Посещений:
Желудочно-Кишечный Тракт

Формирование Паттерна

Antero-posterior patterning of the vertebrate digestive tract: 40 years after Nicole Le Douarin’s PhD thesis
ANNE GRAPIN-BOTTON
Int. J. Dev. Biol. 49: 335-347 (2005) doi: 10.1387/ijdb.041946ag

This review is dedicated to the work on chick digestive tract organogenesis that Nicole Le Douarin performed as a PhD student under the direction of Etienne Wolf. I discuss how she laid the grounds for future work by establishing fate maps at somitic stages, by describing morphogenetic movements between germ layers and by pointing to signaling events between endoderm and mesoderm. Her inspiring work was extended by others, in particular at the molecular level, leading to a better understanding of antero-posterior patterning in the digestive tract. Antero-posterior patterning of endoderm is initiated at gastrulation when future anterior and posterior endoderm ingress at different times and accordingly express different genes. Plasticity is however maintained at somite stages and even later, when organ primordia can be delineated. There is a cross-talk between endoderm and mesoderm and the two layers exchange instructive signals that induce specific antero-posterior identities as well as permissive signals required for organogenesis from previously patterned fields. Recent experiments suggest that several signaling molecules involved in neural tube antero-posterior patterning are also instrumental in the digestive tract including retinoic acid and FGF4.
Имя Nicole Le Douarin’s часто связывают с химерами курица/перепел и фантастическим прорывом в использовании этой техники для изучения производных клеток нервного гребня. Менее известны его ранние работы по органогенезу ЖКТ, которые были начаты, когда она ещё была студенткой PhD под руководством Etienne Wolf в Nogent. Тот факт, что эти работы была были опубликованы на французском сделало их менее доступными, но не менее значимыми. В обзоре мы хотели бы привлечь внимание к ранним работам и показать, как они инспирировали дальнейшие исследования. Первым из её главных достижений стало создание карты предназначений (fate) для энтодермальных и мезодермальных территорий цыплят на ст. 10-25 сомитов для разных органов ЖКТ и позволило наблюдать за скользящими движениями этих двух слоёв. Второй вклад связан с потребностями во взаимодействиях между энтодермой и мезодермой во время спецификации доменов в ЖКТ. В частности, N. Le Douarin продемонстрировала потребность в кардиальной мезодерме и позднее septum transversum а индукции и органогенезе печени. Эти находки были недавно расширены на мышах и изучены на молекулярном уровне Ken Zaret с сотр.

A crude and unstable A-P asymmetry in endoderm after gastrulation


Как образование органов коррелирует со специфическими регионами плоского энтодермального слоя, постоянно возникающий вопрос, заданный еще в 1874, когда His опубликовал карту презумптивных пищеварительных и респираторных органов на бластодерме кур (His, 1874). Эксперименты по картированию отслеживали судьбы клеток в дефинитивные пищеварительные органы до или даже после гаструляции у многих видов.

Fig. 1. Spatial organization of endoderm at gastrulation and headfold stage in the chick. The three layers are schematically dissociated, epiblast/ectoderm on top, mesoderm in the middle, hypoblast/endoderm at the bottom. Anterior/midline endoderm is in dark grey and posterior/lateral endoderm is in pale grey. The presence of endodermal cells in transit in the middle layer has not been assessed. The dark line is the primitive streak. A refers to anterior and P to posterior. Anterior markers are the transcripts for the secreted proteins Cerberus 1 (Cer) (Belo et al., 1997; Biben et al., 1998; Chapman et al., 2002), Dickkopf1 (Foley et al., 1997; Glinka et al., 1998; Pearce et al., 1999), Crescent (Pfeffer et al., 1997) and the homeobox transcription factors Orthodenticle homeobox (Otx) 2 (Ang et al., 1994; Bally-Cuif et al., 1995), Goosecoid (Izpisua-Belmonte et al., 1993; Blum et al., 1992), Hex (Thomas et al., 1998; Yatskievych et al., 1999) and Lim Homeobox 1 (Lim1) (Chapman et al., 2002; Shawlot and Behringer, 1995) as well as FoxA2 (Alexander and Stainier, 1999; Ang et al., 1993; Ruiz i Altaba et al., 1995), Her5 (Bally-Cuif et al., 2000). Many of these genes are also expressed in the primitive endoderm in the AVE in addition to definitive endoderm (Rodriguez et al., 2001). Posterior markers of endoderm are more scarce but one of them is Intestinal fatty acid binding protein transcript (IFABP) (Wells and Melton, 2000). Many posterior markers like Fgf8, Bmp 2,4,7, Cdxs (Chapman et al., 2002; Marom et al., 1997) are expressed in the posterior streak where layers can not be distinguished

На стадии 32 бластомеров у Xenopus обнаружено, что вентральные вегетативные (vegetal) бластомеры обнаруживают тенденцию давать потомков для более задних областей энтодермы по сравнению с дорсальными бластомерами (Dale and Slack, 1987; Moody, 1987) У рыбок данио мечение одиночных клеток, расположенных по краю гаструлы из 1000/3000 клеток, показало, что разные области дают специфические субнаборы органов, но одиночная клетка может вносить вклад в несколько органов (Warga and Nusslein-Volhard, 1999). У эмбрионов кур картирование судеб предшественников энтодермы в эпибласте и примитивной полоске показало, что на стадии ранней полоски предшественники энтодермы обнаруживаются по всей полоске и становятся ограниченными кончиком полоски на стадии поздней полоски (Hatada and Stern, 1994, Psychoyos and Stern, 1996), Lawson and Schoenwolf, 2003; Kirby et al., 2003). Наиболее задние предшественники энтодермы в полоске дают наиболее заднюю и латеральную энтодерму (Lawson and Schoenwolf, 2003, Rosenquist, 1972). Эти результаты объединены на Рис 1. У мышей, Lawson с сотр. проследили производные эпибласта (Lawson et al., 1986, Lawson et al., 1991) и наружного слоя (Lawson and Pedersen, 1987) на стадии пред-полоски и ранней полоски эмбрионов, используя инъекции horseradish peroxydase (6.7 and 7.5 days post-coitum, dpc). Т.к. у эмбрионов кур клетки дефинитивной энтодермы происходят из дистальной части PS и постепенно замещают первичную энтодерму, начиная с наиболее передних клеток (Kinder et al., 2001). Картирование судеб и анализ экспрессии генов также показали, что разные популяции энтодермы покидают полоску в определенном порядке, начиная с Hex (Hematopoietically expressed homeobox)-позитивных клеток, которые колонизируют в основном вентральную часть передней кишки (Thomas et al., 1998) затем следуют клетки, экспрессирующие forkhead transcription factor FoxA2, формирующие дорсальную часть передней кишки (Ang and Rossant, 1994, Dufort et al., 1998, Lawson et al., 1986).
Многие др. маркеры асимметрично экспрессируются после гаструляции. как показано на Рис. 1. Т.к. группы мезодермальных и энтодермальных клеток остаются ассоциированными во время и после гаструляции, то экспрессия генов часто приписывается мезодерме скорее, чем энтодерме (Parameswaran and Tam, 1995, Kinder et al., 1999, Tam et al., 1997). Функциональность A-P асимметрии демонстрируется



Fig. 2. Regionalization of endoderm from somitogenesis to organogenesis. Many transcription factors are expressed in restricted domains of endoderm and mesoderm. This pattern progressively arises as somitogenesis begins. The gene expression boundaries are based on in situ hybridization on sections performed by the author and published data, all at embryonic day 4 (E4) in the chick (Grapin-Botton and Melton, 2000, Sakiyama et al., 2000, Sakiyama et al., 2001, Yokouchi et al., 1995). There are some discrepancies with other sources using PCR for detection, different stages and species (Beck et al., 2000). The triangles represent the thyroid (left), trachea and lungs (right), liver (right), pancreas (left) and caeca from up to down.

благодаря специфической способности передней энтодермы индуцировать дифференцировку сердца в мезодерме на той же самой стадии (Marvin et al., 2001, Narita et al., 1997, Schultheiss et al., 1995). Первоначальное образование ростральной и каудальной энтодермы затрагивается разными генами. Когда forkhead транскрипционный фактор Sox17 или гены пути передачи сигналов BMP FoxH1 или smad2 инактивируются, то затрагивается только задняя кишка, возникающая (ingressing) позднее (Hoodless et al., 2001, Kanai-Azuma et al., 2002, Tremblay et al., 2000, Yamamoto et al., 2001). Напротив, FoxA2-нокаутные клетки могут формировать заднюю кишку, но не переднюю и среднюю кишку (Dufort et al., 1998).
Сегрегация между передним и задним предшественниками происходит также очень рано у некоторых беспозвоночных. У морского ежа два типа предшественников энтодермы расходятся до гаструляции, veg1 и veg2 клетки, которые вносят вклад соотв. в основание и верхушку archenteron (Logan and McClay, 1997) и соотв. гаструлируют в разное время. У C. elegans, предшественники энтодермы, E клетка делится вдоль передне-задней оси, чтобы дать Ea и Ep перед гаструляцией. Ea в конечном итоге дает переднюю кишку, а Ep заднюю кишку. Этот паттерн внутренне присущ клеткам, т.к. устранение Ea или Ep приводит к устранению передней или задней кишки соотв. (Schroeder and McGhee, 1998). Зачаток передней и задней энтодермы сегрегирует рано также у Drosophila (Reuter et al., 1993).
Несмотря на региональную экспрессию генов, их экспрессия всё ещё пластична. Wells and Melton (2000) показали, что на 7.5dpc передняя энтодерма, ассоциирующая с задней мезэнтодермой, активирует некоторые задние маркеры и выключает некоторые передние (Wells and Melton, 2000). Обратное также верно. Задняя спецификация может быть обусловлена частично с помощью fibroblast growth factor (FGF) 4, секретируемого белка, экспрессирующегося в задней половине эмбриона в это время (Niswander and Martin, 1992, Wells and Melton, 2000). Инактивация Fgf4 является вредной вскоре после имплантации, это мешает оценке потребности в нем для формирования A-P паттерна in vivo (Feldman et al., 1995).

As somites form, a complex gene expression map prefigures organogenesis in endoderm and mesoderm


Некоторые ранние маркеры передней энтодермы теряются между гаструляцией и нейруляцией, как это происходит в случае Gsc, Lim1 и Crescent. Др., подобные Hex сохраняются. Последняя категория активируется, когда начинается сомитогенез, подобно Pdx1, Cdx2/A, Sox2 и 3, Nkx2.1 и Hox генам. Согласно экспериментам по картированию судеб у цыплят и их поддержанию во время органогенеза, которые позволили сделать вывод, что они ограничены предшественниками полей из специфических органов. На стадии 15 сомитов у эмбрионов кур, домены, которые вносят вклад в различные пищеварительные органы, перекрываются, хотя регионы с разными судьбами могут быть распознаны (Le Douarin, 1964b, Matsushita, 1996, Matsushita, 1999). Известно только одно исследование по картированию судеб на этой стадии у мышей и оно в основном совпадает с данными на курах (Tremblay and Zaret, 2005). Соответственно имеется, по крайней мере, 6 доменов с разными профилями экспрессии генов на этой стадии и они сохраняются после органогенеза (Рис. 3) (Grapin-Botton and Melton, 2000).
Т.к. Hox гены играют основную роль в формировании A-Pпаттерна в др. зародышевых листках, то особое внимание привлекли именно эти гены. Большинство Hox генов позвоночных экспрессируется в спланхнической мезодерме, но только субнабор экспрессируется в энтодерме на уровнях, определяемых гибридизацией in situ (Fig. 2). Сходным образом у Drosophila, labial является единственным Hox геном, экспрессируемым в энтодерме, тогда как большинство Нох генов экспрессируется в мезодерме. Границы передней экспрессии Hox генов в энтодерме не всегда коррелируют с границами между органами, но имеются горячие точки Hox границ на уровнях сфинктеров (pyloric, ileocaecal, anal) (Roberts, 2000). Инактивация Hox гена может приводить к уродствам ЖКТ, как это описано для Hoxa3 (Manley and Capecchi, 1995, Manley and Capecchi, 1998), Hoxa5 (Aubin et al., 1999, Aubin et al., 2002, Aubin et al., 1997), Hoxc4 (Boulet and Capecchi, 1996), Hoxa13 и Hoxd13 (Warot et al., 1997) и Hoxa4 (Tennyson et al., 1993, Tennyson et al., 1998). Их инактивация в целом не вызывает гомеозисных трансформаций, возможно из-за перекрывания (redundancy), хотя перекрывание не избавляет от наблюдаемой гомеозисной трансформации позвонков в мезодерме. Среди экспериментальных расширений кпереди экспрессии Hox генов, только ген Hoxa13 в мезенхиме приводит к индукции предназначения задней кишки в средней кишке (Roberts et al., 1998). Др. индуцируют скорее уродства, чем трансформации к более задним частям (Pollock et al., 1992, Tennyson et al., 1993, Tennyson et al., 1998). Известен только один пример, когда ген Hox играет непосредственную роль в энтодерме, это связано с Hoxa13 в задней кишке (de Santa Barbara and Roberts, 2002).
Др. комплекс гомеобоксных генов, т.наз. ParaHox кластер, как показано на Amphioxus содержит гомологи для гена genomic screened homeobox (Gsh1), pancreatic-duodenumhomeobox 1 (Pdx1 ) и гомолог Caudal Cdx2, может играть роль в формировании A-P паттерна (Brooke et al., 1998). Этот кластер, хотя и не строго специфичен для энтодермы, но, по-видимому, в основном участвует в развитии энтодермы. Хотя Gsh1 не экспрессируется в энтодерме позвоночных , он экспрессируется в энтодерме у др. групп, включая Cnidarians (Yanze et al., 2001). Гены экспрессируются упорядоченно вдоль A-P оси, Gsh является наиболее передним, а Cdx2 наиболее задним. Эксперименты по избытку и недостатку функции показали. что в др. зародышевых листках помимо энтодермы, Cdx 1/Xcad3 непосредственно активирует Hox гены и может обладать теми же самыми свойствами в энтодерме (Bel-Vialar et al., 2002, Charite et al., 1998, Epstein et al., 1997, Isaacs et al., 1998, Pownall et al., 1996, van den Akker et al., 2002). Он может также быть репрессором Hox генов, т.к. границы задней экспрессии Hoxa3 и Hoxb4 соответствуют передним границам экспрессии Pdx1 и CdxC/Cdx2 (Рис. 2). Инактивация гена Cdx2 четко вызывает гомеозисную трансформацию. Cdx2 гетерозиготы обусловливают индукцию ткани желудка в средней и задней кишке (Beck et al., 1999). Желудок предопределяется в ЖКТ непосредственно впереди от домена экспрессии Cdx2. Инактивация Pdx1 приводит в результате к атрофии поджелудочной железы и дефектам большей передней части двенадцатиперстной кишки, но не к передней трансформации (Offield et al., 1996). Вряд ли их эффект четко связан с Hox генами, т.к. Pdx1 и Cdx2 непосредственно активируют гены, играющие роль в функционировании взрослого органа (insulin (Ohneda et al., 2000), lactase-phlorizin (Troelsen et al., 1997), sucrase isomaltase (Suh et al., 1994).

Morphogenetic events and their relation to A-P patterning


Паттерны экспрессии генов, описанные выше, предопределяют сложные морфогенетические движения формы кишечной трубки из плоского (как у кур и людей) или бокаловидного (как у грызунов) слоя клеток. Кишечная трубка у мышей и кур формируется из складки в форме полумесяца, из т.наз anterior intestinal portal (AIP), который появляется в энтодерме на переднем конце эмбриона, когда начинается сомитогенез (Рис. 3)(Bellairs, 1953, His, 1874). Эта складка распространяется кзади. Сходная складка, наз. caudal intestinal portal (CIP), возникает позднее на заднем конце эмбриона и движется в переднем направлении (Fig. 3)(Gaertner, 1949, Gasser, 1880). Две складки встречаются на месте желточного стебелька. N. Le Douarin использовала частицы угля, чтобы маркировать AIP между стадиями в 8 и 12 сомитов, и наблюдала, что след частиц остается по вентральной срединной линии от пищевода до предпупочной тонкой кишки, включая и печень. Эти находки подтверждены недавно на мышах mouse (Tremblay and Zaret, 2005). Всё это указывает на то, что AIP является не только областью, где латеральные ткани встречаются, как предполагал His (His, 1874), но и функционирует в качестве застежки, с помощью которой материал из AIP откладывается вдоль вентральной срединной линии, как это было впервые предположено (Robinson, 1903, Funccius, 1909, Frazer, 1916, Ludwig, 1919). Соответствует ли данный материал тому, что клетки, наделенные высокой пролиферативной активностью остаются детерминированными. Если все клетки откладываются вдоль вентральной срединной линии, то в конечном итоге они д. колонизировать разные уровни оси, хотя они происходят из одной и той же позиции. Во время распространения AIP или CIP они д. приобретать паттерн , который сходен с таковым в дорсальных клетках того же самого уровня, которые происходят из энтодермы срединной линии и грубо сохраняют свое положение относительно хорды и нервной трубки. У Xenopus, suprablastoporal губа бластопора формирует дорсальную часть кишечной трубки, а subblastoporal губа образует его вентральный аспект, то их A-P качественные особенности также д.б. скоррелированы (Keller, 1975, Keller, 1976, Nieuwkoop, 1997). У рыбок данио органные домены сегрегируют прежде образования кишечной трубки (Wallace and Pack, 2003). Трубка же формируется благодаря реорганизации клеток, которые становятся поляризованными и формируют просвет. Это происходит сначала в кишечнике и значительно позднее в глотке и пищеводе.
Интересное наблюдение относительно сигналов, меняющихся с помощью энтодермы и мезодермы (see below), фактически говорит о том, что энтодерма скользит кзади по мезодерме (Рис. 3). Напр., N. Le Douarin показала, что частички угля оказываются во всех трех зародышевых слоях на уровне конца сомита 2, на уровне шеи в нервной трубке и на уровне гортани в мезодерме и еще более кзади в brunchi в энтодерме (Le Douarin, 1964; Tremblay and Zaret, 2005). Это общее скольжение кзади энтодермы относительно мезодермы и мезодермы относительно нейроэктодермы наиболее выражено в задней и боковых частях (Catala et al., 1996, Le Douarin, 1964a). Соответственно, на молекулярном уровне передние границы Hox генов являются наиболее ростральными в нейроэктодерме, затем сомитах, затем в латеральной пластинке и затем в энтодерме (Fig. 3) (Burke et al., 1995). Сдвиг в том же самом направлении описан между эктодермой и висцеральной мезодермой у Drosophila (Tremml and Bienz, 1989). Помимо этих движений, Smith and Tabin (Smith and Tabin, 2000) показали, что мезодермальные клетки мигрируют индивидуально перед стадией 13 сомитов и могут таким образом клонально вносить вклад в разные органы кишечника. После этой стадии, хотя клоны и могут занимать разные радиальные слои, они ограничиваются одним органом.

The mesoderm sends permissive signals to endoderm


Культивируемая сама по себе энтодерма выживает очень плохо (Le Douarin and Bussonnet, 1966, Okada, 1953, Okada, 1954a, Okada, 1954b, Sumiya and Mizuno, 1974, Takata, 1960) или поддерживается в течение очень короткого времени (Kumar et al., 2003, Wells and Melton, 2000)



Fig. 3. Morphogenetic movements during gut tube closure in chick. Schematized ventral views of 3-somite, 10-somite, 20-somite and 28-somite embryos as well as an embryo which has completed gut tube closure at the end of somitogenesis. The anterior intestinal portal (AIP) forms at the beginning of somitogenesis and the caudal intestinal portal (CIP) at about 28-somite stage. Their progression towards the middle of the embryo closes the gut tube delineated by yellow lines. The endoderm at the level of somite 1 is marked by light orange fill. Dark orange dots represent the lateral plate mesoderm from the same level. Somite 6 level is similarly labelled: light purple fill for endoderm and dark purple dots for mesoderm. The enhanced posterior shift of more lateral tissues is seen for endoderm and mesoderm as well as the enhanced posterior shift of endoderm relative to somites and mesoderm. As a result endoderm from a given A-P location contributes to different organs. The same is true for mesoderm. Moreover, endoderm and mesoderm of the same A-P origin end-up in different positions.

а позднее сообщалось об обнаружении в таких культурах немногих мезенхимных клеток (Gualdi et al., 1996) (Rossi et al., 2001). С момента, как Sumiya and Mizuno (1974) сообщили о культуре, завернутой в вителлиновую мембрану, они стали культивироваться в присутствии мезенхимы или трансплантатов в хорионалантоис (Butler, 1935, Le Douarin, 1964a). Гетерологичная спланхническая мезенхима в общем позволяет выживать и даже собственно дифференцировку, но мезодерма из зачатков конечностей, сомитная или цефалическая плохо ей замещают (Le Douarin, 1964a, Le Douarin and Bussonnet, 1966, Le Douarin and Wolff, 1967). Молекулярная природа некоторых из сигналов, продуцируемых локально спланхнической мезодермой, недавно установлена. Ранние эксперименты Nicole Le Douarin (Le Douarin, 1964a, Le Douarin, 1964b, Le Douarin, 1964c)показали, что сигналы от мезодермы сердца необходимы для индукции развития печени. Презумптивная территория печени, AIP, трансплантированные на др. мезодермальные территории, могут развиваться автономно после стадии 6 сомитов, но нуждаются в присутствии кардиальной мезодермы перед этой стадией. Т.к. кардиальная мезодерма не индуцирует печень при комбинировании её с др. областями энтодермы, то эти сигналы являются скорее пермиссивными, чем инструктивными (Le Douarin, 1975).
Эти свойства недавно были подтверждены на мышах (Gualdi et al., 1996). Очевидно, что у мышей в отсутствии кардиальной мезодермы, энтодерма из AIP экспрессирует панкреатические маркеры (Deutsch et al., 2001). FGF1 и FGF2, которые экспрессируются в кардиальной мезодерме, м. индуцировать печеночные маркеры в AIP, а растворимые формы FGF рецепторов, которые оказывают доминантно негативные эффекты, блокируют индукцию печени за счет кардиальной мезодермы. Недавно было предположено, что FGFs, посылаемые кардиальной мезодермой, также необходимы и для развития лёгких (Serls et al., 2005) и что они могут играть инструктивную роль, т.к. разные концентрации индуцируют разные органные маркеры. Поперечная перегородка (septum transversum), еще одно производное lateral plate mesoderm (LPM), участвует в индукции печени (Rossi et al., 2001) и в более позднем её поддержании (Le Douarin, 1963, Le Douarin, 1964a, Le Douarin, 1964c). Она продуцирует BMPs. Воздействие noggin, ингибитором BMP, блокирует конвергентную способность кардиальной мезодермы и поперечной перегородки в индукции печеночных маркеров. На более поздних стадиях развития, производные LPM сигналы, как известно, существенны для поддержания экспрессии Pdx1 в энтодерме поджелудочной железы. Мыши, мутантные по Isl1 (Ahlgren et al., 1997)и N-cadherin (Esni et al., 2001; Edsbagge et al., 2005), двум генам, экспрессирующимися в LPM, не обладают LPM конвергенцией вокруг дорсальной панкреас и обнаруживают резкое подавление экспрессии Pdx1, а также арест развития органа после инициального отпочкования зачатка. FGF10, ген, экспрессируемый в мезенхиме вокруг панкреатического зачатка от момента инициации отпочкования зачатка и далее, необходим для поддержания экспрессии Pdx1 (Bhushan et al., 2001).
В дополнение к LPM, ещё два мезодермальных компонента контактируют с энтодермой, обеспечивая пермиссивными сигналами. Хорда, как было показано, необходима и достаточна для индукции панкреатических эндокринных и экзокринных маркеров на стадии 10 сомитов в презумптивной энтодерме панкреас (Kim et al., 1997). Она посылает пермиссивные сигналы, т.к. она не может индуцировать панкреатические маркеры в более задней энтодерме. FGF2 и activin, как было показано, воспроизводят сигналы хорды, но пока неищвестно, действуют ли они и in vivo (Hebrok et al., 1998). Хотя ActRIIB-/- и ActRIIA+/-B-/- мутантны и обнаруживают трансформации в более передние части задних частей желудка, но неясно, обусловлен ли этот эффект восприятием сигналов от хорды (Kim, 2000). В самом деле, экзокринная часть поджелудочной железы не затрагивается у этих мутантов, хотя хорда контролирует также и индукцию экзокринной части панкреас. Кроме того, LPM вокруг поджелудочной железы модифицируется у этих мутантов. Неизвестно, может ли хорда также посылать пермиссивные сигналы в др. регионы кишки и выполнять общую роль в формировании дорсо-вентрального паттерна энтодермы. Эндотелий кровеносных сосудов также необходим для собственно дифференцировки дорсальных частей панкреас и печени (Lammert et al., 2001, Matsumoto et al., 2001). В случае печени, инициальная спецификация происходит нормально в отсутствие эндотелиальных клеток, но клетки печени не способны пролиферировать и проникать в мезенхиму поперечной перегородки (Matsumoto et al., 2001). Так, для панкреас аорта необходима для дифференцировки эндокринных клеток и морфогенеза дорсального панкреатического зачатка (Lammert et al., 2001; Yoshitomi and Zaret, 2004). Недавние доказательства подтверждают, что вителлиновые вены, которые находятся в тесной близи к вентральному зачатку поджелудочной железы, не нужны для инициации вентрального зачатка (Yoshitomi and Zaret, 2004). Возможно, что эта ассоциация также важна и для других пищеварительных органов, которые также обладают ранней ассоциацией с эндотелиальными клетками (Matsumoto et al., 2001). Пока неясно, любые ли эндотелиальные клетки обладают подобной индуктивной способностью.

Lateral plate mesoderm located at different A-P positions sends different instructive information to endoderm


У Drosophila, паттерн энтодермы (средняя кишка) формируется благодаря регионализованным сигналам из мезодермы (Bienz, 1994, Bienz, 1997). У позвоночных имеет место длительное общение между энтодермой и мезодермой, что может быть проиллюстрировано на примере печени и сердца. Уже давно отмечено, что эти органы развиваются вместе (Hunt, 1932, Willier and Rawles, 1931). Вскоре после гаструляции передняя энтодерма, но не задняя энтодерма посылает сигналы, которые индуцируют кардиомиоциты в мезодермальных клетках, которые покидают первичную полоску (Schultheiss et al., 1997, Schultheiss et al., 1995). Wnt-ингибиторы, экспрессирующиеся в передней энтодерме блокируют сердце-репрессирующую активность задних Wnts (Marvin et al., 2001, Tzahor and Lassar, 2001; Foley and Mercola, 2005; Schneider and Mercola, 2001).

Fig. 4. The mesoderm coordinates A-P patterning in the three germ layers. A-P patterning of endoderm and neurectoderm is under the control of mesodermal signals. RA and FGFs pattern the two germ layers. Although Wnts play a role in A-P patterning of the neural tube questions remain about the time of action and about its role in endoderm. TGF в family members are involved in patterning both layers but the mechanism and precise members involved need to be better characterized.

На ранних сомитных стадиях сердце передает сигналы обратно в энтодерму, чтобы индуцировать гепатоциты. Позднее septum transversum оказывается необходимой для роста печени. Этот и др. примеры ведут к заключению, что позиционная информация в ЖКТ не содержится ни в энтодерме, ни в мезодерме, обе они обладают частичной информацией, которая варьирует в зависимости от времени (Yasugi, 1993).
Всё ещё неясно, имеется klb общая схема формирования паттерна энтодермы, которая координирует со всей A-P осью. Показано, что на сомитных стадиях, когда большинство позиционных маркеров индуцируется в энтодерме, LPM посылает инструктивные сигналы в энтодермальный слой, по крайней мере от двенадцатиперстной кишки до задней части тонкого кишечника (Kumar et al., 2003). В отсутствие LPM, энтодерма сохраняет нативное энтодермальное состояние, но не включает и не сохраняет позиционных маркеров (Horb and Slack, 2001, Kumar et al., 2003). Она сохраняет свою исходную A-P качественную особенность при ассоциации с более передней энтодермой, но она формирует новый паттерн, когда ассоциирует с более задней LPM. Это очень сходно с механизмом формирования паттерна нервной трубки на той же стадии, т.к. было показано, что сомиты и Гензеновский узелок могут индуцировать более задние, но не более передние судьбы (Grapin-Botton et al., 1997, Itasaki et al., 1996, Liu et al., 2001, Muhr et al., 1997). Сомиты обладают общей с LPM способностью индуцировать задние маркеры в энтодерме (Kumar et al., 2003). Это указывает на то, что мезодерма координирует формирование паттерна всех трёх зародышевых листков (Рис. 4). Т.к. в нервную трубку Гензеновский узелок также посылает posteriorizing сигналы на сомитных стадиях, то было бы интересно посмотреть, не играет ли узелок такую же роль позднее в формировании паттерна энтодермы (Liu et al., 2001). Пластичность на эквивалентных стадиях наблюдалась у лягушек, у которых на стадии 22-25, но не на стадии 28 энтодерма теряет экспрессию Xlhbox8/Pdx1, если ассоциирована с задней мезодермой (Zeynali et al., 2000). Градиент передаваемых сигналов вдоль A-P оси сравним с наблюдениями Nicole Le Douarin, которая трансплантировала энтодермальный зачаток печени после стадии 6 сомитов в спланхноплевру и показала, что более каудальные трансплантаты дают менее развитые эпителиальные печеночные тяжи (Le Douarin, 1963, Le Douarin, 1964c). Это согласуется также с наблюдением, что энтодерма тонкого кишечника теряет очень рано свою способность формировать заново паттерн, когда ассоциирует с мезенхимой из др. регионов (Andrew and Rawdon, 1990, Gumpel-Pinot et al., 1978, Yasugi, 1993, Yasugi and Mizuno, 1978, Yasugi et al., 1991). Всё ещё неясно, действительно ли верно наблюдаемое posterior dominance мезодермы вдоль всей A-P оси, т.к. только незначительные отклонения обнаружены в литературе. Дно глотки, трансплантированное в спланхноплевру той же стадии и позднее, обнаруживается в стенке тонкого кишечника или в стенке тела, формирует при этом щитовидную железу, тимус, мышечную и железистую части желудка, печень, экзокринную поджелудочную железу и кишечник (Le Douarin and Bussonnet, 1966, Le Douarin and Wolff, 1967). Передний маркер Sox2 (Рис. 2) индуцируется в тонком кишечнике вплоть до ст. E4 (соответствет 11.5 dpc у мышей) (Ishii et al., 1998).
Пластичность, по-видимому, теряется задолго до рождения Ishii с сотр. показали, что эпителий желудка posteriorized с помощью эпителия тонкого кишечника вплоть до E4, но на ст. E6 (примерно 12.5dpc), хотя сигналы всё ещё продуцируются мезенхимой, энтодерма теряет свою способность экспрессировать кишечные маркеры CdxA и sucrase (Ishii et al., 1997, Ishii et al., 1998) (Haffen et al., 1982, Ishizuya-Oka and Mizuno, 1984). Соотв., 14.5dpc эпителий желудка или легких, по-видимому, не испытывают влияния со стороны мезенхимы тонкого кишечника (Duluc et al., 1994). Мезенхимные сигналы, по-видимому, персистируют (perdure) после потери пластичности (Ishii et al., 1997). Не всегда ясно, относятся ли идентифицированные сигналы к формированию общего A-P паттерна или к локальным событиям. Напр., железы желудка могут развиваться во многих эпителиях, включая заднюю часть тонкого кишечника вплоть до поздних стадий (E9). В этом случае железистые структуры формируются, но не экспрессируют pepsinogen, но сохраняют sucrase (Takiguchi-Hayashi and Yasugi, 1990, Yasugi et al., 1985). Информация по генерации структуры находится в мезенхиме, но A-P информация может находиться в эпителии. В таком случае, мышечная мезенхима желудка, смешанная в 1:9 с железистой мезенхимой желудка, блокирует способность индуцировать железы, даже если мышечные клетки желудка находятся в отдалении от эпителия, подтверждая тем самым, что локальные репрессивные секретируемые сигналы действуют на расстоянии (Urase and Yasugi, 1993).
Качественные A-P особенности параксиальной мезодермы связаны с сегментацией и предпопределяются, когда формируются сомиты (Dubrulle et al., 2001, Kieny et al., 1972, Nowicki and Burke, 2000, Zakany et al., 2001). Имеется, по-видимому, более поздняя пластичность в отношении качественных особенностей A-P в соматоплевре, т.к. когда индуцируется дополнительная конечность путем воздействия FGF-нагруженных кусочков, между крылом и конечностью, то экспрессия Hox генов в соматоплевре или сдвинута кзади, так что напоминает паттерн крыла, или сдвинута кпереди, так что напоминает паттерн конечности (Cohn et al., 1997). Более того LPM среда изменяет качественные A-P особенности в изолированных сомитных клетках, которые мигрируют в LPM, чтобы сформировать мышцы конечностей (Nowicki and Burke, 2000). Ничего подобного неизвестно о спланхноплевре.

Molecular basis of endoderm A-P patterning


Ретиноевая кислота индуцирует задние характеристики энтодермы, как и в нейроэетодерме. В нервной трубке FGFs (Cox and Hemmati-Brivanlou, 1995; Kengaku and Okamoto, 1995; Lamb and Harland, 1995; Mathis, et al., 2001; Storey, et al., 1998), Wnts (Erter, et al., 2001; Mcgrew, et al., 1997; Nordstrom, et al., 2002) и retinoic acid (RA) (Maden, 1999),как известно, индуцируют задние судьбы градированным способом (Bel-Vialar, et al., 2002; Liu, et al., 2001). Из TGFβ ctvtqcndf Growth/Differentiation Factor GDF11, как полагают, ответственен за индукцию наиболее задних судеб в сотрудничестве с FGFs (Liu, et al., 2001; Mcpherron, et al., 1999).
Так, в нервной трубке RA оказывает posteriorizing эффекты на энтодерму. На ст. гаструляции у эмбрионов кур она способна репрессировать передний маркер Otx2 (Bally-Cuif, et al., 1995). Роль RA в формировании энтодермальных органов изучалась на рыбках данио, Xenopus, мышах и курах (Chen, et al., 2004; Kumar, et al., 2003; Molotkov, et al., 2005; Stafford, et al., 2004; Stafford and Prince, 2002). Эти работы сконцентрированы в основном на поджелудочной железе и было показано, что ретиноевая кислота важна на ст. гаструляции, чтобы индуцировать этот орган и контролировать баланс между эндокринными и экзокринными клетками. Хотя и проанализированные менее тщательно, но две из этих публикаций указывают на то, что RA контролирует положение энтодермальных органов вдоль A-P оси, как это имеет место в нервной трубке. У рыбок данио RA индуцирует передний сдвиг в экспрессии энтодермальныхы генов по всей передней кишке (down to duodenum/pancreas) и блокирует путь, предупреждающий индукцию более задних судеб (Stafford and Prince, 2002). У кур, Kumar et al. (Kumar, et al., 2003) наблюдалось, что RA индуцирует Pdx1, pancreato-duodenal маркер в stomach/esophagus, а также расширяет экспрессию CdxA, маркера тонкого и толстого кишечника, вплоть до пищевода. Однако, эффекты, описанные у кур, появляются на значительно более поздних стадиях, когда сомиты уже сформированы. Хотя потребность в RA для формирования паттерна энтодермы не была предметом рассмотрения данной работы, очевидно, что энтодерма всё ещё реагирует на RA на стадии 10 сомитов в отличие от рыб и Xenopus. Многие A-P маркеры энтодермы индуцируются на этой стадии. Она также контролирует формирование A-P паттерна энтодермы у Amphioxus (Escriva, et al., 2002; Schubert, et al., 2005), но эти исследования противоречат предыдущим находкам, показавшим, что у Xenopus RA не влияет на экспрессию панкреатического маркера Pdx1 после воздействия на эмбриона целиком на ст. 12 и 25 (Zeynali and Dixon, 1998). Более позднее действие RA у эмбрионов кур согласуется с задне-передним градиентом RA, присутствие которого предположено в LPM эмбрионов кур на ст. 10 сомитов (Swindell, et al., 1999). В самом деле, Raldh2, энзим, ответственный за синтез RA synthesis, экспрессируется в полоске и позднее в сомитах и LPM туловища, тканях, которые обладают posteriorizing активностью. RA , т.о., синтезируется только в туловище.
Cyp26, энзим, ответственный за деградацию RA, часто экспрессируется в тканях, которые реагируют на RA, находится в латеральной энтодерме. Его экспрессия формирует градиент на ст. 14, с высоким уровнем экспрессии в первом сомите и постепенным снижением в направлении сомита 15. Количество сигнала, воспринимаемого боле5е каудально мб более высокое из-за уменьшения скорости деградации (Blentic, et al., 2003). Пока неясно, формирует ли RA паттерны всей энтодермы вдоль оси. В нервной трубке RA играет роль только в регуляции генов от заднего мозга (уровень глотки) до уровня шеи (Hoxc-6). Она подавляет более задние гены Hox in vivo и in vitro (Bel-Vialar, et al., 2002; Liu, et al., 2001; Simeone, et al., 1991). В энтодерме, RA, по-видимому, индуцирует каудальный гомолог CdxA у кур и не влияет у рыбок данио (Kumar, et al., 2003; Stafford and Prince, 2002). В каждом из этих случаев неясно, действует ли RA непосредственно на энтодерму или косвенно через мезодерму. Лучшее доказательство прямого действия RA на эктодерму получено при исследовании Hoxb1 промотора, который регулируется с помощью RA в энтодерме и эктодерме посредством двух разных промоторных элементов (Huang, et al., 2002; Huang, et al., 1998). Такие элементы не были идентифицированы в промоторах Pdx1 или CdxA/1. Этот путь может взаимодействовать с FGF путем в энтодерме во время гаструляции, т.к. путь FGF регулирует экспрессию RA рецепторов и энзимов, которые контролируют синтез и деградацию RA (Shiotsugu, et al., 2004) и напротив передача сигналов RA регулирует экспрессию FGF рецепторов.

FGFs and Wnts, posterior inducers in the nervous system may act on endoderm patterning


В нервной системе на стадии сомитов RA ответственна за формирование паттерна на уровне заднего мозга и на уровне шеи. Более каудально экспрессия Hox генов индуцируется с помощью FGFs (в основном 2 и 4 и менее эффективно 8). которые действуют частично посредстом Cdxs (Bel-Vialar et al., 2002; Charite et al., 1998; Liu, et al., 2001). В энтодерме мышей, FGF4 (но неt FGF2, 5 or 8) действует в передней энтодерме в поздней гаструле (7.5 dpc), индуцируя маркеры, которые характерны для задней половины эмбриона. FGF4 экспрессируется в задней части первичной полоски и позднее в хвостовой почке (Niswander and Martin, 1992). Эмбрионы, нокаутные по Fgf4, останавливаются в развитии перед гаструлой (Feldman et al., 1995) и следовательно, потребность в FGF4 для формирования A-P паттерна не может быть протестирована. Тогда как в нервной системе FGF2 и 4 наиболее мощные задние индукторы. Наши недавние эксперименты подтвердили, что FGFs функционируют также позднее в формировании паттерна средней кишки (Dessimoz et al., unpublished). FGFs могут оказывать пермиссивное действие и поддерживать клетки в состоянии чувствительности к сигналам (Mathis et al., 2001; Nordstrom et al., 2002). FGF response elements, которые связывают ets транскрипционные факторы (нижестоящие мишени FGFs), недавно были выявлены в Xcad3 (CdxB) промоторе у Xenopus. CdxB может т.о., быть непосредственной мишенью в энтодерме для передачи сигналов FGF (Haremaki et al., 2003). Pdx1 также может быть непосредственной мишенью для сигналов FGF4.
Wnts, в присутствии FGFs, играют роль в формировании A-P паттерна нервной системы (Holland, 2002; Mcgrew et al., 1997; Nordstrom et al., 2002). Wnt8 экспрессируется в каудальной параксиальной мезодерме на ст. гаструлы и головной складки и активирует задние маркеры градированным способом в изолированной нервной трубке. Неясно, поддерживает ли он передачу сигналов на более поздних стадиях. Wnt3A экспрессируется в хвостовой почке, также как wnt8 у ряда позвоночных (Holland, 2002). Cdx1/A является непосредственной мишенью канонической передачи сигналов Wnt, которая важна для индукции этого гена в первичной полоске, сомитах (wnt3A) и возможно энтодерме (Ikeya and Takada, 2001; Lickert et al., 2000; Lickert and Kemler 2002). Возможно существует петля обратной связи, т.к. CdxB, каудальный ген у кур, м. индуцировать Wnt8c, когда неправильно экспрессируется в сердце (Ehrman and Yutzey, 2001). Т.к. Cdx1 индуцируется позднее во время развития в энтодерме (14 dpc) то было бы интересно знать, зависит ли индукция ранних энтодермальных маркеров также от передачи сигналов Wnt. Ни один из изолированных промоторных элементов Cdx1 , включая и те для сайтов мишеней пути Wnt, не управляют энтодермальной экспрессией (Lickert and Kemler, 2002). Интересно, что у C. elegans, все, кроме одного деления в E клоне, происходят вдоль A-P оси. Эти деления асимметричны, так что только передняя клетка наследует Tcf-родственный белок POP-1 (Lin et al., 1998). В первом асимметричном делении дробления EMS, которое генерирует энтодермальный предшественник E posteriorly, это обусловлено продукцией MOM-2 Wnt лиганда P2 задней клеткой (Lin et al., 1998). Более поздние деления нуждаются в MOM-5/Frizzled, но не в MOM-2/Wnt (Park and Priess, 2003). У Drosophila, Wingless секретируется мезодермой, окружающей энтодерму, где он индуцирует labial, а позднее copper клетки при низких уровнях, тогда как ближе к месту продукции он репрессирует labial и индуцирует дифференцировку крупных плоских клеток (Hoppler and Bienz, 1995).

A role for BMPs in endoderm A-P patterning: differences between endoderm and neurectoderm?


У Drosophila, Hox гены регионально экспрессируются в мезодерме и контролируют локальную секрецию Decapentaplegic (Dpp). Dpp экспрессируется в специфической полоске в мезодерме средней кишки, по соседству с Wg. Он регулирует экспрессию Hox генов в мезодерме и энтодерме (Immergluck et al., 1990, Staehling-Hampton and Hoffmann, 1994, Staehling-Hampton et al., 1994, Tremml and Bienz, 1989)(Tremml and Bienz, 1989; Immergluck et al.,1990; (Panganiban et al., 1990). Экспрессия labial в энтодерме зависит от кооперации Hox связывающих сайтов, которые связывают отвечающие элементы в labial и DPP (Marty et al., 2001). LEF1 и DPP/mad связывающие сайты в промоторе ultrabithorax непосредственно контролируют этот ген (Riese et al., 1997).
У позвоночных было показано, что BMP2, 4 и 7 , а также activin расширяют экспрессию Pdx1 и CdxA в энтодерме кпереди (Kumar et al., 2003). Кроме того, noggin и follistatin блокируют индукцию задних генов, выявляемых с помощью LPM, подтверждая, что вовлечен BMP скорее, чем activin (activin не блокируется с помощью noggin). Как уже отмечалось, во время морфогенеза кишечника более латеральная энтодерма в конечном итоге вносит вклад в более задние ткани, вполне возможно, что эффект BMPs проявляется в латеральной трансформации. У рыбок данио, Tiso et al. (Tiso et al., 2002) продемонстрировали, что swirl (BMP2b) мутанты обнаруживают общую редукцию качественных особенностей в задней части энтодермы. Напротив, мутанты chordino увеличенную заднюю кишку и уменьшенную переднюю часть ЖКТ. Хотя эффект BMP2b, по-видимому, является очень ранним у рыб, т.к. экспрессия гена hairy her5 в передней энтодерме затронута у мутантов swirl и chordino в 80% epiboly (late gastrulation), но было установлено, что activin не posteriorize 7.5 dpc энтодерму мышей (gastrulation). Должны существовать различия во времени формирования A-P паттерна у этих двух видов, как это наблюдалось в случае ретиноевой кислоты (Wells and Melton, 2000). Две первые публикации показали, что эти лиганды способны индуцировать экспрессию генов, характерных для множественных регионов вдоль A-P оси и поэтому они скорее всего действуют в виде градиентов, хотя это еще не доказано. Можно ожидать, увидеть градированную экспрессию одного или нескольких BMPs или activin вдоль A-P оси на изученных здесь стадиях. В самом деле, LPM, соседствующая с пресомитной мезодермой, строго экспрессирует BMP4 причем экспрессия прогрессивно ослабляется в LPM, соседствующей с полностью сегментированными сомитами (Pourquie et al., 1996, Reshef et al., 1998, Schultheiss and Lassar, 1997) (our unpublished results). Кроме того, экспрессия множественных BMPs выявляется в мезенхиме, окружающей энтодерму (Roberts et al., 1995, Smith et al., 2000, Solloway and Robertson, 1999, Winnier et al., 1995), тогда как BMP рецепторы BMPRIA и BMPRII экспрессируются в энтодерме (Mishina et al., 1995, Roelen et al., 1997). Инактивация activin receptor II у мышей выявляет потребность в этих рецепторах для формирования A-P паттерна передней кишки (Kim et al., 2000). Т.к. Gdf11 играет роль в индукции задних генов в нервной пластинке, то было бы интересно посмотреть, вовлекается ли GDF в posteriorization энтодермы (Liu et al., 2001, McPherron et al., 1999).
Roberts et al. (Roberts et al., 1995) показали, что Shh индуцирует Hox гены в задней части задней кишки. Shh первоначально экспрессируется в энтодерме CIP, когда кишка сворачивается и позднее его экспрессия распространяется на большую чать кишечной трубки. Преждевременная активация Shh в кишечной энтодерме индуцирует сдвиг кпереди экспрессии Hoxd11 и Hoxd13 в мезодерме. Этот сдвиг ограничен , т.к. области впереди желточного стебелька не компетентны экспрессировать эти гены на этой стадии. Неясно, как действие Shh ограничивается, т.к. этот ген экспрессируется в AIP, где он не индуцирует задних Hox генов. Т.к. Shh индуцирует также BMPs в мезодерме, то способность Shh индуцировать задние гены может быть связана с BMPs.

Conclusion


Beyond characterizing the interactions between the retinoic acid, Wnt, FGF and BMP pathways in endoderm patterning, new directions of research may go towards further characterization of endoderm-mesoderm interactions in light of the sliding movements observed by Nicole Le Douarin. Fate mapping the AIP with modern techniques should in particular solve the question as to whether single cells of the AIP can contribute to different organs. The control of A-P identity in endodermal cells is important not only during development but must be maintained in the adult. The loss of identity leads to metaplasia which often evolve in neoplasia. Mice which have lost one copy of Cdx2 in their genome develop adenomatous polyps, mostly in the proximal colon (Beck et al., 2003, Beck et al., 1999, Chawengsaksophak et al., 1997). These polyps contain areas were Cdx2 is not expressed although there is no loss of heterozygosity. These Cdx2 -negative domains show a continuous sequence of all digestive tract epithelia from colon to esophagus suggesting a gradient of signaling. Dysplasia is observed in 20% of lesions. Although Cdx2 expression is often lost in colon cancer, it is rarely mutated (da Costa et al., 1999, Mallo et al., 1997, Yagi et al., 1999). Another example of induced metaplasia mimics a human affection. When Cdx2 is ectopically activated in the stomach, intestinal metaplasia is induced (Silberg et al., 2002). Cdx2 expression is observed in most gastric intestinal metaplasia and gastric carcinoma (Almeida et al., 2003, Bai et al., 2002, Seno et al., 2002). In the esophagus, 10% of Barrett metaplasia, which consist in gastric tissue in the esophagus, evolve in esophagal cancer (OMIM 109350). The role of Cdx up- or down-regulation in the evolution to neoplasia and the factors that cause it are interesting questions for the future. In particular, since the mesenchyme controls Cdx expression during development, the role of the stroma would be worth investigating.

Сайт создан в системе uCoz