Пищеварительная система определенно является лево-правосторонне ассиметричная структура в плане тела позвоночных. Во время развития кишечника формируется первичная трубка, состоящая из латеральной пластинки мезодермы, окружающей энтодерму. Смежные от переднего к заднему сегменты трубки дифференцируются в эволюционно законсервированные функциональные домены, такие как желудок, кишечник, тогда как дополнительные органы (печень и поджелудочная эжелеза) возникают в виде дивертикулов или почек от исходной трубки. В ходе мало изученного процесса разные регионы инициально прямой кишечной трубки приобретают асимметричные перегибы и подвергаются стереотипическому петлеобразованию и chiral ротациям по мере удлинения кишки. Напр., gastroduodenal (GD) область образует петлю и ротирует вправо, так что положение duodenum у эмбрионгов оказывается на правой стороне, а желудка на левой при этом печеночный рудимент перемещается в свою соотв. позицию в дорсальном правом квадранте висцеральной полости (Muller et al., 2003). Это событие приводит также дорсальный и вентральный рудименты поджелудочной железы в соприкосновение, обеспечивая собственно их слияние, и выравнивает развитие печеночно-панкреатических протоков. Следовательно, развитие собственно GD петли, ротация и топология является критическим событием в установлении асимметрии акцессорных органов и желудка. Кроме того, позиционирование двенадцатиперстной кишки справа, как полагают, ориентирует ротацию против часовой стрелки средней кишки и кишечника, так что восходящая часть толстой кишки фиксируется справа, а нисходящая слева (Kluth et al., 2003).
Аномалии, связанные с неправильной ротацией кишечника достаточно часты у людей, возникая с частотой 1 на 500 живорожденных (Torres and Ziegler, 1993). Наиболее серьёзным следствием аномального петлеобразования и ротации кишки является высокий риск (~75%) заворота кишок, когда неправильно перекручивание разных сегментов кишечника вокруг др. сегментов приводит к gastrointestinal (GI) непроходимости и к ущемлению ассоциированных мезентерических сосудов (Fil-ston and Kirks, 1981; Torres and Ziegler, 1993; Kamalr 2000). Хотя неправильные ротации могут быть относительно бессимптомными, они составляют существенный риск, связанный с проблемами кормления детей, такими как gastroesophageal reflux, и могут обнаруживаться в ассоциации с деформациями печени и поджелудочной железы, а также с др. распространенными GI расстройствами, такими как болезнь Гиршпрунга (Filston and Kirks, 1982; Inoue and Nakamura, 1997; Nakada et al., 1997; Mazziotti et al, 1999; Jolley et al., 1999; Demir-bilek et al., 2005). Наблюдаемая ассоциация неправильной ротации кишечника с др. GI деформациями указывает на то, что механизмы петлеобразования кишечной трубки общи с или влияют на др. важные события развития, которые лежат в основе морфогенеза функциональной анатомии всей пищеварительной системы.
Как и в др. асимметричных органах лево-правосторонние асимметрии в пищеварительной системе первоначально ориентируются с помощью генов, которые специфицируют лево-правостороннюю ось в латеральной пластинке мезодермы (rev. Levin, 2005). В дополнение к иерархии генов пути лево-правосторонней детерминации, известны параллельные и конвергирующие сигнальные пути, играющие важную роль в развитии лево-правосторонней симметрии и асимметрии, связанные с производными витамина А retinoic acid (RA; Tanaka et al, 2005; Vermot and Pourquie, 2005). Неправильная передача сигналов RA оказывает раннее и глобальное влияние на асимметричную экспрессию генов в пути лево-правосторонней детерминации и поэтому нарушает лево-правостороннюю асимметричную морфологию органов, таких как сердце у многих позвоночных (Chazaud et al., 1999; Tsukui et al., 1999). Однако, нарушение передачи сигналов ретиноидов также непосредственно влияет на асимметричный морфогенез самой сердечной трубки, включая как петлеобразование, так и события спецификации камер, подтверждая, что RA может выполнять многосторонние роли в онтогенетической истории асимметричных органов (Niederreither et al., 2001; Xavier-Neto et al., 2001; Zile,2004).
Роль передачи сигналов ретиноидов в развитии пищеварительных органов только начинает изучаться. Напр., RA необходима во время поздней гаструляции для инициальной спецификации поджелудочной железы у эмбрионов рыбок данио рерио и Xenopus (Stafford and Prince, 2002; Yelon and Stainier, 2002; Chen et al, 2004; Stafford et al., 2004), но влияет ли передача сигналов RA также и позднее, во время лево-правостороннего асимметричного морфогенеза или ориентации акцессорных органов, неизвестно. Немногие сообщения указывают на то, что эктопическая RA может задерживать дифференцировку кишечной мезодермы и нарушать или задерживать элонгацию кишечника и события ротации (Zeynali and Dixon, 1998; Pitera et al., 2001). Однако, в целом роль передачи сигналов ретиноевой кислоты в асимметричном морфогенезе пищеварительных органов специально не исследовалась.
Здесь мы показали, что гены для синтеза RA и деградирующие энзимы экспрессируются в виде комплементарных паттернов в развивающейся кишечной трубке
Xenopus. Используя на поздней стадии химический генетический подход, мы показали, что передача сигналов ретиноидов играет существенную роль в петлеобразовании кишечной трубки и морфогенезе акцессорных органов. Химическая модуляция передачи сигналов ретиноидов вызывает аномалии петлеобразования, неправильную ротацию кишечника и гетеротаксию акцессорных органов, а также деформации печени и поджелудочной железы, включая уродства внепеченочного желчного древа и аномалии слияния долей панкреас. Эти результаты указывают на то, что уровни аномальной передачи сигналов ретиноидов могут лежать в основе этиологии некоторых клинически выявляемых дефектов пищеварительной системы. Т.о., передача сигналов RA может быть ответственной за координацию множественных фаз лево-правостороннего развития у позвоночных через её влияние на раннюю и позднюю фазы асимметричного морфогенеза во множественных органах.
DISCUSSION
Xenopus RALDH2 and CYP26A1 Are Expressed in Discrete Domains of the Looping Gut Tube
Мы установили, что гены для основных retinaldehyde dehydrogenase XRALDH2 и retinoic acid hydroxylase XCYP26A1 экспрессируются ткане-специфически в виде комплементарных паттернов в кишечной трубке Xenopus во время главных событий петлеобразования и ротации. Компоненты синтеза и передачи сигналов RA также экспрессируются на поздней стадии кишечной трубки и у эмбрионов др. позвоночных. Напр., у эмбрионов кур и мышей, RALDH2 широко экспрессируется в мезенхиме развивающейся кишки, включая желудок и среднюю кишку, в то время как CYP26A1 экспрессируется в мезодерме пищевода, желудка и задней кишки (Niederreither et al., 1997, 2002; Berggren et al., 1999; de Roos et al., 1999; Abu-Abed et al., 2002; Blentic et al., 2003). Гены для RA рецепторов и др. связывающих RA белков также были обнаружены широко экспрессирующимися в энтодерме кишечника мышей, эпителии кишечника и мезенхиме во время основных морфогенетических событий (Mollard et al., 2000; Tulachan et al., 2003).
Эта консервация экспрессии метаболизирующих ретиноиды и сигнальных компонентов указывает на то, что RA может играть сходные роли в петлеобразовании и ротации кишечника у амниот. В самом деле обработка беременных мышей эктопической RA в начале морфогенеза петлеобразования кишки (9.5 days post coitum [dpc]) дает эмбрионов с задержкой образования петли средней кишки и неправильной ротацией ileum (Pitera et al., 2001). К сожалению, существующие нокаутные мыши не особенно информативны в отношении роли ретиноевой кислоты в морфогенезе пищеварительных органов на поздней стадии. Напр., хотя CYP26A1 нокаутные мыши и обнаруживают укорочение задней кишки (Abu-Abed et al., 2001; Sakai et al., 2001), аналогичное тому, что наблюдается у RA-обработанных эмбрионов Xenopus (Zeynali and Dixon, 1998), однако, о ротации кишечной трубки per se ничего не собщалось или было необъяснимым в контексте плейотропных дефектов у этих животных, которые погибали на ст. средней или поздней беременности.
Как и в случае CYP26A1 нокаутов, RALDH2-нокаутные мыши погибали до того, когда может быть оценен морфогенез петлеобразования кишки и ротации кишечника (10.5 dpc), хотя морфогенез сердца уже был нарушен. Интересно, что RA не нужна для детерминации направления петлеобразования сердца
per se у этих животных, но необходима для генерации "loopable" сердца (Niederreither et al., 2001). Наши химические генетические исследования привели нас к сходному выводу о асимметричном морфогенезе кишечной трубки. В наших исследованиях передача сигналов RA химически нарушалась после того, как глобальные лево-правосторонние паттерн формирующие сигналы уже были установлены в латеральной пластинке мезодермы. Мы нашли, что главные события отклонения от симметрии при петлеобразовании кишки всё ещё происходят с соответ. направленностью, но петли формируются с аномальной топологией, приводя в конечном итоге к гетеротаксии и неправильной ротации кишечника. Т.о., как и в случае с сердцем RA не нужна для генерации лево-правосторонней асимметрии
per se, нормальные уровни RA необходимы, чтобы генерировать кишечную трубку, которая должна удлиняться, формировать петлю и ротировать нормально.
Possible Gradients of RA Signaling in the Gut Tube
Мы нашли тесную juxtapositions экспрессии XRALDH2 и CYP26A1 в разных регионах кишечной мезодермы Xenopus во время ключевых событий петлеобразования. Напр., XRALDH2 экспрессируется в передней части желудка и на наружной кривизне duodenum, тогда как XCYP26A1 локализуется между этими доменами в задней части желудка. Такие точно противопоставленные домены экспрессии RA-синтезирующих и RA-метаболизирующих компонентов д. приводить к созданию границ или к генерации сложных градиентов из передачи сигналов RA в GD петле, области кишечной трубки, известной как критическая для асимметричного морфогенеза для всей переваривающей системы. Ингибирование синтеза RA или воздействие эктопической RA д. вызывать нарушение такого градиента противоположным образом. В соответствии с этой возможностью мы наблюдали противоположные фенотипические последствия от воздействия DEAB и RA. Напр,. мы нашли, что обработка DEAB вызывает сдвиг кзади срединной точки GD петли, в то время как воздействие RA сдвигает среднюю точку GD петли кпереди.
В кишечнике, XRALDH2 экспрессируется в верхушке средней кишки и задней кишке, тогда как CYP26A1 ограничивается дорсальным аспектом задней кишки. Такая juxtaposition может создавать дорсо-вентральный градиент уровней RA в области кишечной трубки, который скорее всего играет важную роль в оформлении направления ротации кишечника. В самом деле, мы наблюдали аномальный dorsalward (скорее, чем ventralward) поворот верхушки кишечника у обработанных DEAB эмбрионов.
Как предполагаемые градиенты RA могут контролировать такую большую шкалу изменений в длине кишечной трубки и/или ротации, неизвестно. Однако, как известно уровни RA влияют на дифференцировку висцеральной мезодермы в гладкие мышцы, отсутствие которой ассоциирует с аномальным развитием энтодермы и снижением элонгации и свертывания кишечной трубки (Saint-Jeannet et al., 1994; Zey-nali and Dixon, 1998; Zhang et al., 2001; Pitera et al., 2001; Tseng et aL, 2004). Т.о., разные уровни RA в определенных доменах кишечной трубки могут дифференциально влиять на развитие висцеральной мезодермы и соотв. регулировать перестройку клеток или изменения формы, которая сужает, удлиняет или изгибает кишечную трубку в специфические топологические домены во время асимметричного морфогенеза. Т.к. RA участвует в поддержании дифференцированного эпителия, полярности кишечного эпителия или адгезии, то они могут также меняться при аномальной передаче сигналов RA или непосредственно или посредством влияния соседней висцеральной мезодермы. RA, как известно. влияет на пролиферацию и апоптоз клеток; следовательно, измененная топология кишечной трубки при аномальной передаче сигналов RA может быть обусловлена изменениями количества клеток в мезодерме и/или энтодерме. Наконец, хотя наши химические воздействия были преднамеренно инициированы после того как были предопределены функциональные домены пищеварительного тракта (e.g., esophagus, stomach, etc.)(Horb and Slack, 2001), вполне возможно, что воздействие RA или DEAB могут оказывать влияние на события ре-паттерна в кишечнике поздних стадий, проявляясь в виде относительной экспансии или редукции орган-специфических морфогенетических способов поведения (behaviors). Представленные выше возможности могут быть прояснены путем определения локализации специфических изоформ retinoid рецепторов и маркеров пролиферации, апоптоза и эпителиального морфогенеза в развивающейся кишечной трубке
Xenopus, а также путем оценки перестроек мезодермальных и энтодермальных клеток и локализации орган-специфических кишечных маркеров у эмбрионов с измененными уровнями передачи сигналов RA. Такие эксперименты могли бы пролить свет на роль таких механизмов в нормальном и аномальном RA-обусловленном морфогенезе кишечника.
Aberrant RA Signaling Induces Liver and Hepatopancreatic Duct Anomalies
Ранняя передача сигналов RA, как было установлено, необходима для экспрессии печень-специфических маркеров у рыбок данио (Yelon and Stainier, 2002), хотя роль передачи сигналов retinoid на поздних стадиях морфогенеза печени не была изучена. В этом исследовании мы отметили широкий спектр аномалий печени, индуцируемых пертурбациями передачи сигналов RA на поздних стадиях, включая уродства внепеченочных протоков, аномальное образование долей печени и измененный морфогенез печеночных тяжей. Кроме того, было также отмечены варьирующие показатели аномального образования долей между левой и правой долями печени у DEAB- и RA-обработанных эмбрионов Xenopus, указывая тем самым, что передача сигналов RA может играть роль в развитии крупномасштабной асимметрии печени.
Среди приведенных выше деформаций, аномалии внепеченочных протоков могут оказывать существенное влияние на педиатрическую медицину. Напр., уродства или обструкции дренирующих протоков поджелудочной железы могут приводить к панкреатитам (Kamisawa et al., 2005). Кроме того, хотя желчная атрезия относительно редка, затрагивает 1 на 10,000-15,000 живорожденных, она может быть наиболее распространенной причиной обструктивной желтухи у новорожденных и лежать в основе существенных препятствий для трансплантаций печени у детей (Haber and Russo, 2003). Существенная пропорция (10-30%) пациентов с желчной атрезией имеет также неправильную ротацию кишечника или др. situs аномалии, приводящие к потенциальной механистической связи с уродствами этих и др. пищеварительных органов, которые могут быть связаны с передачей сигналов retinoid (Karrer et al., 1991; Carmi et al., 1993; Mazziotti et al., 1999).
Role of RA in Pancreas Fusion
Передача сигналов RA необходима для ранней спецификации поджелудочной железы у некоторых эмбрионов позвоночных, но роль RA в панкреатическом морфогенезе поздних стадий неизвестна. Хотя и нечасто описываемая как асимметричный орган, зрелая поджелудочная железа происходит за счет право-направленной ротации вентрального панкреатического рудимента, чтобы слиться с правой стороной дорсального панкреатического рудимента. В этом смысле нормальное слияние панкреатической железы является проявлением лево-правосторонней асимметрии. Мы наблюдали существенный круг аномалий панкреатического слияния при аномалиях передачи сигналов retinoid, от annular pancreas до pancreas divisum. Хотя показатель annular pancreas у людей довольно редок (i.e., annular pancreas 1 на 7,000 у детей и взрослых), она часто ассоциирует с нарушениями ротации кишечника (Lin et al., 1998; Sencan et aL, 2002), и как наблюдается у Xenopus, указывает на эволюционно законсервированную причину или механистическое взаимоотношение между этими двумя деформациями.
В противоположность редкому появлению annular pancreas, pancreas divisum (неполное слияние дорсального и вентрального панкреатических рудиментов или протоков) является довольно распространенной врожденной аномалией поджелудочной железы человека, с показателем от 4 до 14% всей популяции (Nijs et al., 2005). Показатель pancreas divisum слегка увеличен у пациентов с панкреатитами (12-26%), указывая тем самым, что он может вносить вклад в появление и прогрессирование этого хронического заболевания (Dhar et al., 1996), хотя взаимоотношение между pancreas divisum и панкреатитом в чем-то противоречиво. Молекулярная и клеточная этиология ни annular pancreas, ни pancreas divisum неизвестна. Развитие множественных аномалий слияния панкреас у эмбрионов
Xenopus с аберрантными уровнями ретиноевой кислоты указывает на то, что передача сигналов retinoid может играть роль в развитии этих деформаций.
Different RXRs Have Discrete Roles in Pancreas Morphogenesis
Мы установили, что воздействие на поздней стадии TTNPB или AM-580, pan-RAR и RARα-специфическими агонистами, соотв., способны воспроизводить полностью RA-индуцированный фенотип кишечника, включая морфогенез annular pancreas. Напротив воздействие methoprene acid, агонистом RXR, вмешивается в петлеобразование GD и элонгацию средней кишки, но не вызывает annular pancreas. Это указывает на то, что путь передачи сигналов ретиноидов использует RARs (наиболее вероятно RARα) в аномальном панкреатическом морфогенезе, что ведет к annular слиянию.
Sonic Hedgehog (Shh) известный ингибитор развития поджелудочной железы у позвоночных, а мыши, лишенные Shh, обнаруживают фенотипы annular pancreas и неправильной ротации кишечника (Ramalho-Santos et al., 2000). Ранняя обработка гаструл
Xenopus эктопической RA супрессирует экспрессию
Xshh в пре-панкреатической энтодерме и способствует развитию эндокринной панкреатической ткани (Chen et al., 2004). Оценка Xshh, также как эндокринных и экзокринных маркеров панкреас у эмбрионов
Xenopus, обработанных на поздних стадиях химическими модуляторами передачи сигналов ретиноидов, д. помочь выяснить роль ретиноевой кислоты и Shh в аномальном панкреатическом слиянии.
Role of Retinoid Signaling in Digestive Organ Morphogenesis
Химически измененные уровни передачи сигналов RA у эмбрионов лягушек поздних стадий индуцируют спектр фенотипов пищеварительных органов, включая неправильную ротацию кишечника, гетеротаксию акцессорных органов, annular pancreas и внутри- и внепеченочные уродства. Полученные результаты указывают на участие альтераций в передаче сигналов ретиноидов в этиологии таких деформаций у людей, поскольку комбинации этих дефектов обнаруживаются ассоциированными в гетеротаксией и др. синдромами у людей. Более того, благодаря нашему фармакологическому подходу стали возможными нарушения передачи сигналов ретиноидов после формирования лево-правосторонней оси и спецификации пищеварительных органов, полученные результаты демонстрируют, что такого типа situs деформации может быть генерированы независимо от дефектов глобального формирования лево-правостороннего паттерна. Условные обратимые генетические исследования на др. системах позвоночных помогут оценить роль передачи сигналов эндогенных ретиноидов в петлеобразовании кишки и асимметричном морфогенезе органов. Полученные результаты указывают на то, что химические генетические исследования у эмбрионов лягушек могут предоставить удобную и ценную систему для дальнейших исследований лево-правостороннего асимметричного морфогенеза кишечника и этиологии уродств важных пищеварительных органов.
Сайт создан в системе
uCoz 