Различные линии доказательств показывают, что Rar и Rxr мРНК экспрессируются уже на ранних стадиях развития. У рыбок данио все
гены являются матерински экспрессируемыми; экспрессия проявляется диффузно на стадиях дробления и бластулы, с первыми признаками локальной экспрессии на ст. гаструлы [Hale et al., 2006; Tallafuss et al., 2006; Waxman and Yelon, 2007]. Сегодня, четыре Rar генов (rarαα, rarαβ , Rarγα, Rarγβ ), и четыре Rxr генов (Rxrα Rxrβα, Rxrβ β , Rxrγ ), охарактеризованы у рыбок данио. Т.о., геном рыбок данио содержит удвоенные ко-ортологи Rarα, Rxrγ and Rxrβ млекопитающих, но не идентифицированы ортологи Rarβ ([Hale et al., 2006; Tallafuss et al., 2006] and references therein) .У
, Rarα и Rarγ описываются как основные Rar гены, экспрессирующиеся как матерински, так и зиготически на прегаструляционных стадиях [Blumberg et al., 1992; Ellinger-Ziegelbauer and Dreyer, 1991; Ellinger-Ziegelbauer and Dreyer, 1993; Koide et al., 2001; Pfeffer and De Robertis, 1994; Shiotsugu et al., 2004]. Нет специальных сообщений о экспрессии
генов на преимплантационных стадиях у эмбрионов мышей и крыс. Rarα, Rarγ , Rxrα and Rxrβ транскрипты были выявлены c помощью RT-PCR у преимплантационных эмбрионов телят на всех стадиях, от ооцита до вылупляющегося бластоциста [Mohan et al., 2001; Mohan et al., 2002]. Исследования по
гибридизации сообщают о повсеместной экспрессии Rarα во внеэмбриональных и эмбриональных тканях и Rarγ на эмбриональных стадиях, на E6.5 (pregastrula) эмбрионов мышей [Ang and Duester, 1997]. Функциональное значение
генов проявляется на ранних эмбриональных стадиях - или является матерински наследуемым - неясно, т.к. имеющиеся доказательства показывают, что RA впервые продуцируется в эмбрионе на ст. гаструляции (see below).
Дифференциальное распределение Rar мРНК становится очевидным у гаструлирующих эмбрионов разных видов. У мышей распределение Rarα и Rarγ остается диффузным на пресомитных стадиях (E7.5) [Ang and Duester, 1997; Ruberte et al., 1991; Ulven et al., 2000], тогда как экспрессия Rarβ низкая в головной складке и тканях задней части срединной линии и высокой в латеральных регионах яйцевого цилиндра [Ruberte et al., 1991]. У рыбок данио описано дифференциальное дорсо-вентральное распределение Rarαα и Rarαβ генов, тогда как два Rarγ гена обнаруживают диффузную - или плохо выявляемую - экспрессию [Hale et al., 2006; Waxman and Yelon, 2007]. Исследования на
Xenopus показывают накопление Rarα2, и подавление Rarα1, на ранних ст. гаструляции [Koide et al., 2001; Shiotsugu et al., 2004]. Экспрессия всех
Rxrs также была выявлена (c помощью RT-PCR у мышей [Ulven et al., 2000] и ISH у рыбок данио [Tallafuss et al., 2006]) на этих стадиях. В целом эти данные показывают, что имеется относительно распространенная и перекрывающаяся экспрессия
Rars и Rxrs у эмбрионов позвоночных ранних стадий гаструляции. На этих стадиях retinoic acid (RA) впервые синтезируется в клетках задней мезодермы c помощью энзима retinaldehyde dehydrogenase 2 (RALDH2) [Niederreither et al., 1997], и, как было показано, действует регион-специфическим способом, напр., при использовании RA-активируемого lacZ трансгена [Ribes et al., 2009; Rossant et al., 1991]. RA начинает выполнять сигнальные функции во время гаструляции в заднем регионе эмбриона, который включает первичную полоску, узелок и вновь сформированную мезодерму [Niederreither et al., 1999; Ribes et al., 2009; Shiotsugu et al., 2004]. С др. стороны, передние регионы эмбриона лишены сигналов RA, благодаря действию метаболизирующих энзимов CYP26A1 и CYP26C1 [Hernandez et al., 2007; Ribes et al., 2007; Uehara et al., 2007]. Koide et al., [Koide et al., 2001], показывая тем самым, что в гаструле
Xenopus необходима функция RAR(s) в качестве транскрипционных репрессоров в проспективной головной области, скорее всего, чтобы предупредить любую несоответствующую активацию генов, действующих в качестве задних детерминант.
Neurula - early somitic stages
Многие морфогенетические события происходят в ходе гаструляции в заднем регионе эмбриона. Сюда входят индукция и формирование паттерна региональной нейроэктодермы, миграция клеток краниального нервного гребня и образование бранхиальных дуг, сегментация параксиальной мезодермы в сомиты, слияние и петлеобразование сердечной трубки и т. д.. Разные паттерны экспрессии наблюдаются для всех Rar генов во время этого периода, которые суммировваны ниже для мышиных генов (см. Figure 1; дополнительные данные по рыбкам данио и Xenopus см. [Blumberg et al., 1992; Dreyer and Ellinger-Ziegelbauer, 1996; Ellinger-Ziegelbauer and Dreyer, 1991; Ellinger-Ziegelbauer and Dreyer, 1993; Hale et al., 2006; Koide et al., 2001; Pfeffer and De Robertis, 1994; Waxman and Yelon, 2007]). Экспрессия Rarα (Figure 1A-генов,C) прогрессивно переключается с диффузного паттерна на выраженную экспрессию в нейральной эктодерме, с дискретной ростральной границей экспрессии на уровне проспективного заднего мозга. Rarβ (Figure 1D-F) and Rarγ (Figure 1G-I) обнаруживают поразительно отличающиеся распределения вдоль ростро-каудально оси эмбриона. Rarγ экспрессируется в регрессирующей первичнрой полоске [Ruberte et al., 1991], и во время сомитогенеза и в расширении каудальной оси его экспрессия специфически поддерживается в наиболее каудальных тканях [Abu-Abed et al., 2003]. Т.о., экспрессия Rarγ подавляется в нервной пластинке и в мезодермальных производных, когда эти ткани начинают дифференцировку. Экспрессия Rarβ соответственно комплементарна, будучи необнаружимой в наиболее каудальных тканях и присутствующей в нервной трубке и некоторых мезодермальных производных наиболее ростральных уровней [Ruberte et al., 1991].
На этих стадиях RA продуцируется c помощью RALDH2 во вновь формируемых сомитах и ростральной пресомитной мезодерме. Было показано, как на птичьих моделях, так и на мышиных мутантах, дефицитных по синтезу RA, что передача сигналов retinoid обязательна для контроля нейрогенеза и формирования паттерна развивающегося спинного мозга и регуляции размеров сомитов и лево-правосторонней симметрии [Diez del Corral et al., 2003; Diez del Corral and Storey, 2004; Duester, 2007; Maden, 2006; Reijntjes et al., 2005; Ribes et al., 2009; Vermot et al., 2005a; Vermot and Pourquie, 2005; Wilson and Maden, 2005]. В этих процессах RA, по-видимому, противодействует задним сигналам, включая Wnt3a и FGF8, необходимым для поддержания недифференцированной 'стволовой' зоны внутри эмбриональной хвостовой почки. Rar одиночно или компаундно нокаутные мыши не обнаруживали таких дефектов нейрогенеза или мезодермальной сегментации (rev. by [Mark et al., 2009]). Возможно, что RA выполняет критические функции в переходном регионе между заднрей 'stem' зоной и дифференцирующимися тканями, где Rarβ и Rarγ (также как и Rarα) д. ко-экспрессироваться. Задний (хвостовая почка) регион нуждается в активной защите от передачи сигналов RA за счет действия энзима CYP26A1 [Abu-Abed et al., 2001; Sakai et al., 2001], и интересно, что каудальные дефекты, появляющиеся у
Cyp26a1-нулевых мутантных мышей можно предупредить за счет компаундной инактивации Rarγ [Abu-Abed et al., 2003].
Nervous system, craniofacial and sensory organ development
Два мышиных Rar гена (Rarα и Rarβ ) ко-экспрессируются в развивающейся нервной трубке на ст. E9.5-10.5, но обнаруживают разные ростральные границы в нейроэпителии заднего мозга во время его преходящей сегментации на ромбомеры. Rarα экспрессируется вплоть до границы ромбомеров (r)6/7 и дополнительно экспрессируется в r4 [Ruberte et al., 1991]. Хотя обе Rarα1 и Rarα2 изоформы мРНК экспрессируются в нервной трубке, изоформа Rarα2 обнаруживает наивысшую экспрессию и выявляет четко границу ромбомеров [Mollard et al., 2000]. Rarβ (в принципе Rarβ 2 изоформа) строго экспрессируется в эпителии нервной трубки вплоть до границы r6/r7 (see Figure 2) и ([Mollard et al., 2000; Ruberte et al., 1991; Serpente et al., 2005]; see [Hale et al., 2006; Waxman and Yelon, 2007] данные по rar генам у рыбок данио). RA синтезируется c помощью RALDH2 в окципитальных сомитах и задней hindbrain мезенхиме и, как полагают, действует за счет диффузии в направлении нейроэпителия заднего мозга (см. [Glover et al., 2006; Maden, 2002] for reviews). Следовательно, дискретные, сегментные паттерны экспрессии Rarα и Rarβ могут быть критическими для собственно ромбомерной экспрессии RA-регулируемых генов мишеней. Сюда входят некоторые Hox гены, включая Hoxa1 и Hoxb1 ([Dupe et al., 1997; Studer et al., 1998] and references therein). Комбинаторные роли RAR? и RAR? для формирования паттерна задних ромбомеров были продемонстрированы c помощью анализа компаундных нокаутных мутантов ([Dupe et al., 1999b]; see also the accompanying review by [Mark et al., 2009]).
В противоположность Rarα и Rarβ , мышиный ген Rarγ не обнаруживает заметной экспрессии в нейроэпителии развивающегося головного и спинного мозга, помимо его ранней экспрессии в наиболее каудальной части нервной пластинки (see above). Начиная с E9, он экспрессируется во всей краниальной мезенхиме как на уровне фыронтоназальных масс, так и бранхиальных дуг(Figure 3A,B) [Ruberte et al., 1990]. Краниальная мезенхима состоит из двух клеточных компонентов, первичной мезенхимы и клеток нервного гребня, происходящих с уровня переднего, среднего и заднего мозга. Гомогенный паттерн экспрессии Rarγ (Figure 3A) указывает на то, что оба компонента могут экспрессировать этот рецептор. В конечном итоге экспрессия Rarγ оказывается локализованной в предхрящевых клеточных конденсатах (Figure 3B), которые в голове происходят из клеток нервного гребня. Экспрессия Rarγ обнаруживается в предхрящевых конденсатах по всему телу (включая не-скелетный презумптивный хрящ, напр., гортанный и трахейные предхрящи) (Figure 3C). И Rarα и Rarβ экспрессируются также в краниальной мезенхиме. Rarα (в основном Rarα1 изоформа) экспрессируется довольно диффузным образом, тогда как Rarβ (в основном Rarβ 2) строго экспрессируется в фронтоназальной и периокулярной мезенхиме (see Figure 2B); он не экспрессируется в большей части максило-мандибулярной области, происходящей из первой бранхиальной дуги и более слабые уровни обнаруживаются в более задних бранхиальных дугах [Mollard et al., 2000; Ruberte et al., 1991]. Эксперименты по нокауту генов выявили, что RAR? и RAR? являются превалирующими рецепторами в краниальной мезэктодерме, происходящей из нервного гребня [Lohnes et al., 1994]. Rarβ (особенно Rarβ 2) также строго экспрессируется в энтодерме эмбриональной передней кишки (Figure 1E,F). Эта экспрессия возникает до образования бранхиальных дуг [Ruberte et al., 1991; Smith, 1994] и в конечном итоге обнаруживается в энтодерме бранхиальных карманов (Figure 2E), др. важной ткани мишени для передачи сигналов ретиноидов ([Niederreither et al., 2003; Wendling et al., 2000]; also see accompanying review by [Mark et al., 2009]).
Среди мышиных Rxr генов,
Rxrα и Rxrβ экспрессируются диффузно в течение всех этих стадий, тогда как Rxrγ специфически экспрессируется в миогенных клетках [Dolle et al., 1994]. Tallafuss et al., [Tallafuss et al., 2006] описывают различные распределения у рыбок данио rxr мРНК на соотв. стадиях.
Brain development
Как описывалось выше ни один из транскриптов мышиных Rar генов не обнаруживается в нейроэктодерме ранних эмбрионов ростральнее заднего мозга, т.е. на уровне среднего и переднего мозга ( напр., Figure 2D,E и Figure 3B). Это сюрприз, т.к. RA-продуцирующий энзим Raldh2 временно экспрессируется в наиболее ростральном эпителии переднего мозга перед началом выростов телэнцефалических пузырей, а Raldh2-/- нокаутные эмбрионы обнаруживают тяжелые нехватки в переднем мозге [Ribes et al., 2006]. RALDH2 функция частично перекрывается с таковой RALDH3, которая продуцирует RA в фронтоназальной,не-нейральной поверхностной эктодерме [Halilagic et al., 2007; Schneider et al., 2001]. Возможно, RAR(s) экспрессируются на низких уровнях в нейроэпителии раннего переднего мозга, где они могут трансдуцировать эти эффекты RA. Xenopus Rarα экспрессируется во время раннего развития головного мозга [Shiotsugu et al., 2004], а RAR нокдаун у этих видов редуцирует развитие головного мозга [Koide et al., 2001]. также один из ортологов Rarα рыбок данио (Rarαβ ) экспрессируется в проспективном диэнцефалоне [Hale et al., 2006].
Экспрессия Rar генов во время более позднего развития головного мозга изучена в деталях на мышах [Ruberte et al., 1993] и крысах [Zetterstrom et al., 1999]. У обоих видов, Rarγ транскрипты не были выявлены в структурах головного мозга. Rarα и Rarβ экспрессируются в развивающемся myelencephalon (medulla oblongata), в регионах, которые происходят из их ранних доменов экспрессии в заднем мозге, а экспрессия Rarβ в частности, оказывается локализованной в соматических и висцеральных моторных ядрах [Ruberte et al., 1993]. Экспрессия Rarα очень низкая или отсутствует в др. структурах головного мозга, за исключением corpus striatum и pallidum, где мышиная Rarα2 изоформа экспрессируется со ст. E12.5 и далее в домене, соседствующем с таковым Rarβ (Figure 4A-D) [Mollard et al., 2000; Ruberte et al., 1993]. И Rarβ 1 и Rarβ 2 ко-экспрессируются в corpus striatum (caudate-putamen и nucleus accumbens) со ст. E12.5 (Figure 4C,D), а также в обонятельных бугорках [Mollard et al., 2000; Ruberte et al., 1993]. Rarβ транскрипты обнаруживаются также в хороидном сплетении и развивающихся менингеальных оболочках, которые также экспрессируют RA-синтезирующий энзим Raldh2 [Niederreither et al., 1997]. Среди Rxrs,
Rxrα и Rxrβ экспрессируются довольно повсеместно в головном мозге развивающихся мышей [Dolle et al., 1994] и крыс [Zetterstrom et al., 1999], тогда как Rxrγ , по-видимому, появляется в специфических регионах головного мозга новорожденных [Zetterstrom et al., 1999]. Специфические распределения RARs и RXRs также были описаны как на уровне мРНК, так и белка в головном мозге взрослых мышей [Krezel et al., 1999]. В частности, экспрессия
RAR? сохраняется в caudate-putamenи nucleus accumbens, где он ко-экспрессируется с
RXR?, and both RAR? and RAR? в полях гиппокампа, где обнаруживаются также и
RAR? . Благодаря анализу жизнеспособных Rar/Rxr компаундных мутантных мышей оказалось возможным охарактеризовать некоторые соотв. функции в контроле локомоции [Krezel et al., 1998] или обучения и памяти [Chiang et al., 1998; Wietrzych et al., 2005].
Spinal cord
Гены Rarα и Rarβ продолжают экспрессироваться в дифференцирующемся спинном мозге мышей, по крайнй мере, вплоть до ст. E14.5 [Colbert et al., 1995; Ruberte et al., 1993]. Rarα экспрессируется по всему спинному мозгу с наивысшими уровнями в нейроэпителии вентрикулярной зоны. На ранних ст. (E10.5-11.5), Rarβ транскрипты обнаруживаются также в нейроэпителии желудочков, а на ст. E12.5 они появляются в клетках вентральных рогов (презумптивных моторных нейронах) внутри mantle зоны. В конечном итоге они оказываются ограниченными дорсальной и промежуточной областями вентрикулярного нейроэпителия. Вдоль передне-задней (rostro-caudal) оси они оказываются локализованными на шейно/плечевом и поясничном уровнях, где генерируются иннервирующие кончности нейроны [Colbert et al., 1995]. Хотя обе Rarβ изоформы экспрессируются в спинном мозге, изоформа Rarβ 1 наиболее обильна [Mollard et al., 2000]; (см. [Mendelsohn et al., 1994a; Mendelsohn et al., 1991] for lacZ reporter transgene analysis). Rxrγ транскрипты ограничены вентральными рогами спинного мозга, где они ко-экспрессируются с Rarβ [Dolle et al., 1994].
RA необходима для собственно формирования паттерна и нейрогенеза в спинном мозге ([Diez del Corral and Storey, 2004; Maden, 2006; Wilson and Maden, 2005] and references therein), условный генный нокаут показал, что она действует сложным способом, будучи продуцируемая соседней мезодермой и в конечном счете специфическими популяциями предшественников двигательных нейронов на плечевом и поясничном уровнях [Ji et al., 2006; Vermot et al., 2005b].
RAR? and RAR? могут действовать, перекрываясь, чтобы трансдуцировать сигналы RA в спинном мозге, т.к. соотв. нулевые мутантные мыши не обнаруживают фенотипических аномалий, которые могут быть связаны с аномальным развитием спинного мозга. Формирование молекулярного паттерна спинного мозга пока было изучено у компаундных d Rarα/Rarβ мутантов.
Eye development
The developing retina is particularly rich in RA, and is one of the first structures in which region-specific patterns of RA synthesis were reported ([McCaffery et al., 1992; Wagner et al., 2000] and references therein). At early stages of murine eye development, however, expression of Rar genes is most prominent in extra-retinal tissues: Rarβ is strongly expressed in the periocular mesenchyme (including the presumptive choroid and corneal mesenchyme) and Rarγ is expressed more homogeneously throughout the head mesenchyme [Dolle et al., 1990]. A detailed immunohistochemistry study has been performed for retinoid receptor expression throughout eye development, which confirmed the presence of the corresponding proteins in these mesenchymal tissues (Figure 4E-H) [Mori et al., 2001]. RAR? was the only receptor to be detected within the neural retina (Figure 4F), especially in the inner nuclear and ganglion cell layers. RAR? and RAR? were also detected in the retinal pigmented epithelium (Figure 4F,G). RXR? and RXR? were detected in specific retinal cell layers, whereas RXR? was ubiquitously expressed [Mori et al., 2001]. Rar and Rxr transcript distributions have also been described in the developing chick retina [Hoover et al., 2001].
Although RA is actively synthesized within the developing neural retina of various vertebrate species ([Li et al., 2000; McCaffery et al., 1992; Wagner et al., 2000] and references therein), current functional evidence in mouse points to a paracrine mode of action, with RA diffusing and acting within the pigmented epithelium and periocular mesenchyme [Matt et al., 2005; Molotkov et al., 2006]. Possible intrinsic functions of RA within the neural retina, for instance to regulate proper differentiation of retinal cell types (see [Kelley et al., 1994; Prabhudesai et al., 2005] for a description of the effects of exogenous RA on photoreceptor differentiation), remain to be characterized.
Auditory system
The expression of retinoid receptors has been studied in detail in the developing mouse inner ear [Raz and Kelley, 1999; Romand et al., 2002; Romand et al., 1998]. Expression of all three Rar genes was observed in the developing otocyst as early as E10.5 [Romand et al., 2002], and persisted until prenatal stages [Romand et al., 1998]. The expression patterns were largely non-overlapping, Rarα being predominantly expressed in the developing sensory epithelium, Rarβ in inner ear mesenchymal tissues, and Rarγ in the differentiating otic capsule. Interestingly, expression of the three Rar genes was further detected in the adult inner ear. Rarα and Rarγ , in particular, are expressed in the organ of Corti (the cochlear auditory epithelium) [Romand et al., 2002]. RAR? and RAR? were shown to be necessary for embryonic inner ear development [Romand et al., 2002]. Whether the retinoid receptors may play a role postnatally in the auditory system remains unclear. However, Rarα-null mutants exhibit a hearing deficiency related in part to middle ear functional deficits (R. Romand, personal communication).
Nasal, palatal and tooth development
RA plays important roles for the development of nasal structures [Dupe et al., 2003; Halilagic et al., 2007]. Rarβ exhibits region-specific expression in differentiating nasal structures, being present both in the mesenchyme and in specific areas of the olfactory epithelium [Dolle et al., 1990] (see Figure 4D). Knockout mouse models have shown that RAR? and RAR? are important for the development of nasal structures [Lohnes et al., 1994]. Whether there is a function of RAR? in later development of the nasal cavities and/or differentiation of olfactory neurons is unclear [Ghyselinck et al., 1998; Luo et al., 1995]. It would be of interest to investigate whether Rarβ -null mutant mice have an impaired olfaction.
Cleft palate is one of the major malformations induced by excess RA in rodent models ([Cuervo et al., 2002] and references therein). Lack of fusion of the palatal shelves is also seen in compound Rarα/Rarγ mutants [Lohnes et al., 1994], and mice deficient for endogenous RA synthesis (P. Dolle, unpublished observations). All three Rars are expressed during palatal shelf development, with Rarβ levels increasing by E13.5 [Naitoh et al., 1998]. Distinct Rar expression patterns have also been described during tooth bud development [Bloch-Zupan et al., 1994], although the functional involvement of RARs in odontogenesis remains unclear.
Glandular structures
Two Rar genes show prominent expression in the developing pituitary gland: Rarα (mainly the Rarα1 isoform), expressed throughout the anterior pituitary anlage, and Rarβ 2, preferentially expressed in the periphery of the gland [Mollard et al., 2000]. Rxrγ is also specifically expressed in the developing pituitary gland [Dolle et al., 1994], which furthermore expresses RA-synthesizing enzymes [Fujiwara et al., 2007]; the involvement of retinoid signaling in pituitary development has not been elucidated, however. Apart from Rarα, no Rar transcripts were detected in the developing thyroid gland [Dolle et al., 1990]. Rarβ and Rarγ show differential distributions within the developing salivary glands, in mesenchymal and epithelial cells, respectively [Dolle et al., 1990]. Other glandular systems with Rarγ expression include the ocular Harderian glands, which are absent in the corresponding null mutants [Lohnes et al., 1993].
Tissue-specific versus ubiquitous expression
Expression of the retinoid receptors during organogenesis has mainly been studied in the mouse [Dolle et al., 1994; Dolle et al., 1990; Ruberte et al., 1990] (see Table 1 for a summary). Although three of the receptors (RAR?, RAR? and RXR?) exhibit complex, differential expression features, only in some instances do their distributions correlate with specific differentiating cell- or tissue-types throughout the organism. This is the case for Rarγ , which is expressed in all precartilaginous cell condensations (see Figure 3B,C and Figure 4D,E), irrespective of their embryological origin [Ruberte et al., 1990]. The same receptor is also expressed in the developing skin epithelium, as well as in all prospective squamous keratinizing epithelia, including the esophagus and left wall of the stomach (Figure 3D) [Ruberte et al., 1990]. Loss of function of mouse RAR? does not lead to any overall defect in chondrogenesis, or histogenesis of the skin and squamous epithelia (although Rarγ -/- mutants have squamous metaplasia of the seminal vesicles and prostate [Lohnes et al., 1993]). As observed at early embryonic stages, murine Rarα is expressed nearly ubiquitously in differentiating organs [Dolle et al., 1990]. Rarβ has more discrete expression features, which are reviewed below.
Among the RXRs, Rxrα is expressed rather ubiquitously, with higher levels in developing skin epidermis by late gestation [Dolle et al., 1994]. Rxrβ is also expressed ubiquitously, and at low levels. Rxrγ is expressed in all developing skeletal muscles. The functional significance of this expression is unclear, as the Rxrγ -/- mouse mutants are viable and have no muscular defect, even in compound mutant combinations.
Limb development
Much attention has been devoted to the developing limbs, as early studies performed even before the cloning of RARs have shown (i) that RA applied locally can lead to mirror-image digit duplications in the chick wing bud, thus mimicking ectopic grafts of the posterior 'zone of polarizing activity' (ZPA) ([Tickle, 2006] and references therein); (ii) that endogenous RA is present at high concentrations in the posterior wing bud mesenchyme, which suggested a putative role as a diffusible morphogen [Thaller and Eichele, 1987]. The three Rar genes are expressed during early limb bud development, Rarα being ubiquitous, Rarγ being found throughout the limb bud mesenchyme before being localized to precartilaginous blastemas, and Rarβ being present only in the proximal mesenchyme [Dolle et al., 1989; Smith and Eichele, 1991]. Eventually, it was shown that RA is produced in the flank and proximal limb bud cells by the RALDH2 enzyme, from which it likely acts in conjunction with posteriorly-restricted factors (such as Hand2) to induce a functional ZPA [Mic et al., 2004; Niederreither et al., 2002]. Another, later function of RA concerns the involution of the interdigital mesenchyme (Figure 5). Rarβ (mainly the Rarβ 2 isoform) is specifically expressed in the prospective interdigital zones of the fore- and hindlimbs (Figure 5B,C), similar to the RA-synthesizing enzyme RALDH2 [Dolle et al., 1989; Mollard et al., 2000; Niederreither et al., 1997]. Abnormal interdigital webbing is indeed seen in several Rar and/or Rxrα compound mutant genotypes ([Dupe et al., 1999a] and references therein).
Figure 5: RAR expression in the differentiating limb.
Comparative ISH of RAR?1/3, RAR?2/4, RAR?1 and RAR?2 on serial sections through the extremity (footplate) of an E13.5 hindlimb. 35S-labelled probes. Abbreviations: dc, digit precartilaginous condensation; fp, footplate; id, interdigital domain; mg, midgut; mu, muscle; zp, zeugopod (tibia/fibula region). From (Mollard et al., 2000).
Heart and vascular system
As observed in other tissues, Rarα is expressed rather ubiquitously during heart development, both of its isoforms being detected in the myocardium [Mollard et al., 2000]. The other Rars have more restricted distributions, Rarβ 1 being present in the conotruncal mesenchyme [Ghyselinck et al., 1998], and Rarβ 2 throughout the developing myocardium [Mollard et al., 2000]. Rarγ transcripts are specifically detected in the endocardial cushion tissue and the developing large vessels at E12.5 [Dolle et al., 1990]. None of the Rxr genes display restricted expression patterns in the cardiovascular system.
The heart is a major target organ of retinoid signaling during development, with RA being involved in morphogenetic events [Dickman and Smith, 1996; Niederreither et al., 2001; Zile et al., 2000], outflow tract septation and large vessel patterning [Ghyselinck et al., 1998; Gruber et al., 1996; Mendelsohn et al., 1994b] and regulation of cardiomyocyte differentiation [Kastner et al., 1997; Niederreither et al., 2001]. Gene knockout studies have highlighted the receptors involved in these processes (for review and references, see [Mark et al., 2009]), in particular they have revealed an important function of RAR? isoforms for the development of conotruncal ridges [Ghyselinck et al., 1998]. RXR?, on the other hand, is indispensable for proper cardiomyocyte differentiation and development of the trabecular myocardium. The exact tissue- and cell-types where retinoid-induced effects take place are not fully characterized, although a recent conditional gene knockout study has demonstrated that RXR? function is critical within the epicardium [Merki et al., 2005]. RA has also been shown to be required for proper morphogenesis and remodeling of the extra-embryonic vascular network, and RAR? isoforms are thought to be involved in this process [Bohnsack et al., 2004].
Lung
The Rar genes are differentially expressed during lung development. Rarβ is expressed at high levels in the foregut endoderm prior to lung budding (see Figure 2B,E) [Ruberte et al., 1991; Smith, 1994], and is most likely present in the early lung bud endoderm. During lung branching morphogenesis, it remains expressed along the endoderm of the trachea and the proximal (large) bronchi, but is absent in the distal bronchi and the developing alveolar epithelia (Figure 6B) [Dolle et al., 1990]. Rarγ is also expressed, albeit in a more homogeneous manner, in developing lung tissues (Figure 6C). There is ample evidence that RA regulates lung development [Desai et al., 2006; Mendelsohn et al., 1994b], and the RA-dependent molecular interactions are beginning to be unravelled [Chen et al., 2007; Wang et al., 2006]. It appears that RA signaling is required for initial budding and early lung branching, but needs to be downregulated for more distal branching and distal airway formation to proceed to completion [Malpel et al., 2000; Wongtrakool et al., 2003]. In rat, there is persistent expression of RARs in the fetal and neonatal lung [Grummer et al., 1994; Grummer and Zachman, 1995], suggesting that RA might also function during lung maturation. Indeed, exogenous RA stimulates alveoli formation in immature rat and mouse lung [Massaro and Massaro, 2000] and murine RAR? and RAR? do regulate the septation of alveoli at distinct time points of postnatal lung maturation ([Massaro and Massaro, 2000; Massaro et al., 2003]; also see [Hind et al., 2002; Maden, 2004; Maden and Hind, 2004; Stinchcombe and Maden, 2008]).
Digestive tract
Whereas Rarα is expressed throughout the developing digestive tract, Rarβ expression is spatially restricted: it is found in both the epithelial and mesenchymal layers of the oesophagus and the anterior (cardiac) portion of the stomach, is absent at pyloric and duodenal levels (Figure 6D,E), and reappears more posteriorly at midgut levels [Dolle et al., 1990]. As previously mentioned, Rarγ transcripts are specific to the differentiating squamous epithelia in the oesophagus and left wall of the stomach (Figure 3D) [Ruberte et al., 1990]. The Rarβ 2 isoform is expressed in the developing diaphragm and liver capsule, whereas both Rarβ isoforms are expressed in the pancreas primordium (Figure 6D,E). Whether their expression is restricted to a given cell lineage has not been determined. RA produced by the RALDH2 enzyme was recently shown to be required for early development of the dorsal pancreas in the mouse [Martin et al., 2005; Molotkov et al., 2005].
Kidney and urogenital tract
Expression of Rarβ is seen in the mesonephros (the embryonic kidney derived from the intermediate mesoderm), and eventually appears in the metanephros or definitive kidney (Figure 6F,G). Expression is found in the kidney stromal mesenchyme, rather than in cells of the developing nephrons [Mendelsohn et al., 1999], and it is the Rarβ 2 isoform which is predominantly (or exclusively) expressed [Mollard et al., 2000]. Rarα is also expressed throughout the developing kidney, and Rarα/Rarβ 2 compound mutants display abnormal kidney development [Batourina et al., 2001; Mendelsohn et al., 1999]. Both Rarβ isoforms are also expressed according to distinct spatial domains in the mesenchyme surrounding the urogenital sinus, ureters and developing genital tract. Additional abnormalities in Rarα/Rarβ 2 mutant mice include an incorrect insertion of the uterers into the developing bladder, as well as agenesis of the Mullerian ducts (precursors of the oviduct and uterus) [Batourina et al., 2001; Mendelsohn et al., 1994b].
Expression of RARs and RXRs in prenatal gonads and germ cells has not been studied in the same detail, for instance, as in adult mouse testis ([Vernet et al., 2006] and references therein). Thus, it is currently unclear which receptor(s) mediate the recently-discovered role of RA as a meiosis-inducing factor in female germ cells during development ([Bowles and Koopman, 2007] for review, and references therein).
Сайт создан в системе
uCoz
