Посещений:
Формирование Паттерна Конечностей

Shh и Gli

Dynamic Changes in the Response of Cells to Positive Hedgehog Signaling during Mouse Limb Patterning
S.Ahn, A.L.Joyner
Cell - 2004, Vol. 118, No 4, P.505-515



Небольшая группа задних мезенхимных клеток, зона поляризующей активности (ЗПА), формирует паттерн дистальных скелетных элементов вдоль передне-задней ости градированным способом. Морфогеном, ответственным за активность ЗПА является Shh (Ingham, McMahon, 2001). Хотя передача сигналов Shh, по-видимому, формирует паттерн пальцев градировнным способом, вряд ли это достигается с помощью линейного градиента чувствительности к Shh.
Во время формирования конечностей мышей Shh экспрессируется на ст. Е9.75-Е12 в ЗПА, а Indian Hedgehog (Ihh) затем экспрессируется на ст. Е12.5 в местах конденсации хрящей (Bitdood, McMahon, 1995; Echelard et al., 1993; Iwasaki et al., 1997; Karp et al., 2000; Platt et al., 1997; St-Jacques et al., 1999). Многочисленные исследоания на мышах и курах показали, что Shh и достаточен и необходим для формирования паттерна дистальных скелетных элементов конечностей концентрационно-зависимым способом, причём палец 5 нуждается в наивысшем уровне передачи сигналов, а палец 1 скорее всего не нуждается в сигналах Shh. напротив мыши, лишенные Shh формируют укороченные конечности с одиночным пальцем (скорее всего пальцем 1), одиночной zeugopod костью (скорее всего радиусом) и плечевой костью (Chiang et al., 2001; Kraus et al., 2001). Shh м. также передавать сигналы окружающим мышцам и коже, для формирования ими паттерна вдоль передне-задней оси (Duprez et al., 1999).
Два основных механизма м. объяснить видимую градированную активность Shh. В первом сценарии линейный пространственный градиент белка Shh д. предопределять уровень активности Shh и тем самым судьбу клеток, исходя из их расстояния от источника. В самом деле белок Shh формирует градиент с наивысшими уровнями в клетках, экспрессирующих мРНК Shh (Gritli-Linde et al., 2001; Lewis et al., 2001). Более того, в вентральной части спинного мозга 7 разных типов клеток формируются на определенных расстояниях от источника Shh (Jessell, 2000) и каждый тип клеток м.б. преимущественно индуцирован с помощью специфической концентрации Shh in vitro (Roelink et al., 1995). Второй механизм, который м. давать градированную активность Shh заключается в варьировании продолжительности времени пребывания клеток под влиянием константного уровня передаваемых сигналов Hh. Сила полученного сигнала Hh клеткой будет затем функцией времени, проведенного вблизи источника Hh или времени, в течение которого они способны отвечать на сигналы Hh. Наконец, оба механизма м. вступать в игру, так что считывание данных передачи сигналов Hh со временем накапливает информацию о времени и уровне передачи сигналов Hh и в результате будет нелинейный выход из белкового градиента.
Передача сигналов Hh обеспечивается исключительно с помощью семейства транскрипционных факторов ci/Gli, содержащих цинковые пальчики (Bai et al., 2004; Methot, Basler, 2001). В отсутствие Hh, ci расщепляется на мощный репрессор у Drosophila. В присутствие высоких и низких уровней Hh этот процессинг ингибируется и только при высоких уровнях Hh способны дальше модифицировать полной длины ci в активатор (Aza-Blanc et al., 1997; Methot, Basler, 1999; Ohlmeyer, Kalderon, 1998). Т.о., реакция клеток на определенную концентрацию Hh детерминируется относительными количествами ci активатора и репрессора. Во время эволюции эта двухчастная функция одиночного белка ci была распределена между тремя белками Gli у млекопитающих. В спинном мозге мышей функция Gli2 выступает в качестве первичного активатора, а Gli3 является главным репрессором, ингибируемым с помощью Hh (Ingham, McMahon, 2001; Bai et al., 2004; Persson et al., 2002; Wijgerde et al., 2002;), Gli1 функционирует как активатор, но просто усиливает роль Gli2 (Bai et al., 2002, 2004; Park et al., 2000).
Многие исследования продемонстрировали, что Gli1 в отличие от ci или Gli2 является непосредственной мишенью для передаваемых Hh сигналов. Во-первых, промоторная область Gli1 содержит Gli связывающие сайты, которые являются критическими для его экспрессии (Dai et al., 1999). Во-вторых, эктопическая экспрессия Shh индуцирует экспрессию Gli1 (Marigo et al., 1996; Grindley et al., 1997; Hynes et al., 1997; Lee et al., 1997). В третьих, в отсутствие Shh активности у мышей Gli1 не экспрессируется в нервной трубке или зачатках конечностей (Bai et al., 2002)/ Всё это демонстрирует, что активность Рр и необходима и достаточна для транскрипции Gli1. Следовательно, экспрессия Gli1 является чувствительным показателем транскрипционной активаторной функции, регулируемой с помощью сигналов Hh.
В наших предыдущих исследованиях сделана неожиданная находка, что Gli1 и Gli2 не нужны для формирования паттерна конечностей, т.к. мутанты Gli1-/- и Gli2-/- имеют пять пальцев, с хорошо сформированными паттернами (Bai et al., 2002; Park et al., 2000). Несмотря на это у мутантов Gli2-/- в передних конечностях экспрессия Gli1 существенно редуцирована, а у Gli2-/-;Gli3-/- двойных мутантов потеряна вся экспрессия Gli1, указывая тем самым, что Gli2 и Gli3 являются двумя активаторами передачи сигналов Hh в конечностях (Bai et al., 2004). Напротив, Gli3-/- мутантные мыши имеют тяжелую полидактилию, напоминающую эктопическую активность Shh (Hui, Joyner, 1993). Кроме того, фенотип Gli3-/- мутантов не становится более тяжелым, когда устраняется Shh-позитивная передача сигналов (Litingtung et al., 2002; te Welscher et al., 2002). Т.о., в отличие от спинного мозга, где Shh-/-;Gli3-/- двойные мутанты имеют значительно более серьёзные дефекты , чем Gli3-/- мутанты (Litingtun, Chiang, 2000; Persson et al., 2002). Эти исследования мутантов поставили вопрос, необходимы ли Gli активаторы для формирования паттерна конечностей. И регулирует ли сольно функция Shh из ЗПА процессинг Gli3, чтобы создавать градиент репрессора?
Чтобы определить вклад функции Hh транскрипционного активатора во время развития конечностей, мы идентифицировали и отслеживали Hh-чувствительные клетки на разных стадиях эмбриогенеза, используя нашу стратегию индуцибельного картирования генетических судеб ( Guo et al., 2003; Kimmel et al., 2000) и Gli1 в качества показателя Hh-позитивной передачи сигналов. Во-первых, мы показали, что все мезенхимные клетки задних конечностей, а также эктодерма отвечают на Shh из PGF и становятся костями, мышцами и кожей задних конечностей. Во-вторых, мы продемонстрировали, что показатель Shh активаторной функции, интегрированный во времени и пространстве не даёт стабильного линейного градиента вдоль передне-задней оси. Хотя взади высокий, а впереди низкий градиент активатора выявляется на Е10, на ст. Е11 наблюдается драматическое снижение Shh чувствительности в терминах Gli активаторов в наиболее задних клетках, которые экспрессируют Shh. Т.о., постоянно высокий уровень Shh-позитивной передачи сигналов не м. специфицировать палец 5. Кроме того, т.к. имеется существенная экспансия кпереди клеток задней части зачатка конечности прочь от ЗПА , то передняя граница Shh-позитивной передачи сигналов остаётся на пальце 2. Т.о., клетки не перемещаются за границу Shh. Наконец, с помощью картирования судьбы Shh-отвечающих клеток в мутантных Gli2 и Gli3 конечностях мы продемонстрировали, что специфический уровень передачи позитивных Hh сигналов не нужен для спецификации качественных особенностей пальцев ....
Наше картирование судеб у Gli мутантов продемонстрировало, что ранняя градированная передача Shh-позитивных сигналов не нужна для детерминации пальцевого кода и вместо этого подкрепляет модель, базирующуюся почти целиком на относительном уровне Gli3R. Мы предполагаем, что наиболее передний домен конечности становится пальцем 1 в результате высокого уровня Gli3 при отсутствии передачи сигналов Shh из ЗПА. Наиболее задний домен формирует палец 5 благодаря отсутствию Gli3R и присутствию хотя бы низкого уровня Shh-позитивных сигналов. Т.к. низкая транскрипция Gli3 в зачатке пальца 5, то непрерывный высокий уровень передачи сигналов Shh не нужен для ингибирования Gli3R и позволяет сформироваться эктопическому 5 пальцу. Наконец, промежуточные пальцы 2 3 и 4 специфицируются прежде всего благодаря относительному уровню Gli3R, продуцируемого в результате градированной передачи сигналов Shh, но также благодаря низкому уровню Gli активаторов.
Сайт создан в системе uCoz