β-catenin is required in the neural crest and mesencephalon for pituitary gland organogenesis
 BMC Developmental BiologyBMC 2016 V.16:16 DOI: 10.1186/s12861-016-0118-9 | |
|---|---|
|
The pituitary gland is a highly vascularized tissue that requires coordinated interactions between the neural ectoderm, oral ectoderm, and head mesenchyme during development for proper physiological function. The interactions between the neural ectoderm and oral ectoderm, especially the role of the pituitary organizer in shaping the pituitary precursor, Rathke's pouch, are well described. However, less is known about the role of head mesenchyme in pituitary organogenesis. The head mesenchyme is derived from definitive mesoderm and neural crest, but the relative contributions of these tissues to the mesenchyme adjacent to the pituitary are not known.
We carried out lineage tracing experiments using two neural crest-specific mouse cre lines, Wnt1-cre and P0-cre, and determined that the head mesenchyme rostral to the pituitary gland is neural crest derived. To assess the role of the neural crest in pituitary development we ablated it, using Wnt1-cre to delete Ctnnb1 (?-catenin), which is required for neural crest development. The Wnt1-cre is active in the neural ectoderm, principally in the mesencephalon, but also in the posterior diencephalon. Loss of ?-catenin in this domain causes a rostral shift in the ventral diencephalon, including the pituitary organizer, resulting in pituitary dysmorphology. The neural crest deficient embryos have abnormally dilated pituitary vasculature due to a loss of neural crest derived pericytes.
β-catenin in the Wnt1 expression domain, including the neural crest, plays a critical role in regulation of pituitary gland growth, development, and vascularization
Рис.см. в оригинале статьи |
По сравнению с беспозвоночными хордовыми позвоночные характеризуются хорошо развитой головой с большим головным мозгом, развитыми сенсорными органами и черепно-лицевым скелетом. Эти модификации от родоначальных хордовых оказались способными возникнуть частично благодаря появлении клеток нервного гребня, нейрогенных плакод и muscularized гипомеров, которые происходят из дефинитивной мезодермы родоначальных позвоночных [1, 2]. Эти три ткани вместе с нейральной эктодермой взаимодействуют различными способами, чтобы сформировать хорошо развитые головные структуры позвоночных, включая сенсорные органы и компоненты черепно-лицевого скелета [3, 4]. Гипофиз также появляется с возникновение позвоночных и частично происходит из адено-гипофизарной плакоды [5]. Вклады адено-гипофизарной плакоды в развитие гипофиза хорошо известны [5, 6]; однако, значительно меньше известно о вкладах нервного гребня и дефинитивной мезодермы в органогенез гипофиза.
Карман Ратке, предшественник передней части гипофиза и промежуточной доли окружен краниальной головной мезенхимой и находится в тесной близи к ростральному концу хорды и прехордальной пластинки, которые выполняют важные сигнальные функции в раннем развитии головы [7]. Исследования эксплантов кур показывают, что только совместное культивирование вентральной части диэнцефалона и кармана Ратке может индуцировать дифференцировку corticotropes, когда мезенхима включена в культуру [8]. Кроме того, экспланты хорды кур могут заставлять поверхностную эктодерму инвагинировать, формируя структуру, похожую на карман Ратке [8]. Эти эксперименты подтвердили, что головная мезенхима кур играет роль в поддержании клеточной дифференцировки в передней доле. Пермиссивный мезенхимный сигнал для спецификации клеток передней доли не идентифицирован. Некоторые секретируемые факторы, экспрессируемые в мезенхиме, соседствующей с гипофизом у мышей, включая Chordin, Noggin, Nbl1 и Fstl1, являются кандидатами на роль мезенхимного сигнала в органогенезе гипофиза [9, 10, 11]. Foxd1 является forkhead доменовым транскрипционным фактором, экспрессирующимся в мезенхиме, соседствующей с гипофизом, а мыши Foxd1-/- обнаруживают повышенную пролиферацию клеток передней доли и пониженную экспрессию LHβ. Эти результаты подтверждают, что Foxd1 может регулировать экспрессию мезенхимного сигнала, необходимого для развития гипофиза [12].
Краниальная мезенхима вносит вклад в портальную систему гипофиза, которая является сетью кровеносных сосудов, которые окружают и пронизывают гипофиз, делая возможным высвобождение гормонов из гипоталамуса в переднюю долю гипофиза и из гипофиза к органам мишеням в теле. Головная мезенхима представлена как дефинитивной мезодермой, мигрирующей из первичной полоски, так и нервным гребнем, мигрирующим прочь от дорсальной стороны нервной трубки и по всему телу [4]. Нервный гребень формирует большую часть периферической нервной системы, это согласуется с её эктодермальным происхождением, но внутри головы он вносит вклад в ткани, такие как кости, мышцы и дермис кожи, которые обычно происходят из дефинитивной мезодермы [13]. При распознавании различий тканей, генерируемых нервным гребнем, он часто описывается как четвертый зародышевый слой [14]. Онтогенетическая пластичность нервного гребня является результатом поддержания сети регуляторных генов, характерной для плюрипотентных клеток бластулы, в клоне нервного гребня [15]. Краниальная сосудистая сеть отражает двойственность вклада дефинитивной мезодермы и нервного гребня; эндотелиальные клетки происходят из дефинитивной мезодермы, а нервный гребень формирует перициты и гладкие мышцы, которые оборачиваются вокруг и регулируют эндотелиальные клетки [16-18]. Чтобы определить вклады головной мезенхимы в органогенез гипофиза мы использовали генетическую модель, чтобы проверить вклад нервного гребня в органогенез гипофиза. β-CATENIN является ключевым компонентом канонической передачи сигналов Wnt, а потеря β-catenin в клоне нервного гребня, как известно, вызывает апоптоз мигрирующих клеток нервного гребня, приводя к тяжелым уродствам головы [19]. Мы проанализировали органогенез гипофиза в отсутствие нервного гребня и выявили критическую роль вклада нервного гребня в сосудистую сеть гипофиза.
Discussion Развивающийся гипофиз окружен головной мезенхимой, которая имеет двойное происхождение из дефинитивной мезодермы и нервного гребня [4, 24]. Используя две линии нервно гребня, экспрессирующие трансгенный cre, мы показали, что осевые уровни головногой мезенхимы на ростральной стороне кармана Ратке происходят из нервного гребня. Этот результат согласуется с предыдущими экспериментами по картированию судеб происходящей из нервного гребня головной мезенхимы [25]. Мезенхима на каудальной стороне происходит из дефинитивной мезодермы; ростральный конец хорды и прехондральная мезодерма располагаются на каудальной стороне кармана Ратке [24, 26, 27]. На более латеральных уровнях между дефинитивной мезодермой и мезодермой из нервного гребя всё ещё присутствует граница между ними, но дефинитивная мезодерма может мигрировать на ростральную сторону кармана Ратке. Такое разделение между головной мезенхимой и таковой из нервного гребня присутствует на каждой стороне гипофиза, интригующая возможность для дифференциальных эффектов этих мезенхимных популяций на органогенез гипофиза. Напр., стимуляция передачи сигналов Notch в вентральной части диэнцефалона снижает экспрессию Fgf10 в организаторе гипофиза, это вызывает снижение экспрессии Lhx3 в кармане Ратке и к усилению апоптоза [52]. Экспрессия Lhx3 снижается преимущественно на каудальной стороне кармана Ратке, а апоптоз преимущественно увеличивается [52]. Дифференциальные эффекты на карман Ратке могут быть обусловлены сигналами от дефинитивной мезодермы, поскольку мезодерма из нервного гребня его не экспрессирует.
Мезенхима, как известно, важна для индукции гипофиза [8, 12], но остаются неизученными участвующие специфические факторы и источник мезенхимы. Чтобы выяснить роль мезенхимы, происходящей из нервного гребня на органогенез гипофиза, мы исследовали эмбрионов мыши, дефицитных по нервному гребню. Удивительно. устранение нервного гребня с использование двух разных промоторов, чтобы управлять cre-обеспечиваемой эксцизии β-catenin дает два разных фенотипа гипофиза. Wnt1-cre обусловленная делеция β-catenin в нервном гребне, вызывала дисморфологию кармана Ратке и передней доли гипофиза, не влияя на спецификацию клеток, тогда как P0-cre вызываемая делеция не оказывала влияния вообще, несмотря на столь же эффективное устранение клеток нервного гребня. Дисморфизм гипофиза, вызываемый Wnt1-cre , скорее всего, можно объяснить экспансией организатора гипофиза, включая избыток экспрессии Bmp4 и Fgf10, приводящие к дополнительной ротовой эктодерме, индуцируемой карманом Ратке. Этот фенотип сходен с др. моделями экспансии организатора гипофиза, приводящими к увеличению кармана Ратке [9, 30-32].
Мы рассмотрели три возможности того, как Wnt1-cre вызывает инактивацию β-catenin, приводящую дисморфии гипофиза и проверили эти возможности, используя Shh-cre и P0-cre. Данные каждого эксперимента суммированы в Table 1. Первая возможность, что паттерн нервного гребня вентральной части диэнцефалона, включает становление ростральной границы организатора гипофиза, и что эмбрионы, дефицитные по нервному гребню, возникают в результате сдвига границы организатора гипофиза. Нервный гребень регулирует формирование паттерна переднего и среднего мозга [53-55], и может потенциально влиять на формирование паттерна вентральной части диэнцефалона. Однако P0-cre, который эффективно устраняет β-catenin в нервном гребне не вызывает экспансию кармана Ратке. Следовательно, потеря клеток нервного гребня вряд ли вызывает экспансию организатора гипофиза.
Table 1 Summary of pituitary phenotypes when β-catenin is deleted with specific transgenic cre lines Efficiency of β-catenin deletion in pituitary tissues Вторая возможность заключается в том, что скромная, эктопическая делеция β-CATENIN в вентральной части диэнцефалона вызывает экспансию организатора гипофиза. TCF7L2 (TCF4) является транскрипционным фактором, который активируется c помощью β-CATENIN, и эмбрионы Tcf7l2 -/- и Wnt5a -/- обнаруживают экспансию организатора гипофиза, которая приводит к дисморфии гипофиза [30, 31, 56, 57]. Такая возможность подтверждает идею, что мозаичная делеция β-cateninin в немногих участках в вентральной части диэнцефалона может воспроизводить фенотипы Wnt5a и Tcf7l2 . Однако, Wnt1-cre и Shh-cre вызывают сходные мозаичные, эктопические делеции β-CATENIN в вентральной части диэнцефалона, но только Wnt1-cre вызывает фенотипическое отклонение. Кроме того, β-catenin устранен только в немногих клетках этой ткани с помощью любого из cre воздействия. Итак, эти факты говорят против вероятности, что фенотипическое отклонения гипофиза вызываются делецией β-CATENIN в вентральной части диэнцефалона.
Третья возможность заключается в том, что Wnt1-cre обусловленная делеция β-catenin в среднем мозге приводит к ростральному сдвигу организатора гипофиза. Главное отличие в экспрессии между Wnt1-cre и P0-cre заключается в экспрессии Wnt1-cre в среднем мозге. Наше Wnt1-cre картирование судеб показало, что Wnt1-cre активен также в задней части диэнцефалона. Когда β-catenin делетирован в среднем мозге и задней части диэнцефалона, то формирование паттерна всей вентральной части диэнцефалона сдвигается рострально, включая и организатор гипофиза, приводя к дисморфии кармана Ратке. Предыдущие исследования продемонстрировали, что потеря Wnt1 или β-catenin в мезэнцефалоне вызывает потерю качественных особенностей среднего мозга и экспансию заднего мзга [19, 58, 59].Wnt1 играет критическую роль в становлении истмического организатора на границе между средним и задним мозгом [60]. Инициальная характеристика эмбрионов Wnt1 -/- не выявила нарушений формирования паттерна переднего мозга. Проверка изображений при предыдущем описании Wnt1-/- эмбрионов [59], подтвердила, что карман Ратке расширен у этих эмбрионов. Наши данные показали, что каноническая передача сигналов WNT не только необходима для формирования границы между средним и задним мозгом, но и собственно для формирования паттерна вентральной части диэнцефалона.
При сравнении с эктодермальными структурами гипофиза очень мало известно о вкладе головной мезенхимы в развитие гипофиза. Исследования эксплантов кур продемонстрировали пермиссивную (разрешающую) роль мезенхимы в спецификации клеток гипофиза и потенциальную индуктивную роль хорды в формировании кармана Ратке [8]. Компонент передачи мезенхимных сигналов также подтвержден генетическими исследованиями на мышах, у которых потеря Foxd1 в мезенхиме приводит к увеличению количества клеток в передней доле гипофиза и к снижению экспрессии LHβ [12]. Неизвестно, какой в действительности мезодермальный сигнал регулирует развитие гипофиза. BMP антагонист CHORDIN экспрессируется в прехордальной мезодерме эмбрионов мыши, соседствующей с каудальной стороной кармана Ратке [11]. Прехордальная пластинка также экспрессирует NOGGIN, а мыши, которые являются Chrd -/- ; Nog +/- обнаруживают голопрозэнцефалию, указывающую на дефекты формирования паттерна срединной линии [61]. Эмбрионы Chrd -/- ; Nog +/- не экспрессируют Nkx2.1 в вентральной части диэнцефалона, это приводит к потере экспрессии Fgf8 в организаторе гипофиза и к потере кармана Ратке [61]. Эти результаты демонстрируют, что прехондральная пластинка необходима для становления организатора гипофиза в вентральной части диэнцефалона, который затем индуцирует карман Ратке. Непосредственные эффекты передачи сигналов от прехондральной пластинки на развитие передней доли гипофиза неизвестны.
Чтобы начать определять, каковы функции головной мезенхимы могут влиять на органогенез гипофиза, мы производили картирование судеб производных нервного гребня вблизи гипофиза. Наши результаты недвусмысленно продемонстрировали, что нервный гребень продуцирует головную мезенхиму на ростральной стороне кармана Ратке и образует четкую границу с дефинитивной мезодермой на каудальной стороне кармана Ратке. Поскольку эта граница наблюдалась, окружающей глаз, то наши результаты уточняют позицию границы относительно гипофиза с четкой демаркацией, возникающей на месте инвагинации кармана Ратке [24]. Интересно предположить, что карман Ратке может предоставлять сигналы наведения для миграции клеток нервного гребня. Характеризация транскриптома эмбрионального гипофиза выявила 74 гена с gene ontology (GO), термины, связанные с адгезией и миграцией клеток, включая гены с известной ролью в миграции нервного гребня [62]. Анализ этих генов кандидатов может выявить дифференциальную экспрессию в кармане Ратке, необходимую для управления миграцией клеток нервного гребня на ростральную сторону.
Критический аспект развития гипофиза - это вычленение клеток из плотно упакованного эпителия на вентральной стороне кармана Ратке, в ростральном направлении, т.к. это придает форму, типичную для клеток желез и формирует рудиментарную переднюю долю. Это происходит приблизительно на ст. e12.5 и продолжается в ходе всей беременности. Некоторые, происходящие из нервного гребня, мезенхимные клетки заполняют формирующуюся передню долю на ст. e14.5. Это то самое время, когда начинается проникновение сосудов [63-65]. В самом деле, на более поздних стадиях развития гипофиза из нервного гребня происходящая мезенхима обладает паттерном, напоминающим сосудистую ткань. В голове позвоночных перициты, регуляторные клетки, которые обматывают эндотелиальные клетки, происходят из нервного гребня [17, 18]. Клетки нервного гребня проникают в переднюю долю, скорее всего, формируя перициты гипофиза. Сосудистая сеть как Wnt1-cre; β-cat fx/fx, так и P0-cre; β-cat fx/fx эмбрионов дисморфична и дилятирована, это характерно для отсутствия регуляторных перицитов, которые маркируются PDGFRβ. Дилятированная и протекающая сосудистая сеть возникает, когда перициты не поставляются на эндотелиальные клетки [49, 50]. Сосудистая сеть Wnt1-cre; β-cat fx/fx и P0-cre; β-cat fx/fx гипофизов воспроизводит этот фенотип и демонстрирует потребность в происходящих из нервного гребня перицитах для формирования сосудистой сети гипофиза.
Ни Wnt1-cre; β-cat fx/fx, ни P0-cre; β-cat fx/fx эмбрионы не обнаруживают нарушений спецификации клеток передней доли гипофиза. Следовательно, происходящая из нервного гребня головная мезенхима не обязательна для нормальной спецификации клеток передней доли. Аксиальная мезодерма на каудальной стороне кармана Ратке является богатым источником для онтогенетических сигналов, которые, как известно, формируют паттерн окружающих тканей, включая нервную трубку и параксиальную мезодерму. Карман Ратке располагается на динамическом месте в месте стыка дефинитивной мезодермы, нервного гребня, нервной эктодермы и оральной эктодермы. Определение точных молекулярных механизмов для каждой из этих тканей, которые играют роль в органогенезе гипофиза у мышей и в др. модельных системах позвоночных, могут помочь в определении того, как этот специфический орган позвоночных мог развиться. Conclusions Using both the Wnt1-cre and the P0-cre to lineage trace the neural crest, we determined that the mesenchyme on the rostral side of Rathke's pouch is neural crest in origin. This rostral mesenchyme contributes to the vasculature of the pituitary gland. Deletion of a conditional null allele of β-catenin in the neural crest lineage using both the Wnt1-cre and P0-cre generates mouse embryos that are deficient in neural crest cells [19]. These embryos have dysmorphic pituitary blood vessels and lack PDGFR? labeled pericytes. The Wnt1-cre is also active in the mesencephalon, while the P0-cre is not. Loss of β-catenin in the mesencephalon causes a loss of midbrain structures [19]. In addition, we have determined that loss of β-catenin in the mesencephalon and posterior diencephalon is the likely cause of a rostral shift in the expression domain of Bmp4 and Fgf10 in the ventral diencephalon. The altered expression domain of these morphogenetic proteins results in a highly dysmorphic Rathke's pouch. Therefore, β-catenin is required in theWnt1 expression domain, including the neural crest, for the proper specification of pituitary gland growth, development, and vascularization.
|