Посещений:
РАЗВИТИЕ ГИПОТАЛАМУС-ГИПОФИЗАРНОЙ ОСИ
Роль фактора TCF7L1
Transcription factor 7-like 1 is involved in hypothalamo–pituitary axis development in mice and humans Carles Gaston-Massueta, Mark J. McCabeb, Valeria Scagliottic, et al.
PNAS vol. 113 no. 5, E548–E557, doi: 10.1073/pnas.1503346113
|
The relevance of transcription factor 7-like 1 (TCF7L1) during hypothalamo-pituitary (HP) axis development remains unknown. Using mouse genetics, we show that TCF7L1 acts as a transcriptional repressor to regulate the expression of the hypothalamic signals involved in pituitary formation. In addition, we screened a cohort of human patients with forebrain and/or pituitary defects and report two independent missense variants, p.R92P and p.R400Q, in human TCF7L1. Functional studies in vitro and rescue experiments in zebrafish mutants deficient for tcf7l1a and tcf7l1b show that the p.R92P and p.R400Q variants exhibit reduced repressing activity compared with wild-type TCF7L1. In summary, we identify TCF7L1 as a determinant for the establishment of HP axis development and as a potential candidate gene to be mutated in congenital hypopituitarism
Рисунки к статье
|
Врожденная недостаточная функция гипофиза (Congenital hypopituitarism (CH)) сложное состояние обусловленное дефицитом одного или нескольких гипофизарных гормонов может присутствовать в отдельности или в составе синдрома (1-3). Septooptic dysplasia (SOD) является редкой формой CH (1 на 10,000), которая проявляется одновременно с дефектами телэнцефалона (напр., мозолистого тела и septum pellucidum) и/или глаз (напр., гипоплазия зрительного нерва) и связана с высокой болезненностью и иногда смертью(4).
Аномальное эмбриональное развитие hypothalamo-pituitary (HP) оси является главной причиной CH. Гипофиз, представленный передней и задней долями, имеет двойное эмбриональное происхождение и происходит из ротовой и нейральной эктодермы, соотв. У мышей приблизительно на ст. 9.5 d postcoitum (dpc), секретируются сигналы от зачатка гипоталамуса, такие как fibroblast growth factor (FGF) 8, FGF10, bone morphogenetic protein 4 (BMP4) и sonic hedgehog (SHH), индуцирующие карман Ратке (RP), зачаток передней доли гипофиза (5, 6). После спецификации предшественники RP быстро пролиферируют, выходят из клеточного цикла и активируют экспрессию генов, детерминирующих судьбы клеток, такие как POU domain, class 1, transcription factor 1 [Pou1f1 (Pit1)], Tpit и Sf1. Кульминацией этого процесса является дифференцировка всех клеток, продуцирующих гормоны, в конце беременности (7, 8): somatotrophs [growth hormone (GH)], lactotrophs [prolactin (PRL)], thyrotrophs [thyroid-stimulating hormone (TSH)], gonadotrophs [follicle-stimulating hormone (FSH) и luteinizing hormone (LH)], corticotrophs [adrenocorticotropic hormone (ACTH)] и melanotrophs [melanocyte-stimulating hormone (MSH)] (2, 9). Небольшая порция клеток остается в постнатальной передней доле гипофиза как ткане-специфичные стволовые клетки, которые обладают способностью к самообновлению и дифференцировке in vivo и in vitro (10 -12).
Мутации некоторых онтогенетических генов, регулирующих развитие HP у мышей, были идентифицированы м у пациентов, страдающих от CH и SOD (4). Одним из них является гомеобоксный ген Hesx1/HESX1, который действует как репрессор транскрипции сигнального пути WNT/β-catenin (13, 14).
Стабильность β-catenin, являющегося сильным активатором транскрипции и лишенным ДНК-связывающего домена, является критической для нормальной функции WNT/β-catenin (15-17). В отсутствие WNT лигандов, β-catenin фосфорилируется с помощью деструктивного комплекса и деградирует делая путь неактивным (18, 19). Связывание WNT лигандов приводит к дефосфорилированию и стабилизации β-catenin (20, 21). β-Catenin может затем транслоцироваться в ядро и взаимодействовать в основном, но не исключительно, с членами семейства T-cell factor/lymphoid enhancer factor (TCF/LEF), чтобы активировать экспрессию генов мишеней (22, 23). У млекопитающих TCF/LEF факторы включают TCF7 (первоначально TCF1), transcription factor 7-like 1 (TCF7L1) (первоначально TCF3), TCF7L2 (первоначально TCF4) и LEF1, все они соединяются с одним и тем же консенсусным мотивом ДНК 5'-(A/T)(A/T)CAAAG-3' и имеют домен взаимодействия с β-catenin на N конце (24, 25). Считается, что в отсутствие стабильного β-catenin, факторы TCF/LEF могут репрессировать гены мишени этого пути посредством взаимодействий с ко-репрессорами (26, 27), хотя продемонстрированы м специфичные для клеточного контекста функции, когда специфические факторы в основном необходимы как активаторы (28, 29) или репрессоры (30-33).
В развивающейся HP оси этот путь координирует пролиферацию предшественников RP и дифференцировку гормоны-продуцирующих клеток (34-41). TCF7L1, как было установлено, играет критическую роль в поддержании плюрипотентности стволовых клеток (42, 43), тканевом гомеостазе кожного эпителия (44), детерминации клеточных клонов во время гаструляции (45, 46) и в развитии головного мозга у позвоночных (47, 48). Однако, функция этого важного транскрипционного фактора во время развития HP оси не была исследована. Более того, несмотря на веские доказательства критической функции пути WNT/β-catenin во время развития оси HP у мышей, кстати, мутации в компонентах этого пути не были идентифицированы у пациентов с CH.
Discussion
В данном исследовании мы предоставили генетические и молекулярные доказательства, демонстрирующие, что репрессирующая активность транскрипционного фактора TCF7L1 необходима для нормального становления HP оси у мыши и человека.
Дефекты гипофиза у Hesx1Cre/+;Tcf7l1flox/- мутантных мышей очень сходны с теми, что обнауживаются у Hesx1-/- эмбрионов; повышенная пролиферация, приводящая к аномальному морфогенезу гипофиза, при в общем-то нормальной терминальной дифференцировке (14, 54). Мы выявили отсутствие mTCF7L1 белка в гипоталамусе и развивающемся RP на ст. 10.5 dpc у Hesx1Cre/+;Tcf7l1fl/- мутантов. В гипоталамусе мы выявили критическую роль, mTCF7L1 в регуляции формирования передне-заднего паттерна, т.к обнаруживается в целом сдвиг вперед доменов экспрессии сигналов и маркеров каудальной части гипоталамуса (напр., Fgf8, Fgf10, Bmp4, Tbx2 и Tbx3), который сопутствовал снижению экспрессии SHH в передней области гипоталамуса (Figs. 3 and 4). Эта аномальная передача сигналов от гипоталамуса приводила к рекрутированию дополнительной эктодермы в RP, что проявлялось в ростральной экспансии домена экспрессии Lhx3и в усилении пролиферации в развивающемся гипофизе Hesx1Cre/+;Tcf7l1fl/- мутантов на ст. 13.5 dpc. Кроме того, возможен вклад в фенотип, приписываемый отсутствию TCF7l1 в RP, который мы не можем исключить.
Имеется заметная изменчивость в выраженности гипофизарного фенотипа у Hesx1Cre/+;Tcf7l1fl/- мутантных мышей (Figs. 1 and 2), который напоминает таковой у Hesx1-дефицитных эмбрионов. У большинства Hesx1Cre/+;Tcf7l1fl/- мутантов (group 2), обнаруживается общее увеличение ткани гипофиза, передней, задней и проежуточной зоны. Однако, у большинства тяжело затронутых мутантов (group 1), задняя и промежуточная зоны не могут быть обнаружены морфологически со ст. 13.5 по 17.5 dpc. Показательно, что некоторые Hesx1Cre/+;Tcf7l1fl/- мутантны на ст. 9.5 dpc обнаруживают отсутствие контактов между развивающейся воронкой и RP, это может вносить вклад в развитие эктопического гипофиза в крыше oropharyngeal полости. Возможно, что эта фенотипическая изменчивость, наблюдаемая со ст.13.5 dpc, вызывается за счет нарушения регуляции гипоталамических сигналов, обычно участвующих в индукции и пролиферации предшественников RP, идея, которую трудно протестировать экспериментально.
Ранее мы показали. что кооперация между HESX1 и TCF7L1 необходима, чтобы репрессировать активацию пути WNT/β-catenin в передней части нервной пластики эмбрионов рыбок данио и мышей (47). Наши данные подтверждают идею, что TCF7L1 действует как репрессор во время нормального развития гипофиза у мышей. Функциональные исследования на мышах продемонстрировали временную специфическую функцию пути передачи сигналов WNT/β-catenin во время органогенеза гипофиза. Этот путь д. быть репрессирован на ранних стадиях развития гипофиза и активирован со ст. 14.5 dpc для нормальной дифференцировки клеток линии Pou1f1 (37). В соответствии с этим мнением, постоянная активация пути WNT/β-catenin в предшественниках RP на ст. 9.5 dpc, за счет экспрессии резистентной к деградации формы β-catenin, приводит к тяжелой гиперплазии гипофиза во время эмбриогенеза (50). У мышей, дефицитных по Tcf7l2, TCF/LEF фактор, как было установлено, действует или как активатор или репрессор в зависимости от клеточного контекста, обнаруживая гиперплазию передней части гипофиза, но без дефектов дифференцировки гормон продуцирующих клеток (41). Это сходство фенотипических отклонений гипофиза у Tcf7l2-/-, Hesx1-/- и Hesx1Cre/+;Tcf7l1flox/- мутантов подтверждает, что эти факторы, скорее всего, действуют как репрессоры транскрипции пути WNT/β-catenin целенаправленно воздействует во время развития оси HP. В самом деле, экспрессия мутантной формы TCF7L1 неспособна взаимодействовать с β-catenin, но поддержка репрессирующей активности не приводит к каким-либо дефектам гипоталамуса или гипофиза, демонстрируя, что TCF7L1 необходим как репрессор (Fig. 5).
Наши данные также предоставили доказательства, что репрессирующая активность TCF7L1 необходима для нормального развития HP оси у человека. Во-первых, мы показали наличие экспрессии мРНК hTCF7L1 у развивающихся эмбрионов человека (Fig. 6). Более того, мы идентифицировали два TCF7L1 варианта, p.R92P и p.R400Q, в неродственных семьях с SOD, в которых замещены очень консервативные остатки, и показали, что эти варианты функционально изменены. Эти мутантные белки обнаруживают снижение репрессрующей активности по сравнению с TCF7L1 дикого типа, как при использовании TOPflash репортерной плазмиды, так и luciferase репортера, содержащего фрагмент человеческого промотора LEF1 (Fig. 7) (33). Кроме того, мы показали, что варианты TCF7L1 p.R92P и p.R400Q не могут устранять глазные дефекты у мутантных рыбок данио с редуцированной дозой гена tcf7l1 (Fig. 8). Учитывая присутствие вариантов у фенотипически не проявляющихся у отца и дяди по отцу, наши данные подтверждают, что варианты не являются уникально ответственными за развитие болезни, но могут быть изменчивы в отношении пенетрантности. Концепция изменчивой пенетрантности наблюдается при разных генетических нарушениях у человека. Эти нарушения включают синдром Kallmann, где согласно недавним данным подтверждена олигогенная основа этого нарушения (62). Кроме того, мутации в SHH и GLI2, медиаторе SHH, ассоциируют с изменчивой пенетрантностью голопрозэнцефалии. Варианты последовательностей LHX4 и GLI2 также ассоциируют с изменчивой пенетрантностью CH (63, 64). Конечно, экспрессия варьирующих фенотипических отклонений наблюдается также у Hesx1Cre/+;Tcf7l1fl/- мутантных мышей и у cf7l1a?/?;tcf3l1b+/- мутантных рыбок данио, которым вводили варианты hTCF7L1, идентифицированные в данном исследовании.
Итак, мы идентифицировали Tcf7l1 как детерминант становления HP оси и как потенциальный кандидат на роль гена, мутирующего при врожденном hypopituitarism.
|