Посещений:
ИНГИБИРОВАНИЕ НЕЙРАЛЬНОЙ ДИФФЕРЕНЦИРОВКИ

Роль Передачи Сигналов Notch ниже foxD5

Notch Signaling Downstream of foxD5 Promotes Neural Ectodermal Transcription Factors That Inhibit Neural Differentiation
АBo Yan, Karen M. Neilson, and Sally A. Moody
DEVELOPMENTAL DYNAMICS V.238, P. 1358-1365, 2009

We investigated the role of the Noteh signaling pathway in regulating several transcription factors that stabilize a neural fate and expand the neural plate. Increased Notch signaling in a neural lineage via a constitutively activated form (NICD) up-regulated geminin and zic2 in a cell-autonomous manner, and expanded the neural plate domains of soxll, sox2, and sox3. Loss- and gain-of-function assays show that foxD5 acts upstream of notchl gene expression. Decreasing Notch signaling with an antimorphic form of a Notch ligand (X~Delta-lSTU) showed that the foxD5-mediated expansion of the sox gene neural plate domains requires Notch signaling. However, geminin and zic2 appear to be dually regulated by foxD5 and Notchl signaling. These studies demonstrate that: (1) Notch signaling acts downstream of foxD5 to promote the expression of a subset of neural ectodermal transcription factors; and (2) Notch signaling and the foxD5 transcriptional pathway together maintain the neural plate in an undifferentiated state. Developmental Dynamics 238:1358-1365, 2009. © 2009 Wiley-Liss, Inc.

Нейральная эктодерма (NE) формируется на дорсальной стороне эмбриона Xenopus в ответ на факторы, секретируемые из blastula Chordin- and Noggin-expressing (BCNE) сигнального центра и Organizer (De Robertis and Ku-roda, 2004; Levine and Brivanlou, 2007). На ст. гаструлы NE экспрессирует большие количества транскрипционных факторов, чьи домены экспрессии широко перекрываются и которые скоординировано способствуют приобретению нейральной судьбы, расширению нервной пластинки и регуляции начала нейральной дифференцировки (Fig. 1; Sasai, 1998; Moody and Je, 2002). Сюда входят: (1) foxD5, a forkhead/winged helix ген (Solter et al., 1999; Fetka et al., 2000; Sullivan et al., 2001); (2) geminin (gem), который взаимодействует с SWI/SNF комплексом (Kroll et al., 1998; Seo and Kroll, 2006); (3) high-mobility group (HMG)-box гены sox2, sox3, soxD и sox11 (Uwanogho et al., 1995; Mizuseki et al., 1998a, b; Kishi et al., 2000; Hyodo-Miura et al., 2002; Wegner and Stolt, 2005: Dee et al., 2008); (4) гены цинковые пальчики zic1, zic2 и zic3 (Brewster et al., 1998; Kuo et al., 1998; Mizuseki et al., 1998a; Nakata et al, 1997, 1998); и (5) Iroquois гены Xiro1, Xiro2 и Xiro3 (Bellefroid et al., 1998; Gomez-Skarmeta et al., 1998, 2001). Однако взаимодействия между этими генами во время становления нервной пластинки в основном неизвестны. Недавно мы предложили регуляторную сеть, базируясь на методах потери и избыточности функции, которая помещает foxD5 в вышестоящую позицию. Он, по-видимому, непосредственно регулирует gem, sox11 и zic2, которые совместно регулируют паттерны экспрессии др. NE транскрипционных факторов (Fig. 1; Yan et al., 2009). Эта модель, однако, не объясняет сигнальные пути, которые могут обеспечивать взаимодействия.
Передача сигналов Notch, которая сильно законсервирована от Drosophila до человека, играет важную роль во многих процессах во время развития включая нейрогенез (Artavanis-Tsakonas ae al., 1999; Lai, 2004; Bray, 2006; Chitnis, 2007) Когда Notch трансмембранный рецептор на клеточной поверхности связывается с помощью DSL (Delta/Serrate/Lag-2) лигандов соседних клеток, то Notch intracellular domain (NICD) отщепляется, высвобождается в цитоплазму и транслоцируется в ядро. Он комбинирует со своим транскрипционным кофактором CSL (CBF1/ Suppressor of Hairless/ Lag-1), чтобы активировать нижестоящие гены мишени, главным образом члены семейства HES (Hairy/ Enhancer of Split) из basic helix-loop-helix (bHLH) транскрипционных регуляторов (Mumm and Kopan, 2000; Weinmaster, 2000). Во время раннего развития позвоночных Notch экспрессируется широко по всей нервной пластинке и его сигнальный путь играет важную роль в поддержании состояния нейральных предшественников и регулирует диверсификацию клеточных судеб (Yoon and Gaiano, 2005; Louvi and Artavanis-Tsakonas, 2006; Chitnis, 2007). Классической точкой зрения является то, что усиливающаяся передача сигналов Notch внутри клеток активирует HES гены, которые затем репрессируют нейральную дифференцировку с помощью bHLH генов (таких как ngn и neuroD) и генов Notch DSL лигандов.
Большинство работ по передаче сигналов Notch во время нейрального развития фокусируется на начале нейрогенеза, когда клетки предшественники становятся постмитотическими и приобретают определенные судьбы нейральных клеток. Напр., на ст. нейрулы у Xenopus и рыбок данио усиливается передача сигналов Notch за счет экспрессии конституитивно активированной формы Notch 1, это предупреждает экспрессию генов нейральной дифференцировки и формирование первичных нейронов, тогда как уменьшение передачи сигналов Notch за счет интерференции с Delta способствует нейрогенезу (Chitnis et al., 1995; Itoh et al., 2003). Однако, передача сигналов Notch также влияет на размер NE во время гаструляции Xenopus (Coffman et al., 1993). Поскольку Notch экспрессируется по всей нервной пластинке в то же самое время, что и NE транскрипционные факторы (Coffman et al., 1990, 1993), а некоторые из этих факторов расширяют нервную пластинку и ингибируют нейральную дифференцировку (Fig. 1), поэтому мы исследовали играет ли передача сигналов Notch роль в регуляции экспрессии этих генов. Мы установили, что: (1) foxD5 действует выше notch 1; (2) усиление передачи сигналов Notch фенокопирует эффекты foxD5 на gem, sox11, sox2, sox3 и zic2, но не меняет экспрессии NE генов, которые ингибируются с помощью foxD5 (soxD, zic1, zic3, Xiro1-3; и 3) передача сигналов Notch необходима для foxD5-обеспечиваемой экспансии доменов экспрессии sox2, sox3 и sox11 генов, но не для активации генов gem и zic2. Эти исследования показали, что : (1) передача сигналов Notch действует иерархически ниже foxD5, чтобы обеспечивать экспрессию субнабора NE транскрипционных факторов; и (2) путь передачи сигналов Notch и путь транскрипции foxD5 совместно поддерживают нервную пластинку в недифференцированном состоянии.

DISCUSSION


Во время эмбриогенеза передача сигналов Notch необходима для поддержания и экспрессии нейральных стволовых клеток и клеток предшественников и она ингибирует нейрогенез путем активации Hes1 и Hes5, гомологов дрозофилийных hairy и Enchancer of split, которые в свою очередь репрессируют экспрессию bHLH гены нейральной дифференцировки (Jarriault et al., 1995; Kageyama and Nakanishi, 1997; Lai 2004; Chiba, 2006; Louvi and Artavanis-Tsakonas, 2006; Chitnis, 2007). Предыдущие исследования выявили большое количество транскрипционных факторов, которые поддерживают нейральные стволовые клетки и клетки предшественники, но интеграция передачи сигналов Notch с регуляцией этих факторов оставалась в основном неизвестной. Было установлено, что передача сигналов Notch действует ниже foxD5, чтобы воздействовать на субнабор NE транскрипционных факторов, которые способствуют недифференцированному нейральному состоянию. Передача сигналов Notch необходима для расширения доменов экспрессии в нервной пластинке sox11, sox2 и sox3, и она активирует экспрессию gem и zic2 в нервной пластинке (Fig. 6).

Fig. 6. Notch signaling impacts the expression of NE transcription factors in two ways. (1) foxD5 directly up-regulates the expression of geminin (gem), sox11, and zic2 in both the neural plate and the ventral epidermis. Notch signaling, acting downstream of foxD5, co-regulates gem and zic2 expression levels, but only in the neural plate; it does not up-regulate sox11 expression levels. (2) Downstream of foxD5, Notch signaling is required for the expansion of the neural plate domains of the sox genes.

Notch Signaling Expands the Neural Plate Domains of Sox Genes Downstream of foxD5


Гены sox2 и sox3, которые принадлежат к подгруппе SoxB1 HMG-box транскрипционных факторов, экспрессирующихся на высоком уровне в NE и в эндогенных нейральных стволовых клетках в ЦНС взрослых. Функционально они поддерживают нейральные стволовые клетки и клетки предшественники и ингибируют нейрональную дифференцировку (Avilion et al., 2003; Bylund et al., 2003; Graham et al., 2003; Ferri et aL, 2004; Pevny and Placzek, 2005; Weg-ner and Stolt, 2005; Wang et al., 2006; Cavallaro et al., 2008; Dee et al., 2008; Kim et al., 2008). Имеются некоторые противоречивые данные относительно того, как передача сигналов Notch и функции генов SoxB1 взаимодействуют. Некоторые сообщения показывают, что Sox2 действует иерархически выше передачи сигналов Notch, поскольку избыточная экспрессия Sox2 позитивно регулирует экспрессию Notch1, Notch лигандов и их нижестоящих генов мишеней (Bani-Yaghoub et al., 2006). Более того, Sox2 может непосредственно регулировать экспрессию гена notch1 путем соединения с его 13th интроном, который обладает биологической функцией в ретинальных нейральных предшественниках (Taranova et aL, 2006). Однако имеются также доказательства, что Sox2 отвечает на передачу сигналов Notch: (1) т.к. мы также выявили здесь, что экспрессия NICD расширяет домен экспрессии sox2 в нервной пластинке (Glavic et al., 2004); и (2) в клетках нервного гребня птиц, sox2 ингибирование дифференцировки находится ниже передачи сигналов Notch (Wakamatsu et al., 2004). Наконец, некоторые исследования показали, что передача сигналов Notch и работа SoxB1 параллельно ингибируют нейрональную дифференцировку (Bylund et al., 2003; Holmberg et al, 2008). Наше исследование обнаруживает дополнительную ступень в пути, показав. что экспансия sox2 и sox3 достигается с помощью foxD5 во время формирования нервной пластинки и нуждается в передаче сигналов Notch (Fig. 6).
Ген sox11, член подгруппы SoxC, также строго экспрессируется в NE и участвует как в нейральной индукции, так и нейральной дифференцировке (Uwanogho et al., 1995; Hargrave et al., 1997; Hyodo-Miura et aL, 2C02; Bergsland et aL, 2006). Хотя имеются доказательства, что sox11 участвует в нейрональной дифференцировке ниже bHLH пронейральных генов, наша предыдущая работа показала, что в эмбриональной NE sox11 функционирует в тандеме с генами gem и zic2, чтобы расширять в нейральной пластинке экспрессию sox2 и sox3 (Fig. 1; Yan et al., 2009). К сожалении в предыдущем исследовании не было выявлено взаимодействия между передачей сигналов Notch и sox11. Здесь нами установлено, что передача сигналов Notch необходима для foxD5-обеспечиваемой экспансии экспрессии sox11 в нервной пластинке, но она не усиливает уровни sox11 в NE.

Notch Signaling Up-Regulates Some NE Transcription Factors in Parallel With foxD5


Факторы foxD5, gem и zic2 охарактеризованы также как ингибиторы нейральной дифференцировки. foxD5 расширяет нервную пластинку и ингибирует экспрессию маркеров осевой дифференцировки в NE (en2, Krox20) и нейральной дифференцировки (ngnr1, neuroD, n-tubulin), приводя к интерпретации, что они действуют, чтобы поддерживать NE в незрелом состоянии (Sullivan et al., 2001). Это подтверждается наблюдениями, что foxD5 транскрипционно активирует gem и zic2 и транскрипционное репрессирует NE гены, которые способствуют нейральной дифференцировке (Yan et aL, 2009). Ген gem расширяет нервную пластинку, экспрессируется в нейральных стволовых клетках и противодействует Brg1, белку, который необходим для активации bHLH генов нейральной дифференцировки (Kroll et al., 1998; Seo et al., 2005; Seo and Kroll, 2006; Spella et al., 2007). Ген zic2 расширяет нервную пластинку и экспрессируется в клетках нервных предшественников и ингибирует начало нейрогенеза (Brewster et aL, 1998; Nakata et al., 1998; Aruga, 2004; Mer-zdorf, 2007).
Роль передачи сигналов Notch в экспрессии этих трех NE генов ранее не была исследована. Мы показали, что экспрессия notch 1 находится ниже foxD5. Интересно, что строгая передача сигналов Notch, сопровождаемая экспрессией NICD, активирует gem и zic2 в нейральной эктодерме. Т.о., помимо того, что являются непосредственными транскрипционным мишенями foxD5 (Yan et al., 2009), эти гены, по-видимому, действуют или независимо или ко-регулируются с помощью передачи сигналов Notch. Важно в будущем выяснить эти две возможности. Тот факт, что X-Delta- 1STU также активируют gem и zic2 указывает на то, что эти два гена могут дополнительно регулироваться с помощью др. Notch лиганда, такого как Serrate, или др. взаимодействующих путей. Важно выяснить участие разных Notch лигандов в этом сигнальном пути (e.g., D'Souza et al., 2008).
In conclusion, elucidating the interactions between Notch signaling and the transcription factors involved in neural differentiation has been very important for understanding how this pathway regulates neuronal fate acquisition. We show that Notch signaling also interfaces with a subset of transcription factors that regulate the expansion of the neural plate and prevent neural differentiation. Further study of the role of Notch signaling in the earliest steps of neural fate acquisition should provide insights into the molecular mechanisms controlling the expansion of neural stem and progenitor cells (Gaulden and Reiter, 2008).
Сайт создан в системе uCoz