Посещений:
Лево-Правосторонняя Асимметрия

Передача Сигналов Nodal

Nodal signaling induces the midline barrier by activating Nodal expression in the lateral plate
Masamichi Yamamoto, Naoki Mine, Kyoko Mochida, Yasuo Sakai, Yukio Saijoh, Chikara Meno and Hiroshi Hamada (hamada@fbs.osaka-u.ac.jp)
Development 130, 1795-1804 (2003)

The transcription factor Foxh1 mediates Nodal signaling. The role of Foxh1 in left-right (LR) patterning was examined with mutant mice that lack this protein in lateral plate mesoderm (LPM). The mutant mice failed to express Nodal, Lefty2 and Pitx2 on the left side during embryogenesis and exhibited right isomerism. Ectopic introduction of Nodal into right LPM, by transplantation of left LPM or by electroporation of a Nodal vector, induced Nodal expression in wild-type embryos but not in the mutant. Ectopic Nodal expression in right LPM also induced Lefty1 expression in the floor plate. Nodal signaling thus initiates asymmetric Nodal expression in LPM and induces Lefty1 at the midline. Monitoring of Nodal activity in wild-type and Foxh1 mutant embryos suggested that Nodal activity travels from the node to left LPM, and from left LPM to the midline.


Рис.1.  | Cre-mediated deletion of Foxh1 in LPM.


Рис.2.  | Aberrant expression of Nodal, Lefty1, Lefty2 and Pitx2 in Foxh1c/- embryos.


Рис.3.  | LR defects in the visceral organs of Foxh1c/- mice.


Рис.4.  | Induction of Nodal and Lefty1 by transplanted left LPM.


Рис.5.  | Induction of Nodal and Lefty1 by a Nodal expression vector.


Рис.6.  | Monitoring of Nodal activity in mouse embryos with a Nodal-responsive transgene.


Рис.7.  | Model for the movement of Nodal activity during LR patterning.



Ioan Ovidiu Sirbu & Gregg Duester (duester@burnham.org)

Retinoic-acid signalling in node ectoderm and posterior neural plate directs left–right patterning of somitic mesoderm

Nature Cell Biology 8, No 3, 271 - 277 (2006) | doi:10.1038/ncb1374


Сомитогенез нуждается в билатеральной ритмической сегментации параксиальной мезодермы вдоль передне-задней оси1. Локализация сомитной сегментации зависит от оппозитных сигнальных градиентов ретиноевой кислоты (генерируемой с помощью retinaldehyde dehydrogenase-2; Raldh2) спереди и fibroblast growth factor (FGF; генерируемого с помощью Fgf8) сзади2,3. Дефицитные по ретиноевой кислоте эмбрионы обладают лево-правосторонней асимметрией сомитов4,5,6, но остается неясным, как ретиноевая кислота обеспечивает kdj-правосторонний паттерн. Авт. продемонстрировали, что передача сигналов ретиноевой кислоты является униформной поперек лево-правосторонней оси и происходит в эктодерме узелка, но не в мезодерме узелка. У Raldh2-/- эмбрионов мыши экспрессия эктодермального Fgf8 вторгается впереди в эктодерму узелка и нервную пластинку, но его экспрессия в пресомитной мезеодерме первоначально не изменена. На поздних стадиях сомитогенез восстанавливался у Raldh2-/- мышиных эмбрионов, если в материнскую диету добавляли ретиноевую кислоту но только до стадии 6-сомитов, демонстрируя тем самым, что ретиноевая кислота необходима только во время стадий узелка. Репортерный для ретиноевой кислоты трансген, позволяющий действие материнской кислоты у восстановленных Raldh2-/- эмбрионов, выявляет, что мишенями для передачи сигналов ретиноевой кислтоты во время сомитогенеза является эктодерма узелка и задняя часть нервной пластинки, но не пресомитная мезодерма. Эти данные указывают на то, что противодействие экспрессии Fgf8 с помощью ретиноевой кислоты происходит в эктодерме и что неспособность этого механизма генерировать избыточную передачу сигналов FGF8 в соседнюю мезодерму, проявляется первоначально в уменьшении сомитов, а затем в лево-правосторонней асимметрии.


Рис.1.  |  Retinoic-acid signalling is uniform across the left–right axis and present only in node ectoderm.


Рис.2.  |  Bilateral somite-size defects precede left–right defects in the absence of retinoic-acid signalling.


Рис.3.  | Retinoic-acid signalling activity antagonizes Fgf8 expression only in ectoderm.


Рис.4.  |  Retinoic-acid-signalling requirement for somitogenesis occurs only during the early somite stages.


Рис.5.  |  Retinoic-acid-signalling requirement for somitogenesis occurs only during the early somite stages



REVIEWS

THE MAKING OF THE SOMITE: MOLECULAR EVENTS IN VERTEBRATE SEGMENTATION
Nature Reviews Genetics Review (01 Nov 2001)

NEWS AND VIEWS

A vital role for vitamin A
Nature Genetics News and Views (01 Apr 1999)

Developmental biology: Clocks and Hox
Nature News and Views (23 Aug 2001)

RESEARCH

Embryonic retinoic acid synthesis is essential for early mouse post-implantation development
Nature GeneticsLetters (01 Apr 1999)

Notch signalling and the synchronization of the somite segmentation clock
Nature Letters to Editor (23 Nov 2000)

Установление трёх осей является фундаментальным аспектом развития плана тела. Достигнуты определенные успехи в выяснении генетических и молекулярных основ генерации left-right (LR) асимметрии у эмбрионов позвоночных (Beddington and Robertson, 1999; Capdevila et al., 2000; Wright, 2001; Hamada et al., 2002). Установление LR асимметрии, как полагают, достигается в 4 ступени: (1) нарушение LR симметрии внутри или бвлизи узелка, (2) перенос LR-biased сигналов с узелка на латеральную пластинку, (3) асимметричная экспрессия сигнальных молекул, таких как Nodal и Lefty на левой стороне латеральной пластинки и (4) индукция с помощью этих сигнальных молеул LR асимметричного морфогенеза висцеральных органов. Кроме того, д.б. установлен барьер по срединной линии для разделения двух сторон развивающегося эмбриона.
Nodal и Lefty (Ebaf - Mouse Genome Informatics), оба являются членами семейства transforming growth factor β (TGFβ) и играют важную роль в некоторых процессах формирования эмбрионального паттерна (Schier and Shen, 2000 ; Brennan et al., 2001; Juan and Hamada, 2001). Lefty противодействует передаче сигналов Nodal, действуя как ингибитор петли обратной связи (Meno et al., 1999 ; Cheng et al., 2000; Sakuma et al., 2002). При формировании LR паттерна, как полагают, Nodal экспрессируется на левой стороне латеральной пластинки, действуя как левосторонний детерминант и индуцирующий специфичный для левой стороны морфогенез висцеральных органов (Oh and Li, 1997; Yan et al., 1999; Lowe et al., 2001), в то время как Lefty2 (Leftb - Mouse Genome Informatics), который индуцируется с помошью Nodal в левой латеральной пластинке, ограничивает время и область действия Nodal (Meno et al., 2001). Nodal и Lefty играют сходную роль среди позвоночных от рыбок данио до мыши (Sampath et al., 1997; Rebagliati et al., 1998; Bisgrove et al., 1999; Thisse and Thisse, 1999).
Несмотря на недавний успех в понимании формирования LR паттерна, множество важных вопросов остаётся нерешённым. Один из таких вопросов связан с механизмом нарушения симметрии. Нарушение симметрии у млекопитающих, по-видимому, связано с nodal током, направленный налево ток внеэмбриональной жидкости в узелеке генерируется вращательными движениями nodal cilia (Nonaka et al., 1998). Т.о., nodal ток нарушен у мутантных мышей, у которых формирование LR паттерна рандомизировано (Okada et al., 1999). В самом деле, многие из генов, чьи мутации вызывают дефекты формирования LR паттерна, кодируют белки, необходимые для формирования или подвижности cilia. Более того, наложение искусственного тока способно управлять формированием LR паттерна у ранних эмбрионов мыши (Nonaka et al., 2002). Механизм, с помощью которого Nodal ток осуществляет свой эффект, остаётся неизвестным. Возможно, что ток транспортирует факторы детерминации LR в направлении левой стороны, но он не идентифицирован.
Механизм переноса сигнала от узелка к латеральной пластинке также неизвестен. Важным вопросом является также выяснение мезенхима, с помощью которого экспрессия Nodal инициируется в левой LPM. Хотя авторегуляторные механизмы участвуют в передаче сигналов Nodal, a транскрипционный фактор Foxh1 (ранне известный как Fast2) ответственен за амплификацию экспрессии Nodal на левой LPM (Saijoh et al., 2000; Norris et al., 2002), однако не известно как инициируется экспрессия Nodal. Эктопическая экспрессия Nodal на правой LPM эмбрионов кур не способна индуцировать экспрессию Nodal (M. Levin, PhD thesis, Harvard University, 1996), указывая тем самым, что неизвестный фактор, иной чем Nodal, инициирует экспрессию Nodal в левой LPM. Предполагается, что передача сигналов Bone morphogenetic protein (BMP) негативно регулирует экспрессию Nodalу эмбрионов кур, a антагонист BMP, такой как Caronte, м. инициировать экспрессию Nodal, ингибируя активность BMP на левой стороне (Rodriguez Esteban et al., 1999; Yokouchi et al., 1999). Однако недавние доказательства указывают на то, что передача сигналов BMP позитивно регулирует экспрессию Nodal путём индукции фактора EGF-CFC в LPM (Schlange et al., 2001; Schlange et al., 2002; Piedra and Ros, 2002). Фактор, ответственный за инициацию асимметричной экспрессии Nodal в LPM т.о. остаётся неизвестным. Наконец, структуры срединной линии служат барьером, который предупреждает диффузию асимметричных сигналов (Danos and Yost, 1996; Lohr et al., 1997; Meno et al., 1998), но неясно, как барьер срединной линии устанавливается и как функционирует. Анализ мутантных мышей Lefty1 показал, что Lefty1, антагонист Nodal, экспрессируется на левой стороне prospective floor plate (PFP), внося вклад в барьерную функцию срединной линии (Meno et al., 1998). Однако неясно как экспрессия Lefty1 экспрессируется на срединной линии.
Мы изучали роль передачи сигналов Nodal-Foxh1 в формировании LR патерна, анализируя условных мутантов Foxh1 мыши. Мы исследовали также функцию Nodal с помощью трансплантаций и системы электропортации в приложении к мутантым Foxh1 мышам. Неожиданно передача сигналов Nodal-Foxh1, как было установлено, способна инициировать экспрессию Nodal в LPM и индуцировать экспрессию Lefty1 в срединной линии. Полученные результаты показалиЯ. что левосторонняя экспрессия Nodal в LPM инициируется с помощью Nodal, продуцируемого в узелке и что экспрессия Lefty1 в срединной линии индуцируется с помощью Nodal, продуцируемого в левой LPM. Мы полагаем, что активность Nodal перемещается из узелка в левую LPM, a из левой LPM к срединной линии.

RESULTS


Conditional deletion of Foxh1 in the lateral plate

Right isomerism in Foxh1 conditional mutant embryos

Induction of Nodal expression in the lateral plate requires Foxh1

Initiation by Nodal of Nodal expression in the lateral plate

Induction of Lefty1 expression at the midline by Nodal produced in the left lateral plate

Nodal activity travels from left LPM to the PFP

DISCUSSION


Полученные результаты указывают на то, что передача сигналов Nodal индуцирует инициацию и экспансию асимметрической экспрессии Nodal в LPM, а также инициирует экспрессию Lefty1 в срдеинной линии. Они также проливают свет на механизм, с помощью которого сигналы асимметрии переносятся между структурами во время формирования LR паттерна. На базе полуденных и уже имевшихся данных мы предлагаем след. сценарий (Fig. 7). Во-первых, Nodal, продуцируемый в узелке переносится из узелка в левую LPM, где он инициирует асимметричную экспрессию Nodal (или Nodal м. действовать в левой LPM непрямо). Во-вторых, белок Nodal обеспечивает в небольшой области левой LPM, соседствующей с узелком, диффузию вдоль передне-задней оси, в результате возникает экспансия экспрессии Nodal внутри левой LPM. в-третьих, Nodal, продуцируемый в левой LPM, также путешествует в направлении срединной линии, где он индуцирует экспрессию Lefty1, продукт которого является критическим для барьерной функции срединной линии. Т.о., согласно этому сценарию, два критических события в формировании LR паттерна, асимметричная экспрессия Nodal в LPM и экспрессия Lefty1 по срединной линии, устанавливаются за счёт диффузии Nodal, сопровождаемой передачей сигналов Nodal. Foxh1 необходим, по крайней мере, для индукции Nodal в левой LPM.
Nodal produced in the node may initiate Nodal expression in left LPM
Как инициируется асимметричная экспрессия Nodalв LPM? Наши эксперименты по трансплантации и электропортации с мышиными эмбрионами показали, что эктопически экспрессирующийся Nodal индуцирует эндогенную экспрессию Nodal в правой LPM. Nodal т.о. способен инициировать экспрессию Nodal в LPM, подтверждая возможность того, что Nodal, продуцируемый в узелке перемещается в левую LPM и здесь индуцирует экспрессии Nodal. Предыдущие наблюдения также согласуются с этой идеей. Во-первых, экспрессия Nodal в узелке (околоузелковой области) начинается раньше, чем в левой LPM (Collignon et al., 1996). Во-вторых, асимметричная экспрессия Nodal в левой LPM начинается в небольшой области, соседствующей с узелком. В третьих, асимметричная экспрессия Nodal в левой LPM контролируется с помощью левого side-специфичного энхансера, обозначенного ASE (Adachi et al., 1999; Norris et al., 2002; Norris and Robertson, 1999), наиболее критическим элементом которого являются два Foxh1-связывающие сайта (Adachi et al., 1999; Saijoh et al., 2000). Эти Foxh1-связывающие сайты действуют как чувствительноые к Nodal элементы, указывая тем самым, что Nodal регулируется с помощью позитивного авторегуляторного механизма. В-четвертых, компоненты, необходимые для передачи сигналов Nodal (такие как ALK4, ActRII, Cryptic, Smads и Foxh1) все экспрессируются в LPM обеих сторон. В-пятых, у разных мутантных мышей с LR дефектами, асимметричная экспрессия Nodal в LPM всегда отсутствует, если экспрессия Nodal в узелке отсутствует (Lowe et al., 2001; Saijoh et al., 2003). Наконец, роль Nodal, продуцируемого в узелке более чётко продемонстрирована Brennan et al. (Brennan et al., 2002). Т.о., мутантные мыши, специфически лишенные Nodal в узелке, неспособны инициировать асимметрической экспрессии Nodal в LPM, указывая тем самым, что экспрессия Nodal в узелке в самом деле существенна для асимметричной экспрессии в левой LPM (Brennan et al., 2002). Тем не менее остаётся невыясненным, действует ли приходящий из узелка Nodal непосредственно на LPM, чтобы инициировать экспрессию Nodal. Др. факторы, такие как GDF1 также м. вовлекаться в перенос сигналов из узелка в LPM, т.к. GDF1 экспрессируется в узелке, а отсутствие GDF1 вызывает потерю асимметрии экспрессии Nodal в LPM (Rankin et al., 2000).
Foxh1 экспрессируется билатерально в LPM на ст. ранних сомитов, когда Nodal экспрессируется в левой LPM (Saijoh et al., 2000) и м. участвовать как в инициации, так и амплификации экспрессии Nodal в левой LPM. Хотя mhelyj различить эти два процесса экспериментально, но по нашему наблюдению Foxh1 участвует в обоих, т.к. трансплантация левой LPM в Foxh1c/- эмбрионов не способна индуцировать экспрессию Nodal даже в клетках соседних с местом трансплантации.
Если Nodal, синтезированный в узелке, действует на левую LPM, то что предупреждает активность Nodal от перемещения в направлении правой стороны? Ток Nodal, левонаправленный ток внеэмбриональной жидкости в узелке генерируется вращательными движениями ресничек (Nonaka et al., 1998), м. транспортировать Nodal преимущественно в направлении левой стороны. В самом деле, роль узелкового тока в формировании LR паттерна недавно продемонстрирована с помощью тестирования эффектов искусственного тока жидкости у эмбрионов (Nonaka et al., 2002). Хотя реснитчатые клетки м.б. обнаружены в области организатора у не-млекопитающих, включая эмбрионов кур (Essner et al., 2002), ток жидкости здесь не м.б. генерирован. Случайное, эктопическое введение Nodal в правую LPM не способно индуцировать экспрессии эндогенного Nodal (M. Levin, PhD thesis, Harvard University, 1996). Т.о., др. механизмы м. оперировать у кур для переноса асимметричных сигналов от узелка в левую LPM.

Nodal protein produced in left LPM induces Lefty1 expression at the midline

Структуры срединной линии, включая донную пластинку и хорду, необходимы для разделения двух сторон эмбриона (Danos and Yost, 1996), при этом Lefty1 является критическим для функционирования барьерной срединной линии (Meno et al., 1998). Наши наблюдения подтверждают, что экспрессия Lefty1 в PFP индуцируется с помощью Nodal, продуцируемого в левой LPM. Во-первых, Fixhlc/- эмбрионы, у которых отсутствует экспрессия Nodal в левой LPM, но сохраняется в узелке, не способны экспрессировать Lefty1 в PFP, указывая тем самым, что Nodal, продуцируемый в узелке, неспособен индуцировать экспрессию Lefty1 в PFP. Во-вторых, трансплантированная LPM или Nodal экспрессирующий вектор, внесенные в правую LPM индуцируют экспрессию Lefty1 в PFP эмбрионов дикого типа, но не у Foxh1c/- эмбрионов. В-третьих, введение конституитивно активной ALK4 в левую LPM у Foxhlc/- эмбрионов не способно индуцировать экспрессию Lefty1 в PFP, исключая тем самым возможность того, что неизвестный фактор, продуцируемый с помощью Nodal-зависимого, но Foxh1-независимого пути индуцирует Lefty1. Идея, что экспрессия Lefty1 индуцируется с помощью LPM-продуцируемого Nodal, согласуется также с предыдущими наблюдениями. Сравнение кинетики экспрессии Lefty1 и Nodal показывает, что экспрессии Lefty1 в PFP предшествует экспрессия Nodal в левой LPM (C. M. et al., unpublished data). Более того, Nodal не экспрессируется в PFP. Наконец, мутантные мыши, лишенные компонента сигнального пути Nodal, такого как ко-рецептор Cryptic, не способны экспрессировать Lefty1 в PFP , также как и Nodal в левой LPM (Yan et al., 1999 51 ).
После того как Nodal, продуцированный в левой LPM , перемещается к срединной линии и индуцирует экспрессию Lefty1, то Lefty1, который также способен перемещаться на большие расстояния (Sakuma et al., 2002), м. диффундировать в направлении LPM. Lefty1, который достигает правой LPM, окажется некомпетентным в передаче сигналов Nodal и будет предупреждать здесь экспрессию Nodal. Lefty1, который достигает левой LPM, вместе с Lefty2, продуцируемым в левой LPM, м. вносить вклад в быструю репрессию экспрессии Nodal в этой области. Функция барьера срединной линии исчезает у мутантов с отсутствием Lefty1, в результате возникает билатеральная экспрессия Nodal и Lefty2 (Meno et al., 1998). Ранее мы уже высказывали предположение, что в отсутствие Lefty1 неизвестный лево-сторонний детерминант перемещается через срединную линию и достигает правой LPM, где он индуцирует экспрессию Nodal и Lefty2 (Meno et al., 1998). Теперь наши данные подтверждают, что таким лево-сторонним детерминантом является скорее всего Nodal.
Хотя наши результаты показывают, что экспрессия Lefty1 в срединной линии индуцируется с помощью Nodal, продуцируемого в левой LPM, не совсем ясно. зависит ли эта экспрессия от Foxh1. Экспрессия Lefty1 теряется, по крайней мере, у некоторых типов Foxh1-нулевых мутантов (Yamamoto et al., 2001). Однако этот эффект м.б. вторичным из-за неправильной спецификации клеток срединной линии в отсутствие Foxh1 (Hoodless et al., 2001; Yamamoto et al., 2001). Анализ транскрипционных регуляторных элементов Lefty1 (Saijoh et al., 1999) показал, что область в 1.2 kb непосредственно выше Lefty1 достаточна для его асимметричной экспрессии в PFP. Хотя эта 1.2 kb область содержит три потенциальных связывающих сайта для Foxh1, мутации этих последовательностей не нарушали PFP-специфической экспрессии Lefty1 (Y.S. and H.H., unpublished). Передача сигналов Nodal, которая индуцирует Lefty1 в PFP, следовательно, м. и не использовать Foxh1.
В целом наши результаты, полученные на Foxh1c/- мышах, подтверждают, что активность Nodal перемещается из узелка в левую LPM и из левой LPM срединной линии.
Сайт создан в системе uCoz