Ранее мы описали сложный онтогенетический фенотип у мышей, имеющих гомозиготную индуцированную ethylnitrosourea мутацию (Vcc) или условный эпибластный нокаут гена, кодирующего proprotein convertase subtilisin/kexin type 5 - Pcsk5 [1, 2]. У гетерозиготных мышей не наблюдается фенотпических аномалий. Компоненты гомозиготного или эпибластного нокаутного мутантного фенотипа включают кардиальные пороки, такие как dextrocardia, дефекты атриальной и межжелудочковой перегородки (ASD, VSD), common arterial trunk (CAT), сосудистое кольцо, дуга правой аорты и гипопластичны артериальный проток. Такие посрпеждения характерны для врожденного порока сердаца (CHD) [3] - крупной структурной аномалии сердца или внутриторакальных крупных сосудов, которые присутствуют при рождении и имеют важное функциональное значение [4]. Мутация Pcsk5 вызывает также дефектц помимо сердца, обычно ассоциированные с CHD: дефектц формировани передне-заднего паттерна, tracheo-esophageal и anorectal уродства, предкресцовую массу, отсутствие хвоста, агенез кресца, увеличение количества торакальных позвонков и настоящих ребер, гипопластичные pfloybt конечности, агенез почек и нёба и гипоплазию легких. Вместе с CHD-подобными пороками этот фенотип сильно напоминает VACTERL/caudal regression/Currarino syndrome-подобные уродства (соотв., OMIM192350, 600145, 176450). Мы [1] и др. [5] установили, что гетерозиготные мутации в законсервированных остатках в PCSK5 у пациентов с синдромом VACTERL, которые передаются от фенотипически нормальных родителей, подтверждают, что др. генетические и эпигенетические факторы, которые взаимодействуют с PCSK5, скорее всего, ответственны за развитие этой болезни.

PCSK5 является членом семейства subtilisin-like proprotein convertase, которое обеспечивает расшепление pro-domain и активацию членов семейства TGFβ/BMP (Transforming growth factor beta / Bone morphogenetic protein) [6]. Pcsk5 экспрессируется во внеэмбриональных клонах у мышей на день эмбриогенеза (E) 6.5 [2], а затем экспрессия инициируется в передней части мезодермы эмбриона приблизительно на ст. E7.5, непосредственно перед образованием кардиального серпа [7]. AНа ст. E9.5 Pcsk5 экспрессируется в сомитах, луковице пуповины и зачатках легких [8]. Ранее мы показали, используя гибридизацию in situ в тотальных препаратах на ст. E10.5, что Pcsk5 присутствует в сомитах и зачатках конечностей, но мы не наблюдали в сердце или тракте оттока [1]. Используя более чувствительный радиоактивный метод гибридизации in situ , мы показали, что на ст. E10.5-E11.5 Pcsk5 действительно слабо экспрессируется в bulbus cordis [8]. Ранее мы показали, что делеция Pcsk5 (exon 1 и exon 4 делеции, обозначенные как Δ1 и Δ4) приводят, соотв., к пренатальной или ранней эмбриональной летальности [2, 8]. Характеризуя Vcc и условные эбибластные Δ1 мутации, мы показали, что Pcsk5 участвует в расщеплении и активации GDF11 (Growth differentiation factor 11) и тем самым регулирует каудальные Hox паралоги (гомеобоксные гены), чтобы контролировать аноректальное, почечное и каудального скелета развитие [1, 2]. Присутствие кардиальных аномалий при Vcc и кондиционной эпибластной Δ1 мутаций указывает на то, что PCSK5 важен для развития сердца, но эти исследования не были адресованы точным пространственно-временным потребностям в этом феремене во время кардиогенеза. Пороки сердца возникают из-за дефектов в специализации клеток предшественников. Сердце, хотя и индуцируется с помощью энтодермальных сигналов, является в основном мезодермальным по происхождению, при этом наблюдается минималный вклад со стороны эктодермального нервного гребня [9]. Эти три эмбриональных клона возникают из эпибласта [10]. После гаструляции мезодермальные предшественники мигрируют кпереди, чтобы сформировать два тесно расположенные первичное и вторичное поле сердца (E7-7.5) [11, 12, 13, 14]. Эти клетки специализируются в кардиомиоциты, эндотелиальные и эпикардиальный клоны, которые формируют сердце. Клетки нервного гребня дифференцируются в мезенхиму магистральных артерий и внеменно вносят вклад в тракт оттока (cono-truncal) и aorticopulmonary перегородку [15, 16]. Формирование лево-правостроннего паттерна также играет ключевую роль в создании 4-камерного сердца [9, 11]. Сердечная трубка первоначально линейная (E7.5-8), с венозным вкладом (tributaries), проникающим в развивающиеся предсердия на заднем входном конце и с соединением вентральной части аорты с его передним или концом оттока. Первоначально симметричные предсердия постепенно развиваются в самостоятельные левую и правую структуры. Сердлечная трубка подсергается образованию петли с правую сторону в начале E8.25 и ремоделируется между E10.5-12.5, процесс, необходимый для позиционирования разрвивающихся предсердий краниально по отношеню к желудочкам и чтобы соотв. присоединить левое и правое предсердия с соотв. желудочками [11]. Аорта, каротидная и легочные артерии, возникают за счет ремоделирования первоначально билатеральных фарингеальных систем артериальных дуг, начиная с E11.5 [17]. На ст. E15.0, основные структуры эмбрионального сердца мыши полностью развиты; происходит завершение созревания перегородок между предсердиями и желудочками, выделения тракта оттока и формирования кардиальных клапанов [18]. Чтобы исследовать дальнешую роль PCSK5 во время развития сердца, мы использовали подход кондиционного нокаута, чтобы устранить Pcsk5 из кардиогенных клонов. Используя magnetic resonance imaging (MRI), мы исследовали развитие сердца у эмбрионов мышей с зиготической и специфичной для сердца делецией Pcsk5. Было установлено, что кондиционная делеция Pcsk5 во всех клонах эпибласта воспроизводит все нарушения развития за исключением tracheo-esophageal нарушений. Имеется важная и специфическая потребность в Pcsk5 в черепно-кардиальной мезодерме для кардиогенеза, но не для коно-трункального разделения или др. аспекта эмбрионального развития . Неожиданно делеция Pcsk5 в предшественниках кардиогенной или фарингеальной мезодермы, которые позднее образуют кранио-кардиальную мезодерму, не затрагивала развитие сердца. Pcsk5 оказался несущественным в нервном гребне, управляющем коно-трункальным разделением. Кондиционная делеция Pcsk5 в ранней кранио-кардиальной мезодерме влияет на развитие сердца, но кондиционная делеция в нервном гребне или фарингеальных дугах или в Nkx2.5-экспрессирующих кардиальных предшественниках не влияют на развитие сердца.

Полученные результаты подтверждают, что Pcsk5 может быть важным в ранней каранио-кардиальной мезодерме для развития сердца. Альтернативно, возможно, что Pcsk5 всё ещё может играть критическую роль в Nkx2.5-экспрессирующих кардиальных предшественниках, при этом персистенция мРНК или белка объясняет отсутствие эффекта делеции на развитие сердца.