Pitx3 controls multiple aspects of lens development  Developmental Dynamics Volume 238, Issue 9, pages 2193–2201, September 2009 | |
|
The transcription factor Pitx3 is critical for lens formation. Deletions in the promoter of this gene cause abnormal lens development in the aphakia (ak) mouse mutant, which has only rudimentary lenses. In this study, we investigated the role of Pitx3 in lens development and differentiation. We found that reduced expression of Pitx3 leads to changes in the proliferation, differentiation and survival of lens cells. The genetic interactions between Pitx3 and Foxe3 were investigated, as these two transcription factors are expressed at the same time in lens development and their absence has similar consequences for lens development. We found no evidence that these two genes genetically interact. In general, our study shows that the abnormal phenotype of the ak lenses is not due to just one molecular pathway, rather in the absence of Pitx3 expression multiple aspects of lens development are disrupted. Developmental Dynamics 238:2193–2201, 2009. © 2009 Wiley-Liss, Inc.
|
Во время развития хрусталика позвоночных хрусталиковая плакода подвергается тщательно запрогаммированному морфогенетическому процессу, который ведет к образованию хрусталика с относительно недифференцированными, пролиферирующими эпителиальными клетками в передней части хрусталика и высоко дифференцированными, митотически неактивными клетками в задней части хрусталика (for review, see McAvoy et al.,1999; Chow and Lang,2001; Donner et al.,2006; Cvekl and Duncan,2007; Medina-Martinez and Jamrich,2007). Пролиферация и дифференцировка клеток хрусталика контролируется несколькими транскрипционными факторами. Транскрипционный фактор Pax6, по-видимому, является ключевым регулятором развития хрусталика, поскольку мутации этого гена ведут к аномалиям глаз у людей (Ton et al.,1991; Jordan et al.,1992; Glaser et al.,1994; Hanson et al.,1994), мышей и крыс (Hill et al.,1991; Fujiwara et al.,1994), некоторые др. транскрипционные регуляторы также являются критическими для формирования хрусталика. Один из них, это гомеодомен-содержащий фактор Pitx3. Ген Pitx3 экспрессируется во время раннего развития хрусталиков у позвоночных. Двойная делеция, которая элиминирует промоторную область и часть кодирующей области этого гена дает аномальный фенотип хрусталика у мышей линии aphakia (ak; Semina et al.,2000; Rieger et al.,2001) , а мутации в PITX3 ведут к развитию аутосомно-доминантных катаракт у человека (Semina et al.,1998). У ak мышей, хрусталики начинают формироваться, но их развитие аномально. В конечном итоге развитие хрусталиков останавливается и хрусталики исчезают (Varnum and Stevens,1968; Zwaan,1975; Zwaan and Kirkland,1975; Grimm et al.,1998). Некоторые аспекты развития хрусталиков у мутантов aphakia сходны с развитием хрусталиков у нулевых Foxe3 мышей (Medina-Martinez et al.,2005). У обоих мутантов инвагинрующие хрусталиковые плакоды не отделяются собственно от головной поверхностной эктодермы и хрусталик остается соединенным с поверхностной эктодермой ножкой (Varnum and Stevens,1968; Zwaan,1975; Zwaan and Kirkland,1975; Grimm et al.,1998; Blixt et al.,2000,2007; Brownell et al.,2000; Medina-Martinez et al.,2005; Medina-Martinez and Jamrich,2007). Foxe3 является законсервированным forkhead транскрипционным фактором, которыя является критическим для развития хрусталиков у некоторых видов позвоночных (rev. Medina-Martinez and Jamrich,2007). Мутации в этом гене или их измененная экспрессия вызывают аномальное развитие хрусталика у мышей, человека и рыбок данио (Blixt et al.,2000; Brownell et al.,2000; Semina et al.,2001; Ormestad et al.,2002; Medina-Martinez et al.,2005; Shi et al.,2006; Valleix et al.,2006; Medina-Martinez and Jamrich,2007; Swindell et al.,2008).
Из-за экспрессии этих генов на очень сходных ранних стадиях развития, мутации этих генов вызывают очень сходные фенотипы хрусталиков. Мы исследовали, являются ли эти два транскрипционных фактора частью одного и того же регуляторного каскада во время развития хрусталиков у мышей. Т.к. эти эксперименты не предоставили доказательств генетического взаимодействия этих двух генов, то мы сравнивали экспрессию некоторых диагностических маркеров развития и дифференцировки хрусталиков в ak и дикого типа хрусталиках. В результате стала более понятной потребность в функции Pitx3 в хрусталиках мыши. DISCUSSION Lack of Pitx3 Activity Causes Reduced Proliferation and Increased Apoptosis in the ak Lenses Описывается изучение генной экспрессии, пролиферации и дифференцировки клеток хрусталика у мутантных aphakia мышей (Semina et al.,2000). У таких мутантов активность Pitx3 снижена приблизительно на 90% (Semina et al.,2000; Rieger et al.,2001). Как результат снижения активности Pitx3 у ak животных хрусталики аномально маленькие и булавовидные. Они остаются соединенными с поверхностной эктодермой и в конечном итоге исчезают. Чтобы понять причины аномального фенотипа хрусталиков, мы исследовали апоптоз, пролиферацию и генную экспрессию в ak хрусталиках. Мы установили, что пролиферация развивающихся хрусталиков снижена у ak со ст. E9.75. Снижению пролиферации сопутствует аномальная экспрессия транскрипционного фактора Foxe3. Поскольку пролиферация клеток хрусталика также затрагивается у Foxe3 мутантов (Blixt et al.,2000; Brownell et al.,2000; Medina-Martinez et al.,2005), мы исследовали, децствуют ли эти два транскрипционных фактора кооперативно в регуляции пролиферации и может ли пониженная пролиферация в ak хрусталиках объяснена аномальной экспрессией Foxe3. Генетический анализ не выявил доказательств синергичного взаимодействия между двумя этими генами, т.к. хрусталики у компаундных гетерозигот не давали более тяжелого фенотипа, чем хрусталики у ak гетерозиготных животных. Сравнение экспрессии Pitx3 и Foxe3 у дикого типа, ak и Foxe3 мутантов показало, что Foxe3 активируется в хрусталиковой плакоде до Pitx3 и , следовательно, Pitx3 вряд ли играет роль в активации Foxe3. Однако, экспрессия Foxe3 у ak мутантов не поддерживается после E12.5, указывая тем самым, что Pitx3 непосредственно или косвенно небходим для поддержания транскрипции Foxe3. Поскольку Foxe3, как было установлено, играет роль в пролиферации переднего эпителия (Blixt et al.,2000; Brownell et al.,2000; Medina-Martinez et al.,2005; Medina-Martinez and Jamrich,2007), то вплне возможно, что снижение пролиферации клеток передней части хрусталика у ak мутантов обусловлено понижением активности Foxe3. В противопложность хрусталикам дикого типа в хрусталиках Foxe3 более не экспрессируется в клетках передней части хрусталика. Снижение экспрессии Foxe3, как известно, редуцирует пролиферацию клеток передней части хрусталика. Интересно, что транскрипты Foxe3 могут обнаруживаться в клетках задней части хрусталика. Это д. быть вредным для дифференцировки клеток хрусталиковых волокон, поскольку персистенция экспрессии Foxe3 блокирует ремоделирование цитоскелета во время дифференцировки клеток хрусталиковых волокон (Landgren et al.,2008). Это блокирование цитоскелетного моделирования может объяснить, почему мы никогда не видим настоящих клеток волокон в ak хрусталиках. Однако снижение экспрессии Foxe3 не может целиком объяснить отсутствие пролиферации в ak хрусталиках. Это потому, что у Foxe3-дефицитных эмбрионов пролиферация эпителия хрусталика менее повреждена, чем у ak мутантов, у которых, по крайней мере, обнаруживается некоторая активность Foxe3. Однако снижение пролиферации в сочетании с наблюдаемым апоптозом клеток хрусталика, скорее всего, и является причиной маленьких хрусталиков у ak мутантов. Lack of Pitx3 Activity Causes Abnormal Differentiation in the ak Lenses Хотя некоторая дифференцировка клеток хрусталика всё ещё имеет место у ak мутантов, но экспрессия crystallins, маркеров дифференцировки хрусталиков, аномальна. В противоположность хрусталикам дикого типа экспрессия ? и ?-crystallins редка в клетках задней части хрусталика. ?-crystallins транскрибируются, но они транслируются неэффективно. Более того, их транскрипция простраственно не урегулирована. Так, обычно транскрипты ?-crystallins обнаруживаются в клетках дифференцирующихся хрусталиковых волокон хрусталиков дикого типа, но не в клетках эпителия передней части хрусталика, в хрусталиках ak высокие уровни транскриптов ?-crystallins обнаруживаются в клетках передней части хрусталика, указывая тем самым, что ?-crystallins транскрибируются несоответственно рано во время дифференцировки клеток хрусталиков. Итак, наши наблюдения вместе с сообщениями, что клетки хрусталиков, которые перемещаются кзади не приобретают типичной формы волокон (Varnum and Stevens,1968; Zwaan,1975; Malinina and Koniukhov,1981; Semina et al.,1997,2000; Grimm et al.,1998; Rieger et al.,2001) указывает на то, что дифференцировка клеток хрусталиковых волокон в основном аномальна у ak мутантов. Нарушение экспрессии crystallin может быть важным для жизнеспособности клеток хрусталика. Снижение экспрессии ?A-crystallin и ?B-crystallin может вносить вклад в наблюдаемый апоптоз клеток хрусталика у ak животных. ?A/?B-crystallins, обычно запрещают апоптоз, т.к. клетки хрусталиков дезинтегрируются у двойных нокаутов ?A/?B-crystallin (Morozov and Wawrousek,2006).
Подавление экспрессии crystallin у ak мутантов может быть обусловлено подавлением экспрессии Prox1 . Prox1 , как было установлено, регулирует экспрессию генов crystallin (Cui et al.,2004; Chen et al.,2008). С др. стороны, почти нормальная экспрессия crystallin у Prox1-дефицитных эмбрионов говорит против такой возможности (Wigle et al.,1999).
В целом, развитие и дифференцировка хрусталиков у ak мутантов сильно нарушена. Pitx3 безусловно важен для нормального развития и дифференцировки хрусталика. У ak мутантов развивающиеся хрусталики не подвергаются типичному развитию, в результате которого формируется передний хрусталиковый эпителий. Клетки хрусталиков не испытывают собственно дифференцировки и клетки волокон не образуются. Пролиферация клеток хрусталика снижена, а апоптоз усилен. Пространственно-временная экспрессия генов, диагностических для ранних и поздних стадий развития хрусталиков, аномальна. Исходя из этих результатов, мы приходим к заключению, что аномальный фенотип ak хрусталиков не обусловлен только одним молекулярным путем или специфическим взаимодействием, а скорее отсутствием экспрессии Pitx3, и тяжелым нарушением апоптоза, пролиферации и дифференцировки.
|