Посещений:
Интрафузальные Мышечные Волокна

Спецификация

Transcriptional regulation of myotube fate specification and intrafusal muscle fiber morphogenesis
Y'vonne Albert, Jennifer Whitehead, Laurie Eldredge, John Carter, Xiaoguang Gao, and Warren G. Tourtellotte
JCB, Volume 169, Number 2, 257-268

Vertebrate muscle spindle stretch receptors are important for limb position sensation (proprioception) and stretch reflexes. The structurally complex stretch receptor arises from a single myotube, which is transformed into multiple intrafusal muscle fibers by sensory axon–dependent signal transduction that alters gene expression in the contacted myotubes. The sensory-derived signal transduction pathways that specify the fate of myotubes are very poorly understood. The zinc finger transcription factor, early growth response gene 3 (Egr3), is selectively expressed in sensory axon–contacted myotubes, and it is required for normal intrafusal muscle fiber differentiation and spindle development. Here, we show that overexpression of Egr3 in primary myotubes in vitro leads to the expression of a particular repertoire of genes, some of which we demonstrate are also regulated by Egr3 in developing intrafusal muscle fibers within spindles. Thus, our results identify a network of genes that are regulated by Egr3 and are involved in intrafusal muscle fiber differentiation. Moreover, we show that Egr3 mediates myotube fate specification that is induced by sensory innervation because skeletal myotubes that express Egr3 independent of other sensory axon regulation are transformed into muscle fibers with structural and molecular similarities to intrafusal muscle fibers. Hence, Egr3 is a target gene that is regulated by sensory innervation and that mediates gene expression involved in myotube fate specification and intrafusal muscle fiber morphogenesis.

A muscle spindle is a specialized muscle structure innervated by both sensory and motor neuron axons. Its functions are to send proprioceptive information about the muscle to the central nervous system, and to respond to muscle stretching

Intrafusal muscle fibers are muscle fibers that comprise the muscle spindle. These fibers are walled off from the rest of the muscle by a collagen sheath. This sheath has a spindle or "fusiform" shape, hence the name "intrafusal." While the intrafusal fibers are wrapped with sensor receptors, their counterpart, extrafusal fibers are the ones responsible for the power-generating component of muscle and are innervated by motor neurons.


Рис.1.  | Identification of Egr3 target genes in primary murine myotubes.


Рис.2.  | Pea3 expression in wild-type and Egr3-deficient muscle is a marker of Ia-afferent–contacted myotubes in vivo.


Рис.3.  | Egr3 regulates specific target genes in developing spindles.


Рис.4.  | Enforced Egr3 expression in all skeletal myotubes leads to muscle defects and perinatal mortality.


Рис.5.  | Skeletal myotubes are transformed into muscle fibers that are structurally similar to intrafusal muscle fibers in HSA–Egr3 transgenic mice.


Рис.6.  | Intrafusal-like muscle fibers are not innervated in HSA–Egr3 transgene-expressing mice.


Рис.7.  | Muscle fibers in HSA–Egr3 transgenic mice express genes that are characteristic of intrafusal muscle fibers.

Табл.1 Up-regulated genes (Egr3WT relative to Egr3Tr)

Табл.2 Down-regulated genes (Egr3WT relative to Egr3Tr)



Мышечные веретена являются пространствами рецепторов, которые обеспечивают миотактические рефлексы на натяжение (stretch) и также восприятие (proprioception) позиции конечностей и оси тела у позвоночных. Они состоят из специализированных, энкапсулированных мышечных волокон (intrafusal мышечных волокон), которые иннервируются сенсорными (групп Ia и II) двигательными (fusimotor) аксонами, чтобы сформировать механорецепторы, которые связывают восприятие натяжения скелетных мышц с ЦНС. Поздняя пренатальная и ранняя постнатальная сенсорная денервация. но не моторная денервация, развивающихся скелетных мышц ведет к дегенерации веретен, это указывает на то, что нормальное развитие веретен зависит от сенсорной, а не от fusimotor, иннервации (Zelena', 1957; Zelena' and Soukup, 1973; Kucera and Walro, 1992). Морфогенез мышечных веретен нуждается в интактной сенсорной иннервации, это убедительно было продемонстрировано на мышах, которые были лишены или neurotrophin-3 (NT-3) или его родственного, tyrosine kinase receptor/TrkC (Ernfors et al., 1994; Klein et al., 1994; Tessarollo et al., 1994). Выживание проприоцептивных сенсорных нейронов во время развития зависит от передачи сигналов NT-3-tyrosine kinase receptor C, и когда она устранена у мутантных мышей, то Ia-afferents собственно не образуются, чтобы индуцировать морфогенез веретен на периферии. Т.о., Ia-afferent-производная передача сигналов была распознана также как существенный аспект индукции мышечных веретен. Neuregulin-1 (Nrg1), по-видимому, является существенным для Ia-afferent-продуцируемого медиатора морфогенеза веретен и хотя Ia-афферентные волокна и устанавливают контакты с мышечными трубками, морфогенез мышечных веретен и некоторых специфичных для intrafusal мышечных волокон генов не индуцируются соответственно у мышей, когда сенсорные нейроны дефицитны по Nrg1 (Hippenmeyer et al., 2002). Сходным образом, морфогенез мышечных веретен нарушен у мышей с мышце-специфической нехваткой erythroblastic leukemia viral oncogene homologue 2 (ErbB2), важного компонента Nrg1 tyrosine kinase рецепторного сигнального комплекса (Andrechek et al., 2002; Leu et al., 2003). Всё это указывает на то, что Ia-afferents индуцируют морфогенез веретен путем высвобождения Nrg1, чтобы задействовать ErbB2-зависимубю передачу сигналов в субпопуляции мышечных трубок, которые получают сенсорные мионейральные контакты.
Сравнительно мало известно о генных регуляторных сетях, которые задействованы с помощью передачи сигналов ErbB2 в контактирующих с Ia-афферентными волокнами мышечных трубках в отношении индукции их трансформации в intrafusal мышечные волокна. Предположительно, de novo экспрессия генов необходима после установления сенсорного мионейрального контакта, чтобы специфицировать судьбу мышечных трубок, которые д.становиться морфологически и биохимически самостоятельными intrafusal мышечными волокнами; чтобы обеспечить терминальную дифференцировку Шванновских клеток, которая д. генерировать капсулу fusiform веретена; и чтобы регулировать ростовые факторы, которые индуцируются, чтобы установить и/или поддержать специализированную, связанную с веретеном сенсорную и моторную иннервацию. Соотв. несколько транскрипционных регуляторов индуцируется в мышечных трубках всеоре после того, как они прокантактировали с Ia-afferents, включая некоторые Ets-родственные транскрипционные факторы, ER81 (Arber et al., 2000), Pea3 (Livet et al., 2002), Ets-related protein (ERM; Hippenmeyer et al., 2002), и транскрипционный фактор цинковые пальчики early growth response gene 3 (Egr3; Tourtellotte and Milbrandt, 1998). Все они регулируются с помощью происходящего из Ia-афферентных волокон Nrg1 после контакта с мышечными трубками (Hippenmeyer et al., 2002), указывая тем самым, что они являются кандидатами на роль транскрипционных факторов, которые участвуют в ErbB2-зависимой и внутренне присущей мышечным трубкам экспрессии генов, связаннгых с морфогенезом веретен. Однако, регулируют ли Ets-родственные транскрипционные факторы экспрессию генов, которые необходимы для морфогенеза веретена, трудно определить. Напр., ER81 экспрессируется в развивающихся веретенах, проприоцептивных сенсорных нейронах и двигательных нейронах. У ER81-дефицитных мышей, количество веретен изменено в некоторых мышцах, т.к. ER81 играет роль в спецификации некоторых проприоцептивных нейронов (Kucera et al., 2002). Напротив, мышечные веретена не обнаруживают очевидных дефектов у Pea3-дефицитных мышей, несмотря на тот факт, что он также скоординировано экспрессируется intrafusal мышечными волокнами, двигательными нейронами и сенсорными нейронами (Livet et al., 2002). Наконец, ERM экспрессия не регистрируется в веретенах развивающихся мышц и его роль в морфогенезе мышечных веретен не была изучена, т.к. ERM-дефицитные мыши погибают до индукции мышечных веретен (Hippenmeyer et al., 2002).
Egr3 является особенно интересным кандидатом на роль эффекторной молекулы в передаче сигналов Nrg1-ErbB2 в мышечных трубках. Egr3 индуцируется в мышечных трубках, контактирующих с Ia-afferent в тот период развития, который совпадает с Ia-afferent иннервацией и не экспрессируется ни сенсорными, ни двигательными нейронами, которые их иннервируют. Более того, мышечные трубки, контактирующие с Ia-afferent, у Egr3-дефицитных мышей неспособны дифференцироваться в intrafusal мышечные волокна, которые экспрессируют специфичные для intrafusal мышечных волокон, slow developmental myosin heavy chain (Sd-MyHC; Tourtellotte and Milbrandt, 1998; Tourtellotte et al., 2001), указывая тем самым, что их дифференцировка может быть нарушена. Одним из наиболее рано распознаваемых транскрипционных регуляторов, которые избирательно индуцируются в мышечных трубках с помощью Ia-afferent иннервации, Egr3 может обеспечивать некоторые аспекты передачи сигналов Nrg1-ErbB2, которые имеют отношение к спецификации судьбы мышечных трубок и дифференцировке intrafusal волокна. Однако, ни гены мишени, регулируемые Egr3 в мышечных трубках, контактирующих с Ia-afferent, ни их потенциальная роль в спецификации судьбы мышечных трубок не были исследованы непосредственно. В данной работе мы идентифицировали многие гены мишени, которые регулируются с помощью Egr3 в первичных мышечных трубках in vitro и продемонстрировали, что некоторые из этих генов регулируются с помощью Egr3 в развивающихся веретенах in vivo. Чтобы установить, выполняет ли Egr3 какую-либо инструктивную роль в спецификации судьбы мышечных трубок, чтобы они становились intrafusal мышечными волокнами, были получены трансгенные мыши, экспрессирующие Egr3 во всех мышечных трубках, независимо от Ia-afferent-Nrg1 передачи сигналов. Эти мыши оказались нежизнеспособными, т.к. их скелетно-мышечные волокна целиком трансформировались и содержали мышечные волокна, которые структурно и биохимически были сходны с intrafusal мышечными волокнами. Dcq это указывает на то, что Ia-afferent-Nrg1 передача сигналов с мышечных трубках служит, по крайней мере, частично чтобы регулировать Egr3 как важный транскрипционный регулятор спецификации судьбы мышечной трубки и морфогенеза intrafusal мышечного волокна.

Discussion


Во время развития скелетных мышц, Ia-afferents специфицируют судьбы мышечных трубок, задействуя транскрипцию новых генов, которые трансформируют их в биохимически и функционально самостоятельные intrafusal мышечные волокна. Недавние исследования уточнили наше понимание этого классического процесса нейро-мышечной индукции путем демонстрации, что Nrg1, продуцируемый Ia-afferents, и передача сигналов посредством Nrg1 tyrosine kinase receptor ErbB2 в контрактирующих мышечных трубках существенны для осуществления программ морфогенеза веретен in vivo (Andrechek et al., 2002; Hippenmeyer et al., 2002; Leu et al., 2003) и in vitro (Jacobson et al., 2004). Более того, передача сигналов Nrg1 от Ia-afferents необходима для индукции некоторых транскрипционных факторов (Egr3, Pea3, ER81, и ERM), которые представляют собой, по крайней мере, некоторые проксимальные медиаторы генных регуляторных сетей, которые задействуются контактом Ia-afferent с мышечными трубками. Мы сфокусировались на роли Egr3 в обеспечении определенных аспектов сигнальной трансдукции Ia-afferent (Nrg1-ErbB2), та как наши более ранние исследования показали, что Egr3 необходим для нормального морфогенеза веретен (Tourtellotte and Milbrandt, 1998). Его экспрессия ограничена контактирующими с Ia-afferent мышечными трубками, а дефицитные по Egr3, контактирующие с Ia-afferent мышечные трубки не приобретают структурных характеристик или фенотипических маркеров intrafusal мышечных волокон (Tourtellotte et al., 2001; Chen et al., 2002).

Egr3 gene regulation in Ia-afferent-contacted myotubes


Egr3 регулирует довольно крупную сеть генов внутри мышечных трубок, хотя не все идентифицированные гены были детально охарактеризованы в этой работе, но некоторые из них регулируются с помощью Egr3 в развивающихся intrafusal мышечных волокнах. Мы установили, что NGFR (p75), SSTr2 и Prph1 регулируются с помощью Egr3 в intrafusal мышечных волокнах. Из 83 генов, идентифицированных в мышечных трубках, мы верифицировали, что 15/15 протестированных генов позитивно регулируются, это подтверждает, что список генов мишеней для Egr3 обнаруживает высокую степень специфичности. Более того, Egr3-обеспечиваемая генетическая регуляторная сеть безусловно сложна т.к. гены мишени обнаруживают огромное функциональное разнообразие, включая процессы, такие как регуляция транскрипции, передача внутриклеточных сигналов, процессинг белков и организация цитоскелета. Интересно, что не все гены, которые позитивно регулируются с помощью Egr3 в мышечных трубках in vitro являлись мишенями Egr3 в развивающихся intrafusal мышечных волокнах in vivo , т.к. ни GPR50, Rphn2, ни Arc ими не экспрессируются. Т.о., усиленная экспрессия Egr3 в мышечных трубках ведет к экспрессии генов мишеней, которые не обязательно ограничиваются контекстом мышечных клеток. В подтверждение этой концепции ведутся исследования, показывающие, что Arc непосредственно регулируется с помощью Egr3 в нейронах, несмотря на тот факт, что он не экспрессируется intrafusal мышечными волокнами, где Egr3 экспрессируется на высоких уровнях (unpublished data). Эти результаты указывают на то, что клеточный контекст, по-видимому, важен в обеспечении пермиссивных условий для экспрессии определенного репертуара генов мишеней для Egr3, которые имеют отношение к морфогенезу intrafusal мышечных волокон. Регулируются ли непосредственно идентифицированные гены мишени с помощью Egr3 или они экспрессируются за счет активации нижестоящих медиаторов Egr3 пока неизвестно. Более того, неясно, является ли какой-либо из идентифицированных генов существенным для морфогенеза веретена. Анализ дополнительных генов мишеней для Egr3 с помощью гибридизации in situ необходим для дальнейшего выяснения Nrg1-ErbB2-Egr3 регуляторной оси, которая обеспечивает морфогенез intrafusal мышечных волокон.
Ia-afferents оказывают широкое регуляторное влияние на весь морфогенез веретена, а Egr3 регуляция. , по-видимому, только часть сложного морфогенетического сигнального пути. Многие из генов, позитивно регулируемые во время ранних аспектов морфогенеза мышечного волокна, такие как Egr3, ERM, ER81 и Pea3, регулируются независимо (Hippenmeyer et al., 2002). Т.о., скорее всего существуют множественные параллельные регуляторные сети и они могут выполнять разные роли в морфогенезе веретен. Напр., роль ERM во время морфогенеза веретена не установлена, т.к. ERM-дефицитные мыши погибают до начала морфогенеза, но его функция в мышцах вряд ли ограничена морфогенезом веретен, т.к. он экспрессируется intrafusal и nonintrafusal мышечными волокнами. Pea3, который не регулирует Egr3 и не регулируется с помощью Egr3, не обязателен для морфогенеза веретена несмотря на тот факт, что в мышцах его экспрессия ограничивается intrafusal мышечными волокнами (Livet et al., 2002). Pea3, который также экспрессируется в моторных нейронах и регулируется с помощью GDNF, выполняет роль в формировании паттерна моторной иннервации скорее, чем в морфогенезе самого веретена (Haase et al., 2002; Livet et al., 2002). Сходным образом, ER81 выполняет роль в формировании паттерна сенсорных нейронов, что может объяснить частичное нарушение морфогенеза веретена у ER81-дефицитных мышей вторично из-за изменения иннервации, от которой зависит морфогенез веретена (Kucera et al., 2002). Напротив, Egr3, , по-видимому, обладает избирательной ролью в обеспечении некоторых аспектов передачи сигналов от Ia-afferent, которые связаны с дифференцировкой intrafusal мышечных волокон из-за их ограниченной экспрессии на веретена, необходимые для их нормального морфогенеза. Т.о., Egr3-обусловленная регуляция генов, , по-видимому, необходима для мышечных трубок, чтобы приобрести нормальный фенотип intrafusal мышечного волокна.

Myotube fate specification mediated by Egr3 target gene regulation


Хотя экспрессия Egr3 необходима для нормального морфогенеза intrafusal мышечного волокна, она, , по-видимому, также достаточна для управления некоторыми аспектами дифференцировки intrafusal мышечного волокна от остальных недифференцированных скелетных мышечных трубок. Скелетные мышечные трубки трансформируются в мышечные волокна, которые имеют структурное и молекулярное сходство с intrafusal мышечными волокнами, когда экспрессия Egr3 усиливается независимо от передачи сигналов от Ia-afferent волокон. Более того, некоторые установленные маркеры intrafusal мышечных волокон, включая Sd-MyHC, NT-3 и GDNF, позитивно регулируются с помощью HSA-Egr3 трансген экспрессирующих мышц. Сходным образом, три новых гена мишени для Egr3, которые избирательно экспрессируются intrafusal мышечными волокнами (NGFR [p75], SSTr2 и Prph1) и три дополнительных Egr3 гена мишени (ATP1α3, Hey1 b 2810417MoRik) все позитивно регулируются в мышцах, экспрессирующих трансген. Однако, трансформированные мышечные волокна не приобретают ни моторной, ни сенсорной иннервации, которая характерна для нормальных intrafusal мышечных волокон, указывая тем самым, что Egr3 обладает ролью, которая отлична от др. обеспечиваемых Ia-afferent путей, которые могут быть необходимы для установления и/или поддержания этих взаимодействий. Более того, трансформированные мышечные трубки не приобретают fusiform капсул, которые обычно происходят из терминальных Шванновских клеток иннервирующих сенсорных аксонов. Наконец, соматические моторные нейроны почти полностью отсутствовали у HSA-Egr3 трансгенных мышей, указывая тем самым, что трансформированные мышечные волокна неспособны поддерживать скелетно-моторную иннервацию, это может происходить, если они не экспрессируют Egr3 и дифференцируются в intrafusal мышечные волокна. Необходима безусловно экспрессия Egr3 в скелетных мышечных трубках для изучения судьбы моторной и сенсорной иннервации во время развития, т.к. трансгенные основатели погибают и могут генерироваться лишь в небольшом количестве.
Сенсорный контроль над морфогенезом многих механорецепторов считается общей темой в их онтогенезе. Детальное понимание механизмов генной регуляции, которые управляют иннервацией сенсорными аксонами мышечных веретен, может быть приложимо к механизмам, используемым во время онтогенеза др. сенсорных механорецепторов. Это исследование определило набор Egr3-регелуируемых генов мишеней, некоторые из которых, , по-видимому, имеют отношение к морфогенезу intrafusal мышечных волокон. Egr3 регулируется с помощью Nrg1-ErbB2 передачи сигналов и он, , по-видимому, обеспечивает экспрессию генов, которые необходимы и достаточны для спецификации судьбы контактирующих с Ia-afferent волокнами микротрубочек, чтобы стать intrafusal мышечными волокнами и обеспечивают их морфогенез.
Сайт создан в системе uCoz