Посещений:
Pattern of Retinoic Acid Synthesis
Ретиноевая Кислота: Нарушения Синтеза

The regional pattern of retinoic acid synthesis by RALDH2 is essential for the development of posterior pharyngeal arches and the enteric nervous system
Karen Niederreither, Julien Vermot, Isabelle Le Roux, Brigitte Schuhbaur, Pierre Chambon and Pascal Dolle
Development 130, 2525-2534, 2003

Targeted inactivation of the mouse retinaldehyde dehydrogenase 2 (RALDH2/ALDH1a2), the enzyme responsible for early embryonic retinoic acid synthesis, is embryonic lethal because of defects in early heart morphogenesis. Transient maternal RA supplementation from E7.5 to (at least) E8.5 rescues most of these defects, but the supplemented Raldh2 –/– mutants die prenatally, from a lack of septation of the heart outflow tract (Niederreither et al (2001). Development 128, 1019-1031). We have investigated the developmental basis for this defect, and found that the RA-supplemented Raldh2 –/– embryos exhibit impaired development of their posterior (3rd-6th) branchial arch region. While the development of the first and second arches and their derivatives, as well as the formation of the first branchial pouch, appear to proceed normally, more posterior pharyngeal pouches fail to form and the pharyngeal endoderm develops a rudimentary, pouch-like structure. All derivatives of the posterior branchial arches are affected. These include the aortic arches, pouch-derived organs (thymus, parathyroid gland) and post-otic neural crest cells, which fail to establish segmental migratory pathways and are misrouted caudally. Patterning and axonal outgrowth of the posterior (9th-12th) cranial nerves is also altered. Vagal crest deficiency in Raldh2 –/– mutants leads to agenesis of the enteric ganglia, a condition reminiscent of human Hirschprung’s disease. In addition, we provide evidence that: (i) wildtype Raldh2 expression is restricted to the posteriormost pharyngeal mesoderm; (ii) endogenous RA response occurs in both the pharyngeal endoderm and mesoderm, and extends more rostrally than Raldh2 expression up to the 2nd arch; (iii) RA target genes (Hoxa1, Hoxb1) are downregulated in both the pharyngeal endoderm and mesoderm of mutant embryos. Thus, RALDH2 plays a crucial role in producing RA required for pharyngeal development, and RA is one of the diffusible mesodermal signals that pattern the pharyngeal endoderm. Key words: Retinoids, Branchial arches, Pharyngeal endoderm,
Нарушения конотрункуса и аортальной дуги являются превалирующими врожденными дефектами у людей. Разделение перегородкой тракта оттока на аорту и пульмональную артерию, которое если нарушено ведет к persistent truncus arteriosus (PTA), вовлекает специфическую популяцию neural crest cells (NCCs), называемую ‘cardiac NCCs’. Эти клетки мигрируют из ромбомеров (r) заднего мозга r6, r7 и r8, чтобы занять задние (3rd, 4th и 6th) бранхиальные дуги, в конечном счете вносят вклад в aorticopulmonary перегородку и конотрункальные гребни (Kirby, 1998; Jiang et al., 2000). Хирургическое удаление премиграторных кардиальных NCCs у эмбрионов кур дает яд аномальных фенотипов, включая и PTA, преобладание (overriding) аорты и дефекты межжелудочковой перегородки (Creazzo et al., 1998). Тяжелый недостаток витамина A у грызунов м. также приводить к изменениям производных NCC, давая в результате сходные врожденные уродства (Wilson and Warkany, 1949). Активные производные vitamin A, retinoic acids (RAs), действуют как лиганды-агонисты RA рецепторов (all-trans и 9-cis RAs для RARα, β и γ) и retinoid X receptors (9-cis RAs для RXRα, β и γ), которые соединяются в виде гетеродимеров с ДНК мотивами (RA response elements, RAREs) и таким образом регулируют транскрипционную активность генов-мишеней (Mangelsdorf et al., 1994; Chambon, 1996). Совместная инактивация RARα и RARβ ведет к различным аномалиям, включая аномальные паттерны производных бранхиальных дуг магистральных артерий и нарушение разделения перегородкой тракта оттока (Mendelsohn et al., 1994; Ghyselinck et al., 1998). Такие двойные мутантные мыши имеют и аномальный паттерн post-otic заднего мозга и каудальных (3rd-6th) бранхиальных дуг (Dupe et al., 1999). В этом отношении, заслуживает внимания то, что применение pan-RAR антогониста к культивируемым мышиным эмбрионам выявляет избирательную чувствительность каудальной бранхиальной области к сигналам RA в период миграции NCC (Wendling et al., 2000).
Интересно, что Raldh2 –/– нулевые мутантные эмбрионы, у которых тяжело нарушена способность синтезировать RA, погибают в середине беременности (E9.5-10.5) из-за тяжелых дефектов раннего морфогенеза сердца (Niederreither et al., 1999; Niederreither et al., 2001). Такие мутантны эмбионы обнаруживают также измененное развитие производных туловищной (trunk) мезодермы, а также дефекты роста и формирования паттерна задней части области заднего мозга и отсутствие развития всех бранхиальных дуг, за исключением первой (Niederreither et al., 1999; Niederreither et al., 2000). Некоторые из этих аномалий, ка было установлено, м.б. устранены путем добавления материнской RA с 7.5 (E7.5) дня эмбриогенеза до E8.5 (Niederreither et al., 1999; Niederreither et al., 2002). Такие восстановленные Raldh2 –/– мутанты постоянно обнаруживают дефекты разделения тракта оттока (PTA), которые, по-видимому, и объясняют их гибель до или во время родов, и увеличивая продолжительность добавления RA (напр., вплть до E10.5 или 12.5), восстановление не оказывает эффекта на дефекты разделения тракта оттока (Niederreither et al., 2001).
Вработе выявляли нарушения онтогенетических событий, которые ведут к PTA при добавлении RA у Raldh2 –/– мутантов, охарактеризован ряд дополнительных аномалий, выявляемых у этих восстановленных мутантов. Впервые удалось показать, что дефицит RA м. приводить к фенотипу сходному с таковым при болезни Hirschprung (agenesis энтеральных ганглиев) обусловленный дефицитом vagal crest.

Оригинал статьи в формате *.pdf помещен ЗДЕСЬ


DISCUSSION


RA-зависимое развитие задних фарингеальных дуг не м.б. восстановлено у Raldh2-нулевых мутантов за счет добавления материнской RA.


Проведенный анализ показал измененные паттерны миграции neural crest cells (NCC) из пост-отической части заднего мозга, которые обычно дают популяцию кардиальных NCC, у восстановленных с помощью RA Raldh2 –/– эмбрионов. Было устанровлено, что эти дефекты NCC являются частью сложного набора нарушений, которые приходятся на всю зажнюю часть фарингеальной области. В то время как первая и вторая бранхиальные дуги образуются соотвественно, развитие 3rd по 6th бранхиальные дуги и их производные (аортальные дуги, краниальные нервы) тяжело нарушены у мутантных эмбрионов. Наиболе примечательно, глоточные карманы неспособны формироваться внутри задней фарингеальной энтодермы и не развиваются соотв. производные этих карманов органы, такие как thymus и паращитовидные железы.Более того, одиночный (иногда рудиментрный) артериальный сосуд образуется вместо с 3rd по 6th аортальные дуги. Этот артериальный дефект скорее всего ответственен за гибель некоторых восстановленных мутантов до плодной стадии. В самом деле, PTA в качестве изолированного уродства не летально вплоть до поздних сроков после рождения (Larsen, 1993), в то время как наблюдаемые дефекты дуг аорты м. нарушать кровообращение мутантных эмбрионов вскоре после того, как их первая и вторая аортальные дуги регрессируют и ремоделируются. Используя некоторые маркеры заднего мозга, было показано, что рост и формирование паттерна задних ромбомеров, которое очень сильно нарушено у невосстановленных Raldh2 –/– эмбрионов (Niederreither et al., 2000), восстанавливается добавлением материнской RA. Следовательно, очень возможно, что паттерны аномальной миграции NCC, наблюдаемые у RA-восстановленных Raldh2-нулевых мутантов являются вторичными по отношению к аномальному развитию фарингеальной области скорее, чем являются результатом дефектов, внутренне присущих заднему мозгу или NCC.
Полученные результаты показывают, что RALDH2 ответственен за продукци RA, которая необходима для собственно развития задней части области бранхиальных дуг. Предыдущие исследования показали, что эта область эмбриона особенно чувствительна к недостатку RA. Инкубация на ранней сомитной стадии (E8.0-8.5) культивируемых эмбрионов мыши с pan-RAR антогонистом приводила к дефектам области с 3rd по 6th бранхиальные дуги (Wendling et al., 2000), это согласуется с тем, что обнаруживаются у RA-восстановленных Raldh2-нулевых мутантов. Более того, vitamin A-deficient (VAD) эмбрионы перепела обнаруживают дефекты в задней фарингеальной области (Quinlan et al., 2002), которые напоминают те, что обнаруживаются в экспериментах на мышах. Напр., и у VAD эмбрионов перепела и у восстановленных Raldh2 мутантов мыши развивается довольно нормально первый глоточный карман, тогда как образуется только один аномальный воторой карман позади. В сравнении с этими данными (Wendling et al., 2000; Quinlan et al., 2002) полученные в данной работе результаты подчеркивают, что глотачная энтодерма является одной из главных тканей-мишеней , чей паттерн нарушается в услвиях нарушения передачи сигналов RA.
Было показано, что экспрессия Raldh2 является специфичной для мезодермы и ограничена самой задней фрингеальной областью во время развития задних бранхиальных дуг. Предполагается, что RALDH2 функционирует, чтобы продуцировать локально высокие количества RA, которые обязательны для коректного формирования паттерна этих бранхиальных дуг. Мезодермально продуцируемая RA должна затем диффундировать и передавать сигналы внутри глоточной энтодермы. Это иллюстрируется тем фактом, что активность RARE-lacZ репортерного трансгена, также как и эндогенная экспрессия RA генов-мишеней (таких как Hoxa1 и Hoxb1), индуцируется и в мезодерме и энтодерме задней фарингеальной области. У восстановленных Raldh2-нулевых мутантов RA, внесенная transplacentally не м. воспроизвести уровни и распределение, характерное для эндогенного RALDH2-обсловленного синтеза, это будет приводить к регион-специфическим дефектам. Интересно, что эти мутантны обнаруживают снижение активности RA-репортерного трансгена в фарингеальной мезодерме и энтодерме. Уровни экспрессии Hoxa1 и Hoxb1 снижены в мезодерме и энтодерме, демонстрируя, что оба слоя дефицитны по своей реакции на сигналы RA.
Авт. установили также, что развитие второй бранхиальной дуги, которое дефицитно у Raldh2-нулевых мутантов (Niederreither et al., 1999), эффективно восстанавливается с помощю добавления материнской RA. Это указывает на то, что развитие второй бранхиальной дуги нуждается в более низких уровнях RA levels, которые д. добавляться матерински в отсутствие функции RALDH2. Др. доказательства, связаные с анализом RAR compound мутантов у мышей (Lohnes et al., 1994), VAD эмбрионов крыс (White et al., 2000) или эмбрионов мыши, обработанных pan-RAR (Wendling et al., 2000), показали, что развитие второй бранхиальной дуги не зависит критически от передачи сигналов RA по сравнению с более задними дугами. Отражает ли эта дифференциальная потребность связывание с разными наборами рецепторов обсуждается в др. месте (Wendling et al., 2000). Авт. полагают, что RA, продуцируемая RALDH2 в задней части фарингеальной мезодермы, диффундирует до уровня второй бранхиальной дуги, где она действует в отностительно низких концентрациях. Это подтверждается паттерном активности RARE-lacZ репортерного трансгена, которая у эмбрионов дикого типа распространяется на развивающуюся вторую дугу хотя и на значительно более низком уровне, чем в задней фарингеальной области.

The rescued Raldh2-null phenotype resembles human DiGeorge syndrome and mouse Tbx1 knockout phenotypes


Конотрункальные аномалии превалируют среди врожденных дефектов у людей, они появляются с частотой 4 на 10,000 родов. Как и для многих врожденных дефектов происхождение PTA неизвестно. Плохое питание во время беременности – включая недостаток витамина А – м. вносить вклад в это уродство (Underwood and Arthur, 1996). Наиболее частой генетической причиной, вызывающей конотрункальные дефекты у людей, является гетерозиготная микроделеция в хромосомной области 22q11, которая ведет к спектру аномалий с разной экспрессивностью, известных как DiGeorge/Velocardiofacial syndromes (DGS/VCFS)(Scambler, 2000; Emanuel, 2001; Lindsay, 2001). Некоторые искусственные делеции соотв. локуса мыши указывают на T-box ген Tbx1 как главный детерминант фенотипа DGS/VCFS (Jerome and Papaioannou, 2001; Lindsay et al., 2001; Merscher et al., 2001). И гаплоднедостаточные и нулевые (Tbx1 –/– ) мутантные мыши не способны формировать 3rd и 4th фарингеальные дуги и имеют конотрункальные дефекты (Lindsay et al., 2001; Jerome and Papaioannou, 2001; Merscher et al., 2001). Изменения в тимусе и паращитовидных железах также обнаруживаются у таких мутантов (Jerome and Papaioannou, 2001; Merscher et al., 2001). В соответствии со своей экспрессией, которая в основном ограничена энтодермой глоточных карманов, Tbx1 функционирует, по-видимому, клеточно-неавтономным образом для выростов бранхиальных дуг, а дефекты NCC у этих мутантов приписываются отсутствию ведения их из энтодермальных карманов (Vitelli et al., 2002). Дефекты, наблюдаемые в данном исследовании, очень сходны с теми, что наблюдаются в задних бранхиальных дугах (и их производных) у Tbx1 мутантных мышей, а , следовательно, представляют собой новую мышиную модель DGS аномалий у людей. Фарингеальная область, по-видимому, очень чувствительна к изменениям уровня RA, т.к. гипоморфные мутации Raldh2 мыши селективно ведут к DGS-подобным дефектам (Vermot et al., 2003), хотя и менее тяжелым, чем те, что присуствуют у Raldh2-нулевых мутантов. Т.к. экспрессия Tbx1 не нарушена (или лишь слегка) затронута как у нулевых (данные не показаны), так и гипоморфоных (Vermot et al., 2003) мутантов, то авт. не рассматривают его как критический детерминант Raldh2 фенотипа. По-видимому, RA м. действовать ниже (или в комбинации с) TBX1, чтобы регулировать экспрессию сигнальных молекул, необходимых собственно для развития глотки. FGF8 м. представлять такой критический общий нижестоящий сигнал, т.к (i) его экспрессия меняется и у Tbx1 –/– и Raldh2 –/– мутантов (Vitelli et al., 2002) (данная работа), и (ii) его гипоморфная мутация также ведет к DGS-подобному фенотипу (Abu-Issa et al., 2002; Frank et al., 2002).

Lack of vagal outgrowth leads to absence of the enteric nervous system


Ретиноевая кислота участвует в регуляции многих аспектов нейронального развития, включая спецификацию судьбы нейрональных клеток (Sockanathan and Jessell, 1998) и стимуляцию выростов нейритов (Hunter et al., 1991; Plum and Clagett-Dame, 1996; Corcoran and Maden, 1999). RA кроме того способствует выживанию и пролиферации нейрональных предшественников в популяции NCC (Henion and Weston, 1994; Gale et al., 1996). В данной работе установлено, что аксональный рост по-разному затрагивается на уровне задних (9th-12th) краниальных нервов у RA-восстановленных Raldh2 –/– мутантов (Рис. 4), это согласуется с идеей, что RA, продуцируемая локально RALDH2 в фарингеальной мезодерме, необходима для стимуляции у них выростов нейритов. Еnteric nervous system (ENS) в основном происходит из vagal NCCs, которые мигрируют вдоль мезенхимы передней кишки, чтобы колоизировать всю длину кишечника и дать большую часть нейронов и глии энтерических ганглиев (Le Douarin and Teillet, 1973; Young et al., 1998; Burns and Le Douarin,1998). Среди сигнальных путей, участвующих в развитии ENS (Gershon, 1998; Taraviras and Pachnis, 1999), RET receptor tyrosine kinase и ее лиганд GDNF (glial cell line-derived neurotrophic factor) играют важную роль. И Ret и Gdnf нокаутные мыши обнаруживают полу-доминантный гипо- или аганглионоз (aganglionosis) ЖКТ (Schuchardt et al., 1995; Pichel et al., 1996; Shen et al., 2002). RET мутации также наиболее часто вовлекаются в случае болезни Hirschprung’s (congenital megacolon or aganglionosis) у людей, и являются наиболее частой наследственной причиной обструкции кишечника (Gabriel et al., 2002). В данной работе показано, что vagal дефекты у Raldh2 –/– эмбрионов ведут к сходному аганглионарному фенотипу ЖКТ. Т.к. мало Ret-позитивных клеток предшественников ENS обнаруживвается вдоль стенки передней кишки га ст. E10.5, то они, по-видимому, неспособны колонизировать ЖКТ, это ведет к отсутствию энтерических ганглиев. Это первое сообщение о кишечном agangliogenesis, вызываемом нарушением пути передачи сигналов retinoid. Возможность, что такие изменения м. участвовать в патогенезе болезни Hirschprung’s у людей, которые и вариабельны по проявлению и сложны по своему паттерну наследования, д. учитываться.
Сайт создан в системе uCoz