Органогенез: ЖКТ

Molecular Mechanisms of Early Gut Organogenesis: A Primer on Development of the Digestive Tract J. C. Kiefer (julie.kiefer@hci.utah.edu) Dev.Dyn. V. 228, No 2, P. 287-291. 2003
	Basic Anatomy of the Digestive Tract ЖКТ позвоночных состоит из многих органов, которые возникают из общей первичной кишечной трубки, которая идет от рта до ануса. У мышей ораганогенез кишечника начинается вскоре после гаструляции, коогда дефинитивная энтодерма инвагинирует на своем переденем и заднем концах, чтобы создать arterior intestinal portal (AIP) и caudal intestinal portal (CIP), соотв. Со временем открыто заканчивающиеся трубки удлинняются в направлении др. др. и, наконец, эти трубки сливаются с желточным мешком, образуя тем самым непрерывную первичную кишечную трубку. Первичная кишка млекопитающих является эпителиальной трубкоц, окружённой спланхнической мезодермой. Кишечная трубка созревает и становятся морфологически различимыми передняя, средняя и задняя кишка. В это время мезенхима созревает в соединительную ткань и концентрические слои кладкомышечных клеток, которые иннервируются энтерической нервной системой, это способствует контратильным движениям во время переваривания. Затем кишка дифференцируется вдоль передене-задней оси в отдельные первичные органы, которые выполняют специализированные роли в переваривании. Соответственно кишечный эпителий приобретает определнную просветную (luminal) морфологию для выполнения переваривающей функции. В целом органы первичной кишки (глодка, пищевод, желудок) обеспечивают загалатывание пищи и начало переваривания. Переваривание заканчивается и происходит абсорбция питаельных веществ средней кишке (тонкий кишечник), тогда как задняя кишка ( толстый кишечник) реабсорбирует воду и ионы и удаляет непереварившиеся остатки. Development of Digestive Organ Primordia Кишечник использует общие молекулярные механизмы для своего раннего развития. Гены трёх классов, FoxA, Gata4 и Sox17, участвуют в раннем развитии переденей, средней и задней кишки (Табл. 1). Мышинные FoxA (fork head box A) транскрипционные факторы, FoxA1, 2, 3 (HNF α, β, γ) экспрессируются в энтодерме первичной кишечной трубки (за исключением FoxA3) и в дифференцированном кишечнике. У химерных мышей, полученных из мутантных нормальных эмбриональных стволоых (ES) клеток, смешанных на стадии бластулы, клетки FoxA2-/- вносят вклад в заднюю кишку, но не в переднюю и среднюю. Это указывает на то, что FoxA2 необходим для развития передней и cредней кишки. Гомолог FoxA дрозофилы fork head (fkh) и Caenorhabditis elegans pha-4 играют сходные роли в развитии кишечника. У мутантов fkh передняя и задняя кишка трансформируются в эктодерму и головные структуры, тогда как средняя кишка дегенерирует. Сходным образом мутантны pha-4 также лишены передней кишки и часто задней кишки, а средняя кишка в основном остаётся неизменной. Функции pha-4 непосредственно регулируются через транскрипцию гена в зачатке передней кишки в течение всего развития и у взрослых во всех типах клеток, представляющих переднюю кишку (нейронах, мышцах, эпителии и т.д.). Т.о., pha-4 функционирует как общий регулятор для большинства или всех геных программ в передней кишке. Как на молекулярном уровне FoxA гены функционируют у мышей? У мышей в клетках энтодермальных предшественников FOXA связывающие сайты прежде всего обнаруживаются в albumin enchancer. Учитывая это и тот факт, что FOXA2 м. открывать репрессированный хроматин, показывает, что FoxA гены являются "пионерами", которые делают энтодермальные гены компетентными, чтобы быть активированы молекулярными сигналами и/или дополнительными транскрипционными факторами. Это подтверждает идею , что гены FoxA необходимы для индукции зачатка кишки у мышей. Одной из возможностей являет то, что каждый из FoxA 1, 2, 3 работает в разное время в развитии, чтобы осуществить функцию, эквивалентную pha-4, в установлении зачатка кишечника и в управлении последующим развитием. Однако, неясно м. ли подобно pha-4 мышинные FoxA гены непосредственно регулировать онтогенетические генные программы в преденей и средней кишке. Транскрипционный фактор цинковые пальчики Gata4 также участвует в раннм развитии кишечника. Gata4 экспрессируется в AIP позвоночных? а Gata4 нулевые мыши лишены вентральной части энтодермы передней кишки. Этот фенотип, по крайней мере частично, обуслолвен дефектами миграции, дающими неправильно сформированные AIP и боковые и вентральные слкдаки тела. У мутантов рыбок данио по гомологу Gata4, faust/gata5 (fau), также нарушена энтодермальная миграция. Более того, перед миграцией энтодермальных предшественников обнаруживается сильное уменьшение количества клеток, экспрессирующих некоторые энтодермальные маркёры. Эти данные подтверждают, что Gata4 функционирует и в миограции энтодермы и в раннем развитии энтодермы кишечника. Данные, полученные на дрозофиле и C.elegans, подтверждают разные роли Gata4 и FoxA в раннем развитии кишечника. Гомологи Gata4 у дрозофилы serpent (srp) и C.elegans end-1 и end-3, экспрессируются в зачатеке средней кишки и соответственно мутантные эмбриноы srp и end-1; end-3 не формируют среднюю кишку. Более того, эктопическая экспрессия end-1 или end-3 у эмбрионов c.elegans индуцирует в не-энтодремальных клетках судьбу средней кишки. Следовательно, в противположность гомологам FoxA дрозофилы и червя, которые важны для развития зачатков передней и задней кишки, ортологи Gata4 беспозвоночных необходимы для предпоределения средней кишки. Однако всё ещё остаётся неясным, функционируют ли FoxA и Gata4 у позвоночных независимо, в обеспечнии разных субрегионов кишки. У рыбок данио презумптивный кишечный тракт содержит энтодермальные предшественники в течение всего сомитогенеза, а субрегионы кишки (глотка и пищевод, кишечник и задняя кишка) эпителизируются и формируют просвет независимо во время среднего и позднего сомитогенеза, затем они постепенно соединяются и образуют одну трубку. Возможно, что как и у беспозвоночных, субрегионы кишки позвоночных м. возникать из отдельных клонов и/или развиваться под контролем независимых молекулярных программ. Sox17 (Ary-related HMG box factor) является дополнительным регулятором ранней кишечной энтодермы. Эктопическая экспрессия Xsox17 α и β вызывает у Xenopus эксансию задней кишки и м. индуцировать дифференцировку эктодермы по пути кишечной энтодермы. Более того, блокирование Xsox17 α и β ингибирует энтодермальное развитие. Исследования на мышах выявили дифференциальную потребность в Sox17 в энтодерме передней кишки скорее, чем в средней и задней кишке. Мышиный Sox17 экспрессируется в энтодерме всей первичной кишечной трубки, но экспрессия в переденй кишке со временем снижается. У нулевых Sox17 мышей энтодерма переденей кишки подвергается экстенсивному апопозу, тогда как рост и морфогенез средней и заднй кишки тяжело нарушаются. Это указывает на то,ч то Sox17 является критическим для ражвития энтодремы средней и задней кишки и для поддержания энтодермы передней кишки. Anterior/Posterior Patterning of the Gut Tube Как только клетки оказываются специфицированы в зачатки кишечника они подвергаются региональному формированию паттерна, наступает стадия дифференциального развития первичных органов в переденей, средней и задней кишке. Два класса генов Cdx2 и Нох паралоги участвуют в формировании передне-данего паттерна (Табл. 1). Cdx2 - ParaHox транскрипционный фактор - особенно важен для развития задней кишки, а у мышиных химер клетки Cdc2-/- ES не вносят своего вклада в тонкий с толстый кишечник. Более того, ортолог Cdx2 у дрозофилы, caudal, необходим для интернализации и поддержания зачатка задней кишки. Следовательно, Cdx2 является критическим для развития задней кишки. Свч класс м. влиять на формирование паттерна заднего кишечника путём регуляции экспрессии Нох генов, класса генов, которые формируют паттерны во многих тканях вдоль передене-задней оси. Эктопическя экспрессия у Xenopus Cdx гена , Xcad3, активирует экспрессию задних Нох генов, НохА7, НохС6 и НохВ9 и репрессируют впереди экспрессирующиеся гены, НохВ1 и НохВ3. Сходным образом мыши. гетерозиготные по Cdx2, обнаруживают повреждения в эпителии желудка в тонком и толстом кишечнике, указывя на ростральный гомеозисный сдвиг в средней кишке. Этот фенотип характерен для нарушенной экспрессии Нох генов. Всё это вместе с наблюдением, что семейство Cdx регулирует экспрессию Нох во многих др. тканях, подтверждает роль Cdx2 в формировании паттерна задней кишки посредством геруляции Нох генов. Классическая роль Нох генов в формировании передене-заднего паттерна во многих тканях скорее всего законсервирована и в кишечнике. У эмбрионов кур и мышей подсемейства Нох генов экспрессируются в эпителии и мезенхиме первичной кишечной трубки в виде гнёздного переден-заджнего паттерна, который сохраняется в течние всей органной дифференцировки. Более того, границы экспрессии генов у эмбрионов Abd-B подобных Нох генов из А и D кластеров самто коррелируют с позициями морфологических кишенчых органных характеристик, таких как сфинктеры. однако Нох мутанты у мышей дают слабые кишечные фенотипы, вожзможно из-за перекрываемости функций внутри групп паралогов Нох. Некоторые функциональные данные подтверждают роль генов Нох в флрмировании передне-заднего паттрена кишенчика. Экспрессия Hoxd13 в энтодерме средней кишки эмбрионов кур ведет к появлению морфологии, характерной для задней кишки. Более того, потеря функции Ноха5 в энтодерме вызывает, по-видимоу, ростральный гомеозисный сдвиг специфическтх для желудка типов клеток гастрической слизистой. Очевидно, как и в др. тканях Нох гены формируют паттерн водльпередне-задней оси кишки. Crosstalk detween Adjacent Tissues Coordinates Region-Specific Gut Differentiatio Как только появляются первичные органы, энтодермальный и мезодремальные слои вдоль разных позиций передне-задней оси кишечной трубки координируют свою дифференцировку. Эта координация достигается посредством прямой передачи сигналов между соседни тканями. Некоторые эксперименты продемонстрировали, что энтодермально экспрессируемые Shh (Soniv hedhehog)и Ihh (Indian hedgehog) способствуют дифференцировк соседней мезодермы. Shh широко экспрессируется в развивающейся энтодерме кишечника, тогда как Ihh экспрессируется в задней части энтодермы от задней кишки до ануса. Трансдукторы сигналов hedgehog, Patched (Ptc) 1 и 2 рецепторы, и транскрипционные эффекторы, Gli 1 и 2, экспрессируются в соседней мезодерме, демонстрируя тем самым, что эта ткань является первичной мишенью для сигналов SHH и IHH, продуцируеых энтодермой. Shh-/- и Ihh-/- мыши обнаруживают ументьшение гладких мышц вдоль тонкого кишечника, демонстрируя тем самым. что передача сигналов Hh необходима для дифференцировки мезенхимы кишечникаю Более того, когда энтодрема и мезодерма кишечника культивируются вместе, то воздействие Hh ингибитора cyclopamine,то экспрессия мезодермального Bmp4 снижается. Это указывает на то, что Bmp4 м.б. мишенью для энтодермальных SHH/IHH. Регион-специфическая дифференцировка кишечника в свою очередь зависит от сигналов из мезодермы в энтодерму. Этот феномен чётко продемонстрирован в экспериментах с рекомбинацией тканей. Так, мезодерма proventricularis (glandular желудок) м. инструктировать энтодерму gizzard (muscular желудок) дифференцироваться в эпителий провентрикулюса. Ингибирование экспрессии Bmp ведет к отсутствию провентрикулярного гляндулярного эпителия. У эмбрионов кур экспрессия Bmp, исключается из мезодермы gizzard, указывая тем самым, что активность ВМР4 является регионально ограниченной. Более того, мезодермаль экспрессируемые молекулы, включая Bmp4? передают сигналы в энтодерму и являются критическим средством инициации региональной специфичности дифференцировки.

Basic Anatomy of the Digestive Tract

ЖКТ позвоночных состоит из многих органов, которые возникают из общей первичной кишечной трубки, которая идет от рта до ануса. У мышей ораганогенез кишечника начинается вскоре после гаструляции, коогда дефинитивная энтодерма инвагинирует на своем переденем и заднем концах, чтобы создать arterior intestinal portal (AIP) и caudal intestinal portal (CIP), соотв. Со временем открыто заканчивающиеся трубки удлинняются в направлении др. др. и, наконец, эти трубки сливаются с желточным мешком, образуя тем самым непрерывную первичную кишечную трубку.

Первичная кишка млекопитающих является эпителиальной трубкоц, окружённой спланхнической мезодермой. Кишечная трубка созревает и становятся морфологически различимыми передняя, средняя и задняя кишка. В это время мезенхима созревает в соединительную ткань и концентрические слои кладкомышечных клеток, которые иннервируются энтерической нервной системой, это способствует контратильным движениям во время переваривания. Затем кишка дифференцируется вдоль передене-задней оси в отдельные первичные органы, которые выполняют специализированные роли в переваривании. Соответственно кишечный эпителий приобретает определнную просветную (luminal) морфологию для выполнения переваривающей функции. В целом органы первичной кишки (глодка, пищевод, желудок) обеспечивают загалатывание пищи и начало переваривания. Переваривание заканчивается и происходит абсорбция питаельных веществ средней кишке (тонкий кишечник), тогда как задняя кишка ( толстый кишечник) реабсорбирует воду и ионы и удаляет непереварившиеся остатки.

Development of Digestive Organ Primordia

Кишечник использует общие молекулярные механизмы для своего раннего развития. Гены трёх классов, FoxA, Gata4 и Sox17, участвуют в раннем развитии переденей, средней и задней кишки (Табл. 1). Мышинные FoxA (fork head box A) транскрипционные факторы, FoxA1, 2, 3 (HNF α, β, γ) экспрессируются в энтодерме первичной кишечной трубки (за исключением FoxA3) и в дифференцированном кишечнике. У химерных мышей, полученных из мутантных нормальных эмбриональных стволоых (ES) клеток, смешанных на стадии бластулы, клетки FoxA2-/- вносят вклад в заднюю кишку, но не в переднюю и среднюю. Это указывает на то, что FoxA2 необходим для развития передней и cредней кишки.

Гомолог FoxA дрозофилы fork head (fkh) и Caenorhabditis elegans pha-4 играют сходные роли в развитии кишечника. У мутантов fkh передняя и задняя кишка трансформируются в эктодерму и головные структуры, тогда как средняя кишка дегенерирует. Сходным образом мутантны pha-4 также лишены передней кишки и часто задней кишки, а средняя кишка в основном остаётся неизменной. Функции pha-4 непосредственно регулируются через транскрипцию гена в зачатке передней кишки в течение всего развития и у взрослых во всех типах клеток, представляющих переднюю кишку (нейронах, мышцах, эпителии и т.д.). Т.о., pha-4 функционирует как общий регулятор для большинства или всех геных программ в передней кишке.

Как на молекулярном уровне FoxA гены функционируют у мышей? У мышей в клетках энтодермальных предшественников FOXA связывающие сайты прежде всего обнаруживаются в albumin enchancer. Учитывая это и тот факт, что FOXA2 м. открывать репрессированный хроматин, показывает, что FoxA гены являются "пионерами", которые делают энтодермальные гены компетентными, чтобы быть активированы молекулярными сигналами и/или дополнительными транскрипционными факторами. Это подтверждает идею , что гены FoxA необходимы для индукции зачатка кишки у мышей. Одной из возможностей являет то, что каждый из FoxA 1, 2, 3 работает в разное время в развитии, чтобы осуществить функцию, эквивалентную pha-4, в установлении зачатка кишечника и в управлении последующим развитием. Однако, неясно м. ли подобно pha-4 мышинные FoxA гены непосредственно регулировать онтогенетические генные программы в преденей и средней кишке.

Транскрипционный фактор цинковые пальчики Gata4 также участвует в раннм развитии кишечника. Gata4 экспрессируется в AIP позвоночных? а Gata4 нулевые мыши лишены вентральной части энтодермы передней кишки. Этот фенотип, по крайней мере частично, обуслолвен дефектами миграции, дающими неправильно сформированные AIP и боковые и вентральные слкдаки тела. У мутантов рыбок данио по гомологу Gata4, faust/gata5 (fau), также нарушена энтодермальная миграция. Более того, перед миграцией энтодермальных предшественников обнаруживается сильное уменьшение количества клеток, экспрессирующих некоторые энтодермальные маркёры. Эти данные подтверждают, что Gata4 функционирует и в миограции энтодермы и в раннем развитии энтодермы кишечника.

Данные, полученные на дрозофиле и C.elegans, подтверждают разные роли Gata4 и FoxA в раннем развитии кишечника. Гомологи Gata4 у дрозофилы serpent (srp) и C.elegans end-1 и end-3, экспрессируются в зачатеке средней кишки и соответственно мутантные эмбриноы srp и end-1; end-3 не формируют среднюю кишку. Более того, эктопическая экспрессия end-1 или end-3 у эмбрионов c.elegans индуцирует в не-энтодремальных клетках судьбу средней кишки. Следовательно, в противположность гомологам FoxA дрозофилы и червя, которые важны для развития зачатков передней и задней кишки, ортологи Gata4 беспозвоночных необходимы для предпоределения средней кишки. Однако всё ещё остаётся неясным, функционируют ли FoxA и Gata4 у позвоночных независимо, в обеспечнии разных субрегионов кишки.

У рыбок данио презумптивный кишечный тракт содержит энтодермальные предшественники в течение всего сомитогенеза, а субрегионы кишки (глотка и пищевод, кишечник и задняя кишка) эпителизируются и формируют просвет независимо во время среднего и позднего сомитогенеза, затем они постепенно соединяются и образуют одну трубку. Возможно, что как и у беспозвоночных, субрегионы кишки позвоночных м. возникать из отдельных клонов и/или развиваться под контролем независимых молекулярных программ.

Sox17 (Ary-related HMG box factor) является дополнительным регулятором ранней кишечной энтодермы. Эктопическая экспрессия Xsox17 α и β вызывает у Xenopus эксансию задней кишки и м. индуцировать дифференцировку эктодермы по пути кишечной энтодермы. Более того, блокирование Xsox17 α и β ингибирует энтодермальное развитие. Исследования на мышах выявили дифференциальную потребность в Sox17 в энтодерме передней кишки скорее, чем в средней и задней кишке. Мышиный Sox17 экспрессируется в энтодерме всей первичной кишечной трубки, но экспрессия в переденй кишке со временем снижается. У нулевых Sox17 мышей энтодерма переденей кишки подвергается экстенсивному апопозу, тогда как рост и морфогенез средней и заднй кишки тяжело нарушаются. Это указывает на то,ч то Sox17 является критическим для ражвития энтодремы средней и задней кишки и для поддержания энтодермы передней кишки.

Anterior/Posterior Patterning of the Gut Tube

Как только клетки оказываются специфицированы в зачатки кишечника они подвергаются региональному формированию паттерна, наступает стадия дифференциального развития первичных органов в переденей, средней и задней кишке. Два класса генов Cdx2 и Нох паралоги участвуют в формировании передне-данего паттерна (Табл. 1). Cdx2 - ParaHox транскрипционный фактор - особенно важен для развития задней кишки, а у мышиных химер клетки Cdc2-/- ES не вносят своего вклада в тонкий с толстый кишечник. Более того, ортолог Cdx2 у дрозофилы, caudal, необходим для интернализации и поддержания зачатка задней кишки. Следовательно, Cdx2 является критическим для развития задней кишки.

Свч класс м. влиять на формирование паттерна заднего кишечника путём регуляции экспрессии Нох генов, класса генов, которые формируют паттерны во многих тканях вдоль передене-задней оси. Эктопическя экспрессия у Xenopus Cdx гена , Xcad3, активирует экспрессию задних Нох генов, НохА7, НохС6 и НохВ9 и репрессируют впереди экспрессирующиеся гены, НохВ1 и НохВ3. Сходным образом мыши. гетерозиготные по Cdx2, обнаруживают повреждения в эпителии желудка в тонком и толстом кишечнике, указывя на ростральный гомеозисный сдвиг в средней кишке. Этот фенотип характерен для нарушенной экспрессии Нох генов. Всё это вместе с наблюдением, что семейство Cdx регулирует экспрессию Нох во многих др. тканях, подтверждает роль Cdx2 в формировании паттерна задней кишки посредством геруляции Нох генов.

Классическая роль Нох генов в формировании передене-заднего паттерна во многих тканях скорее всего законсервирована и в кишечнике. У эмбрионов кур и мышей подсемейства Нох генов экспрессируются в эпителии и мезенхиме первичной кишечной трубки в виде гнёздного переден-заджнего паттерна, который сохраняется в течние всей органной дифференцировки. Более того, границы экспрессии генов у эмбрионов Abd-B подобных Нох генов из А и D кластеров самто коррелируют с позициями морфологических кишенчых органных характеристик, таких как сфинктеры. однако Нох мутанты у мышей дают слабые кишечные фенотипы, вожзможно из-за перекрываемости функций внутри групп паралогов Нох. Некоторые функциональные данные подтверждают роль генов Нох в флрмировании передне-заднего паттрена кишенчика. Экспрессия Hoxd13 в энтодерме средней кишки эмбрионов кур ведет к появлению морфологии, характерной для задней кишки. Более того, потеря функции Ноха5 в энтодерме вызывает, по-видимоу, ростральный гомеозисный сдвиг специфическтх для желудка типов клеток гастрической слизистой. Очевидно, как и в др. тканях Нох гены формируют паттерн водльпередне-задней оси кишки.

Crosstalk detween Adjacent Tissues Coordinates Region-Specific Gut Differentiatio

Как только появляются первичные органы, энтодермальный и мезодремальные слои вдоль разных позиций передне-задней оси кишечной трубки координируют свою дифференцировку. Эта координация достигается посредством прямой передачи сигналов между соседни тканями. Некоторые эксперименты продемонстрировали, что энтодермально экспрессируемые Shh (Soniv hedhehog)и Ihh (Indian hedgehog) способствуют дифференцировк соседней мезодермы. Shh широко экспрессируется в развивающейся энтодерме кишечника, тогда как Ihh экспрессируется в задней части энтодермы от задней кишки до ануса. Трансдукторы сигналов hedgehog, Patched (Ptc) 1 и 2 рецепторы, и транскрипционные эффекторы, Gli 1 и 2, экспрессируются в соседней мезодерме, демонстрируя тем самым, что эта ткань является первичной мишенью для сигналов SHH и IHH, продуцируеых энтодермой. Shh-/- и Ihh-/- мыши обнаруживают ументьшение гладких мышц вдоль тонкого кишечника, демонстрируя тем самым. что передача сигналов Hh необходима для дифференцировки мезенхимы кишечникаю Более того, когда энтодрема и мезодерма кишечника культивируются вместе, то воздействие Hh ингибитора cyclopamine,то экспрессия мезодермального Bmp4 снижается. Это указывает на то, что Bmp4 м.б. мишенью для энтодермальных SHH/IHH.

Регион-специфическая дифференцировка кишечника в свою очередь зависит от сигналов из мезодермы в энтодерму. Этот феномен чётко продемонстрирован в экспериментах с рекомбинацией тканей. Так, мезодерма proventricularis (glandular желудок) м. инструктировать энтодерму gizzard (muscular желудок) дифференцироваться в эпителий провентрикулюса. Ингибирование экспрессии Bmp ведет к отсутствию провентрикулярного гляндулярного эпителия. У эмбрионов кур экспрессия Bmp, исключается из мезодермы gizzard, указывая тем самым, что активность ВМР4 является регионально ограниченной. Более того, мезодермаль экспрессируемые молекулы, включая Bmp4? передают сигналы в энтодерму и являются критическим средством инициации региональной специфичности дифференцировки.

Molecular Mechanisms of Early Gut Organogenesis: A Primer on Development of the Digestive TractJ. C. Kiefer (julie.kiefer@hci.utah.edu)Dev.Dyn. V. 228, No 2, P. 287-291. 2003

Molecular Mechanisms of Early Gut Organogenesis: A Primer on Development of the Digestive Tract
J. C. Kiefer (julie.kiefer@hci.utah.edu)
Dev.Dyn. V. 228, No 2, P. 287-291. 2003