Посещений:
ИМАГИНАЛЬНЫЕ ДИСКИ ДРОЗОФИЛЫ

Роль Периподиального Эпителия

Signaling in the Third Dimension: The Peripodial Epithelium in Eye Disc Development
Mardelle Atkins and Graeme Mardon
Dev Dyn. 2009 September; 238(9): 2139–2148. doi: 10.1002/dvdy.22034.

The eye-antennal imaginal disc of Drosophila melanogaster has often been described as an epithelial monolayer with complex signaling events playing out in two dimensions. However, the imaginal disc actually comprises two opposing epithelia (the peripodial epithelium, or PE, and the disc proper, or DP) separated by a lumen to form a sac-like structure. Recent studies expose complex molecular interactions between the PE and the DP, and reveal dynamic communication between the two tissues. Further findings suggest the PE makes important contributions to DP development by acting as a source of signaling molecules as well as cells. Here we summarize those findings and highlight implications for further research.
Периподиальный эпителий (peripodial epithelium (PE)) является тонким слоем клеток, покрывающим и продолжающимся из собственно диска (disc proper (DP)) развивающегося имагинального диска у Drosophila melanogaster. Имагинальные диски являются личиночными тканями, дающими наружные структуры взрослого, включая глаза, антенну, крылья и ноги. Первоначально считалось, что PE действует преимущественно во время метаморфоза в слиянии и эверсии дисков - в процессе, с помощью которого имагинальные диски превращаются из плоских внутренних эпителиальных структур в трехмерные наружные сложные структуры (rev. Fristrom and Fristrom, 1993). Большинство событий формирования паттерна и дифференцировки представлено передачей сигналов и функциями генов в DP. Последние 10 лет исследователи используют молекулярные и генетические техники для усиления нашего понимания PE и его роли в нормальном развитии ткани. Эти исследования выявили, что PE является более сложной и активной тканью, чем предполагалось ранее. Напр., PE необходим для выживания и пролиферации клеток DP и вносит непосредственный вклад в комплектацию собственно имагинального диска (Cho et al., 2000; Gibson and Schubiger, 2000; Lim and Choi, 2004; McClure and Schubiger, 2005; Stultz et al., 2006).
Экспрессия генов в PE динамична и PE участвует в регуляции сигнальных путей в собственно диске (Cho et al., 2000; Gibson and Schubiger, 2000). В контексте развития глаз также обнаруживаются сходства в передаче сигналов между retinal pigment epithelia (RPE) и нейральной сетчаткой. Напр., передача сигналов в RPE поддерживает рост, жизнеспособность и формирование паттерна сетчатки, а у рыбок данио RPE вносит вклад непосредственно в нейральную сетчатку (Raymond and Jackson, 1995; Li et al., 2000).

Origin and morphogenesis of the DP and PE


Drosophila melanogaster является насекомым с полным превращением и обладает тремя самостоятельныи формами после вылупления из яйца: ювенильная личинка, куколка и взрослое имаго. У таких насекомых переход между личинкой и взрослой формой осуществляется с помощью процесса метаморфоза. У личинок Drosophila развитие занимает 96 ч (при 25°C) между вылуплением из яйца и окукливанием. В этот период личинки проходят через 3 стадии или личиночные возраста, разделяемые линьками (Figure 1). Ювенильные личинки содержат внутренние эпителиальные структуры, которые растут и развиваются, чтобы сформировать взрослые наружные структуры. Ткани предшественники для головы, торакса и гениталий взрослых мух обозначаются как имагинальные диски (Bodentstein, 1950; Ferris, 1950).

Figure 1 The eye-antennal imaginal disc is a dynamic structure in Drosophila development

The central black line depicts the passage of time in hours. Drosophila development is schematized to show the relative growth of the whole animal (above time line) and the eye-antennal disc (below time line). Key events for each stage are detailed in text (bottom). Embryonic development (red) takes place over 24 hours. During this time the eye-antennal imaginal disc precursors are specified. The eye-antennal disc is recoverable as a distinct structure during first instar (orange). At this stage the antennal disc is not distinct from the eye. During second instar (green), the disc proliferates, the D/V axis is specified, and the antennal disc becomes distinct. At the onset of third instar (blue) the MF initiates at the posterior margin (indigo line). The disc continues to grow and differentiation occurs progressively throughout the third instar. By late third instar the MF has crossed most of the eye field, and more posterior ommatidia are undergoing rotation. During pupation (violet) the antennal disc (not depicted) separates from the eye disc and both discs evert and fuse with head cuticle tissue and the labral and clypeolabral discs to produce the adult head. The final steps of differentiation are completed during pupation.

Имагинальные диски первоначально остаются в стороне во время эмбрионального развития. Самое раннее время спецификации имагинальных дисков спорно (reviewed by Cohen, 1993), ясно. что во время первого личиночного возраста глазо-антенный имагинальный диск может быть выявлен как самостоятельная ткань приблизительно из 20-25 клеток (Figure 1, orange). Как говорят их названия крыловой, ножной и глазо-антенный диски дают соотв. наружные придатки. Кроме того эти диски вносят вклад в кутикулу и стенку тела головы и торакса (Fristrom and Fristrom, 1993). Глазо-антенные диски дают также дорсальные фотопериодические органы наз. глазками (occelli).
Клетки DP и PE морфологически различны (Figure 2) (McClure and Schubiger, 2005). Клетки PE имеют широкую, уплощенную чешуевидную морфологию (Figure 2C, E) , тогда как клетки DP высокие, узкие с колоно-образным профилем (Figure 2D, F). Наконец, короткие узкие клетки на границе между DP и PE обозначаемые как "кубовидные краевые" клетки (Figure 2B, blue arrow). Апикальные поверхности PE и DP являются оппозитными, а между двумя слоями диска образуется просвет (Figure 2B) (Pallavi and Shashidhara, 2005). В крыловых и ножных дисках кубовидные маргинальные клетки происходят из популяций DP и PE. Однако в глазных дисках все кубоидальные маргинальные клетки происходят из PE (Lim and Choi, 2004; McClure and Schubiger, 2005).



Figure 2 The squamous PE overlies the columnar DP in the eye imaginal disc A) The eye-antennal imaginal disc is depicted at the level of the DP. A/P and D/V axes are indicated in the upper right corner. The eye disc proper (pink), the antennal disc proper (orange), and the optic stalk (OS) are illustrated. X and Y represent cross sections through the disc corresponding to the dashed lines. B) Sections of the disc corresponding to X and Y in panel A are depicted. The thin squamous PE (green) is shown overlying the DP (pink or orange), separated by a lumen. MF indicates the apical constriction corresponding to the morphogenetic furrow. The cuboidal margin cells are shown in blue (blue arrow). C-E) Mouse anti-Discs large staining (1:500, Developmental Studies Hybridoma Bank) labels septate junctions, revealing the apical cell membrane profile of eye-antennal imaginal disc cells. C) A thin optical section taken using confocal microscopy at the level of the PE reveals the large squamous cell profile. D) A thin optical section of the apical DP reveals the small profiles of columnar cells. The yellow asterisks in C and D mark the region of the disc magnified in E and F to facilitate comparison of the relative sizes of PE and DP cells.

Помимо морфологических отличий от DP, клональный анализ показал, что PE является молекулярно определяемым, клонально ограниченными компартментом. Эти компартментные границы смещены относительно тех, что у DP. Напр., Bolwig's нерв совпадает с dorsal/ventral (D/V) границе глазного PE, но эта граница сдвинута вентрально от оптической ножки (optic stalk (OS, Figure 2A)), которая является D/V границей DP (McClure and Schubiger, 2005).

The PE contributes cells to the DP during larval development


Многие доказательства указывают на то, что PE вносит клеточный вклад в финальный набор DP. Исследования морфогенеза имагинальных дисков были использованы для подсчета на разных личиночных стадиях величины этого вклада, исходя из различий между количествами клеток, наблюдаемых в имагинальных дисках позднего третьего личиночного возраста, сравнивая их с ожидаемыми количествами исходя из наблюдаемых скоростей деления клеток. Подсчет клеток для крыловых дисков выявил, что обнаруживается приблизительно 1.7 DP клеток вместо ожидаемой одной, если бы все клетки происходили в результате пролиферации только DP. Это привело к гипотезе, что некоторые DP клетки происходят из PE (Pallavi and Shashidhara, 2003; McClure and Schubiger, 2005). Эта гипотеза подтверждена экспериментально с использованием клонального анализа, отслеживающего клоны позитивно маркированных клеток, показавшего, что PE непосредственно добавляет клетки в DP во время развития. Напротив DP не вносит обнаружимого вклада клеток в PE (Cho et al., 2000; Pallavi and Shashidhara, 2003; Lim and Choi, 2004; McClure and Schubiger, 2005). Очевидно, что потенциал PE вносить клеточный вклад в DP может быть ограниченным во времени. Если клоны индуцировались рано, до образования просвета между PE и DP, то клетки PE вносили вклад в DP , также как и в маргинальные клетки. Напротив, PE клоны, индуцированные после образования просвета вносили вклад только в области DP которые всё ещё имели физический контакт с PE: DP-производные популяции маргинальных клеток в крыле и DP регионы, физически контактирующие кубоидальными маргинальными клетками, в глазу (Pallavi and Shashidhara, 2003; Lim and Choi, 2004). Механизмы, с помощью которых PE клетки вступают в DP популяцию и приобретают судьбу DP, неизвестны. Однако это может осуществляться посредством интеркаляции клеток, онтогенетического процесса, при котором клетки из одного клеточного слоя проникают и приобретают качественные особенности примыкающего слоя, как это наблюдается при гаструляции и образовании хорды (Reviewed by Pilot and Lecuit, 2005). Альтернативная гипотеза заключается в том, что фракция делений PE клеток осуществляется в плоскости PE, тогда как др. делают это в ортогональной плоскости. После деления дочерние клетки, генерируемые ортогональными делениями могут вставляться в DP и приобретать DP судьбы. Планарные в противовес ортогональным клеточным делениям наблюдаются в др. онтогенетических контекстах, включая нейрогенез у дрозофилы, развитие спинного мозга у рыбок данио и развитие сетчатки у крыс (Cayouette et al., 2001; Geldmacher-Voss et al., 2003; Lee et al., 2006; Tawk et al., 2007). Локализация клеточных адгезивных белков, которые устанавливают апикально-базальную клеточную полярность, важна для детерминации плоскости клеточных делений в этих тканях, проверка их экспрессии в PE клетках во время раннего личиночного развития может помочь определить, происходят ли те же самые процессы в PE.

Hedgehog and Wingless signaling from the PE are important for DP patterning and growth


Передача сигналов от одной ткани, чтобы сформировать паттерн прилегающей ткани, наблюдается во многих онтогенетических контекстах. Напр., передача сигналов от хорды к клеткам нервной трубки и от оптического бокала к хрусталиковому пузырьку (described in Gilbert, 2003). При развитии глазо-антенного имагинального диска основные сигнальные молекулы Hedgehog (Hh), Decapentaplegic (Dpp) и Wingless (Wg) экспрессируются в течение всего первого и второго личиночного возраста в PE, но не в DP, показано с помощью экспрессии lacZ репортера (Cho et al., 2000). Механизмы, с помощью которых устанавливаются динамические и асимметричные паттерны экспрессии морфогенов, неизвестны.
Эксперименты с потерей и избыточной функцией показали, что асимметричная экспрессия Hh, Wg и Dpp в PE во время второго личиночного возраста предопределяет паттерны экспрессии Notch лигандов Delta (Dl) и Serrate (Ser), которые необходимы для установления D/V границы (Figure 3A) (Cho et al., 2000). Передача сигналов Notch активируется на D/V границе в собственно глазном диске перед инициацией дифференцировки. Активация передачи сигналов Notch является критической для роста диска и установления точки инициации дифференцировки на заднем крае глазного диска (Figure 3B) (Dominguez and de Celis, 1998; Papayannopoulos et al., 1998). Передача сигналов Hh в PE достаточна, чтобы индуцировать экспрессию лиганда из Notch пути Serrate (Ser) в DP. Далее, передача сигналов Hh может быть необходима во время установления D/V границы, поскольку потеря Hh ведет к повсеместно скорее, чем упорядоченной экспрессии Dl и Ser в DP во время второго личиночного возраста (Cho et al., 2000). Как wg, так и dpp необходимы во время второго личиночного возраста для установления дорсального DP компартмента (Cho et al., 2000).



Figure 3 A model linking disc growth and D/V boundary establishment to initiation of the MF The DP (pink), the PE (green), and the cuboidal margin cells (blue) are shown. In all panels dorsal (D) and ventral (V) are indicated, and posterior is to the left in B-D. Panel A is the cross section indicated by the dashed line in B. A) A second instar disc is represented in cross section to reveal the PE and DP. During second instar Dpp, Hh, and Wg are expressed asymmetrically within the PE (not shown) and their activity refines Dl and Ser expression in the DP. The boundary between Dl and Ser localization establishes activation of Notch at the midline and establishes the D/V boundary in the disc (dark pink). B) Activated Notch at the midline induces Upd expression in the posterior cuboidal margin cells. C) Upd secretion from the posterior margin stimulates DP growth and represses wg expression, particularly in the PE. Loss of Wg at the posterior margin results in expression of odd and drm. D) Drm and Odd inhibit Lines activity in posterior margin cells, de-repressing Bowl, which in turn activates the transcription of hh, initiating the MF.

Путь передачи сигналов Wingless выполняет дополнительные роли в установлении D/V границы в развивающемся глазу (Cavodeassi, 1999). Wg лигнад секретируется дорсальным и вентральным краями DP и дорсальным краем PE (Baker, 1988; Cavodeassi et al., 1999; Pereira et al., 2006). Связывающий GATA транскрипционный фактор Pannier (Pnr) , как полагают, активирует экспрессию wg в дорсальной части DP, делая его наиболее вышестоящим игроком этого пути (Maurel-Zaffran and Treisman, 2000). Однако экспрессия wg не теряется в Pnr мутантных клеонах в DP. Скорее, клоны потери функции Pnr, индуцируются в дорсальной части PE, вызывая потерю PE-специфического репортера экспрессии wg (2.11-LacZ) (Pereira et al., 2006), указывая тем самым, что Pnr необходим, чтобы управлять экспрессией wg в небольшой группе клеток в дорсальной части PE. Хотя функция Wg, секретируемого этими клетками, неизвестна, он может служить, чтобы регулировать как инициацию дифференцировки, так и планарную клеточную полярность в DP, т.к. в основном потеря функции Pnr клонов ведет к неспособности дифференцировки и потере глаз, тогда как небольшие дорсальные клоны образуют эктопические D/V границы и вызывают дефекты планарной клеточной полярности (Maurel-Zaffran and Treisman, 2000). В дополнение к регуляции с помощью Pnr, экспрессия wg управляется с помощью PE энхансера, также регулируемого с помощью Jak-Stat пути (Ekas et al., 2006). Jak-Stat передача сигналов участвует в росте дисков и необходима для репрессии экспрессии Wg, чтобы обеспечить инициацию дифференцировки (Tsai and Sun, 2004; Tsai et al., 2007). Кроме того, при потере функции Stat фенотип характеризуется потерей глаз или трансформацией глазной ткани в головную кутикулу (Ekas et al., 2006). Эти фенотипы сходны с теми. что наблюдаются при избыточной экспрессии wg или Pnr. Генетические данные указывают на то, что Jak-Stat лиганд Unpaired (Upd) необходим и достаточен, чтобы репрессировать wg в PE (Figure 3C) (Ekas, et al., 2006). Общим аспектом фенотипов потери функции Pnr и upd является неспособность инициировать дифференцировку, что зависит от установления обычной D/V границы. Это привело к предположению, что общая мишень для этих двух путей, Wg экспрессируется с дорсальной части PE, играет важную роль в нормальном становлении D/V границы. Вместе с регуляцией Ser с помощью происходящего из PE Hh во время второго личиночного возраста, эти данные подтверждают заключение, что PE является важным источником сигналов для формирования паттерна D/V в развивающемся глазном диске.

PE-derived margin cells signal to the disc proper to regulate developmental processes


Во время развития глазного диска клетки PE образуют небольшую полоску кубовидных клеток по заднему краю глаза, которая служит в качестве границы между популяциями DP и PE (Figure 2B, blue arrow). Эти клетки не только отличны морфологически, но и являются также важным источником передачи сигналов в развивающийся DP. Маргинальные клетки участвуют в спецификации DP дорсо-вентральной оси, в пролиферации и росте DP, инициации дифференцировки и в установлении chiral полярности омматидий во время дифференцировки.

Cuboidal margin cells are an important signaling center for MF initiation


Маргинальные клетки диска играют важную роль в регуляции инициации дифференцировки во время развития глазных имагинальных дисков (Bras-Pereira et al., 2006). Члены семейства odd-skipped генов odd-skipped (odd), drumstick (drm) и brother of odd with entrails limited (bowl) кодируют C2H2 zinc finger содержащие белки, которые экспрессируются в маргинальных клетках задней части глазного диска и вместе регулируют инициацию дифференцировки сетчатки. Bowl, по-видимому, функционирует как транскрипционный фактор. Odd и Drm обладают общим консервативным C2H2 доменом с Bowl, но, по-видимому, действуют не как транскрипционные факторы. Экспрессия bowl в маргинальных клетках заднего края глазного диска необходима во время позднего второго личиночного возраста, чтобы индуцировать экспрессию hh во время инициации перемещения фронта дифференцировки, обозначаемой как мофрогенетическая борозда (morphogenetic furrow (MF)) (Figure 1, indigo line). Однако, bowl недостаточно, чтобы индуцировать эктопическую экспрессию hh в др. частях диска, указывая тем самым, что др. факторы д. действовать в сотрудничестве с bowl, чтобы регулировать экспрессию hh во время инициации борозды (Bras-Pereira et al., 2006).
Odd и Drm не только непосредственно способствуют инициации MF, но и скорее всего предопределяют место инициации. Odd и Drm необходимы для запуска функции Bowl путем устранения репрессии функции Bowl его ингибитором, Lines (Figure 3D) (Hatini et al., 2005; Bras-Pereira et al., 2006). Lines ингибирует активность Bowl за счет соединения с и дестабилизации Bowl. Odd и Drm стабилизируют Bowl путем соединения с Lines и оттитровывания его с Bowl. Гены bowl и lines экспрессируются в диске широко, но передача сигналов Wg ограничивает экспрессию odd и drm в лазном диске задними маргинальными клетками (Figure 3C) (Bras-Pereira et al., 2006). Т.о., передача сигналов Wg косвенно ограничивает функцию bowl кубовидными маргинальными клетками задней части диска, тем самым ограничивается инициация MF (Bras-Pereira et al., 2006). Экспрессия wg в свою очередь репрессируется на заднем крае с помощью передачи сигналов Jak-Stat, активируемой Upd, секретируемым из центра заднего края (Figure 3C) (Ekas et al., 2006; Tsai et al., 2007). Upd активируется по срединной линии заднего края с помощью передачи сигналов Notch от D/V границы и позитивно регулирует пролиферацию в диске второго личиночного возраста (Figure 3B) (Tsai and Sun, 2004). Когда эти взаимодействия оказываются скомбинированы с регуляцией активации по срединной линии Notch с помощью происходящих из PE Hh, Dpp и Wg во время второго личиночного возраста (Cho et al., 2000), то обнаруживается генетический путь, который соединяет ранние сигнальные события во втором личиночном возрасте с каскадом, ведущим к инициации перемещения MF в раннем третьем личиночном возрасте (Figure 3).

Cuboidal margin cells are a source of signals regulating planar polarity


Передача сигналов от маргинальных клеток, производных PE, также необходима во время поздних паттерн-формирующих событий в глазном имагинальном диске. После инициальной дифференцировки фоторецепторов в глазу, кластеры омматидий подвергаются регулируемой ротации, обеспечиваемой путями планарной клеточной полярности. Результатом подобной ротации оказывает то, что омматидии выравниваются в линию со своими соседями, но с зеркальной симметрией вдоль D/V оси (Figure 4). Поскольку сигнал, обеспечивающий принятие такого решения, неизвестен, то ген dishevelled (dsh), который кодирует связанный с мембраной белок, который участвует в передаче сигналов как канонического, так и неканонического Wg пути, необходим клеточно автономно маргинальным клеткам, чтобы регулировать дально-действующие решения по клеточной полярности в собственно диске (Lim and Choi, 2004). В дисках, где участки края были сделаны мутантными по dsh, то омматидии вне клона ротировали неправильно. Эта функция Dsh в маргинальных клетках, производных PE, обеспечивается, по крайней мере частично, каноническим Wg путем. т.к. потеря нижестоящего эффектора Armadillo (Arm) вызывает сходные, хотя и менее выраженные дефекты полярности. Различия фенотипов потери функции Dsh и Arm на краю указывают на то, что д. существовать дополнительные неустановленные пока пути ниже Dsh, участвующие в продукции сигналов полярности (Lim and Choi, 2004). В DP, сигнал ротации омматидий, по-видимому, интерпретируется с помощью некононической передачи сигналов Dsh, которая активирует скорее Jun киназу, чем Arm. Подобно эффектам потери функции, избыточная экспрессия Dsh в маргинальных клетках также вызывает изменения полярности омматидий, указывая тем самым, что не просто присутствие или отсутствие Dsh на краю, которое необходимо для корректной ротации омматидий, но и скорее относительные уровни Dsh на краю в противовес собственно диску, необходимы для корректного установления планарной полярности (Lim and Choi, 2004). Эти результаты указывают на то, что посредством кубоидальных маргинальных клеток, производных PE и представляющий собой небольшую популяцию, осуществляется уникальная интеграция сигналов хозяина, чтобы модулировать рост диска и полярность омматидий, и что они являются ключевыми игроками в регуляции локализации и времени инициации MF.

Figure 4 Ommatidia of the adult eye are arranged precisely and form a line of mirror symmetry about the D/V midline A) A section through an adult eye reveals the highly ordered array of photoreceptors and ommatidia, and includes the D/V midline (red line). B) The diagram depicts the mirror image chirality that is a result of the integration of planar polarity cues. The solid red line represents the D/V midline or equator.



The lateral PE of the eye-antennal disc gives rise to ventral head structures


Помимо непосредственного вклада клеток в DP, множественные исследования выявили, что PE вносит существенный вклад в наружные кутикулярные структуры взрослых (Chouinard and Kaufman, 1991; Fristrom and Fristrom, 1993; Pilot and Lecuit, 2005; Stultz et al., 2006; Lee et al., 2007). Эти структуры включают кутикулу срединной линии головы (frons), вибриссы и вентральные головные структуры, включая максиллярные щупики (Figure 5, green text). Новые мутации в ранее неизвестном цис-регуляторном элементе dpp были изолированы, чтобы определить новую роль dpp в PE (Stultz et al., 2006). Эта мутация (dpps-hc) вызывает неспособность образования вентральной части головы и локализуется в 5' энхансере гена dpp в глазо-антенном диске. Этот энхансер регулирует экспрессию dpp в виде паттерна, отличного от ранее охарактеризованного 3' дискового энхансера (Figure 6). Репортерная конструкция, управляемая с помощью 5' enhancer (SH5'-LacZ), обнаруживается на самых латеральных краях РЕ глазного и антенного дисков. Репортер оказался также активным у взрослых животных и показал, что клетки из PE могут вносить вклад в максиллярные щупики, вибриссы и ростральную мембрану взрослых (Figure 5, green text) (Lee et al., 2007). Кроме того, др. конструкция, 1096-GAL4, управляет lacZ в PE дорсальной и вентральной части диска, и во взрослой кутикуле, окружающей глаз (Bessa and Casares, 2005). Поскольку вполне возможно, что эти энхансеры активируются независимо во время взрослой стадии и что lacZ позитивные клетки в действительности происходят из DP, поэтому наиболее правильной интерпретацией является то, что клетки латеральной части PE вносят вклад в вентральные головные структуры.



Figure 5 Anatomy of the adult head of Drosophila melanogaster The anatomy of the fly head is depicted here for reference. Reporter analysis suggests that the cuticle beneath the eye, the second antennal segment, the vibrissae, maxillary palps, and the frons (names highlighted in green) contain cells that are derived from the PE. The clypeus is derived from the clypeolabral disc, and the labrellum is derived from the labial disc (names in gray).



Figure 6 5' and 3' dpp enhancers have distinct expression patterns 5' and 3' dpp enhancers have distinct expression patterns The 3' DP enhancer expression pattern is shown in red and the 5' PE enhancer is shown in blue. The expression of the 3' enhancer in the eye disc corresponds to the moving wave of differentiation, the morphogenetic furrow (MF).

Pair-rule zinc finger транскрипционный фактор Odd-paired (Opa) идентифицирован при скрининге модификаторов как регулятор экспрессии dpp 5' PE энхансера (Lee et al., 2007). Это взаимодействие интересно поскольку ортологи этих генов ассоциированы с черепно-лицевыми уродствами, такими как holoprosencephaly и Dandy-Walker Complex у человека (rev. Grinberg and Millen, 2005). Ген opa необходим и достаточен, чтобы активировать экспрессию 5' dpp PE энхансера SH53-lacZ в PE глазо-антенного диска. Потеря opa велет к дефектам вентраьной части головы, идентичным тем, что наблюдается у dpps-hc мутантов. Подтверждается модель генетическим взаимодействием между opa и dpp, компаундные гетерозиготные животные, мутантные по аллелям потери функции opa и dpp фенокопируют гомозиготные по потере любого из генов. Наконец, opa репортеры были также использованы для отслеживания клонов у взрослых животных, они также экспрессировались в вентральных головных структурах, которые экспрессировали SH53-lacZ, это согласуется с интерпретацией, что Opa регулирует dpp в клетках, которые дают структуры вентральной части головы (Lee et al., 2007). Итак, эти два исследования показали. что клетки латерального PE скорее всего вносят существенный вклад в структуры вентральной части головы, включая максиллярные щупики и вибриссы (Figure 5). Далее, эти данные иллюстрируют, что передача сигналов из небольшой области PE может иметь крупные последствия для глаз и головных структур взрослых. Наконец, регуляторное взаимодействие между Opa и Dpp может указывать на законсервированную сеть для развития головы во время эволюции и может оправдывать дальнешие исследования в качестве модели врожденных черепно-лицевых аномалий (Lee et al., 2007).

Communication between the PE and DP is bidirectional and may be mediated by long cellular processes


Dpp лиганд, экспрессируемый в латеральной части PE является компетентным. чтобы передавать сигналы внутри PE, как это выявляется с использованием экспрессии репортера для генов мишеней brinker (brk) и daughters against dpp (dad). Экспрессия обоих репортеров изменена у dppsh-c гомозигот в согласии с ранее опубликованными данными по др. тканям: dad позитивно регулируется с помощью dpp и теряется в dppsh-c PE, тогда как brk негативно регулируется с помощью dpp и его экспрессия в PE расширяется в dppsh-c дисках (Stultz et al., 2006). Поскольку Dpp из PE передает сигналы в PE и является существенным для нормального развития дисков, он, по-видимому, не передает сигнала в DP, поскольку экспрессия тех же самых репортеров оказывается не измененной в DP dppsh-c дисков (Stultz et al., 2006). Эта неспособность Dpp из PE передавать сигналы в DP также обнаруживается в крыле (Pallavi and Shashidhara, 2005). Парадоксально, поскольку Dpp экспрессируется в PE и не передает сигналы непосредственно в DP, то потеря Dpp из латеральных частей PE увеличивает апоптоз в обоих слоях ткани, и вызывает потерю области головной кутикулы (gena, Figure 5) у взрослых. Хотя gena классически рассматривается как происходящая из DP, эти результаты вкупе с gena экспрессией 1096-GAL4 (Bessa and Casares, 2005), делают неясным, действительно ли потеря этой области обусловлена гибелью клеток в PE или DP. Тем не менее результаты этого исследования показывают, что передача сигналов Dpp активна внутри PE, подтверждают косвенно, что она поддерживает рост и развитие DP. Механизм подобной поддержки остается неясным, поскольку происходящий из PE Dpp, по-видимому, неспособен непосредственно передавать сигналы в DP (Stultz et al., 2006). Это может отражать структурную и/или механическую потребность в PE для развития DP или активации с помощью Dpp др. сигналов, которые секретируются из латеральных частей PE.
Поскольку Dpp продуцируется в PE как крыловых, так и глазо-антенных дисков, но сигнал не появляется в DP, в независимых исследованиях было установлено, что обратное событие передачи сигналов происходит и глазо-антенных и крыловых дисках. Dpp генерируемый в собственно диске передает сигналы в PE и это необходимо как для роста, так и жизнеспособности PE (Gibson et al., 2002; McClure and Schubiger, 2005; Pallavi and Shashidhara, 2005). Механизмы доставки лигандов посредством просвета, чтобы обеспечить передачу сигналов между PE и DP, недостаточно ясны. Неизвестно также, что делает эти передачи сигналов однонаправленными. Однако физические контакты между PE и DP могут служить для переноса сигналов клеткам, разделенным просветом, поскольку контакты между удаленными клетками DP, как было установлено, транспортируют лиганды, чтобы активировать передачу сигналов (elaborated below).
Природа контактов между PE и DP варьирует в зависимости от локализации диска. В некоторых регионах слои непосредственно примыкают, тогда как они разделены просветом в др. частях диска. Микротрубочки, заполняющие отростки, проходящие через просвет, как было показано, идут от PE клеток поперек просвета, чтобы контактировать с апикальными поверхностями DP клеток в глазных, крыловых, ножных и гальтерных дисках (Cho et al., 2000; Gibson and Schubiger, 2000; Lim and Choi, 2004). В глазном диске, выпячивания через просвет от PE контактируют с клетками в MF (Gibson and Schubiger, 2000). MF проявляется в виде апикальных сужений клеток и соответствуют аресту клеточного цикла, началу дифференцировки и волне сигнальной активности, включая Notch, Hedgehog, Epidermal Growth Factor Receptor и Dpp. Эта борозда инициируется на заднем краю глазного диска и перемещается подобно волне поперек диска в направлении кпереди в течение приблизительно двух дней (Figure 1, indigo line) (rev. Wolff and Ready, 1993; Pappu and Mardon, 2004). Потеря PE или нарушения транспорта, базирующегося на микротрубочках в выпячивания через просвет, нарушают обычный ход MF, митотические волны, ассоциированные с перемещением MF и обычное формирование паттерна омматидий, указывая тем самым, что коммуникации посредством выпячиваний через просвет от PE к DP необходимы для нормального перемещения MF (Gibson and Schubiger, 2000).
Выпячивания через просвет могут обеспечивать коммуникации PE с DP путем передачи Notch лиганда Ser к DP, чтобы модулировать активацию Notch в MF. Поскольку Ser активируется в DP во время установления D/V границы во втором личиночном возрасте, то в третьем личиночном возрасте Ser преимущественно экспрессируется в PE. Гомозиготные нулевые Ser мутанты редки и имеют маленькие дезорганизованные глаза (Speicher et al., 1994). Однако, клоны с потерей функции Ser, генерируемые с помощью теплового шока, индуцируют экспрессию FLP recombinase не обнаруживают явного фенотипа во взрослых глазах или голове (Tomlinson and Struhl, 1999; Singh and Choi, 2003). Обнаружение этого парадокса повсеместной эктопической экспрессии доминантно негативной формы Ser во время первого личиночного возраста ведет к очень сильной редукции или потере глаз, тогда как эктопическая экспрессия во время второго личиночного возраста вызывает потерю только вентральной половины глаз (Singh and Choi, 2003). Эти различия между эктопической экспрессией и клональным анализом могут заключаться в ролях Ser в PE. Повсеместная экспрессия доминантно негативной формы Ser д. нарушать PE, а также функцию Ser в DP, тогда как митотические клоны могут быть ограничены только одним слоем. Во время третьего личиночного возраста экспрессия доминантно негативной Ser специфически в PE дает мух с маленькими глазами и аномальным паттерном омматидий, как у Ser нулевых гомозигот (Gibson and Schubiger, 2000). Итак, PE специфический фенотип избыточной экспрессии, локализация Ser в PE, и необходимость в транспорте, базирующемся на микротрубочках в выпячиваниях через просвет, для нормального роста DP и продвижения борозды, указывают на то, что потеря Ser в PE, скорее, чем потеря в DP, является преимущественной причиной, ответственной за Ser фенотипы. Далее, эти результаты указывают на то. что передача сигналов Notch между PE и DP может быть важной для нормального развития глаз и может быть обусловлена выпячиваниями через просвет. PE-специфическая избыточная экспрессия glycosyltransferase fringe (fng), которая обеспечивает предпочтения N в отношении его лигандов, продуцирует фенотипы, сходные с фенотипами Ser доминантно негативной избыточной экспрессии (Gibson and Schubiger, 2000(Gibson and Schubiger, 2000). Это также подтверждает интерпретацию, что передача сигналов от PE клеток влияет на активацию Notch в DP. Сегодня неизвестно, существуют ли др. пути, которые также используют выпячивания через просвет, для обеспечения передачи сигналов поперек просвета. Особенный интерес представляет Dpp, который передает сигналы от DP к PE в крыловых и антенных дисках (Gibson et al., 2002; McClure and Schubiger, 2005; Pallavi and Shashidhara, 2005; Stultz et al., 2006).
Интересно, что длинные клеточные отростки идентифицированы также в клетках латеральных частей крылового DP (Ramirez-Weber and Kornberg, 2000). Эти актин-содержащие отростки, наз. "cytonemes" и идут от DP клеток, расположенных в латеральных частях диска, чтобы контактировать с DP клетками, которые секретируют Dpp вблизи A/P границы (Ramirez-Weber and Kornberg, 2000; Hsiung et al., 2005). Пузырьки с интернализованными связанными с рецептором Dpp транспортируются ретроградным способом через цитонемы в направлении удаленных тел клеток и, как полагают, активируют в них передачу сигналов (Hsiung et al., 2005). Наблюдаемая доставка лиганда с помощью цитонем к удаленным клеткам внутри DP ведет к предположению, что отростки через просвет могут также выполнять сходную функцию по доставке лигандов, генерируемых в DP, в PE клетки через просвет. Действительно ли эти двунаправленные передачи сигналов обеспечиваются выпячиваниями через просвет ещё предстоит определить.

Perspectives


Research conducted during the last decade has revealed that the peripodial epithelium is much more than a passive cover overlying the disc proper. In light of these findings, the PE should be considered more carefully during analysis of imaginal disc development. Analysis of gene function specifically within the PE is challenging, as many of the tools traditionally used to perform clonal analysis or to drive gene expression function in both layers. For example, heat shock induced clones may be induced in both layers, and many of the signaling pathways and retinal determination factors (such as dpp, hh, wg, ey, eyes absent, sine oculis, and eyegone) are expressed in both tissues. Some enhancer-based drivers such as dpp-GAL4, are expressed specifically in one layer; however, this is not always the case (e.g. ey-GAL4). For the eye and wing imaginal discs, a PE-specific GAL4 driver has been identified, c311-GAL4 (Manseau et al., 1997; Gibson and Schubiger, 2000). This driver can be used to ectopically express genes in the PE and has also been used in combination with UAS-FLP transgenes to specifically induce loss-of-function mitotic clones in the PE.
The PE is a dynamic and critical part of the eye-antennal imaginal disc, not only for the role it plays in the mechanical contortions of metamorphosis, but throughout development as a source of cells which contribute to the DP, signaling molecules that support and pattern the underlying disc, and direct contributions to adult structures. In addition, signaling is observed to flow bi-directionally between the two layers of the imaginal disc suggesting as yet unknown dimensions of communication and feedback. In particular, the mechanisms for communication between cells separated by a lumen remain unclear. Translumenal extensions are likely to transmit signals from the PE to the DP, including the Notch ligand Ser (Supported by Gibson and Schubiger, 2000). Dpp ligand generated in the DP appears to signal in the PE (Gibson et al., 2002; Pallavi and Shashidhara, 2005), although it is unknown whether translumenal extensions mediate this signal. Actin-based cytonemes appear to function as receiving antennas in lateral DP cells by facilitating rapid transfer of Dpp ligand from Dpp secreting cells near the center of the DP, leading to the hypothesis that the microtubule based translumenal extensions of PE cells may function more like two-way radios, both sending and receiving signals.
A genome wide screen for genes involved in the “second mitotic wave,” the final, coordinated cell division of the eye-imaginal disc, revealed 29 genes that are differentially expressed in the PE in response to over-expression of the activated EGFR pathway ligand Spitz within the DP. Most of these genes are either novel or poorly characterized (Firth and Baker, 2007). These results suggest that we have only begun to understand the functions of PE cells. Further, some reconsideration of known genes may be in order. For example, what are the roles of eyeless, optix, and eyes absent in the PE? These known retinal determination factors are all expressed in the PE, which does not form retina, while the downstream gene dachshund is not. Understanding how these factors are regulated in the PE is likely to provide new insights into the combinatorial control of tissue specification.
Could study of PE development and the interplay between the PE and DP provide additional insights into mechanisms of vertebrate development? Indeed, an interesting model for a conserved regulatory network of ZIC and TGF-β signaling in metazoan head development has been proposed (Lee et al., 2007). Opa is the homolog of the vertebrate “Zinc finger of the cerebellum” or ZIC protein family, which have roles in myogenesis, neurogenesis, skeletal patterning, and left-right axis formation. Mutations in human ZIC genes are associated with cerebellar and cranio-facial malformation resulting in holoprosencephaly (HPE) and Dandy-Walker Complex phenotypes. HPE has variable and complex inheritance, which has led to the hypothesis that it may be subject to multigenic inheritance (reviewed by Ming and Muenke, 2002). In Drosophila, compound heterozygotes for opa and dppsh-c mutations have reduced eye size and variable loss of ventral head structures (Lee, et al., 2007). The regulatory interactions between dpp and opa, the head phenotypes associated with their loss of function, and their strong genetic interaction suggests that regulation of head formation may be conserved in metazoans. Interestingly, mutations in human SHH and SIX3 are also associated with holoprosencephaly (reviewed by Wallis and Muenke, 1999) and their homologs (hedgehog and optix) play important roles in eye imaginal disc development. Further research is necessary to determine if Drosophila head formation offers a succinct model for studying these complicated inherited developmental disorders (Lee et al., 2007). More generally, the tractability and accessibility of these tissues may provide an excellent system for understanding how opposed cell layers communicate and coordinate their growth and differentiation. We see similar opposition, communication, and coordination during multiple stages of vertebrate eye development including direct cell contribution to iris and corneal development by periocular mesenchyme, signaling between the optic vesicle and the developing lens, and the growth and patterning of the neural retina facilitated by the RPE (Raymond and Jackson, 1995; Cvekl and Tamm, 2004; Donner et al., 2006). Insights gained from the study of PE/DP interactions and communications may shed light not only on Drosophila retinal development, but also on developmental strategies employed in the complex assembly of the vertebrate eye.
Сайт создан в системе uCoz