Посещений: 
РАННЕЕ РАЗВИТИЕ ГОНАД
Генетический контроль
Genetics and Genomics of Early Gonad Development Kai K.MiuDan D.CaoGangLuWai Y.Chan et al.  Human Reproductive and Prenatal Genetics
2019, Pages 27-50
| |
|
Во время первоначальной ст. развития гонады самцов и самок остаются индиффкерентными, а присутствие гормональных сигналов в более позднем развитии диктует половые качественные особенности. Развитие гонад в основном необходимо для расположения примордиальных зародышевых клеток и предопределения развития качественных особенностей репродуктивного тракта. В ходе развития гонад primordial germ cells (PGCs) мигрируют посредством задней кишки и мезентерия, чтобы колонизировать свои анатомические ниши, при этом наблюдается активная митотическая пролиферация у самцов, тогда как происходит вступление клеток в мейотический цикл у самок, чтобы продуцировать соотв. гаметы. Сегодня ясно, что как половая принадлежность, так и место миграции для PGCs не предопределены с помощью индифферентных первичных гонад. В самом деле, PGCs реагируют на химические сигналы и мигрируют в соседние регионы независимо от того, происходит ли развитие гонад [1].
Не является неожиданностью, что присутствие Y хромосомы наиболее важно присутствием пол-определяющего гена SRY на этой хромосоме у эмбрионов, который обладает достаточной информацией, чтобы управлять специфичной для самцов программой дифференцировки в ранних бипотентных гонадах [2], [3]. Фактически, формирование гонад происходит поэтапно по необратимому пути к специфической для самцов или самок дифференцировке репродуктивного тракта. Гормональные инструкции, такие как стероидные гормоны и anti-Muuml;llerian hormones (AMH), присутствующие у самцов приводят к формированию мужского репродуктивного тракта, сигналы которого приводят к регрессии Müllerian канала, структуры, которая в женском репродуктивном тракте дифференцируется в отсутствие гормонов [4]. PGCs ожидают соотв. сигналов от формирующегося органа, чтобы начать управлять или мейотическим или митотическим процессом. Фактически, самопроизвольная (default) женская анатомия д. позволять PGCs становиться оогониями в кортексе после мейотического ареста [5]. У самцов PGCs колонизируют вновь сформированный семеносный (seminiferous) тяж из мозгового слоя и подвергаются повторным митотическим делениям, становясь резидентными сперматогониями.
Последние исследования показали, что корковое вещество надпочечников и гонад происходят из одного и того же примордия, присутствующего во время раннего мочеполового развития [6], [7], [8]. Они были похожи в том смысле, что оба они представляют основные места для стероидогенеза в организме. Наша глава посвящена генетике, управляющей ранним развитием недифференцированных половых желез.
Развитие гонад связано с серией аппаратов транскрипции, аномалии которых часто приводят к бесплодию или смене пола. Ключевые транскрипционные факторы, лежащие в основе развития гонад, отвечают за одну из этих функций: (1) становление стероидогенного adrenogonadal primordium (AGP); (2) подразделение и дифференцировка полового гребня из AGP; (3) специфичная для самцов дифференцировка, чтобы отойти от самопроизвольной женской программы; и (4) продукция сигналов, обеспечивающих питание PGCs. Не удивительно, что транскрипционные факторы, контролирующие развитие первичных гонад эволюционно законсервированы, при этом многие из этих генов обнаруживают общую унифицированную функцию в гонадах с определившимся полом у обоих полов, несмотря на тот факт, что изменения их экспрессии оказываются дифференциальными[9], [10], [11]. В самом деле, такое расположение может также объяснить, почему экспрессия этих транскрипционных факторов осуществляется с высокой пространственно-временной точностью в гонадах. Тем не менее, соотв. дозы генов являются ключом к предупреждению изменения пола. Давно известный аргумент, что SRY является уникальным детерминантом пола, известно, как эти транскрипционные факторы влияют на экспрессию SRY во время развития гонад, это может указывать на то, каковы пространственно-временные потребности, которые диктуют становление мужской судьбы.
Наша группа осуществила сложный serial analysis of gene expression (SAGE) профилирования развития гонад, т.е., GonadSAGE, чтобы продемонстрировать временные паттерны генной экспрессии при формировании мужских гонад в разных временных точках развития [12]. Это была первая общедоступная интерактивная база данных, содержащая транскриптомную информацию о развитии гонад у самцов. Результатом SAGE явился беспристрастный, основанный на подсчете ряда коротких последовательностей, идеально подходящий для статистического сравнения подход. Это привело к дебатам относительно доказательности баз данных с потенциалом идентификации новых генов, поскольку последовательности транскриптов нет необходимости знать a priori. Кроме того, удобно проводить сравнения по уровню относительной экспрессии представляющего интерес гена в определенные моменты развития. Фактически, база данных помогла идентифицировать несколько новых генов, связанных с определением пола, мейозом и стероидогенезом. Более того, некоторые из этих наблюдений обнаруживали корреляцию с дефектами развития у животных моделей. Всего 6 стадий эмбрионального развития самцов мыши были включены (E10.5, E11.5, E12.5, E13.5, E15.5 и E17.5) в базу данных. Общее количество меток было сопоставимо среди образцов секвенирования, в то время как охват генов также был сбалансирован в ходе последовательного анализа. Профили экспрессии E10.5 - E12.5 были отобраны в этой главе как репрезентативные временные ориентиры для раннего развития гонад.
Во время этого временного промежутка, Sry временно обнаруживае т избыточную экспрессию в гонадах для подготовки детерминации мужского пола [2], [13]. В мужских гонадах экспрессия Sry способствует дифференцировке предшественников гонад в клетки Sertoli, главным образом посредством передачи сигналов Wnt. На этой стадии бипотентность гонадного гребня, по-видимому, затухает на E11.5, совпадая со временем появления транскрипционного фактора SOX9, фактора дифференцировки специфичной для самцов. Следовательно, фенотипический пол может быть обратимым после дефектов, возникших до этого момента времени. Мы идентифицировали важную сеть, управляющую развитием репродуктивной системы в каждой из трех временных точек и изученными транскрипционными факторами, связанными с развитием гонад. В попытке идентифицировать сеть, связанную с развитием репродуктивной системы, мы отфильтровывали экспрессируемые генные метки из базы данных GonadSAGE, отсекая при этом числа меток ниже 30 с последующим запуском анализа функций ядра из базы данных Ingenuity Pathway Analysis (IPA).
Также мы рассмотрели ключевые факторы транскрипции и классифицировали их в соответствие с их основными функциями, важными для steroidogenesis, поддержания качественных особенностей гонад и предопределения пола (reversal) на примере этих трех временных точек, которые были проанализированы посредством IPA. Онтология генов и обогащение сигнального пути были выполнены путем кластеризации восстановленных дифференциально экспрессируемых генов, которые или прямо или косвенно находятся ниже изученных транскрипционных факторов, описанных с помощью IPA базы данных. Нижестоящие гены были затем использованы для анализа обогащения пути, если они представляли дифференциальное количество меток среди последовательных выборок смежного хронологического порядка.
Molecular Physiology in Gonad Development
Примордиальные гонады формируются как пара целомических эпителиальных слоев на вентро-медиальной поверхности мезонефросов, идущих по обеим сторонам дорсального мезентерия [14], [15]. Начало развития гонад происходит после дифференцировки пронефросов и мезонефросов из промежуточной мезодермы на ст. E9.5. Пока молекулярные пути или химические сигналы, приводящие к началу развития полового гребня остаются в основном неизвестными.
Первоначальные структуры, обозначаемые как adrenogonadal primordium (AGP) формируются вскоре после формирования мезонефросов. В AGP, транскрипционная сеть маркирована Gata4 и Wt1 [16]. Вскоре после этого начинается экспрессия Sf1 в AGP, который подает сигнал для стероидогенеза в примордиях будущих надпочечников и гонад [6]. Поскольку экспрессия этого орфанового ядерного рецептора ограничена AGP, то несомненно SF1 белок маркирует качественные особенности, позволяющие идентифицировать настоящие гонадные соматические клетки предшественники. В самом деле, AGP включает в себя все клетки, формирующие стероидогенные структуры в теле, в то время как его расщепление заключается в расхождении в локальной экспрессии Gata4 и Wt1. В передней части мезонефросов происходит утолщение локального целомического эпителия, который в будущем станет половым гребнем, распространяющимся на заднюю половину мезонефросов. экспрессия Gata4 и Wt1 ограничивается позднее половым гребнем, в то е время они молчат в остальной части AGP, которая будет формировать зачаток коры надпочечника на ст. E10.5.
Согласно IPA (Diagram 1 ниже), развитие репродуктивной системы и функциональной сети на ст. E10.5 связано с "Cellular assembly and organization" и "Cell-to-cell signaling and interaction." В самом деле, большинство узлов генов в этой сети связано с chaperonin containing T-complex protein (CCT/TCP) комплексом. Напр., Cct3 в узле с наибольшим количеством краев кодирует субъединицу γ T-complex protein 1 (Tcp1) , которая является молекулярным chaperonin, принадлежащим к TCP1 ring complex (TRiC) [17]. Неупакованные цитоскелетные субъединицы включают актиновые и тубулиновые полипептиды, проникающие в центральную полость комплекса, чтобы быть упакованными зависимым от АТФ способом. Др. узлы генов в комплексах включают членов семейства prefoldin (Pfdn) [18]. Эти молекулярные кофакторы помогают chaperonin в упаковке др. появляющихся белков, особенно участвующих в укладке актина. Кроме того, члены семейства Cct могут взаимодействовать с Dkc1 [19]. Этот ген участвует в поддержании стабилизации теломеразы и поддержании, а также в обеспечении стабильности во время биогенеза и сборки small nucleolar RNA ribonucleoproteins (snoRNPs). Он также участвует в в обеспечении перемещений между ядром и цитоплазмой, в реакции на повреждения ДНК и клеточной адгезии.
 Diagram 1. The reproductive system development and function network (E10.5).
Более того, комплекс CCT/TCP сцеплен с focal adhesion kinase (Fak) посредством узлов, ответвляющихся от pleiotrophin (Ptn) и Tsc22d1. Ptn кодирует секретируемый связывающий heparin ростовой фактор, стимулируемый с помощью phospholipase C и GPCR пути [20]. Он играет важную роль в пролиферации клеток, миграции клеток и ангиогенезе. Tsc22d1 кодирует zipper транскрипционный фактор, принадлежащий к TSC22 доменовому семейству, регулируемый с помощью transforming growth factor β (TGFβ), его сигналы необходимы для экспрессии др. генов, включая C-type natriuretic пептид [21]. Fak кодирует тирозин киназу, обнаруживаемую в фокальных адгезиях между клетками, взаимодействующими с внеклеточным матриксом (ECM). Эта киназа важна для связи с ECM, для передачи внутриклеточных сигналов, чтобы регулировать клеточный рост. Кроме того, др. узел, сцепленный с Fak является Dlk1, который кодирует трансмембранный белок со многими повторами эпидермального фактора роста, который также регулирует клеточный рост и участвует в клеточной дифференцировке [22].
Итак, формирование гонадного гребня на ст. E10.5 нуждается в межклеточной передаче сигналов и взаимодействиях фокальной адгезии с ECM для принятия решения об активной пролиферации. Этот процесс, по-видимому, регулируется с помощью передачи сигналов TGFβ в результате чего происходит процесс эпителиально-мезенхмного перехода (EMT) [23].
В самом деле, некоторые целомические клетки после этого теряют свои эпителиальные признаки в результате процесса EMT и трансформируются в SF1-позитивные клетки предшественников гонад. Эти клетки затем выходят (ingress) благодаря дезинтеграции базальной мембраны [24]. После возникновения утолщения целомического эпителия CBX2/M33 вместе с экспрессирующимся в мезенхиме транскрипционным фактором POD1 модулируют экспрессию Sf1, чтобы регулировать клеточную пролиферацию и дифференцировку генитального гребня [25], [26]. Ранний генитальный гребень т.о., образуется как скопление пролиферирующих предшественников гонад, покрытых частично исходным целомическим эпителием. Затем гонады увеличиваются за счет клеточной миграции из соседней мезенхимы мезонефросов на ст. E11.5.
Как и на ст.E10.5, комплекс CCT/TCP является важным для развития репродуктивной системы и функционирования сети, он также связан со сборкой клеток и межклеточными взаимодействиями, как показывает IPA (Diagram 2). Партнером по взаимодействию комплекса является stathmin 1 ( Stmn1), кодирующий повсеместный фосфопротеин, участвующий в дестабилизации микротрубочек путем предупреждения их сборки [27]. Др. партнерами являются ключевые игроки сигнального пути Rho GTPase, участвующие в регуляции принятия решения о контактном ингибировании или anoikis, зависящим от закрепления [28]. В частности, p21 activated kinase (Pak) служит в качестве мостика для связи Rho GTPases с реорганизацией цитоскелета и передачи ядерных сигналов. Фактически сеть демонстрирует связь перестройки цитоскелета с клеточной пролиферацией посредством пути mitogen-activated protein kinase (MAPK), при этом узлы представлены stress-activated protein kinase (Sapk/Jnk), Sos, Raf, etc. Фактически, активность SAPK может быть также индуцирована с помощью и др. клеточных стимулов, но основной функцией её является экспрессия непосредственно ранних генов, чтобы регулировать принятие решений или о пролиферации клеток или о запрограммированной клеточной гибели, обеспечиваемой cytochrome С с помощью прирожденного апоптоз [29].
Diagram 2. The reproductive system development and function network (E11.5).
Сеть демонстрирует важность зависимости от закрепления, чтобы принимать решения о клеточной пролиферации или запрограммированной клеточной гибели посредством активности SAPK. Некоторые клетки гонад поддерживают жизнеспособность благодаря своему мезенхимному переходу, чтобы избегать контактного ингибирования, тогда как остальные клетки, не подвергающиеся EMT, направляются на апоптоз посредством передачи сигналов Rho GTPase. Такая зависимость от клеточной полярности подкрепляется идеей, что и EMT, и клеточная пролиферация являются активными процессами, возникающими в гонадах на ст. E11.5.
Мигрирующие стромальные клетки пронизывают гонады в направлении их поверхности, разделяют половые тяжи (sex cords), где они индуцируют настоящий эпителий для покрытия гонад [30]. Сходным образом, происходящие из мезонефросов клетки формируют сосудистую сеть гонад. С этого времени, PGCs мигрируют в них и размещаются среди SF1-позитивных клеток предшественников гонад. Вскоре после этого экспрессия Sf1 прекращается в клетках целомического эпителия и эти клетки дают интерстициальные клетки [31]. Наконец, клетки предшественников гонад заключают PGCs внутри половых тяжей и медленно дифференцируются или в клетки Sertoli cells в развивающихся семенниках или фолликулярные (granulosa) клетки в развивающихся яичниках на стадии E12.5 [13].
Развитие репродуктивной системы и функциональной сети на ст. E12.5 связано с "Cell Morphology" и "Organ Morphology," и для этого используется в основном cytochrome C и процесс митохондриальной проницаемости (Diagram 3 below). Передача сигналов PKA регулирует ITPR, важный для передачи сигналов кальция с помощью вторичного мессенджера inositol trisphosphate (IP3) [32]. Передача сигналов кальция также важна для управления высвобождения cytochrome C из митохондрий, чтобы регулировать клеточный апоптоз. Кроме того, cytochrome C может взаимодействовать с фосфатазами в сети, особенно с фосфотазой Ppp1C в качестве соединяющего узла. Члены семейства PP1 являются важными фосфатазами, необходимыми для клеточных делений [33]. Др. действием фосфатаз является регуляция Wbp11, Nudt4 и Nudt5 в сети. Wbp11 кодирует ядерный белок, который локализуется совместно с факторами сплайсинга мРНК и промежуточными филаментами, содержащимися в околоядерной сети [34]. Этот белок может соединяться с WW доменом др. ядерного белка, NPW38, чтобы функционировать как компонент фактории мРНК. Члены семейства NUDT регулируют оборот diphosphoinositol polyphosphates высокой энергии, которые важны для внутриклеточных перемещений (trafficking) [35].
 Diagram 3. The reproductive system development and function network (E12.5).
Сеть иллюстрирует, что морфология органа изменяется в гонадах на ст. E12.5. В гонадах самцов клетки Sertoli формируются из предшественников гонад и они заключают PGCs, чтобы сформировать половые тяжи, тогда как мигрирующие мезенхимные клетки дифференцируются и сливаются, чтобы сформировать сосудистую сеть. PKA и её взаимодействие с передачей сигналов кальция необходимы для модулирования морфологии органа, поскольку фосфатазы регулируют разные внутриклеточные процессы, включая процессинг транскриптов и внутриклеточный транспорт материалов.
Половой диморфизм гонад в терминах как клеточных процессов, так и морфологии, становится очевидным, начиная со ст. E11.5,благодаря начинающейся дифференцировке предшественников гонад. Различия в морфологии характеризуются появлением половых тяжей. Хотя точное происхождение клеток Sertoli в семенниках всё ещё остается неясным, отслеживаемые связи подтверждают, что большинство из них возникает из тех самых SF1-позитивных клеток предшественников гонад, которые происходят из проникших целомических эпителиальных клеток [36], [37]. Эти клетки экспрессируют временно ген Sry, что сопровождается начинающейся экспрессией Sox9, чтобы обеспечить детерминацию клона около E11.5.
В гонадах самцов целомический эпителий продолжает подвергаться активной пролиферации в генитальных гребнях на ст. E11.5. Этот феномен связан с увеличением образования большего количества SF1-позитивных предшественников гонад, чтобы они могли дифференцироваться в будущие клетки Sertoli [36]. Вновь сформированные клетки Sertoli подают сигналы к организации двух основных компартментов в семенниках, которые включают тяжи семенников с PGCs, агрегированные в слое клеток Sertoli, окруженные peritubular миоидными клетками и интерстиций семенников, содержащий сосудистую сеть и плодные клетки Leydig, которые продуцируют стероидные гормоны [38]. Половые тяжи становятся семявыносящими канальцами в ходе дальнейшего развития. После того, как семенники разовьются, морфология наружных гениталий управляется с помощью секреции anti-Müllerian гормона, это приводит к регрессии Müllerian протоков [4].
Известно, что плодные клетки Leydig рекрутируются и трансдифференцируются из др. клеток скорее, чем формируются в результате повторных митотических делений уже дифференцированных клеток Leydig [39]. Однако, недавно было установлено, что как клетки Sertoli, так и плодные клетки Leydig происходят из одной популяции стероидогенных предшественников гонад [40]. Кстати, отсутствие более подходящих маркеров, чтобы пометить популяцию предшественников мешает характеризации гетерогенности клеток в гонадах до детерминации пола. Поэтому необходимо РНК секвенирование одиночных клеток для отслеживания взаимоотношений клонов и изменений в экспрессии индивидуальных клеток в пуле [40]. Одиночная недетерминированная клетка в популяции на ст. E10.5, как было установлено, сначала быстро дает клетки Sertoli примерно на E11.5 , тогда как некоторые из оставшихся предшественников развиваются, чтобы экспрессировать гены маркеры стероидогенных предшественников, которые вскоре становились плодными клетками Leydig. Оставшиеся предшественники не могли превращаться, чтобы формировать дополнительные клетки Sertoli, поскольку нуждались в экспрессии нескольких генов, включая Wt1 и Cbx2, чтобы способствовать экспрессии Sry и Sox9 для дифференцировки в клон Sertoli. Многие из этих генов замалчиваются после ст. E11.5, так что становится невозможной трансдифференцировка этих стероидогенных предшественников обратно в клетки Sertoli [40].
Важно, чтобы ретиноевая кислота (RA), химический сигнал для запуска мейоза в PGCs, молчала при развитии гонад самцов [41]. В самом деле, выраженные уровни GF9 в гонадах сигнализируют об подавлении секреции RA, поскольку активная транскрипция Cyp26b1, продуцирующего метаболические энзимы, активно разлагающие RA для поддержания её на низком уровне. Следовательно, PGCs продолжают пролиферировать и вскоре становятся сперматогониями в половых тяжах.
Напротив, гонады самок с проникновением целомических, происходящих из эпителия клеток, дифференцирующихся в фолликулярные зернистые (granulosa) клетки, образуют смешанный пул или целомических или мезонефричских мультипотентных предшественников, формирующих клетки оболочки (theca) [42]. После предопределения пола в отсутствие экспрессии Sox9 экспрессия Rspo1 и Wnt4 усиливается, в то время как SF1-позитивные клетки предшественников гонад собираются в овариальные фолликулы, каждый заключает один ооцит, происходящий из PGCs, подвергается мейозу, индуцированному с помощью RA [43]. В отсутствие активной пролиферации не удивительно, что SF1-позитивные предшественники гонад исчезают в гонадах самок примерно на ст. E13.0. Самопроизвольное (default) состояние без маскулинизации с помощью стероидных гормонов делает возможной дифференцировку Müllerian протоков, чтобы дифференцироваться в органы репродуктивного тракта, включая матку и верхнюю часть влагалища.
Essential Transcription Factors in Gonad Development
Transcription Factors Required for Steroidogenesis
SF1-The Transcription Factor for Steroidogenic Enzymes
Ген Sf1 кодирует белок Steroidogenic Factor 1. Экспрессия Sf1 возникает непосредственно после Gata4 в AGP. тогда как его транскрипты остаются обнаружимыми во всех клетках, которые дают или кортекс надпочечников или генитальный гребень [6]. Биаллельная потеря Sf1 приводит к неспособности развития надпочечников и гонад после индиферентной стадии [44]. Ген Sf1 кодирует орфановый ядерный рецептор, регулирующий экспрессию нескольких генов, участвующих в стероидогенезе, а также в развитии гениталий, таких как члены steroid precursor synthetic enzymes, включая cytochrome P-450 hydroxylases и негативный регулятор стероидогенеза, Dax1 [45].
Функция гена не ограничена стероидогенезом. Мутантный Sf1 у XY (male) эмбрионов инициирует частично самопроизвольное женское развитие с помощью остатков, происходящих предположительно из Müllerian протоков, включая верхнюю часть влагалища и матку [6]. Было установлено, что один из генов сенсибилизации находится на низком уровне, независимая от пола экспрессия Sox9 определенным способом устраняется в гонадах SF1-нулевых мутантов обоих полов на ст. E10.5 [46], [47]. SRY соединяется с SF1, чтобы сформировать комплекс, который запускает экспрессию Sox9 для спецификации мужской дифференцировки путем формирования клеток Sertoli [48].
Повторяющиеся воздействия на нижестоящие мишени SF1 приводят к регуляции ключевых генов липидного метаболизма и адипогенеза на ст. E10.5, включая Hdac4, Hdac5, Kat2a и Sox9. В течение того же самого периода, передача сигналов Wnt активируется с помощью SF1-индуцированной экспрессии β-catenin (Ctnnb1) и повышается экспрессия Pou5f1 (Oct4), Sox2, Sox8 и Sox9. Этот сигнальный путь важен для пролиферации клеток гонад [49]. Процесс развития после этого зависит от SF1-управляемой передачи сигналов RA, которая участвует в поддержании высокого уровня экспрессии Nr2f1 и Cdk7 на ст. E11.5. RA в качестве локального паракринного сигнала может стимулировать соседние типы клеток реагировать на процессы развития гонад [50]. Активированный Cyp26b1 вместе с этим путем может служить частично в качестве ключевого детерминанта мейотических событий в гаметах. В развивающихся семенниках активная деградация RA в присутствии этого энзима предупреждает мейоз во время развития гонад [51], [52].
После ст. E12.5, SF1 усиливает активность экспрессии Amh, Amhr2, Cyp11a1, Gata4, Lhcgr и Sox9. Это вместе с высокими уровнями Esr1, Gal и Cyp26b1, будет приводить к дифференцировке и созреванию мужского репродуктивного фенотипа. Наиболее важной функцией SF1 затем является активация ключевых энзимов, отвечающих за синтез стероидного гормона путем катализа продукции предшественника стероидного гормона pregnenolone. В самом деле, SF1-обусловленная активация транскрипции стероидогенных генов, кодирующих энзимы, такие как Cyp11a, Cyp17 и Cyp19 важна для синтеза андрогенов и эстрогенов [53]. SF1 находится также выше StAR, транспортного белка, регулирующего перенос холестерола в митохондриях [8].
Итак, SF1 участвует в регуляции пролиферации в гонадах под действием пути передачи сигналов Wnt в начале развития гонад. Затем он обращается к транскрипции метаболических энзимов, существенных для синтеза стероидных гормонов, и поддерживает созревание мужского фенотипа после формирования клеток Sertoli.
GATA4-Its Presence is Crucial for the Development of Genital Ridge After AGP Split
Ген Gata4 кодирует белок GATA binding protein 4. GATA4 маркирует место будущего развития гонад, предопределяя формирование AGP в то время как его экспрессия прекращается в зачатке коры надпочечника после разделения [16]. Клетки, которые вносят вклад в передне-заднее утолщение целомического эпителия, образующего выпячивание передней части AGP при формировании генитального гребня, являются GATA4-позитивыными. Это четко демонстрирует важность его действия, уникального для генитального гребня. Предыдущие исследования показали, что экспрессия Gata4 является существенной для дезинтеграции базальной мембраны, лежащей под целомическим эпителием, и для пролиферации клеток в этом эпителии [54], [55].
Путем совместного действия с своим кофактором FOG2, белок GATA4 формирует множество белковых комплексов с ключевыми детерминантами развития, такими как SF1, чтобы регулировать экспрессию пол-детерминирующих генов, включая Sry, Sox9 и Amh, и с ключевыми стероидогенными генами, такими как Star и Cyp19a1 [8], [56]. Он является критическим для понимания, что Gata4 является единственным членом внутри семейства, который экспрессируется только в соматических типах клеток внутри бипотентных гонад, но никогда не обнаруживается в PGCs [57]. Его экспрессия сохраняется вплоть до ст. E11.5 у обоих полов, тогда как он подавляется в эмбриональных гонадах самок. У эмбрионов самцов он продолжает экспрессироваться в клетках Sertoli вплоть до ст. E13.5 [54]. Этот паттерн экспрессии маркера сходен с таковым для SF1, указывая, что GATA4 выступает как реальный маркер некоторых клеток предшественников гонад.
Имеются сообщения о снижении уровня базальной транскрипции в Fog2-дефицитных гонадах самцов на ст. E11.5, это сопровождается отсутствием экспрессии Sox9 [56]. Такой феномен, скорее всего, указывает на вовлечение Gata4 в половую дифференцировку. Влияние GATA4 было подтверждено демонстрацией усиления кооперативности с WT1, чтобы связывать промотор Sry [56]. Тем не менее сходная кооперативность наблюдалась на Amh промоторах [56], [58]. Становится очевидным, исходя из того факта, что отсутствие экспрессии с Gata4 или его кофактора Fog2 предупреждает специфичную для самцов дифференцировку [59]. Однако, у мутантов, у которых обнаруживается отсутствие взаимодействия между двумя факторами, неожиданно повышаются уровни WNT4, который важен для предопределения развития яичников. было продемонстрировано, что взаимодействие между двумя факторами необходимо для предопределения пола, тогда как присутствие только GATA4 достаточно для женской дифференцировки после предопределения пола [60].
На нашем серийном профиле GATA4 участвовал в регуляции как передачи сигналов кальция, так и в сигнальном пути integrin-linked kinase (ILK) в индифферентных гонадах после формирования генитального гребня на ст. E10.5. Эти гены, включая Actc1, Ep300, Gsk3b, Hdac2, Med2d, Nfatc4 и Slc8a1, обычно демонстрируют повышенную активность вплоть до ст. E11.5. Передача сигналов ILK ранее была продемонстрирована как важная для формирования гонад у нематод [61]. Цитоскелет, особенно актиновые сети, могут быть дезинтегрированы, если нарушена регуляция ILK, тем самым нарушается структура гонад. GATA4 продолжает модулировать сборку актина на ст. E12.5, одновременно индуцируя экспрессию Amh, Inhb, Lhcgr и Ntf4 вместе с сигнальным путем Activin/FSH, важным для развития мужского репродуктивного тракта.
Итак, GATA4 участвует в управлении сетью актинового цитоскелета посредством передачи сигналов кальция и пути передачи сигналов ILK в ходе всего раннего развития гонад. Это подтверждает важность межклеточных контактов передающих сигналы для ремоделирования архитектуры цитоскелета. Продолжительная экспрессия Gata4 модулирует экспрессию Sox9 в индифферентных гонадах и остается на низких уровнях в гонадах самцов, чтобы впоследствии усиливать программу специфичной для самцов дифференцировки.
DAX1-A Negative Regulator for Steroidogenesis
Ген Dax1 кодирует белок DSS-AHC в критическом регионе X хромосомного белка 1, это указывает на то, что его мутация вызывает нарушения развития, включая X-сцепленную врожденную adrenal hypoplasia (AHC) и гипогонадотропный гипогонадизм [62]. Dax1 является негативным регулятором стероидогенеза за счет ингибирования экспрессии Cyp11A, Cyp17, и Cyp19 [63]. Dax1 играет выдающуюся роль в репрессии экспрессии Star, это может приводить к патологическому накоплению липидов в клетках, несмотря на тот факт, что оно менее тяжелое при раннем развития гонад самок, поскольку яичники не экспрессируют ген Star вплоть до полового созревания [64].
Такой способ действия законсервирован как при развития коры надпочечников, так и гонад, где экспрессия Dax1, как полагают, подавляется по мере развития ткани. Однако, дефекты семенников хозяина, такие как аномальная организация клеток Sertoli, отсутствие базальной ламины в семенниках и нарушение развития миоидных клеток может возникать из-за отсутствия Dax1 [65]. Это частично связано с тем, что дифференцировка клеток Sertoli зависит от скоординированной экспрессии Dax1, Sry и Tda1 [66]. Сначала развития семенников выглядит нормальным до тех пор, когда testis cord не станет дезорганизованным или незавершенным на ст. E13.5.
Экспрессия Dax1 подводит итоги antitestis детерминации к самопроизвольному женскому состоянию у млекопитающих [65]. Этот ген отвечает за дозовую чувствительность изменения мужского пола к женскому у пациентов с дупликацией региона Xp21, в котором он оказывается включенным даже в присутствии интактного гена SRY [11]. Такая активность четко демонстрирует, что его высокая экспрессия предупреждает развития семенников. Избыточная экспрессия гена у самцов приводит к ovotesticular нарушениям, т.е. сосуществованию тканей яичников и семенников внутри одной и той же гонады у мышей за счет подавления активации с помощью SF1 гена Sox9 в локусе, наз. testis-specific enhancer of the Sox9 core element (TESCO). Dax1 подавляет синергичную активацию TESCO или с помощью SF1 и SRY или с помощью SF1 и SOX9 [11]. Однако, его активность абсолютно необходима для формирования семенников, возможно за счет его участия в сенсибилизации базовых уровней экспрессии Sox9 [67]. Фактически, чужеродный корепрессор ядерного рецептора, экспрессирующийся в семенниках, оказался способным взаимодействовать с Dax1 несмотря на тот факт, что эффект от такого взаимодействия неизвестен [68].
Установлено, что Dax1 способен обеспечивать передачу сигналов эстрогена посредством модуляции экспрессии Sra1 и Nr3c1 на ст. E10.5. Он также участвует в передаче сигналов ретиноевой кислоты путем изменения экспрессии Prmt1 и Snw1 на ст. E11.5. Наконец, Dax1 регулирует экспрессию ключевых ферментативных реакций, управляющих синтезом стероидного гормона на ст. E12.5. Он служит в качестве обязательного условия для синтеза стероидного гормона, включая Cyp17a1 и Hsd3b2. В этой временной точке Dax1 также модулирует экспрессию ядерных рецепторов, участвующих в репродуктивных функциях, включая Nr3c1 и Nr4a1. Наконец, Amh экспрессия, управляемая с помощью мужского детерминанта Sox9, может быть подавлена с помощью Dax1.
Итак, Dax1 появляется во время раннего развития гонад, чтобы модулировать стероидогенез путем противодействия эффектам SF1. Он также противодействует программе специфичной для самцов дифференцировки путем подавления связывания SF1 с энхансером TESCO, необходимого для экспрессии Sox9, и последующего образования автоматической петли обратной связи во время детерминации пола. Более того, он модулирует передачу сигналов RA, потенциально вмешиваясь в принятие решения о переходе к мейозу PGCs. Однако, он не является настоящим antitestis геном, поскольку имеются доказательства, что его отсутствие устраняет мужскую дифференцировку без его сенсибилизирующего действия на базовый уровень экспрессии Sox9.
Transcription Factors Required for the Maintenance of Gonad Identity
WT1-The Regulator for Gonad Precursor Cell Differentiation
Wt1 кодирует белок Wilm's Tumor 1. Он был первоначально идентифицирован как ген инактивирующий субнабор опухолей Wilm's, формы детского рака почек [69], [70]. Он первоначально экспрессируется повсеместно в AGP, затем ограничивается генитальным гребнем. WT1 в целом рассматривается как мощный репрессор транскрипции. Однако, накапливаются данные, показывающие, что он может также активировать нижестоящие мишени, включая циклин-зависимый киназный ингибитор p21, BCL2, Dax1, etc. [71], [72], [73].
Инактивация обоих аллелей Wt1 приводит к эмбриональной летальности [74]. Локус гена Wt1 кодирует альтернативно сплайсированные изоформы с или без инсерции трех аминокислот лизина, треонина и серина, коллективно известных как KTS, между его доменами цинковые пальчики, что влияет на его активность связывания ДНК. Изоформа + KTS , скорее всего, участвует в процессинге мРНК [75]. короткая изоформа WT1, лишенная KTS, т.е. WT1 - KTS, сохраняет свою активность связывания ДНК и является важной для развития гонад [9]. В самом деле, мыши, лишенные функционального WT1 - KTS, обнаруживают повышенную клеточную гибель, приводящую в конечном итоге к нарушению развития.
WT1 кооперирует с транскрипционным кофактором CITED2, чтобы стимулировать экспрессию Sf1 в AGP, чтобы обеспечивать развития коры надпочечников [7]. Сходным образом, -KTS изоформа WT1, как было установлено, связывает последовательности внутри промотора Sf1 в гонадах [9]. Более того, WT1, CITED2 и SF1 привлечены к повышению экспрессии уровней Sry, необходимых для развития семенников [76], [77]. Отсутствие Wt1 предупреждает развитие гонад в виде целомических утолщений. Было продемонстрировано, что избыточная экспрессия Wt1 в клетках Leydig приводит к увеличению изменений маркеров, характерных для клеток Sertoli и к снижению экспрессии стероидогенных генов, указывая тем самым, что WT1 управляет клональными взаимоотношениями во время развития гонад между клетками Sertoli и Leydig [78]. Сходным образом, делеция Wt1 в генитальном гребне до детерминации пола полностью блокирует дифференцировку или клеток Sertoli у самцов или гранулезных клеток у самок [79].
Наиболее очевидным действием WT1 на ст. E10.5 является регуляция генов пути mitogen-activated kinase (MAPK), чтобы контролировать клеточную пролиферацию в гонадах. Фактически, когда гены, участвующие в этом пути, т.e. Ccne1, Cdk2, Cdk4, Mdm2, Smad3 и Tgfb3 регулируются, то они способствуют вступлению в клеточный цикл на ст. перехода G1/S. Напротив, пролиферация клеток может тонко контролироваться с помощью передачи сигналов aryl hydrocarbon receptor (AhR) . AhR является активируемым лигандом транскрипционным фактором, первоначально участвующим в регуляции биологических реакций на ксенобиотические ароматические углеводороды [80]. У развивающихся позвоночных Ahr, по-видимому, играет разные роли в управлении клеточной пролиферацией и дифференцировкой, включая иммунное, нейральное и печеночное развитие. WT1 может модифицировать ключевые гены сигнального пути AhR с общими сигнальными трансдуцерами перехода к клеточному циклу, включая Ccnd1, Cdk2, Cdk4, Hsp90b1, Mdm2, Myc и Nqo2a.
Начиная со ст. E11.5 , WT1 участвует в передаче сигналов TGF-β которые являются критическими для активации EMT, как это наблюдается в случае Emx2 [81]. Поскольку эпителиальные клетки тесно соединены др. с др. с помощью соединительных аппаратов, чтобы обеспечить клеточную полярность, то активация EMT изменяет межклеточные контакты и цитоскелет в клетках, чтобы повысить их подвижность. Фактически, преимуществом клеток, подвергшихся EMT, является неограниченное их рассеивание по разным частям эмбриона, но также способствует их пластичности во время развития [82].
Изменения пути TGF-β включают усиление активности таких генов, как Amh, Amhr2, Mapk8 и Vdr. Кроме того, гены, связанные с соединительными аппаратами, такие как Cdh1 и Dvl3, а также с передачей миграторных сигналов, такие как Mmp9 и Stat3 были обнаружены активированными в гонадах на ст. E11.5. Wt1 также способствует изменениям в экспрессии Dvl2, Egr1, Ets1, Rpbj, Mmp2, Smad3, Tgfb2 и Wnt4 на ст. E12.5.
Итак, поскольку WT1 может регулировать экспрессию сигнальных трансдуцеров во время перехода G1/S клеточного цикла посредством передачи сигналов AhR, то он инициирует клеточную пролиферацию в раннем развитии гонад. После завершения пролиферации WT1 также передает сигналы для EMT, чтобы способствовать проникновению предшественников гонад посредством пути TGF-β.
CBX2-Amplifier for Gonad Development and Male-Specific Differentiation
CBX2 (chromobox homolog 2, M33) принадлежит к семейству polycomb group (PcG) эпигенетических модификаторов, обычно регулирующих структуру хроматина, чтобы сделать возможным локальное замалчивание экспрессии генов, которые обычно участвуют в развитии и клеточной пролиферации. Было четко отмечено, что он экспрессируется в индифферентных гонадах до предопределения пола. Изучение мышиных моделей подтвердило участие этого гена в спецификации передне-задней оси, а так же в пролиферации клеток во время раннего развития. Мыши, лишенные функционального Cbx2 обнаруживают снижение экспрессии Lhx9, Sf1 и Gata4, маркерных белков, экспрессирующихся в предшественниках гонад [83]. Поэтому считается, что его присутствие помогает поддерживать активной пролиферацию SF1-позитивных предшественников гонад. Поскольку эти клетки в конечном итоге вносят вклад в соматические структуры гонад, то отсутствие их активной пролиферации приведет к последующим дефектам, таким как изменение пола с самцового на пол самок и образованию гипопластических гонад обоих полов [83]. Его активность, однако, не существенна для формирования гонад.
Тем не менее нокаут Cbx2 у SRY-позитивных мышей может вызывать изменение пола на женский с сохранением нормального развития репродуктивного тракта. Поэтому ген рассматривается как трансактиватор, стоящий выше Sry в онотогенетическом каскаде [84]. Cbx2 облегчает также детерминацию пола самцов с активацией характерных для самцов генов, напр., Sox9, Sox3, Fgf2, Insl3, Sf1 и Sry. Более того, Cbx2 негативно регулирует связанные с самками гены, включая Fzd1, Pbx1 и Foxl2 [84].
Этот ген, как было установлено, регулирует уровень β-catenin в канонической передаче сигналов Wnt на ст. E10.5, чтобы регулировать пролиферацию предшественников гонад. Начиная с E11.5, он регулирует убквитинирование посредством экспрессии Rnf2. RNF2 сам по селе также относится к семейству PcG и он супрессирует активность транскрипционного фактора CP2 (TFCP2/CP2) [85]. Интересно, что он важен для дифференцировки PGCs. CBX2 регулирует также нижестоящие гены, связанные с развитием репродуктивной системы, включая Lhx9, Sf1, Csnk2a и Csnk2b, Cdkn2a, Gtf2i и Cbx1 в данный момент времени. Cbx2 также регулирует Nanog, гомеодомен-содержащий транскрипционный фактор, обычно экспрессирующийся в плюрипотентных клетках, таких как предимплантационные эмбрионы [86]. Важно, что экспрессия Nanog обнаруживается на высоком уровне в примордиальных зародышевых клетках (PGCs) ст. E11.5 и E12.5 мышиных эмбрионов у обоих полов, тогда как паттерн его экспрессии отличается между полами позднее. Было установлено, что NANOG лишь один присутствует в пролиферирующих PGCs и частично обеспечивает их миграцию посредством передачи сигналов через Cxcr4b [87].
Итак, CBX2 не влияет на формирование индифферентных гонад. Однако, он регулирует эпигенетический ландшафт посредством локального замалчивания экспрессии генов, способствующих развитию гонад. Он также умножает пролиферативные сигналы посредством передачи сигналов Wnt и программы специфично для самцов дифференцировки. Более того, поскольку митотические деления PGCs существенны для формирования сперматогоний в мужских гонадах, то CBX2 усиливает плюрипотентность этих клеток, чтобы они дифференцировались в специфичные для самцов гаметы.
Transcription Factors Essential for Sex Determination
SRY-The Testis-Determining Factor, a Key to Unlocking Male Sex Determination
SRY это акроним названия гена "the Sex-determining Region of the Y chromosome," единственный ген, идентифицированный на Y хромосоме для запуска начала мужского развития у эмбрионов млекопитающих, он действует временно путем индукции изгибания (bend) хроматина с которым связан [88]. Считается, что предшественники гонад автономно дифференцируются в клетки Sertoli под влиянием SRY, а затем и SOX9 [89]. SRY лишены белковой последовательности, законсервированной у видов млекопитающих, т.к. главные структурные домены плохо законсервированы [3]. Единственным консервативным доменом между человеком, мышью и др. eutherian организмами является домен high mobility group (HMG) [90]. Фактически, этот домен является активным ДНК-связывающим доменом, обнаруженным во всех SRY-родственных членах семейства HMG-box (SOX) , изгибающим ДНК. Перестройки хроматина, нацеленные на искривление (bend), скорее всего, облегчают распознавание места транскрипции [91].
SP1 является повсеместно экспрессирующимся фактором, действующим в комбинации с тканеспецифичными транскрипционными факторами [92]. Такая экспрессия обнаруживается на ст. E12.5, это сопровождается индукцией уровней экспрессии Sox9 по принципу петли обратной связи. Экспрессия Sry не является пространственно ригидной, она начинается вокруг центра гонад и расширяется кнаружи.
Было установлено, что WT1 и SF1, скорее всего, вносят вклад в то, как SP1 регулирует экспрессию Sry, начиная с E10.5. Их гонад-специфичная экспрессия обеспечивает высоко локальную специфичность экспрессии Sry в гонадах. Фактически, сходный способ совместной регуляции между этими генами был также обнаружен в промоторе Amh позднее на ст.t E12.5. Сначала было продемонстрировано, что WT1 + KTS косвенно регулирует временную экспрессию Sry, которая достигает пика на ст. E11.5 после её инициации на ст. E10.5 [77]. Поскольку DAX1, скорее всего, демонстрирует профиль перекрывающейся экспрессии при отсутствии пространственно-временной экспрессии SRY в гонадах самок. чтобы ингибировать SF1-обеспечиваемую транскрипцию, то, скорее всего, он служит в качестве негативного регулятора экспрессии Sry [93].
Вплоть до сегодня неизвестно точно о нижестоящих мишенях для SRY. Единственной подтвержденной гонад-специфической мишенью является энхансер TESCO, который способствует экспрессии Sox9.
SOX9-The Initiator for the Male-Specific Differentiation Program
Поскольку SRY, как было установлено, соединяется с энхансером TESCO, тем самым доказывает активацию им Sox9. Ранее было продемонстрировано, что SOX9 может замещать SRY в запуске дифференцировки клеток Sertoli [94]. Его экспрессия активируется в мужских гонадах и супрессируется в женских гонадах, пи этом его транскрипционная активность связана с ядерной локализацией [95]. Фактически, SOX9 может в принципе путем обратной связи амплифицировть ген Sry [96].
SOX9 играет жизненно важную роль в детерминации мужского пола путем действия в виде мощного активатора транскрипции во время предопределения пола. Интересно, что SOX9 может приводить к транскрипции двух генов в гонадах, которые активируют программу, специфическую для самцов, а именно Sf1 и Amh [97]. В самом деле, SOX9 делает устойчивой экспрессию Sf1 в развивающихся гонадах самцов, необходимую для стероидогенеза. Amh индуцируется с помощью взаимодействия SOX9 с SF1, WT1 и GATA4, тогда как его генный продукт anti-Müllerian гормон является критическим для мужской половой дифференцировки, который предоставляет сигнал к регрессии Müllerian протоков, секретируемый клоном клеток Sertoli [97], [98].
Существуют позитивные регуляторные петли, чтобы усиливать инициальные решения, тогда как поддержание гонадного фенотипа управляется с помощью активной репрессии противоположного пути. В самом деле, SOX9 поддерживается на высоких уровнях с помощью передачи сигналов FGF9 [99]. Параллельно продукт гена Ptgds prostaglandin D2 synthase способствует накоплению белка SOX9 в ядре, после его активной транскрипции с помощью SOX9 [100]. Более того, SOX8, по-видимому, выполняет перекрывающие роли своего собственного вышестоящего транскрипционного фактора SOX9 и участвует в поддержании активной программы дифференцировки, специфичной для самцов [101].
Напротив, экспрессия Sox9 подавляется в гонадах самок; репрессия поддерживается в ходе плодного развития и даже до взрослой жизни. Такая супрессия реализуется of счет высокой экспрессии Dax1, который репрессирует экспрессию Sf1 и его последующее связывание с TESCO, тогда как Foxl2 и эстрогеновый рецептор α (ERα) физически взаимодействовали, чтобы связаться с TESCO в яичниках взрослых [102]. Наконец, индуцированная передачей сигналов Wnt экспрессия β-catenin может противодействовать индукции обратной связи Sox9 с помощью передачи сигналов FGF9 [103].
SOX9 участвует в передаче сигналов пигментации благодаря его регуляции нижестоящих генов пути protein kinase A (PKA), включая Creb1, Dct, Kit, Mapk3, Prkaca, Sox10 и Smad3 на ст. E10.5. На ст. E11.5, он регулирует EMT посредством пути канонической передачи сигналов Wnt за счёт изменения Cdh2, Ctnnb1, Smad2, Smad3, Gsk3b, Mapk3 и Tcf7l2. Экспрессия Sox9 после этого поддерживается с помощью активации автоматической обратной связи и поддержания её на высоких уровнях. В дальнейшем регуляция передачи сигналов Wnt продолжается на ст. E12.5 за счет действия на Btrc, Irp6 и Sox5. Этот ген регулирует также передачу сигналов TGF-β посредством позитивной регуляции Amh, Mapk3 и Smad2.
Итак, SOX9 регулирует путь PKA, чтобы модулировать клеточную морфологию и передачу сигналов Wnt для осуществления EMT. Его экспрессия управляется за счет рекрутирования специфичных для гонад транскрипционных факторов, включая SRY и SF1, на энхансер TESCO. В качестве детерминанта мужского пола, экспрессия SOX9 становится предметом кооперативного воздействия автоматической петли обратной связи с помощью FGF9 и передачи сигналов prostaglandin D2, чтобы способствовать экспрессии Sox8 или самого Sox9 для усиления специфичного для самцов клона Sertoli, чтобы сформировать семенники, при этом подавляется развитие женских гонад.
Homeodomain Proteins in Early Gonad Development
Гомеодоменовые белки являются классом эволюционно законсервированных белков, которые функционируют исключительно в развитии взрослых организмов [104]. Хотя гомеодоменовые белки обладают сходной ДНК-связывающей специфичностью, их функции сильно отличаются и зависят от контекста. В развитие гонад вовлечены некоторые из этих гомеодоменовых белков [105]. Большинство хорошо изученных гомедоменовых белков, участвующих в развитии гонад, включают Lhx9 и Emx2, которые оказываются ассоциированы с клеточной пролиферацией и клеточной гибелью, соотв. Несмотря на их важность в развития гонад, мало сообщений об их нижестоящих эффекторах и их возможных функциях в развитии гонад.
LHX9-A Likely Regulator of Cell Stemness
Lhx9 экспрессируется лишь временно в гонадах на ст. E9.5 и исчезает во время дифференцировки гонад. Основной функцией LHX9 в индифферентных гонадах является усиление пролиферации SF1- позитивных предшественников гонад. Интересно, что его присутствие необходимо для формирования генитального гребня посредством кооперативного соединения промотора Sf1 с WT1 - KTS, поскольку, если имеется дефицит экспрессии гена, то экспрессия Sf1 снижается до минимальных уровней [31]. Отсутствие экспрессии белка LHX9 в соматических типах клеток, таких как клетки Sertoli и интерстициальные клетки у самцов и гранулёзные клетки в гонадах самок, указывает на то, что его присутствие, скорее всего, регулирует клеточную пластичность или поддержание стволовости предшественников гонад [106]. Иными словами, низкая экспрессия Lhx9 заставляет предшественники гонад дифференцироваться.
EMX2-Its Presence Ensures That the Genital Ridge Could Bulge in for Cell Ingression
Emx2 экспрессируется повсеместно в эпителиальных компонентах тканей, происходящих из мезонефоросов. Поскольку его отсутствие затрагивает только утолщения целомического эпителия, это ясно указывает, что его основным действием является поддержание генитального гребня путем предупреждения его регрессии [81]. Во время формироания передне-заднего утолщения, EMX2, скорее всего, передает сигналы, побуждающие к EMT в целомическом эпителии, способствуя тем самым дифференцировке проникших (ingressed) клеток, чтобы сформировать клетки предшественники гонад [107]. В то же самое время, эпителий сохраняется в присутствии EMX2, чтобы сформировать примитивные структуры гонад. Он также участвует в регуляции сборки плотных соединений. Его присутствие также коррелирует со снижением экспрессии гена Egfr и тем самым предупреждает активную пролиферацию клеток гонад [24]. Тем не менее, CDH6 и CDH8 были идентифицированы в качестве нижестоящих мишеней для EMX2, способствующих EMT [108].
PBX1-Essential Early Expression of This Gene for the Induction of SF1
Ген Pre-B-Cell Leukemia Homeobox 1 ( Pbx1) кодирует TALE (three amino acid loop extension) класс гомеодоменовых белков, которые участвуют в мультимерных транскрипционных комплексах, чтобы регулировать экспрессию онтогенетических генов [109]. Эмбриональная экспрессия Pbx1 описана в моче-половых органах [110]. Более того, экспрессия Pbx1 является динамической и ограниченной тканями, связанными с моче-половым развитием, включая AGP на ст. E10.0, бипотентные гонады на ст. E11.0, эпителий Müllerian каналов на ст. E13.5 и интерстициум семенников и яичников на ст. E14.5 [109]. Нокаут Pbx1 мышей обнаруживает ряд аномалий во время моче-полового развития: отсутствие надпочечников и гонад, нарушения дифференцировки мезонефросов и почек и отсутствие Müllerian протоков [109]. Молекулярные исследования показали, что экспрессия Sf1 была драматически снижена у Pbx1мутанов [109]. Поскольку SF1 является важным для формирования надпочечников и развития гонад, то экспрессия Pbx1, по-видимому, является ранним обязательным условием активации экспрессии Sf1 и пролиферации. и экспансии SF1-позитивных клеток, чтобы обезопасить формирование раннего гентиального гребня и дифференцировку.
SIX1/SIX4-Redundant Gene Pair to Finetune Cell Proliferation and Differentiation
Гены sine oculis homeobox homologs 1 (Six1) и 4 (Six4) принадлежат семейству гомологов у млекопитающих семейства Drosophila sine oculis homeobox (Six) с 6 членами (Six1-Six6) в геноме мыши [111]. все гены члены семейства Six кодируют транскрипционные факторы, несущие характерные Six домены и гомеодомены. Фактически, эти члены семейства функционально перекрываются др. с др. во время эмбрионального развития мышей с перекрывающейся тканевой экспрессией и эквивалентным связыванием с нижестоящими генами мишенями, напр., Mef3 для трансактивации [111], [112], [113]. Более того, Six1 single-knockout (KO) эмбрионы обнаруживают уродства почек, которые менее тяжелы, чем агенез почек у Six1/Six4 двойных-KO эмбрионов [114]. Напротив, Six4 нокаутные эмбрионы обнаруживают нормальное формирование почек [115].
В самом деле, такая же функциональная перекрываемость обнаруживается в развивающихся гонадах. Fujimoto et al. сообщили, что у Six1 -/- или Six4 -/- одиночных мутантных мышей, не обнаруживаются специфичные для гонад фенотипические отклонения, Обнаруживаемые у двойных Six1 и Six4 мутантов, были обнаружены меньшие по размеру гонады и надпочечники [116]. В частности, Six1 и Six4 обнаруживали паттерн перекрывания экспрессии в целомическом эпителии формирующегося генитального гребня. Двойные нокауты обнаруживали задержку или уменьшение EMT и последующее проникновение клеток предшественников гонад в генитальные гребни, это заканчивалось уменьшение размеров гонад и нарушениями тестикулярной дифференцировки. Дальнейшие исследования выявили экспрессию Sry в Six1/Six4 двойных-KO гонадах. Избыточная экспрессия Sry в этих двойных-KO гонадах может восстановить развитие семенников, но не размер гонад. Эти результаты подтверждают, что Six1/Six4 одновременно регулируют развития генитального гребня и тестикулярное развитие. Были идентифицированы Fog2 и Sf1 двух нижестоящих мишеней для Six1/Six4. FOG2 является известным регулятором Sry, тогда как SF1 является безразличным для детерминации и дифференцировки гонад. Итак, трио Six1-Six4-Fog2 необходимо для точной пространственно-временной регуляции экспрессии Sry, чтобы обеспечить нормальную половую дифференцировку. Также трио Six1-Six4-Sf1 является критическим для контроля инициального роста клеток предшественников гонад и последующей детерминации размера гонад.
HOX Genes-A Family of Genes Governing Spatiotemporal Reproductive Development
HOX гены являются законсервированными транскрипционными факторами, которые регулируют эмбриональный морфогенез и дифференцировку [105], [117], [118]. У Drosophila, домены Hox генов предопределят позицию гонад [119]. У млекопитающих на сегодня неизвестны, HOX гены, специфицирующие положение гонад. Однако, мы не можем исключить возможность, что такие гены также могут быть важными регуляторами формирования пространственно-временного паттерна развития гонад.
Некоторые Hox гены (напр., Hox-5, Hoxd1, Hox-1.4, Hoxa11) экспрессируются в репродуктивных органах плодов и взрослых [120], [121], [122], [123]. Тогда как доказательства участия Hox генов в гонадогенезе ограничены, ряд исследований четко идентифицировал их роль в половой дифференцировке. Обнаружение Hoxa9, 10, 11 и 13 в paramesonephric протоках на ст. E15.5 мышей указывает на их функционирование в формировании Müllerian протоков и дифференцировке [124]. В частности, Hoxa9 экспрессируется в яйцеводах. Hoxa10 и Hoxa11 экспрессируются в матке. Hoxa11 может также обнаруживаться в шейке матки и передней части влагалища. Hoxa13 экспрессируется в шейке и Müllerian влагалище, но не в матке.
Hoxa10 гомозиготные мутантные самцы и самки оказываются стерильными [125]. Морфологически, Hoxa10-дефицитные самцы обнаруживают двухсторонний cryptorchidism с пониженным образованием семявыносящих каналов и нарушенным сперматогенезом. Не обнаруживаются гистологические различия у Hoxa10-дефицитных самок. Сохраняется нормальный овуляторный цикл у мутантных самок, это подтверждает, что Hoxa10 не нужен для развития гонад самок. Дальнейшие исследования Hoxa10 мутантов продемонстрировали, что снижение фертильности самок может вызываться гомеозисной трансформацией передней части яйцеводов в матку [126].
Сходным образом, мутация Hoxa11 приводит к стерильности самцов и самок [122]. Причиной стерильности самок также является дефектное окружение матки без каких-либо дефектов в овуляции. Причиной стерильности самцов является гомеозисная трансформация vas deferens в epididymis, сопровождаемая аномальным развитием семенников, рассматриваемых как причина. Все подобные фенотипы далее были идентифицированы в соответствии с ролью Hoxa10 и Hoxa11 в половой дифференцировке. Наконец, Hoxa13-нулевые мыши обнаруживают агенез дистальных частей Müllerian протоков, это указывает на роль Hoxa13 не только в дифференцировке, но и также в формировании Müllerian протоков [127].
Помимо мышиных моделей скрининг HOX генов человека в независимых исследованиях предоставил дальнейшие доказательства их функции во вторичном половом органогенезе. Мутации в HOXA10 и HOXA13 были идентифицированы при аномалиях гениталий у женщин с врожденным отсутствием матки и влагалища [128]. HOXA10 мутации также были обнаружены в случаях Müllerian аномалий [129].
Кстати, транскрипционные мишени для таких HOX белков у млекопитающих остаются в основном неизвестными. Имеются некоторые предположения относительно регуляторной роли Hoxa11, Hoxa10 и Hoxa13 в половой дифференцировке [124], [127], [130], [131], [132]. Hoxa13, по-видимому, активирует Bmp4 в матке [62]. Потеря Hoxa13 у мышей вызывает потерю передачи сигналов Bmp7 и Fgf8 в развивающихся генитальных бугорках, это вызывает гипоспадии [127]. Соотв., Hoxa10 и Hoxa11 возможно регулируются с помощью WNT7A, поскольку нокаут Wnt7a снижает их экспрессию [132].
Итак, роль генов HOX в половой дифференцировке установлена с помощью нескольких линий доказательств. Однако, доказательства их роли в раннем развитии гонад редки. Это, по-видимому, связано с тем. что они не играют существенной роли в гонадогенезе. Однако, также возможно, что их функциональная роль может быть замаскирована функциональным перекрыванием из-за широкого спектра членов HOX. Обусловленная избыточная экспрессия остается единственной стратегией исследования этого вопроса. Фактически, функции этих гомеодоменовых белков не являются независимыми. Напр., PBX1, в качестве TALE гетеродимера обладает способностью кооперироваться с субнабором HOX белков, чтобы соединиться с ДНК [109]. Кристаллическая структура взаимодействующих совместно HOXA9 и PBX1 с ДНК уже установлена [133].
Развитие гонад и последующая дифференцировка пола - это хорошо скоординированный сложный процесс. Неудивительно, что многие из таких генов, по-видимому, пока не описаны. Необходимы дальнейшие исследования дополнительных гомеодоменовых белков, чтобы получить новую информацию об их вкладе мочеполовые заболевания.
Conclusions
Most genes we introduced were transcription factors expressed with spatiotemporal precision prior and during embryonic gonad development. The restricted expression of Gata4, Sf1, and Dax1 in the AGP with tightly regulated expression level ensures proper differentiation of the tissues that will become the future adrenal cortex and gonads. The subsequent formation of these steroidogenic tissues will promote appropriate hormonal signals for the development of the whole reproductive system and maintain the subsequent gender identity. Wt1 and Cbx2 are important in maintaining the identity of the subsequent genital ridge after its formation by reinforcing the migration and proliferation of newly formed gonadal precursors from the coelomic epithelium by EMT. Sry was expressed early in the indifferent gonad, spreading outward from the center to unlock the expression of Sox9, which will define the Sertoli lineage essential for male-specific differentiation, including formation of the sex cord and testis vasculature. PGCs were nurtured in the sex cords and divided repeatedly to form the spermatogonia. In contrast, the absence in Sry expression as in female gonads bypassed the formation of these structures wherein the germ cells enter meiotic division to form the oogonia. Finally, various homeodomain proteins are expressed early during gonad formation, either to regulate the above processes or be involved in defining the structural integrity of developing organs in the reproductive system.
|