Посещений:
Развитие Сердца

Роль Гена Jumonji

Roles of JUMONJI in mouse embryonic Development
А J.Jung, M.R.Mysliwiec, Y.Lee
Dev.Dyn. Vol. 232, No 1, P. 21-32, 2005.
Molecular Functions and Structure of JMJ


JMJ кодирует ядерный фактор, который принадлежит семейству AT-rich interaction domain (ARID) (Takeuchi et al., 1995; Lee et al., 2000; Рис. 2). ARID мотив был первоначально выявлен при анализе факторов - мышиного Brigt (В-клеточного регулятора транскрипции IgH), человеческого modulator recognition factors MRF-1, MRF-2 и Drosophila Dead ringer (DRI). Члены ARID семейства обнаружиены в грибах, растениях и у животных. Они играют существенную роль в регуляции транскрипции во время эмбрионального развития, в контроле клеточного цикла и ремоделировании хроматина. Мотив ARID эволюционно сильно консервативен (Kortschak et al., 2000). Недавно описаны две отдельные гомологичные области (jmjN и gmjC) общие членам семейства JMJ эукариотических транскрипционных факторов (Balciunas, Ronne, 2000). На базе существенного сходства последовательностей jmjC домены были идентифицированы у более чем в 100 эукариотических и бактериальных последовательностях (Clissold, Ponting, 2001). Сюда входит человеческий hairless, мутантный у людей с alopecia universalis, retinoblastoma-binding protein 2 *КИЗ2) и некоторые ассоциированные с хроматином белки (Defeo-Jones et al., 1991; Fattaey et al., 1993; Ahmad et al., 1998; Clissold, Ponting, 2001), такие как новый дрожжевой белок, Ере-1, который дестабилизирует гетерохроматинизацию посредством своего jmjC домена (Ayoub et al., 2003).
Некоторые ARID белки обнаруживают связывание с сиквенс-специфическими ДНК, такие как Bright, DRI и ЬКА2 (Hersher et al., 1995; Gregory et al., 1996; Whitson et al., 1999), тогда как др. нет, такие как OSA и RBP1 (Treisman et al., 1997; Vazquez et al., 1999). Хотя некоторые ARID факторы являются транскрипционными активаторами, такие как дрожжевой SWI1, др. ARID белки участвуют в механизмах репрессии. Dri, напр., необходим для dorsal-зависимой репрессии (Valentine et al., 1998). DRI связывает соседнего с Dorsal- связывающим сайтом в zerknult (zen) энхансере, что делает возможным эффективное связывание Groucho ко-репрессора с DRI и Dorsal, превращая нормальную активность Dorsal в качестве активатора в репрессор.. Репрессия транскрипции также является важной функцией белка RBP1. Избыточная экспрессия RBP1 ингибирует E2F-зависимую экспрессии генов и супрессирует клеточный рост. RBP1, по-видимому, обеспечивает репрессию части но путем связывания histone deacetylases (HDAC). Роль ARID В функционировании RBP1 ещё не установлена.
Анализ структурных и функциональных взаимоотношений показал, что JMJ белок содержит 3 функциональных домена (Ри. 2), Домен сигнала ядерной локализации (NLS, aa 1-130), домен транскрипционной репрессии (TR, aa 131-222) и ДНК связывающий домен (DBD, aa 528-7980 (Kim et al., 2003). Т.о., JMJ, по-видимому. функционирует как транскрипционный репрессор посредством связывания АТ-богатых последовательностей ДНК, которые содержат 5'-(T)4-6, -TATT или TAAT мотив (Kim et al., 2003). Однако эндогенные гены-мишени для JMJ и молекулярные механизмы. с помощью которых он регулирует экспрессии. генов-мишеней в основном неизвестны. Toyoda et al., (2003) сообщили, что JMJ м. регулировать клеточный цикл посредством репрессии промотора циклина D1. JMJ также, по-видимому, репрессирует экспрессию гена ФТА путем взаимодействия с кардиальными транскрипционными факторами, которые активируют экспрессию ФТА, такими как NKx2.5 и GATA4.

Expression Patterns of the jmj Gene


Паттерн экспрессии jmj у эмбрионов мыши особенно в сердце изучался с помощью гибридизации in situ (Рис. 3; Lee et al., 2000). Транскрипты jmj экспрессируются на более высоком уровне в нейральной эктодерме и децидуальной ткани, чем в эмбриональной мезодерме и энтодерме (Е7.5; Рис. 3А). Транскрипты jmj в миокарде обнаруживаются на ст. Е8.0 (Рис. 3С). Экспрессия продолжается в течение всего эмбрионального развития сердца в миокарда с более высокими уровнями мРНК в тракте оттока, межжелудочковой перегородке и стенке желудочков, включая компактный слой и трабекулы, по сравнению со стенкой предсердий (Рис. 3F,ПбШ)ю Экспрессия повышена в спинном мозге, ганглиях дорсальных корешков, тимусе, зачатках конечностей и коричневой жировой ткани. Jmj продолжает экспрессироваться во взрослом сердце, хотя и на пониженных уровнях. У мышей jmj экспрессируется на более высоком уровне в сердце, головном мозге, тимусе и скелетных мышцах по сравнению с с лёгкими, печенью и селезенкой (Lee et al., 2000).
Паттерн экспрессии jmj в головном мозге характеризуется строгой экспрессией jmj на границе между средним и задним мозгом (Е8.0- Е16.5) и в нейронах ганглиев дорсальных корешков на протяжении всего развития. Экспрессия в др. тканях обнаруживается с примитивной глотке, bulbus cordis сердца и вокруг раннего нейропора в хвосте в дополнение к зачаткам конечностей, зачатку печени, передней кишке и примитивному левому желудочку (Рис. 4А-С; Lee et al., 2000). Экспрессия в мозжечке впервые выявляется на ст. Е14.5 в его латеральных областях и распространяется на весь мозжечок на Е16.5. На поперечных срезах эмбрионов Е11.5-Е16.0 выявляется его экспрессия в миокарде гетерозиготных эмбрионов во время этого периода.
Белок JMJ человека обнаруживает 90% сходство с мышиным JMJ (Berge-Lefranc et al., 1996). Человеческая jmj мРНК экспрессируется в виде сходного паттерна, что и у мышей, хотя экспрессия jmj в сердце человека не известна. Следовательно, экспрессия jmj тонко регулируется во времени и пространстве во время развития.

Roles of JMJ in Early Cardiac Development


JMJ экспрессируется по всему сердцу, начиная со стадии прекардиальной мезодермы до взрослого сердца (Lee et al., 2000). Тяжелые дефекты выявлены у jmj гомозиготных эмбрионов мышей, хотя описываются изменчивые фенотипы в зависимости от генетического фона. Мутантные мыши на генетическом фоне С3Н/Не погибают приблизительно на ст. Е11.5, обнаруживая раздутый bulbus cordis и дефекты нервной трубки примерно на ст. Е7.5 (Takeuchi et al., 1999). Гистологические исследования показали, что левый желудочек у мутантных эмбрионов заполнен клетками из трабекул на Е10.5. тогда как у нормальных эмбрионов в желудочке обнаруживаются развивающиеся трабекулы (Рис. 5). Проверка ультраструктуры с помощью ТЭМ показала, что миоциты в трабекулах контрольных эмбрионов на Е10.5 тесно слипаются др. с др. и часто обнаруживают длинные филаменты. Напротив, видны большие пространства между клетками в трабекулах мутантных эмбрионов, а миофиламенты отсутствуют в большинстве клеток и выглядят коротки и дизориентированными. По-видимому, заполнение левого желудочка трабекулярными миоцитами препятствует кровотоку.
Этот мутантный фенотип довольно уникален, т.к. гиперпролиферация наблюдается только в трабекулах левого желудочка. Toyoda et al., (2003) сообщили об повышенной плотности клеток и митозах в трабекулярных кардиомиоцитах мутантов на ст. Е10.5 по сравнению с контролем. Согласно их анализу экспрессия jmj начинается в трабекулярном слое желудочков на Е10.5, когда митотический индекс в трабекулярном слое начинает снижаться. Экспрессия jmj затем обнаруживается в компактном слое на Е12.5, когда митотический индекс в компактном слое начинает снижаться, это указывает на то, что JMJ обычно супрессирует клеточный рост в сердце. Эти мутанты на ст. Е10.5 обнаруживают низкий уровень экспрессии кардио-специфичных генов, таких как MLC 2V, MLC 2A, α-MHC и cardiac α-actin, указывая тем самым на неправильную дифференцировку трабекулярных кардиомиоцитов. Однако, у мутантов на фоне BALB/c не обнаруживается очевидных дефектов, вместо этого наблюдается гипоплазия печни (Motoyama et al., 1997), указывая на зависимость кардиальных дефектов от генетического фона (Ohno et al., 2004).

Roles of JMJ in Late Stage Cardiovascular Development


Гомозиготные jmj мутантные эмбрионы со смешанным генетическим фоном C57BL/6 x 129/Svj обнаруживают тяжелые дефекты сердца, воспроизводящие ВПС у людей (Рис. 6; Lee et al., 2000). Все гомозиготные эмбрионы на таком фоне выживали in uterus и часто имели отеки, но погибали вскоре после рождения. Гетерозиготы по jmj не обнаруживали видимых фенотипических аномалий.
На ст. Е11.5 мутантное сердце не отличимо от сердец дикого типа (Рис. 6 А,В). Эндокардиальные подушки и тракта оттока и атриовентрикулярные формировались нормально и были правильно расположены. Трабекулированная стенка общей вентрикулярной камеры сердца и стенка предсердий дикого типа и гомозиготных мутантных сердец были одинаковой толщины. На Е13.0 гомозиготные мутантные эмбрионы начинали обнаруживать дефекты тракта оттока double-outlet right ventricle (DORV) и выраженные дефект межжелудочковой перегородки (VSD)(Рис. 6C,D). Образование межжелудочковой перегородки завершается на ст. Е13.0, когда мышечная часть перегородки сливается с нижней эндокардиальной подушкой, деля желудочек на две камеры (McFadden, Olson, 2002; Olson, 2004). Обычно аорта выходит из левого желудочка, а легочный тракт из правого. Однако, у гомозиготных мутантных эмбрионов (Рис. 6Е) и аорта и легочные сосуды выходят из правого желудочка.
На ст. Е16.0 мутантные сердца обнаруживают аномально тонкую трабекулярную стенку в левом и правом желудочке в дополнение к VSD (Рис. 6I). Установлено, что истончение миокарда у мутантных гомозигот обусловлено нехваткой наружной компактной зоны, тогда как трабекуляции все еще обнаруживаются. Пролиферация миоцитов на эпикардиальной поверхности желудочков (компактной зоне), начиная с Е12.5 генерирует утолщение наружной части стенки и вносит вклад в мышцы межжелудочковой перегородки. Компактная зона состоит из реплицирующихся кардиомиобластов, тогда как формирующиеся трабекулы состоят из не реплицирующихся, более полно дифференцированных кардиомиоцитов. На Е19.0 наружная часть компактной зоны в гомозиготных мутантных сердцах отсутствует по сравнению с контролем и это затрагивает образование коронарных сосудов, т.к. отмечается существенное уменьшение коронарных сосудов. Гомозиготные эмбрионы обнаруживают DORV. Не выявлется достоверное увеличение количества апоптических клеток в мутантном вентрикулярном миокарде и межжелудочковой перегородке Е12.0-Е17.0. Следовательно, истонченный миокард и VSD м.б. результатом снижения клеточной пролиферации в миокарде.
Все кардиальные дефекты jmj мутантов воспроизводят ВПС людей. VSD наиболее распространенная форма ВПС. Вентрикулярная перегородка образуется в результате двух процессов. Трабекулы конденсируются в межжелудочковой борозде , которая соответствует будущей границе вентрикулярных камер. Кроме того медитальные стенки расширяющихся желудочков сливаются и растут внутрь, формируя основную мышечную часть перегородки. Слабое развитие мышечной части межжелудочковой перегородки у jmj гомозиготных эмбрионов скорее всего объясняется отсутствием экспансии стенок желудочков. Последующее отсутствие слияния эндокардиальных подушек с базальной частью неполной перегородки м давать в результате наблюдаемый VSD. VSD м. также возникать в результате нарушения развития или неспособности точного позиционирования эндокардиальных подушек. Описаны многочисленные гены, вносящие вклад в VSD, в мутантном состоянии, включая CHF/Hey2 и Tbx5 (Bruneau et al., 2001; Sakata et al., 2002). Любое нарушение, которе затрагивает петлеобразование сердца часто дает фенотип DORV (Hogers et al., 1997). Напр., измененная экспрессия Pitx2, который регулирует асимметричный морфогенез органов, включая сердце, кишечник и лёгкие, коррелирует с DORV (Logan et al., 1998; Campione et al., 2001; Franco and Campione, 2003). Пертурбации в репозиционировании и ремоделировании во время петлеобразования м. приводить к DORV у гомозигот по jmj. Клетки нервного гребня дают потомство гладкомышечных клеток в аортальном и легочном стволе, но не в коронарных артериях., где они участвуют в разделении тракта оттока сердца. Разрушение клеток нервного гребня м. приводить к дефектам перегородки тракта оттока, включая персистенцию truncus arteriosus, аномалии аортальных дуг, DORV и тетраду Фалло, когда аорта преодолевает (overrides) межжелудочкову перегородку и сообщается с правым и левым желудочками. Многие мутации и экспериментальные манипуляции вызывают DORV.
Хотя это менее распространено, но у людей описаны новорожденные с тонкостенными желудочками (Pignatelli et al., 2003). Предполагается, что это м.б. результатом неспособности присущих пролиферативных сигнальных путей с участием многочисленных компонентов клеточного цикла и редукцией сети коронарных сосудов, которая м. приводить недостаточному питанию кардиомиоцитов. Известно, что эпикард предоставляет митотические сигналы компактному слою клеток во время поздних стадий развития. Мутантные мыши, лишенные сигналов ретиноевой кислоты (RA) или erytropoietin (epo)/epo рецепторов, обнаруживают дефекты роста сердца, характеризующиеся отсутствием сигналов, исходящих от эпикарда (Sucov et al., 1994; Chen et al., 1998; Wu et al., 1999). Интересно, что множественные дефекты сердца, наблюдаемые у мутантов jmj, часто обнаруживаются вместе. Напр., разрушение FOG-2, кофактора GATA, вызывает широкий круг сердечных аномалий, включая и VSD и гипоплазию компактного слоя желудочков, тетраду Фалло и измененную сеть коронарных сосудов у мышей (Tevosian et al., 2000). Мыши, лишенные AP-2α, члена helix-span-helix семейства транскрипционных факторов, преимущественно экспрессирующегося в кардиальном нервном гребне, обнаруживают дефект кардиального тракта оттока, DORV с VSD (Brewer et al., 2002). Целенаправленное разрушение TGFβ2 вызывает тяжелые дефекты сердца, включая VSD и DORV, черепно-лицевые, , глазные, внутреннего уха и урогенитальные дефекты, сходные с теми, которые наблюдаются у BMP7- и витамин А- дефицитных мышей. Дефицит витамина А у эмбрионов ведет к разнообразным дефектам сердца. Основными дефектами у RXRα нулевых мутантов являются гипопластическое развитие вентрикулярной стенки с VSD(Sucov et al., 1994). Аномалиями у двойных мутантов RAR мышей являются DORV, VSD и нарушения магистральных сосудов (Mendelson et al., 1994). Сложное взаимодействие между передачей сигналов TGFβ и RA выявляются, когда добавление RA м. индуцировать или репрессировать экспрессию TGFβ в зависимости от типа клеток (Sanford et al., 1997). Учитывая широкое распространение экспрессии TGFβ рецепторов, RAR, RXR и JMJ в дополнение к сходству мутантныха фенотипов, разумно предположить, что JMJ м. обладать общим молекулярным путем с этими сигнальными путями в развитии сердца.

Regulation of Cardioac-Specific Gene Expression by JMJ


Растут доказательства, что JMJ играет важную роль в регуляции экспрессии кардио-специфичных генов. Паттерн экспрессии саркомерных белков тонко регулируется ткане- и стадио-специфически и чувствителен к гормональным, физиологическим и патологическим стимулам (Wang, Stockgale, 1999). Экспрессия множественных кардиальных генов, таких как α-MHC, α-cardiac actin, MLC 2v и MLC 2a, описана в мутантном jmj сердце на Е10.5 (Takeuchi et al., 1999). Нормальная регуляция кардиальной экспрессии ANF, α-MHC и MLC2v у эмбрионов поздних стадий нарушалась в сердце jmj гомозигот на Е17.0 (Lee et al., 2000).
Одним из кандидатов на роль нижестоящих генов-мишеней является ANF, экспрессия которого обычно подавляется в желудочках к моменту рождения, но который повторно экспрессируется в гипертрофических сердцах. Гибридизация in situ показала, что ANF экспрессируется на высоком уровне в мутантных желудочках, по сравнению с диким типом на ст. Е17.0. Ко-трансфекция показала, что JMJ репрессирует активацию гена ANF в первичной культуре кардиомиоцитов. Ранее было установлено, что экспрессия ANF синергично активируется с помощью Nkx2.5 и ПФЕФ4 in vitro (Durocher et al., 1997; Lee et al., 1998). JMJ репрессирует активацию ANF репортерного гена генами Nkx2.5 и GATA4. JMJ физически взаимодействует с Nkx2.5 или GATA4 in vitro и in vivo , подтверждая, что это физическое взаимодействие ведет к репрессии активности Nkx2.5 или GATA4 (Kim et al., in press). Т.к. уровень экспрессии jmj, по-видимому, увеличивается в желудочках по ходу развития (Lee et al., 2000; Toyoda et al., 2003), то возможно, что увеличение количества JMJ в нормальных желудочках дает в результате репрессию ANF перед рождением.
Установлено, что репрессоры транскрипции играют важные роли в регуляции экспрессии генов кардиальных мышц. MEF2 активности существенны для раннего нормального развития сердца. Активности MEF2 ингибируются с помощью twist , bHLH белка, который специфически экспрессируется в мезодерме (Spicer et al., 1996), активируются с помощью Notch (Wilson-Rawls et al., 1999) и HDAC, общего репрессора транскрипции (Zhang et al., 2002; Czubryt et al., 2003). Регуляция экспрессии ANF контролируется прежде всего на транскрипционном уровне. Транскрипционные факторы, участвующие в активации экспрессии ANF, включают Nkx2.5, GATA4, Pitx2 и Tbx5 (Durocher et al., 1996, 1997; Lee et sl., 1998; Hiroi et al., 2001; Ganga et al,m 2003), которые соединяются с цис-элементами в энхансерной области ANF. Напротив, механизмы, которые репрессируют экспрессию ANF? охарактеризованы недостаточно, за исключением наблюдения, что Tbx2 ингибирует экспрессию ANF в атриовентрикулярном канале (Yamagishi et al., 2001). Др. ядерные факторы, которые репрессируют экспрессию ANF, были описаны как HOP (Shin et al., 2002) и FOG-2 (Svensson et al., 1999; Tevosian et al., 1999).

Cell Cycle Regulation by JMJ


Возможна роль JMJ в клеточной пролиферации была предположена, т.к. сердца jmj мутантных эмбрионов на смешанном фоне C57BL/6 x 129/Svj обнаруживают VSD и тонкую стенку желудочков на Е16.0, возможно из-за нехватки компактного слоя клеток. Фенотипы подтверждают, что JMJ участвует в стимуляции клеточного роста в миокарде поздних стадий развития. JMJ мутанты обнаруживают также уменьшение общего количества клеток в печени на фоне BALB/c, C57BL6J и DBA/2J (Monoyama et al., 1997; Anzai et al., 2003), и снижение гематопоэтических клеток в эмбриональном тимусе и селезенке у jmj мутантов. Напротив мутантны jmj на генетическом фоне C3H/He обнаруживают гиперплазию в трабекулах левого желудочка на Е10.5. Мутантный эмбрионы погибают на Е 11.5 возможо в результате избыточного роста клеток трабекулярного слоя, которые заполняют левый желудочек, подтверждая, что JMJ супрессирует пролиферацию в трабекулярном слое на генетическом фоне C3H/He. Хотя мало известно о таких противоположных эффектах JMJ на регуляцию роста клеток в разных слоях клеток эмбрионального сердца, эти результаты указывают на то. что JMJ м.б. необходим для пространственно-временной регуляции клеточной пролиферации в развивающихся сердцах. Или функция JMJ м. испытывать существенное влияние со стороны генов модификаторов, которые присутствуют на разных генетических фонах.
Эффекты JMJ на клеточную пролиферацию указывают на то, что регуляторы клеточного цикла являются генами-мишенями для JMJ. Среди множества компонентов клеточного цикла циклин D1, как предполагается, обеспечивает антипролиферативный эффект JMJ (Toyoda et al., 2003). Установлено, что повышена экспрессия циклина D1, но не D2 или D3 в мутантных jmj сердцах на ст. Е10.5. Эта избыточная пролиферация в слое трабекулярных клеток у мутантов jmj устраняется, если JMJ избыточно экспрессируется или инактививруется циклин D1 у трансгенных мышей. Показано также, что JMJ репрессирует транскрипционную активность репортерного гена в промотора циклина D1 в COS-7 клетках. Пока неясно связывается JMJ непосредственно с энхансерной областью циклина D1 или посредством взаимодействия с др. факторами, которые связываются с этим энхансером. Дело осложняется еще тем, что на фоне BALB/c jmj не обнаруживает ни гиперпролиферации, но повышенного уровня циклина D1 (Ohno et al., 2004). Мутации на смешанном генетическом фоне C57BL/6 x 129/Svj также имеют нормальные трабекулы и нормальный компактный слой вплоть до Е13.0, истончение вентрикулярной стенки обнаруживается к Е16.0 (Lee et al., 2000).

Roles of JMJ in Other Organ Development


Установлено, что у мутантов jmj нарушено закрытие нервной трубки у гомозигот на смешанном фоне 129/Ola x BALB/cA (Takeuchi et al., 1995). Некоторые, но не все обнаруживают дефекты закрытия нервной трубки в области среднего мозга и все погибают между Е10.5 и Е15.5. Анализ гомозигот jmj на чистом фоне BALB/cA (Motoyama et al., 1997) показал, что почти все они погибали на Е15.5-Е16.5 с отеком и и увеличением перикардиальной полости и геморрагиями в спину на Е13.5. У всех гомозигот отмечалась гипоплазия печени, тимуса и селезенки, но не выявлялось дефектов нервной трубки. Количество печеночных клеток было заметно ниже на всех изученных стадиях возможно из-за некроза и отсутствия клеточной пролиферации в печени гомозиготных эмбрионов на Е13.5. Ген jmj экспрессируется, по крайней мере, в 4-х типах клеток печени плодов мыши на Е12.5-Е15.5: крупные гематопоэтические клетки (мегакариоциты), малые гематопоэтические клетки, фибробластные клетки и эндотелиальные клетки, но не гепатоциты. У мутантных эмбрионов количество предшественников мегакариоцитов увеличено в печени плода, желточном мешке и периферической крови, возможно благодаря задержке ареста роста (Kitajima et al., 1999). Зачатки тимуса и селезенки у гетерозиготных эмбрионов обнаруживают накопление множества prethymocytes, но накопления не обнаруживаются в зачатках у гомозигот на Е 13.5. Сходные фенотипы наблюдали у мутантных мышей на C57BL/6J и DBA/2J фоне и BALB/cA фоне.
В периферической крови мутантных jmj эмбрионов на BALB/cA фоне количество производных плодной печени дефинитивных эритроцитов заметно снижено, но не производных желточного мешка эритроцитов (Kitajima et al., 1999). Т.к. гематопоэтические стволовые клетки в мутантной печни плода м. воспроизводить гематопоэтическую систему летально облученных реципиентов, то орган-специфические средовые дефекты м. индуцировать нарушения гематопоэза в печени плода jmj мутантов. Роль JMJ в дифференцировке гепатоцитов на поздних стадиях развития изучали in vitro (Anzai et al., 2003). Количество гепатоцитов уменьшалось у мутантов на фоне BALB/c на ст. Е12.5-Е14.5. В печни плода слабая экспрессия jmj начинается в гепатоцитах с Е14.5-Е18.0 и экспрессия увеличивается по ходу развития печени. В культуре in vitro показано, что пролиферация мутантных гепатоцитов сравнима с таковой в контроле, но созревание их нарушено, указывая тем самым. что JMJ играет жизненно важную роль в развитии печени с середины плодного периода и до периода новорожденности.

DISCUSSION AND PERSPECTIVES


Although the molecular roles of JMJ in normal organ development requires further investigation, phenotypic analyses of jmj mutants suggest that JMJ exhibits a dual role in the developing heart. At the earlier stage (E10.5), JMJ seems to repress cell growth in the ventricular trabeculae (Fig 5; Takeuchi et al., 1999), while JMJ appears to facilitate cell growth in the compact layer of the ventricle at the later stage (E16.G; Fig. 6; Lee et al., 2000). Likewise, JMJ appears to support cell growth in the liver at the early stage (Motoyama et al., 1997) but mediates differentiation, not growth, of hepatocytes at a later stage (Anzai et al., 2003).
Overgrowth of trabecular cells in jmj mutant embryonic hearts at the early stage may be attributed to a defective signaling between endocardial and myocardial cells. Signals from endocardial cells such as neuregulin, through its cognate tyrosine kinase receptors (erbB2 and erbB4) expressed by myocytes are required for initiating trabeculation. Knockout mice lacking ErbB2, ErbB4, or neuregulin-1 die at midgestation from cardiac growth defects characterized by the absence of trabeculae (Gas-smann et al., 1995; Lee et al., 1995). This abnormality can be ascribed to the lack of paracrine signaling between the endocardium and myocardium. Similarly, it is plausible that the thin ventricular wall in jmj mutant embryonic hearts at the later stage may be due to a defective signaling between epicardial and myocardial cells. This effect of the epicardium on myocardial growth can be observed in VCAM-1 and possibly in α4-integrin mutant mice (Gurtner et aL, 1995; Kwee et al., 1995; Yang et al., 1995), where a physical interaction between these two molecules is normally responsible for adherence of the epicardium to the myocardium. In addition, when formation of the epicardium in chick embryos was partially blocked by inserting a piece of eggshell membrane in front of the proepi-cardial organ, patches of absent epicardium with the myocardium underneath becoming hypoplastic were observed (Gittenberger-de Groot et al., 2000). It is interesting that the thin-walled hypoplastic ventricle in RXRa knockout mice appears to be due to a defective signal originating „. from the epicardium, not due to cardi-omyocyte defects (Chen et al., 1998; Tran and Sucov, 1998; Chen et al., 2002b).
Although the jmj gene plays a critical role in mouse embryonic development, the reported phenotypes vary, depending on the genetic background and perhaps due to slightly different insertion sites of the gene trap vectors used by two groups (Takeuchi et al., 1995; Lee et al., 2000). The genetic background seems to affect the pheno-type of the jmj mutants, suggesting the presence of modifier gene(s) or co-factors). This phenomenon of changes in phenotype due to different genetic backgrounds has been well-documented for other factors such as reti-noblastoma-related genes (Lee et al., 1996; LeCouter et al., 1998a,b), keratin 8 (Baribault et al., 1994), or EGF receptor (Sibilia and Wagner, 1995). The gene trap insertion site may also cause the differences in phenotypes, which presumably depends on specific aspects of long-range gene organization and cis-regulatory elements of unidentified genes located nearby. Although both gene trap vectors were inserted into the same intron, the precise insertion site was different. The insertion site appears to affect the expression pattern of jmj, because jmj expression was abolished in our ho-mozygous mutant embryo body with a mixed C57BL/6 x 129/Svj background, but the wild-type jmj mRNA was expressed at a normal level in all nervous tissues of mutants (Lee et al., 2000). As a consequence, these homozygotes would be protected from the nervous system defects. A striking casЈ of such neighboring effects emerged from the targeted inactiva-tion of the myogenic bHLH gene, MRF4. The phenotypes of MRF4 null mice were very different, ranging from complete viability to complete lethality of homozygotes (Olson and Srivastava, 1996). Regardless of the varying phenotypes, all jmj homozy-gous mutants die between E10.5 and E15.0 or upon birth, indicating the critical roles of JMJ in embryo development.
To unravel the logic of congenital heart disease and normal cardiac development, it is necessary to move beyond simply cataloging genes that are associated with heart defects. To tackle the biological complexity of car-diogenesis, cre-loxP systems are now considered as model systems for understanding the interplay of diverse signaling pathways from distinct cell lineages during organogenesis. For example, the ventricular myocardium phenotypes in jmj mutant mice may reflect a primary deficiency of JMJ in the ventricular myocyte lineage. However, it cannot be assumed that the spatial requirement for JMJ in embryonic development is indeed localized within cardiomyocytes, because JMJ is expressed widely in various tissues during embryonic development. Thus, it is possible that another lineage might influence myocardium expansion in the ventricular wall as well as appropriate cushion and outflow tract development. This issue can be directly investigated by generating embryos that harbor a ventricular myo-cyte-restricted deletion of JMJ at the earliest stage of cardiac chamber specification.
Regulation of the cardiac-specific gene expression appears to be dependent on combinatorial associations between cardiac-specific and ubiquitous transcription factors. The precise regulation of temporal and spatial expression of tissue-specific genes may require interaction among transacti-vators and repressors. Likewise, JMJ may interact with cofactor(s) to regulate the target gene expression in a spatial and temporal manner during development. Therefore, identifying cofactor(s) and downstream target genes of JMJ remain an important area of investigation for the immediate future.
Сайт создан в системе uCoz