Посещений:
ФОРМИРОВАНИЕ ПРОСТАТЫ



Морфогенетические пути

Morphoregulatory pathways in prostate ductal development
Monica Montano, Wade Bushman
Dev. Dyn. Volume 246, Issue 2 February 2017 Pages 89-99

The mouse prostate is a male sex-accessory gland comprised of a branched ductal network arranged into three separate bilateral lobes: the anterior, dorsolateral, and ventral lobes. Prostate ductal development is the primary morphogenetic event in prostate development and requires a complex regulation of spatiotemporal factors. This review provides an overview of prostate development and the major genetic regulators and signaling pathways involved. To identify new areas for further study, we briefly highlight the likely important, but relatively understudied, role of the extracellular matrix (ECM). Finally, we point out the potential importance of the ECM in influencing the behavior and prognosis of prostate cancer. Developmental Dynamics 246:89-99, 2017. © 2016 Wiley Periodicals, Inc.
Простата - мужская дополнительная железа, которая вносит вклад с секрет эйякулята. Морфология простаты варьирует среди млекопитающих по величине и форме (Price and Williams-Ashman, 1961). Человеческая простата компактная железа с секреторным эпителием, опутанным плотной фиброваскулярной стромой. Простата мыши представлена сетью разветвленных протоков в рыхлой фиброваскулярной строме, организованного в отдельные переднюю, дорсолатеральную и вентральную доли. Базовые механизмы, контролирующие развитие простаты, по-видимому, консервативны, на что указывают исследования по рекомбинации тканей с использованием мезенхимы простаты мышей, крыс, кроликов и человека с эпителием, которые давали нормальный паттерн развития и дифференцировки железы (Cunha et al., 1983). Наиболее широко используется животная модель развитии я морфогенеза простаты мыши.
Морфогенез простаты следует точно выверенному временному и пространственному паттерну, первая ступень заключается в образовании зачатков эпителия урогенитального синуса urogenital sinus epithelium (UGE) в окружающую urogenital sinus mesenchyme (UGM). У мышей это происходит на 16.5 (E16.5) эмбриогенеза. Эпителиальные зачатки удлиняются и подвергаются морфогенезу ветвления на E17.5. Постнатально протоки простаты удлиняются ещё больше и канализируются. Активное ветвление в основном завершается на постнатальный день 15 (P15), сопровождаемое дальнейшим созреванием и дифференцировкой (Sugimara et al., 1986). Весь этот процесс приводит к появлению зрелой простаты с замысловатой, разветвленной системой протоков, состоящей из трех парных долей: вентральная часть простаты (VP), передняя часть простаты (AP), и дорсолатеральная часть простаты (DLP). Каждая доля простаты имеет отличающийся паттерн ветвления, но количество основных протоков внутри одной доли остается относительно постоянным в одной и той же линии мышей (Sugimara et al., 1986).
Во время морфогенеза протоков у крыс пролиферация эпителия концентрируется на дистальных кончиках развивающихся протоков, тогда как эпителиальная дифференцировка осуществляется в проксимо-дистальном направлении (Prins et al., 1992). Зрелые протоки простаты крыс и мышей выстланы псевдо-стратифицированным эпителием, состоящим прежде всего из просветных клеток, экспрессирующих cytokeratin 8 (CK8) и CK18 с непрерывным слоем базальных клеток, которые обычно экспрессируют маркер базальных клеток p63, а также CK5 и/или CK14 (Prins and Birch, 1995; Wang et al., 2001). У человека и мыши небольшая популяция нейроэндокринных клеток располагается среди базальных и просветных клеток они могут предоставлять паракринные сигналы для поддержания роста и дифференцировки просветных клеток (di Sant'Agnese, 1992; Garabedian et al., 1998; Sun et al., 2009). Известно, что во время развития мезенхима простаты дифференцируется в 4 стромальные CD34+ субпопуляции. Субэпителиальные клетки располагаются вокруг протоков и окружены слоем гладкомышечных клеток. На наружной стороне гладкомышечных клеток имеется слой оборачивающих клеток, а внутри интерстициума протоков располагаются интерстициальные фибробласты (Fig. 1). Гладкомышечные клетки и интерстициальные фибробласты оказываются позитивными в отношении гладкомышечного актина (smooth muscle actin (SMA)). Субэпителиальные клетки и оборачивающие клетки негативны в отрношении SMA и др. маркеров гладкомышечных клеток, таких как calponin и smooth muscle myosin heavy chain (Peng et al., 2013).



Figure 1. A: Schematic of the adult mouse prostatic duct. The epithelium is comprised primarily of luminal cells (LC), with fewer basal cells (BC) and rare neuroendocrine cells. In this pseudostratified epithelium, all of the epithelial cells are in direct contact with the basement membrane. B: Expanded view of the duct and adjacent stroma. The stroma is comprised of four subtypes: Sub (subepithelial) cells, SMC (smooth muscle cells), Wrap (wrapping) cells, and IF (interstitial fibroblasts). Reproduced with permission from Wiley Press (Peng et al., 2013).

Развитие простаты зависит от присутствия тестостерона. Кроме того, разные молекулярные пути с законсервированными ролями также играют критические роли в общем развитии и морфогенезе. Сюда входят генетические регуляторы и сигнальные пути, такие как Hox гены, Nkx3.1, Sox 9 и Hedgehog (Hh), fibroblast growth factor (Fgf), Wnt, Notch и transforming growth factor-β/bone morphogenetic protein (TGFβ/BMP) сигнальные пути.

ANDROGEN AND ANDROGEN RECEPTOR


Развитие простаты нуждается в присутствии андрогенов и функциональных андрогеновых рецепторов (AR). Семенники плодов продуцируют тестостерон, превращающийся в простате в более мощный андроген, dihydrotestosterone (DHT), с помощью 5-alpha-reductase. Соединение андрогена с AR необходимо, чтобы инициировать передачу сигналов андрогена для развития и дифференцировки простаты (Donjacour and Cunha, 1988; Reviewed in Kerkhofs et al., 2009). Несколько исследований проведено на человека и мышах, которые показали, что функциональные мутации в AR д. устраныть развитие простаты (Brown et al., 1988; Lubahn et al., 1989; Gaspar et al., 1991). Напр., Tfm (testicular feminization syndrome) мыши обладают мутациями сдвига рамки считывания в гене Ar, это делает самцов мыши нечувствительными к андрогену (Charest et al., 1991). Такие мыши обнаруживают полную недостаточность развития простаты и имеют феминизированные наружные гениталии (Lyon and Hawkes, 1970).
Андрогеновые рецепторы присутствуют в эпителии и мезенхиме развивающейся простаты. Исследования на крысах показали, что во время раннего развития простаты экспрессия Ar более значительная в мезенхиме, чем в эпителии. Как только эпителиальные клетки начинают дифференцироваться экспрессия Ar существенно возрастет (Takeda et al., 1986). Относительный вклад мезенхимного и эпителиального Ar в развитие простаты выяснен с помощью тканевой рекомбинации с использованием UGS мезенхимы и эпителия от Tfm и дикого типа мышей. Когда Tfm UGS эпителий комбинировали с UGS мезенхимы от эмбрионов дикого типа и трансплантировали под капсулу почек взрослых nude самцов мышей, то тканевой рекомбинант формировал простатические ацинусы.
Напротив, когда дикого типа UGS эпителий рекомбинируется с Tfm UGS мезенхимой, то простатические ацинусы не образуются, а трансплантированная ткань приобретает вагинальные характеристики (Cunha and Lung, 1978). эти исследования показали, что мезенхимные Ar являются критическими для инициации протоков простаты и железистого морфогенеза. Андрогены также играют важную роль в росте и морфогенезе простаты. Кастрация новорожденных показала уменьшение ветвления протоков простаты, тогда как кастрация и немедленное введение тестостерона приводили к преждевременному ветвлению, но вес простаты уменьшался (Donjacour and Cunha, 1988). Генетические исследования показали, что стромальные и эпителиальные AR выполняют изменчивую роль. Частичная потеря стромальных Ar,как было установлено, снижает ветвление и пролиферацию эпителия (Lai et al., 2012). Напротив, потеря эпителиальных Ar не влияет на морфогенез ветвления но она существенно нарушает дифференцировку и гомеостаз эпителия (Simanainen et al., 2007; Wu et al., 2007). Многие исследования действия гормонов на развитие простаты рассмотрены в обзоре (Prins and Putz, 2008).
Метилирование ДНК промотора Ar оказалось недавно сопричастным к регуляции образования зачатков простаты. На ст. E14 ткани самца UGS были культивированы с или без ингибитора метилирования ДНК. В присутствии ингибитора метилирование ДНК промотора Ar существенно снижалось и уровни мРНК и белка Ar были повышены. Кроме того, количество AR позитивных клеток увеличивалось в эпителии и мезенхиме, что было связано с существенным увеличением количества зачатков протоков простаты. Это исследование подтвердило, что метилирование Ar регулирует образование зачатков (budding) протоков. Однако, экспериментальный подход, вызывающий глобальное подавление метилирования ДНК, показа влияние этого на несколько сотен генов (Yamashita et al., 2006). Усиленные эффекты на образование зачатков возникают также за счет независимого от Ar механизма (Keil et al., 2014).
Предыдущие исследования органных культур показали, что тестостерон активирует морфогенетические процессы, которые осуществляются др. нижестоящими факторами. Когда дикого типа UGS самцов был удален прежде чем ткани плода начали продукцию тестостерона, и культивировались in vitro в отсутствие андрогена, то зачатки простаты не формировались (Cunha, 1973). Однако, добавление андрогена в культуральную среду восстанавливало образование зачатков протоков. Напротив, удаление UGS у эмбрионов самцов крыс после начала продукции тестостерона, но до начала образование зачатков протоков, сопровождалось образованием зачатков протоков в культуре даже в отсутствие экзогенных андрогенов (Lasnitzki and Mizuno, 1977). "Святым Гралем" исследований развития простаты с 1980s стала идентификация зависимого от андрогена морфогенетического фактора "andromedin", который, как полагают, является стержнем развития простаты (Tenniswood, 1986). Поскольку постулированный andromedin оказался неуловим, то были идентифицировано несколько транскрипционных факторов и сигнальных путей в качестве необходимых элементов для инициации и регуляции морфогенеза протоков. На сегодня, по-видимому, тестостерон выполняет функцию регулятора и/или ко-фактора для множественных факторов , а общение между путями является критическим аспектом формирования паттерна образования зачатков протоков, роста и ветвления.

NKX3.1


Одним из самых ранних маркеров развития простаты является экспрессия гомоебоксного транскрипционного фактора, Nkx3.1. Она появляется на ст. E15.5 у мышей. Ген Nkx3.1 принадлежит к семейству NK гомеобоксных генов. Это семейство играет интегрирующую роль в формировании нескольких органов, таких как легкие, щитовидная железа и сердце (Harvey, 1996; Kimura et al., 1996). Nkx3.1 экспрессируется в нескольких органах у обоих полов, однако, экспрессия Nkx3.1 в репродуктивном тракте является специфичной для самцов. Паттерн онтогенетической экспрессии Nkx3.1 был исследован в VP крыс посредством RT-PCR анализа, при этом Nkx3.1 увеличивался во время развития и достигал своей наивысшей точки во время морфогенеза ветвления (Prins et al., 2006). Экспрессия Nkx3.1 обнаруживалась в эпителии урогенитального синуса всех трех долей простаты и проявлялась в виде локальных областей, которые должны были давать простатические зачатки (Bhatia et al., 1999). Перед канализацией экспрессия Nkx3.1 обнаруживалась повсеместно в эпителиальных клетках. После дифференцировки Nkx3.1 обнаруживается в просветных клетках (Sciavolino et al., 1997). Затем экспрессия снижается до низкого уровня у взрослых крыс (Prins et al., 2006).
Nkx3.1 не нужен для развития простаты. Однако, отсутствие функционального Nkx3.1 связано со снижением ветвления протоков и существенной потерей пространства просвета (Bhatia et al., 1996; Tanaka et al., 2000). Nkx3.1 мутации также ассоциированы с повышенной пролиферацией эпителия, гиперплазией эпителия и дисплазией (Bhatia et al., 1996; Tanaka et al., 2000). Некоторые основные простатические секреторные белки снижаются или отсутствуют у мутантов Nkx3.1 и это может вносить вклад в снижение плодовитости самцов (Bhatia et al., 1996).
Поскольку мы знаем, где экспрессия Nkx3.1 обнаруживается во время развития простаты и какие морфологические изменения происходят в отсутствие Nkx3.1, то становится понятным механизм регуляции экспрессии Nkx3.1. Даже если Nkx3.1 экспрессируется исключительно в эпителии, то механизмы контроля экспрессии Nkx3.1 зависят от мезенхимы. Если эпителий мочевого пузыря и мезенхима UGS скомбинированы и трансплантированы под капсулу почки на неделю, то экспрессия Nkx3.1 индуцируется в эпителии. Напротив, трансплантаты, состоящие из UGS эпителия и мезенхимы мочевого пузыря, не обнаруживают какой-либо экспрессии Nkx3.1 (Bhatia et al., 1996). Экспрессия Nkx3.1 предшествует экспрессии Ar в эпителии UGS (Bhatia et al., 1996). Это так и несколько исследований подтвердили, что андроген играет роль в поддержании экспрессии Nkx3.1 (Bieberich et al., 1996; Sciavolino et al., 1997).

SOX9


Sox9, транскрипционный фактор член семейства генов Sox. Всего известно 20 Sox генов, которые участвуют в разных онтогенетических процессах (Bi et al., 2001; Kobayashi et al., 2005; Seymour et al., 2008). Sox9 участвует в развитии хряща (Bi et al., 1999), в дифференцировке нервного гребня (Cheung et al., 2005) и развитии простаты (Thomsen et al., 2008b). Первоначально обнаруживается низкая экспрессия Sox9 в эпителии UGS самцов и самок (Thomsen et al., 2008a). Экспрессия увеличивается с началом развития простаты и достигает наивысшего уровня на кончиках растущих протоков (Thomsen et al., 2008b). В зрелых протоках простаты человека экспрессия SOX9 обнаруживается специфически в базальных эпителиальных клетках и отсутствует в эпителии просвета (Wang et al., 2007). Sox9 гетерозиготные мутанты погибают перинатально. Исследования с использованием двух разных conditional мутантов показало, что потеря экспрессии Sox9 на ст. E14.5 полностью нарушает развитие простаты (Huang et al., 2012), тогда как потеря экспрессии Sox9 в начале образования зачатков протоков существенно снижает пролиферацию эпителия (Thomsen et al., 2008a). Эти исследования показали, что Sox9 необходим для инициации развития простаты и для нормального роста во время развития простаты.
Принимая во внимание жизненно важную роль Sox9 в развитии простаты, неудивительно открытие связи с др. важными морфогенетическими регуляторами. Экспрессия Sox9 регулируется с помощью передачи сигналов Shh и Wnt в волосяных фолликулах и в развивающемся кишечнике, соотв., но это не было исследовано в развивающейся простате (Vidal et al., 2005; Mori-Akiyama et al., 2007). У нулевых мутантов Sox9 обнаруживается потеря экспрессии Nkx3.1, Shh и Fgfr2 в VP доле (Thomsen et al., 2008a).

HOX


Гены Hox известны своей важной ролю в детерминации качественных особенностей сегментов и формировании паттерна ткани (Reviewed in Mallo and Alonso, 2013). 4 Hox гена, Hoxa10, Hoxa13, Hoxb13 и Hoxd13, как было установлено, вносят вклад в развитие и регуляцию морфогенеза простаты у крыс и мышей (Podlasek et al., 1999b,1999c; Oefelein et al., 1996; Economides and Capecchi, 2003; Huang et al., 2007).
Экспрессия Hoxa10 прежде всего локализуется в мезенхиме (Podlasek et al., 1999c). Мутанты Hoxa10, по-видимому, обнаруживают частичную гомеозисную трансформацию, затрагивающую AP долю. Дополнительными аномалиями мутантов Hoxa10 являются снижение расщепления стромы семенных пузырьков и снижение ветвления в AP доле (Podlasek et al., 1999c). Эти аномалии по-разному проявлялись у всех Hoxa10 мутантов.
Hoxa13 и Hoxd13 обнаруживают наибольшую экспрессию во время пренатальной стадии в UGS, в эпителиальном и мезенхимном компартментах (Podlasek et al., 1999b; Oefelein et al., 1996). Экспрессия Hoxd13, по-видимому, наивысшая в проксимальном регионе и снижается к периферии (Podlasek et al., 1997). У мутантов Hoxd13 и Hoxa13 многие доли простаты были чрезвычайно маленькими по сравнению с нормой (Podlasek et al., 1999b, 1997). Гомозиготные Hoxd13 мутанты обнаруживают уменьшение кончиков протоков в DP доле (Podlasek et al., 1997). Сходным образом, уменьшение кончиков протоков наблюдается в DLP и VP долях мутантов Hoxa13 (Podlasek et al., 1999b). Функциональное перекрывание является характерным признаком генов Hox, при этом двойные мутанты часто обнаруживают более выраженные фенотипические отклонения (Manley and Capecchi, 1997; Barrow and Capecchi, 1999). Двойной мутантов Hoxa13 +/-, Hoxd13 -/- обнаруживает полное отсутствие AP доли простаты (Warot et al., 1997).
Hoxb13 изучен лучше всего из Hox генов во время развития простаты. Экспрессия Hoxb13 локализуется исключительно в эпителии простаты и, как полагают, играет роль в дифференцировке эпителия (Sreenath et al., 1999). Исследования на крысах показали, что в раннем постнатальном развитии экспрессия Hoxb13 низкая, но постепенно существенно увеличивается во время морфогенеза ветвления и остается на высоком уровне во время во время взрослой стадии (Huang et al., 2007). У взрослых экспрессия Hoxb13 наивысшая на дистальных кончиках и снижается до минимального уровня в проксимальных частях протоков (Huang et al., 2007). Потеря Hoxb13 приводит к нарушению эпителиальной дифференцировки и отсутствию секреторных белков в семенной жидкости (Economides and Capecchi, 2003). Критическая роль Hoxb13 в эпителиальной дифференцировке подкреплена исследованиями in vitro, показавшими, что экспрессия Hoxb13 участвует в направлении эпителиальных клеток на путь формирования просветного фенотипа (Huang et al., 2007; Jung et al., 2004a, 2004b). Эти наблюдения демонстрируют, что действия Hox генов в развитии простаты повторяют свою консервативную и функционально перекрывающуюся роль в сегментации, морфогенезе, росте и дифференцировке.

HEDGEHOG


Путь передачи сигналов Hedgehog (Hh) является важным внутриклеточным сигнальным путем. Соединение секретируемого HH лиганда с трансмембранным рецептором, Patched (PTC), на клетках мишенях вызывает устойчивую репрессию пути Smoothened (SMO) и приводит к регуляции транскрипции генов мишеней с помощью трех близко родственных транскрипционных факторов (Gli1, Gli2 и Gli3). Существуют три HH лиганда у млекопитающих: Sonic Hedgehog (SHH), Indian Hedgehog (IHH) и Desert Hedgehog (DHH) (Shaw and Bushman, 2007). Shh наиболее обильно экспрессируется в развивающейся простате (Doles et al., 2006). Экспрессия Shh в эпителии UGS увеличивается с началом образования зачатков протоков. Обильна экспрессия гена поддерживается вплоть до начала ветвления протоков, с этого момента Shh начинает постоянно снижаться и в конечном итоге снижается до низкого, но обнаружимого уровня у взрослых. (Podlasek et al., 1999a; Lamm et al., 2002). У крыс SHH, как было установлено, локализуется в эпителии на дистальных кончиках протоков по мере удлинения и ветвления протоков (Pu et al., 2004). В течение этого времени гены мишени для Shh, Ptc1 и Gli1, располагаются в мезенхиме непосредственно вокруг возникающих зачатков (Lamm et al., 2002).
Роль передачи сигналов Hh в развитии простаты активно исследуется. В самых ранних исследованиях с использованием поликлональных антител для нейтрализации передачи сигналов Shh было отмечено подавление морфогенеза простаты в трансплантированных UGS (Podlasek et al., 1999a). Постепенно было установлено, что развитие простаты не зависит от передачи сигналов Shh, а UGS от нулевых Shh эмбрионов мыши обнаруживают нормальный морфогенез простаты при трансплантации (Freestone et al., 2003; Wang et al., 2003; Berman et al., 2004). Однако, мы наблюдали, что экспрессия Ihh увеличивается в Shh нулевых UGS и это обусловливает функциональную перекрываемость, восстанавливающую передачу сигналов Hh (Doles et al., 2006). Действительно ли передача сигналов Hh строго необходима для морфогенеза простаты предстоит определить.
Передача сигналов Hh обнаруживает зависимые от стадии эффекты на морфогенез. Первоначально было сообщено, что химическое подавление передачи сигналов Hh в культивируемых UGS приводит к снижению пролиферации и ветвления эпителия (Lamm et al., 2002). Однако, позднее сообщалось о множественных эффектах на ветвление во время экспериментальных подходов по увеличению или уменьшению передачи сигналов Hh в культивируемых постнатальных простатах (Freestone et al., 2003; Wang et al., 2003; Berman et al., 2004). Wang сообщил, что подавление передачи сигналов Hh повышает в целом пролиферацию эпителия (Wang et al., 2003). Однако, эффекты были регионализованы вдоль протоков. Фактически эпителиальная пролиферация была существенно и избирательно снижена в дистальных, менее дифференцированных частях протоков (Wang et al., 2003; Freestone et al., 2003). Было предположено, что несогласующиеся результаты от разных лаб. могут быть объяснены тем, что исследования проведены на разных ст. развития простаты (Wang et al., 2003). Постепенно было показано, что это так. Используя комбинацию химического ингибирования передачи сигналов Hh и трансгенную активацию передачи сигналов Hh, было показано, что передача сигналов Hh способствует пролиферации эпителия и пренатальному образованию зачатков, тогда как подавляет эпителиальный пролиферацию и ветвление постнатально. Эти разные эффекты отражают стадио-специфические различия в регуляции Hh генов мишеней (Yu and Bushman, 2013).

NOTCH


Путь передачи сигналов Notch является неотъемлемым для разных процессов развития (rev. Andersson et al., 2011). У млекопитающих имеется 4 Notch рецептора Notch 1-4, и 5 канонических лигандов, Delta-like 1/3/4 (Dll1/3/4) иJagged1/2. Во время канонической передачи сигналов трансмембранный рецептор Notch взаимодействует внеклеточно с Notch лигандами на соседней клетке. Это взаимодействие вызывает протеолитическое расщепление трансмембранного рецептора Notchи высвобождает Notch intracellular domain (NICD). NICD транслоцируется в ядро, формирует транскрипционный комплекс, участвующий в транскрипции фактора RBP-J, и инициирует регуляцию нижестоящих генов мишеней, таких как Hey1 и Hes1 (Egan et al., 1998; Maier and Gessler, 2000; Andersson et al., 2011).
Notch1 и Notch2, по-видимому, играют роль в развитии простаты благодаря своим эффектам, опосредуемым, по крайней мере, частично с помощью Hey1 и Hes1 (Orr et al., 2009; Grishina et al., 2005; Wang et al., 2004). Все эпителиальные клетки простаты во время развития первоначально Notch1 позитивны. Вследствие дифференцировки экспрессия Notch1 ограничивается базальным эпителиальным слоем клеток, а экспрессия Notch2 локализуется в вентральной мезенхимной подушке (pad) (Wang et al., 2006, 2004; Orr et al., 2009).
Несколько исследований изучали роль передачи сигналов Notch на разных стадиях развития простаты, используя комбинацию химического подавления и трансгенных моделей. Избыточность функции Notch, достигаемая посредством постоянно активного NICD1, увеличивает пролиферацию эпителиального и мезенхимного тканевых компартментов во время развития (Wu et al., 2011). Перинатальное подавление передачи сигналов Notch приводит к варьирующим эффектам на пролиферацию и ветвление эпителия во время развития простаты (Wang et al., 2006, 2004; Wu et al., 2011). Wu and colleagues предположили, что передача сигналов Notch влияет на пролиферацию и апоптоз путем ингибирования PTEN, негативного регулятора пути PI3K/Akt (Wu et al., 2011). Передача сигналов Notch участвует также в обеспечении петли позитивной обратной связи путем усиления активности TGFβ лигандов и их рецепторов (Valdez et al., 2012). Исследования показали, что передача сигналов Notch участвует в сложных путях, чтобы влиять на пролиферацию эпителия, дифференцировку и апоптоз, которые в свою очередь влияют на организацию протоков и морфогенез ветвления. Не совсем понятно, какие механизмы передачи сигналов Notch регулируются во время морфогенеза простаты.

FIBROBLAST GROWTH FACTOR


Имеется 18 рецепторов, связывающих fibroblast growth factor (FGF) лиганды. FGFs осуществляют свою биологическую функцию путем связывания трансмембранных тирозин-киназных рецепторов, FGF рецепторов (Fgfrs), которые затем активируют несколько внутриклеточных сигнальных путей, таких как RAS-MAPK и PI3K/AKT (Ornitz and Itoh, 2015). Хотя имеется только 4 гена, кодирующих Fgfrs, но имеются многочисленные сплайс-варианты, обладающие различным связывающим сродством к FGF лигандам (Turner and Grose, 2010). Fgfr2 экспрессируется в эпителии и играет критическую роль в развитии простаты (Lin et al., 2007; Zhang et al., 2008; Ghosh et al., 2011). У большинства Fgfr2 conditional нулевых мышей обнаруживается полная потеря AP и VP долей. DLP у Fgfr2 conditional нулевых мышей обнаруживает снижение ветвления и снижение пролиферации эпителия во время половозрелого роста (Lin et al., 2007). Передача сигналов PI3K/mTOR, как полагают, стоит ниже Fgfr2. Подавление PI3K/mTOR пути приводит к снижению ветвления в простате, что объясняется нарушениями миграции клеток (Ghosh et al., 2011). Fgfr2 может регулировать адапторный белок, FGF receptor substrate 2α (FRS2α), в развивающейся простате (Zhang et al., 2008). Делеция Frs2α приводит к снижению ветвления во всех трех долях простаты. Исследования показали, что потеря Fgfr2 или мутации в в стоящей ниже Fgfr2 передаче сигналов приводит к снижению ветвления в простате (Lin et al., 2007; Zhang et al., 2008). Делеция Fgfr2 или Frs2α приводит к пониженной экспрессии нескольких путей, влияющих на ветвление в простате, таких как Hoxb13, BMP4/7 и TGFβ (Lin et al., 2007; Zhang et al., 2008). Как Fgfr2 может регулировать эти пути в развивающейся простате ещё предстоит определить.
Кстати, только два Fgf лиганда, Fgf 7 и Fgf 10, играют роль в развитии простаты. FGF 7 и -10 лиганды экспрессируются в мезенхиме и действуют на сплайс-вариант рецептора Fgfr2, Fgfr2iiib, который экспрессируется в эпителии (Thomson and Cunha, 1999). Блокирование эндогенного Fgf7 в культивируемой VP крыс достоверно снижает количество кончиков протоков (Sugimara et al., 1996). Нокаут Fgf7 не изменяет нормального фенотипа, это может быть обусловлено частично функциональным перекрыванием с Fgf10 (Guo et al., 1996). У крыс было показано, что Fgf10 сам по себе недостаточен, чтобы индуцировать образование зачатков протоков, но может индуцировать ветвление зачатков протоков (Huang et al., 2005). Fgf10 нулевые мыши обнаруживают тяжелое подавление роста простаты с ограниченным количеством формирующихся зачатков. Добавление FGF10 частично обращает вспять этот фенотип, но только, если присутствует тестостерон (Donjacour et al., 2003).
В последнем исследовании, исследующем роль андрогенов в передаче сигналов Fgf дало озадачивающие результаты. Культивируемые стромальные клетки обнаруживали повышенную экспрессию Fgf7 и Fgf10 в присутствии андрогенов (Lu et al., 1999; Yan et al., 1992).В органной культуре крыс с экзогенным тестостероном не обнаружено эффекта на экспрессию Fgf10 в VP (Thomson and Cunha, 1999). Однако, обнаруживается пониженная экспрессия Fgf7 во всех долях простаты крыс, обработанных тестостероном (Thomson et al., 1997). Исследования in vivo на крысах установили, что экспрессия Fgf7 снижается у кастрированных мышей после применения тестостерона (Nishi et al., 1996). Кратковременные исследования in vitro на крысах в комбинации с тканями, ранее исследованными при развитии простаты привели нас к современному пониманию Fgf10 как к регулируемому андрогенами фактору роста (Pu et al., 2007). Хотя андроген не нужен для экспрессии Fgf10, но андроген способен увеличивать Fgf10 во время развития простаты (Pu et al., 2007).

WNT


Семейство Wnt состоит из 19 членов, которые соединяются с комплексом рецепторов, чтобы регулировать нижестоящие мишени (van Amerongen and Nusse, 2009). Путь Wnt активируется посредством инициального соединения WNT лиганда и его рецептора на клеточной поверхности frizzled (Fzd). Имеется несколько внеклеточных молекул и факторов, которые регулируют путь Wnt, немногие из них принадлежат к Wnt inhibitory factors (WIF), dick-kopf (DKK) protein, secreted frizzled-related proteins (SFRPs) и R-spondins (Prins and Putz, 2008; Kharaishvili et al., 2011). Передача сигналов Wnt имеет два основных пути канонический и не канонический, которые отличаются тем, что в канонической передаче сигналов необходим β-catenin, а в не каноническом - нет (Kharaishvili et al., 2011). Учитывая уже известную роль передачи сигналов Wnt в регуляции морфогенеза ветвления в лёгких, молочных железах и слюнных железах (Dean et al., 2005; Teuli?re et al., 2005; Patel et al., 2011), не удивительно, что передача сигналов Wnt играет роль в развитии простаты.
Имеется несколько WNT лигандов, экспрессирующихся во время развития простаты, включая Wnt5a, который экспрессируется обильно (Zhang et al., 2006; Prins and Putz, 2008; Mehta et al., 2011). WNT5a локализуется в эпителиальных клетках дистально, в строме вокруг протоков и во внеклеточном матриксе (Huang et al., 2009). При исследовании органных культур у мышей и крыс WNT5a вызывал подавление образования зачатков в простате, разрастаний протоков и ветвления и он избирательно снижал пролиферацию эпителия в центральных-дистальных регионах протоков (Allgeier et al., 2008; Huang et al., 2009). Химическое подавление передачи сигналов Wnt5a в культивируемых UGS не выявило изменений в образовании зачатков и ветвлении протоков (Allgeier et al., 2008). Wnt5a нулевые мыши имеют аномальное расположение зачатка, нерегулярный размер зачатка и чахлые простатические веточки (Huang et al., 2009). Морфогенез ветвления происходит, но рост снижен, а морфогенез кажется дезорганизованным. Wnt5a не нужен для инициации образования зачатков в простате, но, по-видимому, регулирует расположение зачатков, а также размер зачатка во время развития.
Несколько компонентов регулируют путь Wnt: Wnt антагонисты, Sfrp1 и Dkk1, посредством Lgr4 или стабилизации β-catenin. Экзогенные SFRP1 или DKK1 вызывают усиленный рост и ветвление (Joesting et al., 2005; Prins and Putz, 2008). Сходным образом, это наблюдается и in vivo при использовании мышей с избыточной экспрессией Sfrp1. Эти исследования подтверждают, что Sfrp1 противодействует дифференцировке в то же время конкурентно способствуют пролиферации (Joesting et al., 2008). Факторы, которые, как полагают, способствуют передаче сигналов Wnt, такие как Lgr4, как было установлено, способствуют пролиферации эпителия и морфогенезу ветвления при раннем развитии простаты (Luo et al., 2013).
Каноническая передача сигналов Wnt использует стабилизацию β-catenin. Трансгенная потеря гена, кодирующего β-catenin, Ctnnb1, эффективно устраняет каноническую передачу сигналов Wnt. Делеция Ctnnb1 во время эмбриогенеза на ст. E14.5-E16.5 устраняет образование зачатков протоков простаты (Simons et al., 2012). Однако, делеция Ctnnb1 после начала образования зачатков протоков возникают дефекты в росте и ветвлении протоков (Simons et al., 2012; Francis et al., 2013; Mehta et al., 2013). Развивающиеся Ctnnb1 мутанты обнаруживают пониженные количества p63+ клеток на кончиках протоков. Это привело к предположению, что передача сигналов Wnt необходима или для дифференцировки или поддержания базальных клеток (Mehta et al., 2013; Francis et al., 2013). Потеря функции Ctnnb1приводит к снижению экспрессии Nkx3.1 (Francis et al., 2013), тогда как избыточная функция Ctnnb1 приводит к повышению экспрессии BMP -2, -4, и -7 (Mehta et al., 2013). Эти наблюдения подтверждают, что каноническая передача сигналов Wnt является важным регулятором морфогенеза протоков и дифференцировки эпителия.

TGFβ/BMP


Transforming growth factor-beta (TGFβ) и bone morphogenetic proteins (BMPs) являются членами крупного семейства из сверхсемейства TGFβ генов. Передача сигналов TGFβ и BMP участвуют в развитии провтаты (Itoh et al., 1998; Lamm et al., 2001; Grishina et al., 2005). TGFβ и BMPs обладают общим законсервированным путем сигнальной трансдукции. Соединение TGFβ или BMP лиганда с их рецепторными комплексами приводит к фосфорилированию Smads. Передача сигналов BMP зависит от путей Smads1/5/8 и TGFβ, использующего Smads2/3 (Guo and Wang, 2009). Smads транслоцируются в ядро и регулируют экспрессию нижестоящих генов мишеней.
Передача сигналов TGFβ , как было установлено, регулирует морфогенетические процессы, а также разные клеточные функции, включая пролиферацию, апоптоз и дифференцировку (Itoh et al., 1998; Zhao et al., 1999; Datto and Wang, 2000; Kubiczkova et al., 2012). Все три известные изоформы TGF β, TGFβ1, TGFβ2 и TGFβ3 присутствуют в простате. Экспрессия TGFβ2 и TGFβ3 варьирует во время развития, тогда как экспрессия TGFβ1 остается постоянной (Itoh et al., 1998). Во время развития простаты у крыс TGFβ1 локализуется в гладкомышечных клетках вокруг протоков (Chang et al., 1999). Skinner and colleagues наблюдали, что экзогенный TGFβ1 снижает ветвление в простате на ст. P0 (Itoh et al., 1998). Изучение пролиферации у крыс по эффекту TGFβ1 на эпителиальные клетки показало снижение пролиферации в проксимальных частях протоков и повышенную пролиферацию в дистальных сегментах протоков. Это исследование предполагает, что дифференциальные эффекты определяются состоянием клеточной дифференцировки (Tomlinson et al., 2004).
BMPs, члены сверхсемейства TGFβ gene superfamily генов выполняют хорошо законсервированную роль в морфогенезе разных органов (Bellusci et al., 1996; Raatikainen-Ahokas et al., 2000; Lamm et al., 2001). Идентифицировано приблизительно 20 BMP лигандов (De Biase and Capanna, 2005). BMP4 и BMP7, как было установлено, играют роль в развитии простаты (Lamm et al., 2001; Grishina et al., 2005). Установлено участие передачи сигналов BMP при формировании паттерна UGS до инициации развития простаты и регуляция ветвления протоков во время развития простаты.
Роль передачи сигналов BMP в развитии простаты подтверждена при изучении Noggin нулевых мышей. Noggin член семейства секретируемых антагонистов BMP, куда также входят Gremlin, Chordin и Crossveinless2 (Wang et al., 2014). NOGGIN соединяется с BMP лигандом и блокирует передачу сигналов, предупреждая соединение BMP с его рецептором (Cook et al., 2007). NOGGIN способен соединяться с несколькими разными BMP лигандами, но обладает наивысшим сродством к BMP4 и иногда низким сродством к BMP2 и BMP7 (Balemans and Van Hul, 2002). Noggin -/- мутанты летальны; однако, урогенитальный синус самцов может быть нормализован до абортации эмбриона, изучен и трансплантирован под капсулу почки взрослых самцов. Анализ мутантов Noggin выявил отсутствие вентральных мезенхимных подушечек и полную потерю образования зачатков в VP доле. Ни Gremlin -/- , ни Chordin -/- мутантные мыши не обладают аберрантным паттерном образования зачатков (Cook et al., 2007). Эти находки указывают на то. что передача сигналов BMP необходима для корректного формирования паттерна UGS.
BMP4 и BMP7, по-видимому, участвуют в морфогенезе протоков (Lamm et al., 2001; Grishina et al., 2005). BMP4 широко экспрессируется в мезенхиме пренатальной простаты. С началом морфогенеза протоков экспрессия BMP4 становится ограниченной мезенхимой, непосредственно окружающей возникающие эпителиальные зачатки и пересекающей точки ветвления протоков. Добавление экзогенного BMP4 к культивируемым UGS снижает пролиферацию эпителия и образования зачатков протоков. Количественный анализ ветвления протоков у BMP4 гетерозиготных нулевых (+/-) мышей выявило существенное увеличение числа кончиков протоков в VP и AP долях. Эти данные показывают, что BMP4 действует как ингибитор, ограничивающий образование зачатков протоков и ветвление протоков (Lamm et al., 2001).
В отдельном исследовании экзогенный BMP7 снижал ветвление протоков в культуре экспланта, а образование зачатков протоков увеличивалось у BMP7 нулевых мышей (Grishina et al., 2005). Поскольку эффекты BMP7 напоминают таковые BMP4, хотя паттерн экспрессии BMP7 слегка отличается. Перед началом образования зачатков протоков экспрессия BMP4 и BMP7 ограничивается мезенхимой. Во время ветвления в простате мышей и крыс экспрессия BMP7 в отличие от BMP4, сдвигается в эпителий протоков, при этом экспрессия наиболее выражена на кончиках растущих протоков (Grishina et al., 2005; Huang et al., 2005). Связаны ли динамические изменения в паттернах экспрессии с их эффектами на морфогене, неизвестно, но ясно, что BMP4 и BMP7 действуют как ингибиторы, ограничивающие образование зачатков протоков и морфогенез ветвления (Lamm et al., 2001; Grishina et al., 2005).

OTHER FACTORS


Из др. вносящих вклад факторов, напр., estrogen receptor-α (ERα) нулевые мыши обнаруживают снижение ветвления в DLP и VP долях, указывая тем самым, что ERα может играть критическую роль в морфогенезе ветвления (Chen et al., 2009).
Члены семейства paired box (PAX) генов, такие как PAX2, как было установлено, играют критическую роль в урогенитальном развитии (Torres et al., 1995). Анализ in vitro мутантов Pax2 выявил снижение ветвления и дезорганизацию эпителия развивающейся простаты. Аномалии у мутантов Pax2, как полагают, являются результатом снижения эпителиальной дифференцировки (Xu et al., 2012).
Krüppel-like factor 6 (Klf6) является транскрипционным фактором, важным для стабильности кровеносных сосудов и активации T клеток, но он также, по-видимому, играет важную роль в ветвлении (Kuo et al., 1997a, 1997b). У Klf6 conditional нулевых мутантов нарушено латеральное ветвление и теряются вторичные веточки в AP доле. Аномалии ветвления могут быть частично обусловлены усилением передачи сигналов Shh и BMP4 у Klf6 conditional нулевых мутантов (Leow et al., 2009).
В дополнение к морфорегуляторным путям неканоническая передача воспалительных сигналов была изучена в развитии простаты (Jerde and Bushman, 2009). Обзор экспрессии цитокинов в развивающейся простате выявил обильную экспрессию нескольких секретируемых цитокинов, включая interleukin-1α (IL-1α), IL-1β, IL-1F8, IL-6, IL-8, IL-12, IL-13 и IL-17. Изучение органных культур показало, что экзогенный IL-1 усиливает пролиферацию эпителия и экспрессию insulin-like growth factor-1 (IGF-1). Активные рецепторы IL-1α и IL-1β лигандов является IL-1R1. Изучение IL-1R1 нулевых мышей выявило существенное снижение размера и ветвления VP и DLP долей. Это исследование показало, что IL-1 лиганды присутствуют в эпителии и действуют на строму, это затем приводит к продукции IGF посредством пути JAK-STAT (Jerde and Bushman, 2009).

EXTRACELLULAR MATRIX


Ранние исследования описали морфологию и взаимодействия эпителиально-мезенхимных тканей, лешие в основу нашего понимания развития простаты. Значительные количества исследований в последнее время касались генетических путей и молекул, необходимых для инициации, образования зачатков, ветвления и дифференцировки. Однако, один компонент развития простаты исследован недостаточно в отношении его роли - это внеклеточный матрикс (ECM). Помимо его роли в качестве каркаса, ECM обнаруживает биофизические и биохимические свойства. которые влияют на поведение и функцию клеток. Биофизические свойства ECM, включая макромолекулярную структуру, силы растягивания и сжимания, гидратация и pH могут способствовать или подавлять клеточную миграцию, влияя на биохимические процессы в микроокружении и влияя на пролиферацию и поляризацию (rev. Schedin and Keely, 2011; Varner and Nelson, 2014; Mouw et al., 2014).
Ориентация и расположение коллагеновых волокон, как было установлено, влияют на морфогенез ветвления молочных желез (Schedin and Keely, 2011), при этом выравненные коллагеновые волокна удлиняются за пределы терминального конца зачатка, устанавливая паттерн, по которому должны следовать клетки (Ingman et al., 2006; Kim and Nelson, 2012). В дополнение к биофизическим свойства ECM, большое количество макромолекул представлено в ECM, включая коллагены, протеогликаны, интегрины и MMPs, которые могут непосредственно или косвенно влиять на экспрессию генов и регуляцию клеточного поведения (rev. Bonnans et al., 2014). MMPs, по-видимому, играют специфическую важную роль в ремоделировании ECM, облегчая миграцию клеток в ECM посредством его деградации и высвобождая факторы роста, секвестрированные в ECM (Hynes, 2009).
Роль ECM в морфогенезе стала фокусом исследований ветвящихся систем органов, таких как легкие и почки, вместе с железистыми системами, включая слюнные и молочные железы. Поскольку влияние ECM на морфогенез ветвления не до конца ясно, но безусловно его роль важна. Напр., fibronectin необходим для нормального морфогенеза ветвления в развивающихся легких и почках. В развивающихся лёгких нарушения фибронектина приводят к снижению ветвления, тогда как добавление экзогенного фибронектина, по-видимому, увеличивает ветвление (De Langhe et al., 2005; Sakai et al., 2003). Молочные и слюнные железы нуждаются в коллагене для соотв. морфогенеза ветвления (Kim and Nelson, 2012). Mmp2- и Mmp3-нулевые мыши обнаруживают дефекты первичного и бокового ветвления в развивающихся молочных железах, соотв. (Wiseman et al., 2005). Детали в обзорах (Schedin and Keely, 2011; Kim and Nelson, 2012; Bonnans et al., 2014).
Хотя исследования in vitro предоставляют важную информацию модели не могут полностью воспроизвести сложность ECM. Относительно немного исследований посвящего роли ECM в развитии простаты in vivo. Паттерны сульфатирования в ECM простаты были изучены давно, но до сих пор роль паттернов сульфатирования в развитии не изучена. Образование зачатков простаты, как было установлено, облегчается за счет зависимых от андрогенов изменений в паттерне heparan sulfates (HS), но остается неясным как HS регулируются андрогенами (Buresh et al., 2010). Генетическая потеря ECM белка, tenascin-C (TN-C), приводит к аномальной морфологии протоков простаты (Ishii et al., 2008). In vivo, потеря MMP2 вызывает общее снижение размера VP доли и дезорганизацию эпителия (Bruni-Cardoso et al., 2010). Эти немногие исследования демонстрируют, что компоненты ECM необходимы для канонического морфогенеза протоков, но как ECM влияет на развития простаты, неизвестно. Необходимо выяснить: (1) как компоненты ECM регулируются, экспрессируются и ремоделируются; (2) как регуляция и ремоделирование ECM скоординированы с ростом и ветвлением протоков; и 3) как разные механизмы контролируют эти процессы.

CONCLUSIONS


A review focused on development begs the question, what is the relevance to human health, specifically to prostate cancer? It is widely accepted that there is a strong parallel between prostatic development and prostate cancer. Unsurprisingly, all of the morphoregulatory pathways discussed in this review have also been implicated in prostate cancer (Shtivelman et al., 2014). For example, Sox9 is critical for prostate development and expression was found to be associated with higher grades of prostate cancer (Thomsen et al., 2010). Similarly, elements of the ECM have been implicated as key features of the tumor microenvironment that influence tumor growth and behavior (Edwards, 2012). As with studies of most cancers, these studies have correlated gene expression with tumor grade, tumor growth, and spread. However, the morphology of the cancer has been largely overlooked.
The grading system for prostate cancer, the Gleason scale, is based exclusively on the tumor morphology as reflected in architecture of the glandular elements and is strongly predictive of tumor behavior and mortality. No common human tumor exhibits a greater prognostic dependence on tumor tissue architecture than prostate cancer. It is indeed remarkable that the Gleason scale, a simple morphological metric, seemingly integrates all of the genetic disruptions involved in malignant transformation to yield a powerful prediction of tumor behavior ranging from indolent to highly aggressive. Understanding and predicting tumor behavior is a high priority goal in prostate cancer. It is necessary to distinguish men who would benefit from aggressive treatment from those for whom overtreatment should be avoided. Because tumor behavior is so closely linked to tumor morphology, it is incumbent upon us to fully elucidate the mechanisms that regulate normal prostate morphogenesis, their reiteration in tumor morphogenesis, and the manner in which this determines tumor behavior.