Последнее обновление: 01/26/2025 06:56:11  Меню и поиск на этом сайте   ЗДЕСЬ  Дополнительная информация   ЗДЕСЬ!!
WMZ: Z191701361450
WMR: R209318204033


Без рекламы только Браузер Uran (скачать )
   Посещений:
ПРИМОРДИАЛЬНЫЕ ЗАРОДЫШЕВЫЕ КЛЕТКИ

Механизмы Миграции

Mechanisms guiding primordial germ cell migration: strategies from different organisms
Brian E. Richardson & Ruth Lehmann
Nature Reviews Molecular Cell Biology 11, 37-49 (January 2010)| doi:10.1038/nrm2815

.The regulated migration of cells is essential for development and tissue homeostasis, and aberrant cell migration can lead to an impaired immune response and the progression of cancer. Primordial germ cells (PGCs), precursors to sperm and eggs, have to migrate across the embryo to reach somatic gonadal precursors, where they carry out their function. Studies of model organisms have revealed that, despite important differences, several features of PGC migration are conserved. PGCs require an intrinsic motility programme and external guidance cues to survive and successfully migrate. Proper guidance involves both attractive and repulsive cues and is mediated by protein and lipid signalling.


Рис.1.
 |  Stages of primordial germ cell migration.


Рис.2.
 |  Initiation of primordial germ cell migration.


Рис.3.
 |  Molecular regulation of PGC migration paths.


Рис.1.
 |  Название


Box 1
 |  Principles of attracting and repelling migrating cells

Табл.1 Proteins regulating signalling and adhesion in primordial germ cell migration

Табл.2 Proteins regulating lipid biology and survival in primordial germ cell migration

DATABASES

Entrez-Gene

  • gcl
  • nos
  • pgc
  • stella
  • mdr49


  • UniProtKB

    Linn Salto Mamsen, Christian Beltoft Brochner1, Anne Grete Byskov and Kjeld Mollgard (kjm@sund.ku.dk)
    The migration and loss of human primordial germ stem cells from the hind gut epithelium towards the gonadal ridge
    Int. J. Dev. Biol. 56: 771 - 778 (2012) doi: 10.1387/ijdb.120202lm

    Примордиальные зародышевые клетки (PGCs) человека могут быть распознаны уже в стенке желточного мешка с 3-4 недели после оплодотворения (wpc), в эпителии задней кишки с 4 недели и в области гонад в начале 5-недели. Целью этого исследования было картирование путей миграции PGCs и выяснение роли нервной системы в этом процессе. 16 человеческих экземпляров в возрасте 5-14 wpc получено от легальных абортов. В серии парафиновых срезов PGCs были выявлены иммуногистохимически по экспрессии OCT4 и c-Kit, нервные волокна с помощью ?-III-tubulin и stem cell factor (SCF) в качестве возможных хемоаттрактивных сигналов для миграции PGC. PGCs присутствовали в эпителии задней кишки, мезенхиме дорсального мезентерия и в развивающиеся гонадном гребне у эмбрионов 4-6 wpc, прежде соединения между энтерической и симпатической нервной системой. Начиная с 6 PGCs , перемещались вдоль развивающихся нервных волокон от стенки задней кишки посредством дорсального мезентерия к срединной линии дорсальной стенки и латерально в гонады. Многочисленные PGCs всё ещё присутствовали в нервной системе на ст. 14 wpc. PGCs у эмбрионов ст. 4-5 wpc, как полагают, покидают кишечный эпителий в результате EMT-подобного перехода. SCF может облегчать дальнейшую миграцию, но после становления соединений между энтерической и симпатической нервной системой. PGCs следуют вдоль волокон симпатической системы в направлении гонад. PGC, неспособные к выходу из нервных веточек в месте гонад могут продолжать движение вдоль симпатического ствола, заканчиваясь в др. органах, где они могут формировать опухоли зародышевых клеток, если не элиминируются с помощью апоптоза.
    Клеточная миграция описывается направленным движением клеток по телу. Базовые свойства клеточной миграции расшифрованы в исследованиях систем культур клеток, а также развивающихся эмбрионов 1-5. Мигрирующие клетки обладают направленной полярностью с ведущим краем по фронту клетки и ведомым краем позади. Перемещения осуществляются за счет выпячиваний и слипания ведущего края клетки и подтягивания ведомого края. Этот процесс регулируется с помощью трансмембранных рецепторов, которые воспринимают внешние хемоаттрактантные сигналы, которые затем транслируются в изменения цитоскелета за счет эффекторных молекул, таких как phospholipids и малые GTPases. Изучение миграции клеток важно для нашего понимания нормальных и патологических процессов4, 5. Аберрантная миграция клеток может вызывать дефекты развития и нарушать способность тела отвечать на повреждения и болезни. Во время эмбрионального развития gastrulation нуждается в обширных скоординированных перемещениях клеток, т.к. эмбрион реорганизуется, чтобы сформировать три зародышевых слоя (эктодермы, мезодермы и энтодермы)6. Затем образование органных систем, таких как сосудистая и нервная система, также нуждается в высоко регулируемой клеточной миграции7-9.После развития клеточная миграция необходима также для защиты и заживления у зрелых организмов; напр., миграция эпидермальных клеток необходима для заживления ран и перемещения лимфоцитов к месту инфекции как части иммунного ответа. Более того, во время метастазирования раковые клетки перемещаются, чтобы колонизировать новые ткани - процесс с драматическими эффектами для лечения рака и жизнеспособности пациентов. Ясно, что дальнейшее понимание клеточных и молекулярных механизмов, лежащих в основе клеточной миграции, важно для терапии. У многих животных primordial germ cells (PGCs) - предшественники спермиев и яйцеклеток - возникают вне соматических клеток развивающихся гонад (somatic gonadal precursors (SGPs)) и поэтому активно мигрируют по эмбриону, чтобы достичь их места действия10-13. Этот процесс представляет собой пригодную модельную систему для изучения миграции клеток в контексте развивающегося организма. Миграция PGC должна тонко регулироваться, т.к. она следует по сложному пути через различные развивающиеся ткани. Помимо очевидного эффекта нарушения миграции PGC на плодовитость, аберрантное перемещение в эктопические сайты тела является одним из механизмов, который может объяснить развитие опухолей зародышевых клеток вне гонад у людей14, 15. Большая часть нашего знания о миграции PGC получена от модельных генетических организмов Drosophila melanogaster, рыбок данио и мышей. У этих организмов, PGCs образуются ранов во время развития и могут быть идентифицированы по морфологии, позиции в эмбрионе и профилю генной экспрессии, это облегчает их анализ их живых и фиксированных картин. Такие подходы в комбинации с генетическим анализом начинают прояснять клеточное поведение и молекулярные механизмы, ответственные за обеспечение собственно миграции PGC. Основные события миграции PGC у модельных организмов хорошо охарактеризованы10-13 (Fig. 1; discussed below). Хотя имеются важные различия в спецификации и миграции PGCs у этих организмов, выявляются некоторые общие принципы, всё это усиливает наше понимание того, как PGCs мигрируют.

    PGC specification


    D. melanogaster, рыбки данио и мыши используют разные стратегии для формирования PGCs. В частности, D. melanogaster и рыбки данио нуждаются в зародышевой плазме - в специализированной цитоплазме, которая содержит материнские РНК и белки. У эмбрионов Caenorhabditis elegans PGCs также формируются в зародышевой плазме и известно довольно много о их спецификации16. Однако мы не быдем рассматривать C. elegans поскольку их PGCs не обнаруживают выраженной миграции и, по-видимому, достигают гонад путем ингрессии во время гаструляции17. Нет предсуществующей зародышевой плазмы у эмбрионов мыши; вместо этого спецификация PGC нуждается в межклеточной индуктивной передаче сигналов. Разные типы спецификации PGC могут быть связаны со специфическими онтогенетическими ограничениями у определенных видов, такими как время развития и план тела11. Однако , по-видимому, существуют консервативные молекулярные механизмы для обеспечения судьбы и поддержания PGC; в частности, транскрипционное молчание экспрессии соматических генов.
    У D. melanogaster, имеется зачаток ~35 PGCs в задней части эмбриона, по соседству с клетками формирующегося соматического primordium задней части средней кишки (ст. 4-5, которые соотв. 1.5-3 ч. после яйцекладки (1.5-3 hAEL))11, 18. Этот процесс нуждается в активности нескольких специфичных для зародышевой плазмы РНК и белков. В частности, три локализованные в зародышевой плазме РНК, germ cell-less (gcl), nanos (nos) и polar granule component (pgc) участвуют в ранних событиях спецификации зародышевых клеток, хотя только gcl, по-видимому, непосредственно участвует в формировании PGC11. Точные механизмы функционирования GCL остаются неясными19, 20. Белки PGC и NOS функционируют позднее в развитии PGC путем регуляции экспрессии генов и сохранения качественных особенностей PGC в ходе развития. Отсутствие белка PGC ведет к несоответствующей экспрессии задних соматических генов в PGCs, сопровождаемой нарушением миграции и гибелью PGC21-24. Потеря NOS также ведет к некоторой несоответствующей экспрессии соматических генов16, 25, 26. Позднее в развитии базирующиеся на хроматине механизмы репрессии транскрипции, по-видимому, играют важные роли в поддержании качественных особенностей PGC24, 27.
    PGCs рыбок данио формируются во время раннего эмбриогенеза (3 hours post-fertilization (3 hpf)); однако их PGCs не образуются в единственной эмбриональной позиции. Вместо этого, в случайном месте формируются 4 кластера PGC, содержащие примерно по 4 клетки, у ранних эмбрионов28, 29. Известно немного о механизмах, лежащих в основе спецификации зародышевых клеток у рыбок данио. Как и у D. melanogaster, PGCs рыбок данио нуждаются в матерински предоставляемой зародышевой плазме и в мРНК, таких как nos для своей спецификации и поддержания28, 30, 31. Сборка зародышевой плазмы у рыбок данио нуждается в Bucky ball, новом, специфичном для позвоночных белке32, 33. Более того, недавно идентифицирован гомолог GCL у рыбок данио и было показано, что паттерн его экспрессии согласуется с ролью в формировании PGC, хотя его функцию предстоит ещё выяснить34.
    В противоположность D. melanogaster и рыбкам данио, PGCs у мышей не специфицируются за счет зародышевой плазмы, но вместо этого они индуцируются во время гаструляции с помощью передачи сигналов bone morphogenetic protein (BMP) и не идентифицированных сигналов от extraembryonic ectoderm и visceral endoderm, расположенной под плюрипотентными клетками epiblast (на embryonic day 6.5 (E6.5))35. Эта индукция ведет к транскрипционной регуляции клеток эпибласта, обеспечиваемой с помощью транскрипционного репрессора B lymphocyte-induced maturation protein 1 (BLIMP1, также известного как PR-domain containing protein 1 (PRDM1)). BLIMP1 способствует экспрессии PGC-специфических генов, таких как stella (также известного как Dppa3) и репрессирует экспрессию генов соматических клеток, в частности генов Hox семейства36-38. Соотв., PGCs, лишенные BLIMP1, не дифференцируются и не мигрируют соотв. образом. Недавно обнаружен др. транскрипционный регулятор, PRDM14, как важный для спецификации PGC у мыши. Подобно Blimp1 нокаутным мышам, Prdm14 нокаутные мыши не способны экспрессировать PGC-специфические маркеры и стерильны из-за отсутствия соотв. спецификации PGC39, 40.

    Initiation of PGC migration


    После спецификации PGCs д. становиться подвижными и воспринимать направляющие сигналы, чтобы начать мигрировать. Это достигается с помощью разных механизмов, использующих передачу сигналов и клеточную полярность у D. melanogaster и с помощью регуляции транскрипции у рыбок данио.
    D. melanogaster. Получение картинок вживую показало, что сразу же после спецификации, D. melanogaster PGCs приобретают миграторное поведение (ст 5; 2-2.5 hAEL)41, 42. Во время гаструляции (ст 7-8; 3-3.5 hAEL), PGCs переносятся с помощью тканевых движений в формирующийся posterior midgut pocket эмбриона (ст. 9; ~4 hAEL)42 (Fig. 1a). В задней части средней кишки PGCs формируют плотный кластер др. с др. в просвете, но образуют мало контактов с окружающими соматическими клетками41-43 (Fig. 2a). Этот PGC кластер обнаруживает характерную радиальную организацию, так что ведущий край каждой клетки обращен наружу, в направлении задней части средней кишки. Затем PGCs начинают давать клеточные выпячивания в направлении окружающих клеток задней части средней кишки и теряют слипчивость др. с др. (see Supplementary information S1 (movie))41. Активная миграция PGC начинается как только клетки отделяются от кластера и индивидуально мигрируют через заднюю часть средней кишки (ст 10; 4.5 hAEL) (Fig. 2a).
    Недавние исследования показали, что инициация миграции D. melanogaster PGC регулируется с помощью белка Trapped in endoderm 1 (TRE1; также известного как CG3171), G protein-coupled receptor (GPCR) семейства rhodopsin41 (Table 1). TRE1 экспрессируется в PGCs и первоначально был идентифицирован как важный для миграции эпителия задней части средней кишки посредством передачи сигналов через малые G proteins и GTPase RHO1 (Ref. 44) (discussed below). Однако последующие эксперименты показали, что TRE1 также участвует раньше в регуляции собственно поляризации и дисперсии PGC41. Поляризация PGCs происходит одновременно с перераспределением Gβ субъединицы вместе с RHO1 и компонентами adherens junction, такими как D. melanogaster E-cadherin (DE-cadherin; также известен как Shotgun) и catenins, из клеточной периферии к хвостам ведомого края клеток, находящихся в кластере PGCs (Fig. 2a; Table 1). Более того, снижение уровней DE-cadherin в PGCs ведет к преждевременной дисперсии PGC. Однако одной этой дисперсии недостаточно, чтобы обеспечить миграцию PGC в отсутствие TRE1, это указывает на то, что TRE1 выполняет дополнительные функции в обеспечении направленной миграции PGCs, особенно посредством рецепции привлекающих сигналов (see section on migratory path of PGCs). Эта связь между TRE1 и перераспределением Gβ, RHO1 и компонентов слипчивых соединений остается неясной. Интересно, что TRE1 близко родственен GPCR Moody, который необходим на поверхности глиальных клеток для регуляции динамики актина и поляризации клеток во время формирования барьера между кровью и головным мозгом44-46. Следовательно, регуляция клеточной полярности может быть консервативной функцией для этого класса GPCRs.
    Zebrafish. У рыбок данио PGCs проходят множество ступеней, чтобы приобрести подвижность47 (Fig. 1b; Fig. 2b). После их спецификации PGCs рыбок данио сначала имеют гладкую округлую морфологию (3 hpf). Приблизительно спустя 30 мин, PGCs начинают случайным образом выпускать небольшие клеточные выпячивания, но не начинают мигрировать и теряют эти выпячивания т.к вступают в митоз. Час спустя (4.5 hpf), PGCs выпускают широкие выпячивания и становятся поляризованными, т.к. клетки индивидуализуются и начинают направленную миграцию в ответ на передачу сигналов хемокинов от соматических клеток47.
    Инициация миграции нуждается в транскрипции de novo в PGCs рыбок данио. Клетки, обработанные ингибитором РНК полимеразы способны случайно выпускать небольшие клеточные выпячивания, но не могут давать широкие протрузии или начать направленнубю миграцию, возможно из-за необходимости в зиготических транскрибируемых продуктах, которые специфичны для этого процесса47. Кроме того, активность РНК-связывающего белка Dead end (Dnd) необходима для старта миграции PGCs47, 48 (Fig. 2b; Table 2). Нокдаун dnd с помощью инъекций morpholino блокирует поляризацию и миграцию PGCs. Интересно, что Dnd, по-видимому, функционирует частично путем регуляции E-cadherin вовремя индивидуализации PGC у рыбок данио. Подобно DE-cadherin, E-cadherin у рыбок данио обычно подавляется когда PGCs начинают поляризоваться и диспергировать. Однако этого подавления не происходит в PGCs, истощенных по Dnd, и клетки остаются в группах, которые сохраняют тесные межклеточные контакты48. Точный механизм, с помощью которого Dnd регулирует E-cadherin неясен. Тот же самый фенотип вызывается избыточной экспрессией E-cadherin в PGCs. Недавно было показано, что Dnd противодействует ингибирующей функции microRNAs, в частности miR-430, делая возможной экспрессию PGC-специфических белков, таких как Nos и Tudor domain containing protein 7 (Tdrd7)49. Как это связано с механизмом подавления E-cadherin и инициацией миграции предстоит определить.
    Mouse. В противоположность D. melanogaster и рыбкам данио, мало известно о том, как инициируется миграция PGC у мыши. Мышиные PGCs первоначально необнаружимы в задней части primitive streak (E7.5)50 (Fig. 1c; Fig. 2c). Но вскоре клетки начинают приобретать поляризованную морфологию и выпускать цитоплазматические выпячивания, т.к. они начинают миграцию через первичную полоску в соседнюю заднюю эмбриональную энтодерму, внеэмбриональную энтодерму и allantois50.
    Инициация миграции PGC мышей, как полагают, регулируется с помощью interferon-induced transmembrane protein 1 (IFITM1)51. IFITM белки являются белками клеточной поверхности, которые участвуют в разнообразных клеточных процессах, включая слипчивость клеток. Нокдаун Ifitm1 с помощью RNA interference в первичной полоске ведет к неспособности PGC мигрировать в энтодерму, указывая тем самым, что IFITM1 действует, чтобы отталкивать PGCs от мезодермы в энтодерму. Однако более недавние исследования, в которых семейство IFITM генов было делетировано у эмбриона, не обнаружили дефектов в миграции PGC, это делает механизм инициации миграции их у мышей открытым вопросом52.
    Хотя мыши обладают Dnd гомологом, он, по-видимому, прежде всего необходим для жизнеспособности PGC53. Receptor tyrosine kinase (RTK) c-kit (также известная как KIT) и её лиганд steel (также известный как KITLG) необходимы для общей подвижности PGC на ст. E7.5 (see section on migratory paths of PGCs), хотя очевидно, что PGCs всё ещё способны инициировать миграцию, если этот путь нарушен54.

    Migratory paths of PGCs


    После инициации программы подвижности миграция д. тщательно регулироваться, чтобы провести PGCs через развивающийся эмбрион в направлении SGPs. Эти миграторные пути регулируются с помощью комбинации привлекающих и отталкивающих сигналов (Box 1) , которые специфически предназначены для индивидуальных ступеней процесса миграции.
    D. melanogaster. Миграция D. melanogaster PGC длится приблизительно 4 ч и может быть подразделена на три самостоятельные ступени: трансэпителиальная миграция через среднюю кишку, периориентация на дорсальную сторону средней кишки и билатеральная миграция в мезодерму в направлении SGPs11, 13. Прежде чем начать миграцию PGCs обнаруживаются в кармане зачатка задней части средней кишки. Когда PGCs начинают диспергировать, они выпускают выпячивания в направлении соматических клеток средней кишки. Во время миграции поперек эпителия средней кишки PGCs поляризуются и обогащаются актином как на ведущем, так и ведомом крае41, 42. Перестройка эпителиальных клеток задней части средней кишки также, по-видимому, важна, т.к. ультраструктурный и конфокальный анализ показали, что имеются временные деформации и межклеточные пробелы между этими клетками, когда через них проходят PGCs42, 43. Подтверждают эту идею мутации в белках, которые трансформируют эпителий задней части средней кишки в более ригидный эпителий задней кишки, такие как Serpent и Huckebein, которые предупреждают миграцию PGC42, 55, 56.
    Миграция поперек задней части средней кишки также зависит от TRE1 (Refs 41,44) (Fig. 3a; Table 1). TRE1 мутанты обнаруживают полный дефект трансэпителиальной миграции, при этом PGCs обнаруживаются в кластерах в полностью развитой задней части средней кишки в позднем развитии. Экспрессия доминантно-негативной формы малой GTPase RHO1 в PGCs ведет к сходному дефекту миграции PGC, указывая тем самым, что передача сигналов TRE1 ведет к активации этого регулятора цитоскелета44. TRE1 преимущественно участвует в трансэпителиальной миграции, обеспечивая реакцию привлечения для внеклеточного лиганда. Передача сигналов GPCR обеспечивает широко ценимую роль и в др. типах клеток, обусловливая клеточную реакцию на привлекающие хемокины, часто посредством перераспределения phosphoinositides и реорганизации цитоскелета1. Качественные особенности и локализацию TRE1 лиганда предстоит определить и необходима информация о том, как этот путь регулирует миграцию PGC. Жирные кислоты действуют как лиганды для GPCR GPR84, наиболее близкий гомолог млекопитающих TRE1, во время миграции лейкоцитов. Это интересно, поскольку известны множественные роли липидов в регуляции миграции PGC57 (see below).
    После их миграции поперек эпителия средней кишки PGCs движутся вдоль средней кишки в заднюю мезодерму (Fig. 1a). Оказавшись в мезодерме PGCs рассортировываются билатерально и мигрируют в направлении SGPs, которые специфицированы в латеральной мезодерме (ст. 11; 7 hAEL) (see Supplementary information S2 (movie)). Эти ступени миграции регулируются двумя родственными белками с перекрывающимися функциями: Wunen (WUN) и WUN2 (Fig. 3a; Table 2). В то время как потеря этих белков оказывает незначительное влияние на миграцию PGC, удаление обоих из соматических клеток эмбриона ведет к драматическому нарушению миграции PGC, при этом PGCs оказываются разбросанными по всему эмбриону в позднем развитии58-60. WUN и WUN2 экспрессируются в соматических клетках в областях эмбриона, которые обычно избегают PGCs, таких как вентральная часть средней кишки, ЦНС и эпидермис. Напротив, избыточная экспрессия WUN или WUN2 в мезодерме достаточна, чтобы оттолкнуть PGCs58, 60. Итак, эти данные указывают на то, что WUN и WUN2 необходимы и достаточны для отталкивания PGCs. Усиленная обработка PGCs с помощью WUN или WUN2 ведет к неапоптической клеточной гибели 61, 62 (discussed below).
    WUN и WUN2 являются lipid phosphate phosphatases - трансмембранными эктоэнзимами, которые гидролизуют внеклеточные фосфолипиды58, 60. Их активность специфически вызывает гидролиз и потребление phosphatidic кислоты и lysophosphatidic кислоты, если трансфицируются в клетки Hi5 насекомых63. Эти фосфолипиды, как было показано на др. системах и типах клеток, участвуют в передаче межклеточных сигналов и способствуют клеточной миграции63-65. Однако in vivo субстрат для активности WUN и WUN2 во время миграции PGC пока не идентифицирован. Современная модель регуляции с помощью WUN и WUN2 миграции PGC заключается в том, что они гидролизуют фосфолипидные молекулы аттрактанты, нарушая тем самым их функцию аттрактантов. Паттерны локальной экспрессии WUN и WUN2 создают обратный градиент фосфолипидного аттрактанта и PGCs мигрируют в направлении наивысших его концентраций61, 63, 66.
    Интересно, что активность WUN2 также необходима для собственно миграции и жизнеспособности PGCs. Потеря экспрессии WUN2 из PGCs ведет к неспособности миграции и обширной гибели PGC вскоре после трансэпителиальной миграции61, 63. Эти данные в дополнение к исследованиям in vitro показывают, что активность WUN и WUN2 способствует потреблению гидролизованных липидов в клетки, это ведет к модели, согласно которой соматические клетки и PGCs конкурируют за один и то же внеклеточный фосфолипид. PGCs нуждаются в этом субстрате для своей миграции и жизнеспособности, тогда как соматические клетки локально истощают липиды и поэтому создаются условия, которые непермиссивны для PGCs13, 66. Недавнее исследования выявило роль lysophospholipid acyltransferases для миграции D. melanogaster PGC. Генетические взаимодействия подтверждают общий путь с WUN и WUN2 (Ref. 67).
    Во время своей финальной ступени миграции D. melanogaster PGCs движутся в латеральную мезодерму, чтобы встретиться с SGPs. Молекулярно эта ступень регулируется с помощью 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase (HMGCR; также известной как Columbus) ферментативного пути (Fig. 3a; Table 2). Мутации в HMGCR ведут к дефектам миграции PGC в латеральную мезодерму и в SGPs68. Напротив, эктопическая экспрессия HMGCR в нервной системе или эктодерме достаточна, чтобы привлечь PGCs. In situ анализ показал, что HMGCR экспрессируется в латеральной мезодерме и богат в SGPs, это согласуется с его ролью в продукции аттрактантов для PGC.
    HMGCR ответственен за синтез mevalonate, важного промежуточного образования в метаболическом пути, который продуцирует cholesterol69. Однако анализ генома D. melanogaster выявил, что мухи, лишенные энзимов, необходимых для этого процесса, демонстрируют независимую от холестерола роль HMGCR70. В самом деле, формирование isoprenoids, альтернативная ветвь пути HMGCR, необходимо для миграции PGC. Isoprenylation является пострансляционной модификацией липидов, которая использует ковалентное прикрепление farnesyl или geranyl-geranyl групп к carboxyl концу белка. Мутации в др. энзимах пути isoprenylation ведут к дефектам миграции PGC, сходными с теми, что наблюдаются у HMGCR мутантов, подтверждая тем самым, что isoprenylation аттрактантов PGC происходит в SGPs70 (Table 2).
    Информация о механизме действия HMGCR получена в исследованиях, показавших, что multidrug resistance 49 (mdr49) является важным для этого процесса (Table 2). Ген mdr49 кодирует ATP-binding cassette (ABC) транспортер - семейство белков, которые регулируют экспорт farnesyl-модифицированных факторов спаривания у дрожжей. Ген mdr49 экспрессируется в мезодерме, а мутанты mdr49 имеют дефекты миграции PGC71. Ген mdr49 генетически взаимодействует с Hmgcr, подтверждая модель, согласно которой кодируемые им продукты действуют на пути продукции и экспорта аттрактантов для PGC. Это исследование также подтвердило, что D. melanogaster гомологи дрожжевого sterile 24 (Ste24), type 1 prenyl protease, и Ste14,isoprenylcysteine carboxylmethyltransferase (др. компонентов пути isoprenylation) регулируют миграцию PGC71. Это исследование использовало адаптированный in vitro transwell migration подход, чтобы показать, что экспрессия HMGCR и MDR49 в культивируемых клетках достаточна, чтобы привлекать PGCs независимо от их эмбриональных сигналов. Точная идентификация аттрактантов PGC, регулируемых с помощью этих белков, еще не открыта и нужна для информации о точных механизмах этой инициальной ступени PGC миграции.
    Продемонстрирована роль janus-activated kinase (JAK)-signal transducer and activator of transcription (STAT) сигнального пути в миграции PGC через мезодерму (Table 1). Два члена семейства Unpaired, UPD (также известен как OS) и UPD3, которые являются лигандами для этого пути, экспрессируются в гонадах, а транскрипционный фактор STAT92E экспрессируется в PGCs72, 73. Мутации, удаляющие UPD лиганды, STAT92E или JAK-STAT рецептор Domeless все они приводят к дефектам миграции PGCs в SGPs72, 73. Более того, постоянная активация RTK Torso, по-видимому, активирует STAT и ведет к преждевременной миграции PGC во время гаструляции72. Этот путь, по-видимому, функционирует, обеспечивая миграторное поведение PGCs, такое как образование клеточных выпячиваний, но не обладает инструктивной ролью по предоставлению направляющего сигнала73.
    Zebrafish. PGCs рыбок данио осуществляют свой путь к гонадам с помощью сложного пути миграции через 6 самостоятельных ступеней, используя промежуточные мишени по всему эмбриону (6-24 hpf)74: миграция на дорсальную сторону эмбриона, уход с дорсальной срединной линии, выстраивание в линию с передней и латеральной мезодермой, образование латеральных кластеров PGC на somites 1-3, передняя миграция перемещаемых PGCs, чтобы соединиться с основными кластерами PGC и заднее позиционирование PGC кластеров на сомите 8 (see Supplementary information S3 (movie)). Во время миграции PGCs делают альтернативный выбор между миграторными 'run' фазами, т.к. они движутся между мишенями, и стационарными 'tumble' фазами, при которых они теряют свою полярность на промежуточных мишенях75. Хотя клетки перемещаются в виде кластера на каждой из ступеней, тщательный анализ выявил, что клетки перемещаются индивидуально. В отличие от большинства миграторных клеток, PGCs рыбок данио не обладают повышенной полимеризацией актина в выпускаемых клеточных выпячиваниях76. Вместо этого, зависимая от миозина контрактильность клеточного кортекса генерирует локальное гидростатическое давление или разрывы в кортексе, которые ведут к отсоединению мембраны от цитоскелета и к току цитоплазмы, который увеличивает направленные клеточные выпячивания (известны как мембранные волдыри). Сохранение такого клеточного поведения при миграции PGCs у др. организмов не исследовалось.
    Основными молекулами наведения миграции PGC у рыбок данио являются Stromal-derived factor 1 (SDF1A; также известен как CXCL12) и его рецептор, GPCR chemokine (CXC motif) receptor 4b (CXCR4B), который экспрессируется в PGCs77, 78 (Fig. 3b; Table 1). Путь миграции PGCs тесно скоррелирован с динамической соматической экспрессией SDF1A, которая маркирует промежуточные и финальные мишени миграции75. Блее того, экспрессия SDF1A достаточна, чтобы привлечь PGCs в эктопические позиции эмбриона. Потеря или SDF1A или CXCR4B не нарушает миграторной активности PGCs, а вместо этого ведет к случайной миграции по всему эмбриону. , leads to random migration through the embryo. Ниже CXCR4B, субъединица Gαi необходима для миграции PGC79 (Table 1). Факторы, стоящие ещё ниже, которые регулируют клеточные реакции на передачу сигналов хемокинов, ещё предстоит идентифицировать.
    Недавнее исследование пролило свет на то, как собственно регулируется распределение SDF1A в эмбрионе80, 81. Второй SDF1A рецептор, CXCR7B, который также необходим для собственно миграции PGC, действует в основном в соматических тканях и униформно распределен по всему эмбриону (Fig. 3b; Table 1). Клетки, экспрессирующие CXCR7B обнаруживают повышенную интернализацию SDF1A, а нокдаун CXCR7B указывает на то, что он необходим для установления градиента активности SDF1A. В противоположность CXCR4B, который локализуется на мембране, CXCR7B располагается во внутриклеточных структурах, которые колокализуются с SDF1A и маркерами лизосом. Это наблюдение указывает на то, что CXCR7B действует путем обеспечения непрерывной очистки лиганда из соматических тканей, обеспечивая механизм для достижения быстрого оборота SDF1A и точного пространственного и временного контроля его активности и возникающей в результате миграции PGC. В согласии с этой моделью дефекты миграции PGC супрессируются с помощью одновременного снижения уровней SDF1A и CXCR7B.
    Путь HMGCR также играет роль в миграции PGC рыбок данио82 (Table 2). Как и у D. melanogaster, isoprenoid ветвь пути, по-видимому, необходима, поскольку ингибирование или HMGCR или geranylgeranyl transferase нарушает миграцию PGC. Недавние данные подтверждают роль пути HMGCR в geranylation субъединицы Gγ , необходимом для передачи сигналов GPCR в PGCs рыбок данио83. Необходимы дополнительные эксперименты, чтобы определить влияет ли geranylation также на ведение зародышевых клеток по соме, также как и у D. melanogaster. Mouse. Инициальная ступень миграции PGC у мыши заключается в перемещении клеток из задней части первичной полоски в энтодерму (E7.5)50. Вследствие последующей миграции в заднюю кишку во время её удлинения в переднем направлении (E8-9.5), мышиные PGCs следуют по пути очень сходным с тем, что у D. melanogaster, по которому они мигрируют через ткань задней кишки в мезодерму, что сопровождается билатеральной миграцией в гонадные гребни и формированием гонад (E10.5-11.5)84 (see Supplementary information S4 (movie)). Как и у D. melanogaster, кишка, по-видимому, играет важную роль в регуляции этого процесса. Удаление транскрипционного фактора sex determining region Y box 17 (SOX17) препятствует собственно экспансии энтодермы задней кишки. У таких мутантов PGCs неспособны мигрировать собственно в genital ridges и вместо этого оказываются разбросанными во внеклеточной энтодерме85.
    Как и у рыбок данио, SDF1 и CXCR4 (млекопитающие обладают только одним CXCR4 белком) функционируют как система аттрактантов для PGCs у мыши86, 87 (Fig. 3c; Table 1). Этот сигнальный путь, по-видимому, безразличен для миграции из энтодермы, но необходим на более поздних стадиях миграции PGC в генитальный гребень. SDF1 экспрессируется в генитальных гребнях и в окружающей мезенхиме, тогда как CXCR4 экспрессируется в PGCs. Удаление или SDF1 или CXCR4 ведет к тому, что очень немногие PGCs достигают генитального гребня, а эктопическая экспрессия SDF1 заставляет мигрировать PGCs в новые места86, 87.
    c-kit RTK и её лиганд steel уже давно были оценены в отношении их роли в пролиферации. миграции и жизнеспособности PGC. При первоначальном описании мышей, мутантных по c-kit и steel, некоторые PGCs обнаруживали вне гонад88, 89. Дальнейшие исследования также подтвердили, что взаимодействие c-kit-steel необходимо для перемещения PGCs вдоль энтодермы задней кишки90. Недавние исследования выявили специфическую миграторную роль этих факторов54, 91 (Fig. 3c; Table 1). Вряд ли, steel и c-kit предоставляют направляющие сигналы, скорее они действуют регулируя общую подвижность PGC т.к. удаление функции steel заставляет PGCs мигрировать в соответствующем направлении, но с очень низкой скоростью54. Этот фенотип напоминает нарушение передачи сигналов JAK-STAT у D. melanogaster73 (see above). В соответствии с их ролью в подвижности PGC, PGCs экспрессируют c-kit , а окружающие соматические клетки экспрессируют steel на всех стадиях их миграции.
    Помимо передачи сигналов имеются доказательства участия адгезивных молекул в миграции PGC мыши. E-cadherin экспрессируется в PGCs, когда они мигрируют из задней кишки, а нарушение функции E-cadherin вызывает проблемы в слипчивости PGC-PGC и ведет к тому, что PGCs оказываются вне гонад92, 93 (Table 1). PGCs также экспрессируют β1 integrin, который необходим собственно для миграции PGC из задней кишки в генитальный гребень94 (Fig. 3c; Table 1). Ранее др. член семейства IFITM, IFITM3, был установлен, как регулирующий миграцию PGC migration из задней кишки, исходя их нокдауна гена с помощью RNA interference51. Однако как и в случае IFITM1, данные по целенаправленному нокауту генов семейства IFITM показали, что эта молекула не обязательна для миграцииPGC52.
    Наконец. недавно получены доказательства роли пути HMGCR в миграции PGC мыши95 (Table 2). Ингибирование HMGCR в системе тканевой культуры нарушало миграцию зародышевых клеток. Интересно, что у мыши синтез холестерола, по-видимому, участвует в этом процессе, т.к. и холестерол и isoprenoids необходимы для устранения этого фенотипа. Кроме того, было обнаружено, что холестеролом богаты генитальные гребни, эт согласуется с его потенциальной ролью в миграции PGC. Роль in vivo пути HMGCR в миграции PGC мыши ещё предстоит выяснить.

    Stopping PGC migration


    В конце своей миграции PGCs, по-видимому, теряют свои свойства подвижности, т.к. они ассоциируют с соматическими клетками, чтобы сформировать гонады. Доказательства этому получены на D. melanogaster, у которой PGCs округляются и становятся неподвижным, образуют совместно кластеры и образуют плотные контакты др. с др. и с соматическими клетками гонад42. Важный вопрос касается механизмов, с помощью которых PGCs прекращают миграцию как только достигают гонад. Доказательства, полученные на D. melanogaster и рыбках данио подтверждают простую модель, согласно которой PGCs прекращают направленную миграцию как только достигают места наивысшей экспрессии аттрактанта. У D. melanogaster, SGPs экспрессируют высокие уровни HMGCR в месте, где PGCs прекращают миграцию, а эктопическая экспрессия HMGCR в др. тканях ведет как к привлечению PGCs, так и к аресту миграции в такой ткани68. Сходным образом у рыбок данио регионы с высоким уровнем SDF1A, по-видимому, диктуют где остановятся PGCs75. Это касается не только соматических гонад, но и также сайтов промежуточных мишеней, где PGCs временно теряют свою направленную миграцию вплоть до того момента, пока новая область соматических клеток не начнёт экспрессировать SDF1A и инициировать дальнейшую миграцию.
    Помимо потери направленной миграции после достижения PGCs места наивысшего уровня аттрактанта это важно и для собственно формирования гонад. Хотя молекулярные механизмы супрессии подвижности PGCs неясны, это скорее всего связано с межклеточными контактами между PGCs и соматическими клетками. Подтверждает эту модель то, что DE-cadherin и Fear of intimacy (FOI), цинковый транспортер, необходимы для объединения и компакции в гонады у D. melanogaster96-98. Однако инициальные PGC-сома взаимодействия не нарушены у этих мутантов, это указывает на то, что дополнительные факторы также участвуют в этом процессе. Дальнейшие генетические и imaging подходы необходимы, чтобы определить, как PGCs прекращают миграцию.
    PGCs, достигнув гонад прекращаю миграцию и ассоциируют с соматическими клетками гонад, они начинают выполнять свои функции как зародышевые клетки за счет приобретения пол-специфической морфологии. Сегодня нет каких-либо доказательств пол-специфических различий во время миграции PGC у какого-либо организма. Субнабор зародышевых клеток в гонадах приобретает способность функционировать как стволовые клетки зародышевой линии, которые подвергаются мейозу, чтобы продуцировать спермии и яйцеклетки и обеспечивать следующее поколение эмбрионального развития и миграции PGC.

    PGC migration and survival


    Постоянной темой всех исследований по миграции PGC является тонкая связь между собственно миграцией и жизнеспособностью PGC. Доказательства на D. melanogaster указывают, что не все PGCs специфицируются в раннем эмбриогенезе, чтобы успешно мигрировать в гонады99. Элиминация PGCs, которые мигрируют неправильно, по-видимому, является приоритетом для каждого организма, т.к. это важно для предупреждения вредных последствий трансдифференцировки PGC в эктопических местах тела. Подтверждает эту гипотезу то, что эктопические PGCs человека часто коррелируют с местами опухолей из зародышевых клеток14. Поэтому понимание механизмов гибели PGC и их взаимоотношение с миграцией важно для медицины.
    Как упоминалось выше, D. melanogaster WUN и WUN2 тесно ассоциированы с жизнеспособностью PGC (Table 2). Потеря активности WUN2 в PGCs или высокая экспрессия WUN или WUN2 в соматических клетках ведет к гибели PGC61-63. Интересно, что эта гибель, по-видимому, не связана с apoptosis. Однако запрограммированная гибель клеток играет роль в удалении PGCs, которые мигрируют некорректно. Этот процесс зависит от monocarboxylate transporter Outsiders и p53 опухолевого супрессора99, 100 (Table 2). Мутации любого из них вызывают избыток PGCs, которые обнаруживаются вне гонад.
    У позвоночных многие белки, которые необходимы для миграции PGC также играют роль и в жизнеспособности. У рыбок данио и мыши Dnd необходим для предупреждения гибели PGC на поздних стадиях эмбриогенеза48, 53 (Table 2).У мышей ген steel необходим для жизнеспособности PGC, а потеря steel из срединной линии во время поздних стадий развития ведет к гибели любых оставшихся PGCs91, 101-103 (Table 1). Ниже передачи сигналов steel-c-kit эта элиминация эктопических PGCs зависит от BAX104 Table 2). BAX является членом семейства белков BCL2, а его активация способствует высвобождению про-апоптических факторов из митохондрий, активации каспаз и прогрессированию апоптоза105, 106.
    Мы предлагаем три не исключающие др. др. модели гибели эктопических PGCs в эмбрионе. Во-первых, эти PGCs могут лишаться важного ростового фактора, такого как SDF1 или фосфолипида, регулируемых с помощью WUN и WUN2. Во-вторых, программа дифференцировки PGCs может нуждаться во взаимодействии с соматическими клетками гонад и PGCs могут гибнуть в отсутствие собственно дифференцировки. В-третьих, эктопические PGCs могут трансдифференцироваться и начинать обнаруживать соматические характеристики и затем погибают из-за нарушений клеточных функций. Неспособность к гибели в таком случае может приводить к радикальным последствиям, так мыши, обладающие Ter мутацией в Dnd, характеризуются тератомами зародышевой линии53. Показатель таких опухолей возрастает у BAX мутантов, это подчеркивает важность элиминации эктопических или нефункциональных PGCs107.

    Cell adhesion during PGC migration


    Др. важной темой в исследовании миграции PGC является роль межклеточной адгезии. очевидно, что существуют множественные роли E-cadherin, особенно в инициации у D. melanogaster и рыбок данио миграции PGC, а также в прекращении миграции D. melanogaster PGC41, 48, 96 (Fig. 2a,b; Table 1). E-cadherin является критическим компонентом слипчивых соединений, которые связывают клетки др. с др.108. Эти данные указывают на то. что клеточная адгезия является важным механизмом как для старта, так и остановки миграции PGC. Менее известно о типах межклеточных взаимодействий, которые регулируют пути миграции PGCs. У D. melanogaster, рыбок данио и мыши PGCs д. мигрировать через разные типы ткани, такие как эпителиальная энтодерма и мезодерма. У мыши интегрины важны для миграции PGC, особенно благодаря взаимодействию с др. клетками или в внеклеточным матриксом (Fig. 3c; Table 1). Подтверждают эту идею то, что мышиные PGCs могут использовать фибронектин в качестве субстрата для своей миграции109. Интегрины, по-видимому, безразличны для миграции D. melanogaster PGC, хотя подвижность PGCs, культивируемых in vitro увеличивается на поверхности, покрытой laminin42, 110. Недавнее исследование предоставило доказательства, что PGCs рыбок данио используют ретроградный ток богатых актином структур для генерации E-cadherin-обеспечиваемых сил, которые обеспечивают тянущие силы между PGCs и окружающей тканью111.

    Conclusions and future perspectives


    PGC migration in D. melanogaster, zebrafish and mice involves differences in the rate at which the cells move and the distances they need to travel13. For example, mouse PGCs must migrate a greater distance through a larger embryo over a longer developmental time than D. melanogaster PGCs. These differences might help explain divergent strategies for achieving proper PGC migration in these organisms. Despite these differences, there are several striking similarities and general themes linking this process. For example, in each of these organisms PGCs possess an inherent motility that is often mediated by RTK signalling, but require external factors to impart directionality, such as chemokines, which signal through GPCRs. The loss of PGC–PGC adhesion, often mediated by the regulation of the adhesion molecule E-cadherin, is also closely correlated with the acquisition of directional migration41, 47. However, the causal relationship between loss of adhesion and initiation of migration remains to be clearly shown. Future genetic studies should lead to the identification of further intrinsic and extrinsic factors guiding the initiation, migratory paths and termination of PGC migration.
    It is clear that GPCRs are crucial for PGC migration. These seven-pass transmembrane proteins have been shown to have important roles in many types of migrating cells, generally through the reception of extracellular attractive signals1. In D. melanogaster, GPCR signalling seems to be limited to the earlier steps of dispersal and transepithelial migration, which are mediated by TRE1 (Refs 41,44). In zebrafish, GPCR signalling by CXCR4 seems to be the main pathway regulating PGC migration75, 77, 78, whereas in mouse it has a role in the final steps of migration86, 87. The discovery of a new role for CXCR7B in regulating chemoattractant distribution in zebrafish highlights that there is still much to learn about the roles of GPCRs and the dynamic regulation of ligand distribution during PGC migration80.
    The sequestration of SDF1 by CXCR7B in zebrafish is also reminiscent of the proposed function of WUN and WUN2 in destroying a phospholipid chemoattractant66. In both cases, these proteins function by promoting the proper distribution of a chemoattractant and preventing the migration of PGCs to improper places in the embryo. Further studies of how chemoattractant gradients are established and maintained by these molecules will allow a better understanding of this intriguing mechanism of regulating cell migration (Box 1).
    Another theme of PGC migration is the importance of lipids and lipid modifications in the process. The HMGCR enzymatic pathway has been linked to PGC migration in D. melanogaster, zebrafish and mice68, 70, 71, 82, 95. This pathway is responsible for adding lipid moieties to proteins, which can regulate signalling properties and might be important in the generation of a chemoattractant. Furthermore, WUN and WUN2 function by hydrolysing phospholipids and have also been shown to promote the uptake of dephosphorylated lipids58, 60, 61, 63. The identities of both the HMGCR-modified chemoattractant and the phospholipid hydrolysed by WUN and WUN2 remain unknown and are crucial next steps in our understanding of PGC migration. Furthermore, interplay between these two pathways should be examined.
    The migration of PGCs differs from many other well characterized types of cell migration, such as fibroblast migration. PGC migration most closely resembles amoeboid migration and the migration of immune cells. This is characterized by individually migrating cells with a broad leading edge, highly dynamic morphology and low adhesiveness. This type of cell migration might be optimized for cell movement through diverse external environments composed of various tissues. In particular, PGCs share many features with both migrating leukocytes and certain types of metastatic cells112, 113. Intriguingly, the SDF1–CXCR4 pathway, as well as phospholipid signalling through sphingosine 1-phosphate and its receptors, is important for the migration of these cell types. Therefore, continued studies of PGC migration should help uncover other mechanisms that are relevant to human health and disease. These future studies should focus on using creative genetic approaches and recent advances in imaging techniques, and on the development of new in vivo and in vitro assays, to further promote our understanding of the mechanisms guiding PGC migration.

    → | K титульной странице | K оригиналам в pdf- и html-формате
    Посещений:

    Сайт создан в системе uCoz