β-catenin путем асимметрии.[7] Суть этого пути формируют два β-catenins (WRM-1 и SYS-1)[8, 9] и TCF транскрипционный фактор (POP-1).[10] SYS-1/β-catenin действует как ко-активатор для POP-1/TCF, как это делают классические β-catenins,[9] тогда как WRM-1/β-catenin регулирует локализацию POP-1/TCF в ядре.[8, 11, 12] После множества передне-задних асимметрических делений β-catenins WRM-1 и SYS-1 накапливаются в ядре задней дочерней клетки, но не в ядре передней дочерней клетки (Figure3(a)).[13-17] TCF транскрипционный фактор POP-1 также является асимметричным, но противоположным способом: ядерные уровни POP-1/TCF более высокие в передней дочерней клетке, чем в задней дочерней.[10, 11, 17] Как следствие, оказывается высоким соотношение SYS-1/β-catenin к POP-1/TCF в заднем ядре, POP-1 в основном связан с SYS-1 и действует как активатор транскрипции.[9] В переднем ядре имеется низкое соотношение SYS-1 к POP-1 и POP-1 в основном свободен от SYS-1 и действует как репрессор транскрипции.[9] Figure 3(b) иллюстрирует повторное использование этого пути в эмбриональном нейрональном клоне, приводящем к диверсификации нейрональных клеточных судеб.[18, 19]



Figure 3. Reiterative β-catenin asymmetries during C. elegans development. (a) Early embryo of C. elegans. (b) Example of a terminal neuronal lineage in the late embryo. (c) Early larva of C. elegans. The stem cell-like seam cells are located on each side of the larva. The seam cells are presented just after one of their divisions, the anterior daughter 'β-catenin OFF' will differentiate, while the posterior daughter 'β-catenin ON' will remain a seam cell. (d) Typical succession of divisions in a seam cell lineage of the C. elegans larva. Ant., anterior; Post., posterior.

Этот путь регулирует также многие асимметричные деления во время личиночного развития C. elegans. Одним из особенно интересных примеров является асимметричные деления seam клеток, подобных стволовым клеткам (Figure 3(c)). Seam клетки расположены на каждой стороне личинки и подвергаются последовательным асимметричным делениям, ориентированным вдоль переднезадней оси.[20] Вследствие асимметричного деления передняя дочерняя клетка обычно дифференцируется в эпидермальную или нейральную клетку, тогда как задняя дочерняя клетка сохраняет seam клеточную судьбу и поддерживает деления (Figure 3(d)).После каждого последовательного асимметричного деления β-catenins WRM-1 и SYS-1 накапливаются в ядре задней дочерней клетки, которая сохраняет seam клеточную судьбу, тогда как POP-1 концентрируется в ядре передней дочерней клетки, которая дифференцируется. [11, 14, 15, 21, 22] Кроме того, экспериментальные манипуляции с Wnt/β-catenin путем асимметрии продемонстрировали, что этот путь регулирует судьбы дочерних клеток повторяющимся способом, способствуя судьбе seam клетки (задней) благодаря дифференцированной (передней) судьбе при каждом последовательном делении.[14, 21, 23] Следовательно, повторяющиеся β-catenin-обеспечиваемые переключения клеточных судеб играют ключевые роли во время как эмбрионального, так и личиночного развития у C. elegans.
Повторяющееся использование β-catenin-обусловленного бинарного выбора клеточной судьбы наблюдалось недавно у аннелиды Platynereis dumerilii.[24] Эмбрионы Platynereis развиваются , с другой стороны, последовательных асимметрических делений, ориентированных вдоль анимально-вегетативной оси.[25] Platynereis имеют только один β-catenin ген, сопровождающий эти анимально-вегетативно ориентированные асимметричные деления, белок β-catenin накапливается ядре вегетативной, но не анимальной дочерней клетки (Figure 4).[24] IКроме того, манипуляции с уровнями β-catenin в точные временные точки с использованием хим. соединений, показали, что β-catenin способствует приобретению судьбы вегетативной дочерней клетки повторяющимися способами при каждом клеточном делении.[24] Следовательно, повторяющиеся переключения β-catenin, по-видимому, играют важную роль в диверсификации судеб клеток в эмбрионах Platynereis, процесс, удивительно сходный с тем, что наблюдается у эмбрионов C. elegans.



Figure 4. Reiterative β-catenin asymmetries during Platynereis development. (a) Early embryo of Platynereis. (b) Typical succession of divisions in the early embryo ofPlatynereis. An., animal; Veg., vegetal.
Последовательное принятие β-catenin бинарного выбора судеб недавно наблюдалось у эмбрионов хордовых, асцидии Ciona intestinalis, чей геном содержит только один ген β-catenin gene.[26] Эмбрионы асцидий развиваются с помощью неизменного клонирования и зародышевые слои сегрегируют с помощью клеточных делений, ориентированных вдоль анимально-вегетативной оси (Figure 5(a)).[27] У Ciona, при переходе от 4-х к 8 клеткам, первое деление, ориентированное вдоль анимально-вегетативной оси разделяет эктодерму (анимальные дочерние клетки) от мезодермы (вегетативные дочерние клетки). После этого деления активность β-catenin присутствует в вегетативных дочерних клетках, но не в анимальных дочерних клетках и способствует выбору судьбы мезэнтодермы в противовес судьбе эктодермы.[26, 28-30] При переходе от 16 к 32 клеткам, второе деление, ориентированное вдоль анимально-вегетативной оси разделяет край (мезодермальные + некоторые нейральные) на анимальной стороне от энтодермы на вегетативной стороне. После делений β-catenin накапливается в ядре вегетативных дочерних клеток (но не анимальных дочерних клеток) и способствует выбору судьбы энтодермы в противовес судьбы краевых клеток.[26] Следовательно, два β-catenin-обусловленных бинарных решения связаны с первыми двумя анимально-вегетативно ориентированными клеточными делениями, диверсифицируют клеточные судьбы у ранних эмбрионов Ciona . ON-ON последовательность специфицирует энтодерму, и ON-OFF последовательность индуцирует край, а OFF-OFF последовательность специфицирует эктодерму (Figure 5(b)).



Figure 5. Reiterative β-catenin asymmetries during Ciona development. (a) Succession of divisions in the Ciona embryo from the 8-cell stage to the 32-cell stage. Only cells of the anterior half of the embryo are presented ('a' and 'A' lineages). (b) Schematic representation of the binary decisions. Only divisions along the animal (an.)-vegetal (veg.) axis are presented (the 8- to 16-cell stage division that is perpendicular to the animal-vegetal axis is omitted).

Т.о., повторяющиеся переключения β-catenin используются, чтобы диверсифицировать клеточные судьбы у очень удаленных животных: C. elegans (ecdysozoan), Platynereis (lophotrochozoan) и Ciona (хордовые). Это подтверждает, что этот механизм спецификации клеточных судеб может иметь древнее эволюционное происхождение.[4] Путь Wnt/β-catenin регулирует поведение многих типов стволовых клеток у позвоночных. In vivo, β-catenin часто способствует поддержанию качественных особенностей стволовых клеток, репрессируя дифференцировку.[31, 32] Кроме того, in vitro наблюдается, что привести в контакт с кусочком, покрытым Wnt белками, то мышиные эмбриональные стволовые клетки ориентируют свои деления относительно источника Wnt и делятся асимметрично.[33] Дочерняя клетка, ближайшая к источнику Wnt накапливает β-catenin в ядре и остается стволовой клеткой, тогда как дочерняя клетка удаленная от источника Wnt не накапливает β-catenin и приобретает дифференцированную судьбу. Во время развития кортекс мышиного эмбриона, нейральные стволовые клетки (клетки радиальной глии) подвергаются последовательным асимметричным делениям, генерирующими одну дочернюю клетку, которая дифференцируется в нейрон, и одну одну дочернюю клетку, которая сохраняет судьбу стволовой клетки.[34] Транскрипционная активность β-catenin высокая в нейральных стволовых клетках, но низкая во вновь сгенерированных нейронах и β-catenin способствует поддержанию качественных особенностей стволовых клеток, поскольку репрессирует нейрональную дифференцировку.[35-38] Путь Wnt регулирует также асимметрию размера веретена во время делений кортикальных нейральных стволовых клеток.[39] Эти результаты открывают возможность, что повторяющиеся переключения β-catenin играют роль в регуляции клонов стволовых клеток в нервной системе позвоночных и возможно в др. тканях. Однако, необходимы дальнейшие эксперименты, особенно по отслеживанию in vivo клонов для подтверждения гпотезы.

GENERATION OF β-CATENIN ASYMMETRIES


У C. elegans, механизм регуляции асимметрии β-catenin исследовался наиболее тщательно во время асимметричных делений двух клеток: EMS бластомера у эмбрионов (предшественник эндомезодермы) и T клеток у личинок (предшественник эпидермальных и нейральных клеток). Направляю читателей к недавним обзорам передачи сигналов Wnt у C. elegans для выяснения деталей Wnt/β-catenin пути асимметрии.[7, 40-42] EMS и T клетки поляризуются перед делениями с помощью Wnt лигандов, секретируемых с помощью заднего источника (Figure 6).[8, 43-45] Это приводит к асимметричному расположению компонентов Wnt пути на заднем или переднем кортексе клетки. Wnt рецепторы (Frizzled) и Dishevelled белки стремятся сконцентрироваться на заднем полюсе клетки, тогда как APC белок APR-1, Axin белок PRY-1, Nemo-like kinase LIT-1, и β-catenin WRM-1 стремятся концентрироваться на переднем полюсе.[13, 14, 45-47] Как Wnt лиганды генерируют подобные асимметрии пока неизвестно. Такая кортикальная асимметрия в материнской клетке способствует ядерной асимметрии β-catenins между дочерними клетками. Интересно, что ядерные асимметрии двух β-catenins WRM-1 и SYS-1 генерируются с помощью разных механизмов. Ядерная асимметрия WRM-1 генерируется с помощью дифференциального экспорта в ядро между дочерними клетками.[13, 14, 47] APR-1/APC на переднем кортексе генерирует асимметрию в микротубулярном цитоскелете, приводя к экспорту WRM-1 из переднего ядра и накоплению WRM-1 в заднем ядре.[48] SYS-1 ядерная асимметрия генерируется с помощью дифференциальной деградации. SYS-1 деградирует в передней дочерней клетке с помощью протеосом и эта регуляция использует компоненты деструктивного комплекса APR-1/APC и KIN-19/CK1.[15, 16, 22] В задней дочерней клетке SYS-1 не деградирует, проникает в ядро и соединяется с N-терминальным доменом TCF транскрипционного фактора POP-1, превращая его в активатор.[9, 15, 16] Фактор POP-1, свободный от SYS-1, распознается с помощью WRM-1, который соединяется с C-терминальным доменом POP-1, приводя к фосфорилированию POP-1 с помощью Nemo Like Kinase LIT-1 и экспорту POP-1 из заднего ядра.[12, 49, 50] Принимая во внимание, что POP-1 может соединяться или с SYS-1 или WRM-1, но не с обоими из них в одно и то же время, этот механизм гарантирует, что все POP-1 молекулы в заднем ядре будут ассоциированы с SYS-1 (любые свободные POP-1 будут экспортироваться) и вызывать асимметрию концентрации POP-1 между передним и задним ядрами.[50]



Figure 6. Generation of β-catenin and TCF asymmetries in C. elegans. Model for the generation of the asymmetries of the β-catenins SYS-1 and WRM-1, and of the TCF factor POP-1 during asymmetric divisions. This model mostly derives from studies of the division of the EMS cell in the embryo and of the T cell in the larva.

Пока неясно, могут ли механизмы, которые генерируют асимметрии SYS-1 и WRM-1 во время делений EMS и T клеток, использоваться для генерации повторяющихся SYS-1 и WRM-1 асимметрий, наблюдаемых во время эмбрионального и личиночного развития. Wnt лиганды, по-видимому, играют важную роль в регуляции многих из этих асимметрий. Напр., некоторые Wnt лиганды координируют асимметричные деления подобных стволовым seam клеток [51, 52] или P бластных клеток [53, 54] во время личиночного развития, а лиганд Wnt (MOM-2) регулирует ориентацию многих асимметричных делений в эмбрионе.[55] Однако, как Wnt лиганды могут регулировать глобальную координацию асимметричных делений в сложных полях клеток, неизвестно и является интригующим вопросом. Кроме того, асимметричная локализация компонентов Wnt пути в материнской клетке перед делением используется многими асимметричными делениями в эмбрионах и личинках. Напр., Wnt рецептор MOM-5/Frizzled концентрируется на заднем полюсе многих клеток эмбриона.[56] Кроме того, некоторые компоненты Wnt пути концентрируются на переднем или заднем полюсе seam клеток во время личиночного развития.[14, 47] Оба локальных внеклеточных Wnt лиганда и поляризованные внутриклеточные кортикальные компоненты, по-видимому, регулируют генерацию асимметрий β-catenin у C. elegans.
Как повторяющиеся асимметрии β-catenin генерируются во время развития Platynereis и Ciona неизвестно. У обоих видов блокирование активности комплекса деградации с использованием химических ингибиторов, приводит к накоплению β-catenin в обеих дочерних клетках и тем самым к потере асимметрии β-catenin.[24, 26] Это подтверждает, что регуляция β-catenin с помощью деструкционного комплекса играет ключевую роль в генерации асимметрии, подобно той, которая наблюдается для SYS-1/β-catenin у C. elegans. Играют ли роль локальные внеклеточные Wnt лиганды и поляризованные внутриклеточные кортикальные компоненты, пока неизвестно. Недавний анализ паттернов экспрессии Wnt лигандов в эмбрионах Platynereis выявил, что ни один из них, по-видимому, не экспрессируется в соответствующее время и в соотв. месте, чтобы действовать как глобальный регулятор асимметрий β-catenin, подтверждает возможный механизм, независимый от Wnt лиганда в этом организме.[57]

INTEGRATION OF β-CATENIN ASYMMETRIES INTO GENE REGULATORY NETWORKS


Как повторяющиеся асимметрии β-catenin преобразуются в разные клеточные судьбы. У эмбрионов C. elegans разные наборы специфичных для клонов транскрипционных факторов экспрессируются в передней в противовес задней дочерней клетке при каждом последовательном делении.[58] Каждая клетка экспрессирует уникальный набор транскрипционных факторов, отличающиеся от такового в материнской клетке или в её сестринской клетке, и генерация этих различных регуляторных состояний регулируется с помощью Wnt/β-catenin пути асимметрии (Figure 7(a)).[17, 58] Как Wnt/β-catenin путь асимметрии может регулировать экспрессию столь отличающихся наборов транскрипционных факторов. Анализ цис-регуляторных регионов генов, активируемых в задних дочерних клетках, выявил, что они содержат сайты связывания для TCF транскрипционного фактора POP-1. Это верно в случае гена для GATA транскрипционного фактора end-1 (эмбриональный эндомезодермальный клон EMS),[59, 60] гомеодоменового транскрипционного фактора гена ceh-10 (эмбриональный нейрональный клон AIY),[18] Meis транскрипционного фактора гена psa-3 (личиночный клон T бластных клеток),[61] для гена транскрипционного фактора Nkx ceh-22 (клон личиночных предшественников дистальных кончиковых клеток),[62] или для гена GATA транскрипционного фактора egl-18 (клон личиночных seam клеток).[63] Они непосредственно активируются с помощью POP-1:SYS-1 комплекса в задней дочерней клетке и репрессируются с помощью POP-1 в передней дочерней клетке. Эти транскрипционные мишени специфичны для данного клона и комплекс POP-1:SYS-1 кооперирует со специфичными для клона транскрипционными факторами, наследуемыми от материнской клетки, чтобы детерминировать, какие специфические мишени д. быть активированы в данной задней дочерней клетке Напр., в EMS клоне комплекс POP-1:SYS-1 кооперирует с bZip транскрипционным фактором SKN-1 и GATA транскрипционным фактором MED-1, наследуемым от материнской клетки, чтобы активировать экспрессию end-1 .[59] В T клоне, POP-1:SYS-1 кооперирует с Hox транскрипционным фактором NOB-1и Pbx транскрипционным фактором CEH-20, получаемыми от материнской клетки, чтобы активировать psa-3.[61] Наконец, в AIY нейрональном клоне POP-1:SYS-1 кооперирует с гомеодоменовым транскрипционным фактором TTX-3, наследуемым от материнской клетки, чтобы активировать ceh-10.[18] Генеральный сигнал асимметричных делений (POP-1:SYS-1) и клон-специфичные детерминанты (клон-специфичные транскрипционные факторы, наследуемые от материнской клетки) непосредственно интегрируются на уровне цис-регуляторных регионов генов мишеней end-1, psa-3 и ceh-10, которые содержат комбинацию сайтов связывания для этих факторов (Figure 7(a)).[18, 59, 61]



Figure 7. Model for the integration of β-catenin asymmetries into the gene regulatory network of C. elegans. (a) Model for the generation of novel regulatory states during two rounds of division. For details on the mechanism of transcriptional activation of target genes in anterior daughter cells by POP-1 (?) see text and panel (b). (b) Transcriptional activation of target genes in Wnt 'OFF' (anterior) cells. This regulation can be either indirect (via the repression of a posterior repressor) or direct (via the formation of a POP-1:REF-2 protein complex).

В то время как механизм активации транскрипции задних генов мишеней в задней дочерней клетке хорошо изучен, механизм активации передних генов мишеней, специфически активируемых в передних дочерних клетках менее понятен.[64] Одним из простейших механизмов может быть тот, когда комплекс POP-1:SYS-1 непосредственно активирует экспрессию транскрипционного репрессора в задней дочерней клетке; этот репрессор затем репрессирует экспрессию передних мишеней в задней дочерней клетке, ограничивая тем самым их экспрессию передней дочерней клеткой (Figure7(b)). В самом деле, имеются доказательства такого механизма в некоторых клонах. Напр., в EMS клоне экспрессия транскрипционного фактора END-1 непосредственно активируется в задней дочерней клетке с помощью POP-1:SYS-1 комплекса и END-1 репрессирует экспрессию некоторых передних маркеров в задней дочерней клетке.[65, 66] Сходным образом, при терминальном делении AIY нейронального клона, экспрессия транскрипционного фактора CEH-10 непосредственно активируется в задней дочерней клетке с помощью комплекса POP-1:SYS-1 и CEH-10 репрессирует экспрессию некоторые маркеров передней дочерней клетки в задней дочерней клетке.[18] Однако, как END-1 или CEH-10 репрессируют маркеры передней дочерней клетки, неизвестно. Недавно, был описан более прямой механизм регуляции передних генов мишеней.[19] В передней дочерней клетке (SMDD/AIY нейробласт), экспрессия гена ttx-3 активируется посредством сайта связывания для Zic транскрипционного фактора, REF-2 (Figure 7(b)). В передней дочерней клетке белок POP-1ассоциирует с белком REF-2 и комплекс POP-1:REF-2 активирует экспрессию ttx-3 посредством Zic связывающего сайта в ttx-3 в цис-регуляторном регионе. В задней дочерней клетке SYS-1 соединение с POP-1 блокирует эту активацию. Следовательно, POP-1 может прямо регулировать транскрипцию передних генов мишеней без промежуточной ступени транскрипции. Этот более прямой способ регуляции может обладать преимуществом у быстро развивающихся эмбрионов C. elegans, у которых время между последовательными клеточными делениями очень короткое (приблизительно 30 мин),[5] тем самым избегается временная задержка от дополнительной промежуточной ступни транскрипции (транскрипционная активация/репрессия репрессорного гена). Действует klb сходная регуляторная логика в отношении др. передних мишеней, остается определить.
Детали того, как повторяющиеся β-catenin асимметрии интегрируются в сети регуляторных генов, которые диверсифицируют клеточные судьбы, также начинают появляться у Ciona (Figure 8). После первой асимметрии β-catenin, в результате которой происходит отделение эктодермы (анимальных дочерних клеток) от мезэнтодермы (вегетативные дочерние клетки), β-catenin активирует экспрессию генов мишеней, таких как для генов Fox транскрипционных факторов FoxA и FoxD, в вегетативных дочерних клетках,[29, 67] и ограничивает экспрессию эктодермальных генов, таких как Fog транскрипционный коактиваторный ген анимальными дочерними клетками с помощью репрессии их в вегетативном регионе.[30] Во время второй β-catenin асимметрии, которая разделяет краевые (анимальные дочерние клетки) от энтодермальных (вегетативных дочерних клеток), β-catenin и FoxA необходимы, чтобы активировать экспрессию энтодермальных транскрипционных факторов, таких как Lhx3, в вегетативных дочерних клетках.[26, 68, 69] В анимальных дочерних клетках, где β-catenin отсутствует, FoxA и FoxD необходимы, чтобы активировать экспрессию маргинальных транскрипционных факторов, таких как ZicL.[26, 69-71] Следовательно, как и в случае с C. elegans, повторяющиеся асимметрии β-catenin диверсифицируют клеточные судьбы путем становления новых состояний транскрипции в каждой дочерней клетке после последовательных делений. Эти новые транскрипционные состояния возникают в результате интеграции переключения β-catenin с клон-специфическими транскрипционными факторами, унаследованными в ходе предыдущей ступени деления. Сходным образом, что наблюдалось у C. elegans, β-catenin непосредственно активирует гены мишени в дочерних клетках, где он накапливается посредством сайтов связывания TCF, присутствующих в его цис-регуляторых регионах, как это показано в случае гена мишени FoxD.[29] Как гены мишени активируются в дочерних клетках, где отсутствует β-catenin, не совсем ясно. Интересно, что гены, активируемые в ранней эктодерме, где β-catenin отсутствует (такой как Fog) содержат сайты связывания для материнского GATA транскрипционного фактора, GATAa.[30, 72] Поскольку GATAa белок присутствует повсеместно, его способность активировать транскрипцию блокирована в вегетативном регионе с помощью β-catenin и TCF.[30] Было бы интересно определить, действительно ли комплекс β-catenin:TCF белков непосредственно репрессирует активность GATAa путем соединения с GATAa белком, следуя регуляторной логике, очень сходной с регуляцией передних генов мишеней с помощью Zic транскрипционного фактора REF-2 у C. elegans.



Figure 8. Model for the integration of β-catenin asymmetries into the gene regulatory network of Ciona. The regulations of the FoxD gene by TCF:β-catenin and of theFog gene by GATAa are direct. Whether the other regulations are direct remains to be determined.

CONCLUSION


Recursive β-catenin switches are used to diversify cell fate in very distantly related animals (C.elegans, Platynereis, and Ciona), suggesting that this mechanism may have an ancient evolutionary origin. The Wnt pathway, by its ability to regulate both the orientation of cell divisions and the fate of the daughter cells produced, may be particularly well suited to regulate the development of systems where the lineage is fixed and the position of cells is stereotyped such as the early embryos of C. elegans, Platynereis, and Ciona. It will be interesting to determine whether reiterative β-catenin switches are also used to diversify cell fates in other animals. In particular, in vertebrates, several stem cell lineages (such as neural stem cells) seem a promising place to look. The progress of live imaging methods in vivo and the development of organoid methods ex vivo should help to determine whether reiterative β-catenin binary decisions are used during the generation of organs by vertebrate stem cells.
How these global patterns of reiterative β-catenin asymmetries are generated in time and space is an intriguing question. Studies in C. elegans suggest that the localized expression of Wnt ligands can play a key role in the regulation of these patterns. However, the molecular mechanism by which Wnt ligands can coordinate these global patterns of β-catenin asymmetries across the embryo is unknown and is an important area of investigation in the future. Studies in this area will also bring important information into the broader question of tissue polarization by Wnt signaling, a process present in many animals.
Following each division, the asymmetry in β-catenin levels is used to activate different sets of target genes in each daughter cell. This implies that β-catenin and TCF have a very large number of target genes, each of them being activated in different lineages and at different time points. How TCF and β-catenin reach such a specificity of target activation is an intriguing question. Part of this specificity is due to the presence, in the cis-regulatory regions of the target genes, of binding sites for lineage specific transcription factors in close proximity to TCF binding sites, both type of sites contributing to the transcriptional activation. In addition, TCF can also make direct protein-protein interactions with lineage specific factors (such as the Zic factor REF-2), which can modulate its activity in a lineage and temporal specific manner. In the future, it will be important to determine the full set of lineage specific factors with which TCF and β-catenin can interact. Given the key roles played by TCF and β-catenin in multiple pathologies, such as cancer, identifying novel interactors or new mode of actions for these essential factors will certainly have important implications for the understanding of human diseases.