WMZ: Z191701361450 WMR: R209318204033 |
Differentiation of the Lateral Compartment of the Cochlea Requires a Temporally Restricted FGF20 Signal. | |
A large proportion of age-related hearing loss is caused by loss or damage to outer hair cells in the organ of Corti. The organ of Corti is the mechanosensory transducing apparatus in the inner ear and is composed of inner hair cells, outer hair cells, and highly specialized supporting cells. The mechanisms that regulate differentiation of inner and outer hair cells are not known. Here we report that fibroblast growth factor 20 (FGF20) is required for differentiation of cells in the lateral cochlear compartment (outer hair and supporting cells) within the organ of Corti during a specific developmental time. In the absence of FGF20, mice are deaf and lateral compartment cells remain undifferentiated, postmitotic, and unresponsive to Notch-dependent lateral inhibition. These studies identify developmentally distinct medial (inner hair and supporting cells) and lateral compartments in the developing organ of Corti. The viability and hearing loss in Fgf20 knockout mice suggest that FGF20 may also be a deafness-associated gene in humans.
| Врожденная потеря слуха среди наиболее распространенных наследственных болезней, затрагивающих 2-3 детей на 1,000 живорожденных [1]. Приобретенная связанная с возрастом потеря слуха затрагивает треть людей в возрасте 65 [2]. Большая пропорция связанной с возрастом потери слуха является нейросенсорной и вызывается потерей или повреждениями наружных волосковых клеток (OHC) в органе Корти (OC) [3],[4]. OC является аппаратом сенсорной трансдукции в улитке и состоит из одного ряда внутренних волосковых клеток (IHC) и трех рядов OHCs, которые разделены двумя pillar cells (PCs), которые формируют туннель Корти. Каждая сенсорная волосковая клетка ассоциирует с подлежащей поддерживающей клеткой (SC). Хотя отмечается определенный прогресс в понимании механизмов дифференцировки волосковых клеток (HC) и SC [5],[6], клеточные сигналы, которые специфицируют определенные фенотипы IHCs и OHCs неизвестны [7].
Передача сигналов Fibroblast growth factor (FGF) выполняет существенные функции на некоторых стадиях развития внутреннего уха. На 9-10 день эмбриогенеза (E9-E10) развивающихся мышей FGF3, FGF8 и FGF10 являются существенными для развития отического пузырька [8]. Эти лиганды передают свои сигналы через FGF рецептор (FGFR) 2b в слуховом эпителии, а мыши, лишенные Fgfr2b обнаруживают нарушения развития отического пузырька [9]. На более поздних стадиях развития передача сигналов FGF необходима для морфогенеза органа Корти. На стадии E11.5, Fgfr1 экспрессируется в вентромедиальной стенке отоциста, области, которая дает улитку [10]. На ст. E15, экспрессия Fgfr1 обнаруживается в сенсорном эпителии развивающейся улитки [11],[12]. Связанное с условиями разрушение Fgfr1 в клетках предшественниках сенсорного эпителия (with Foxg1cre) приводит к тяжелой редукции количества HC, возможно из-за снижения пролиферации клеток предшественников [10]. Сходный фенотип наблюдался также в органных культурах, обработанных ингибиторами FGFR [11]. Fgf20 экспрессируется в презумптивном эпителиальном домене развивающейся улитки на ст. E13.5, а ингибирование антителами FGF20 в органной культуре улитки приводит к образованию лишь немногих SCs и HCs [11]. Эти исследования указывают на то, что FGF20 может быть лигандом для FGFR1 во время раннего роста и стадий дифференцировки развития улитки.
На боле поздних стадиях развития органа Корти (после E15), ингибирование передачи сигналов FGF ведет к потере PCs, указывая тем самым на дополнительную стадио-специфическую роль передачи сигналов FGF [13]. предполагается, что эта функция обеспечивается с помощью передачи сигналов FGF8 на FGFR3. Fgfr3 экспрессируется после E15.5 в недифференцированных постмитотических клетках предшественниках, которые, как полагают, обладают способностью формировать OHCs, Deiters' cells (DCs), PCs и Hensen's cells (HeCs) [12-15]. Генетические нарушения Fgfr3 предупреждают дифференцировку PCs и образование туннеля Корти и приводят к глухоте [13],[15],[16]. FGF8 экспрессируется в IHCs, где он индуцирует дифференцировку PCs и образование одного ряда OHCs посредством передачи сигналов FGFR3 [10],[17],[18].
Механизмы, которые регулируют образование OHCs, особенно важны, учитывая важность OHCs для функции слуха и связанной с возвратом потери слуха. Хотя мышиные мутанты, лишенные FGFR1 подтверждают роль передачи сигналов FGF в развитии OHC [10], лежащие в основе механизмы, регулирующие развитие OHC неизвестны. Мы получили мышей, лишенных FGF20 (Fgf20-Gal/-Gal). Было показано, что Fgf20-Gal/-Gal жизнеспособны, здоровы и с рождения глухи, специфически лишены OHCs и наружных поддерживающих клеток и обнаруживают дефекты формирования паттерна в большей части сенсорного эпителия. Эти исследования показали, что орган Корти подразделен на онтогенетически различающиеся медиальный (IHCs и внутренние SCs) и латеральный (OHCs и наружные SCs) компартменты, которые находятся под контролем разных онтогенетических программ. Согласно этой модели существуют самостоятельные клетки предшественники, которые дают медиальный и латеральный компартменты органа Корти. Figure 7. Schematic model of sensory cell development in the organ of Corti. Diagram showing that FGF20 specifically functions to initiate lateral compartment development. The differential activity of FGF20 suggests that there may be separate progenitor cells for the medial and lateral cochlear compartments. Discussion Механизмы. которые по разному регулируют образование внутренних по сравнению с наружными волосковыми клетками, изучены плохо. В данной работе мы показали, что Fgf20-Gal/-Gal обладают специфическим дефицитом образования OHCs и наружных поддерживающих клеток, которые образуют латеральный компартмент органа Корти. Эти наблюдения указывают на то, что передача сигналов FGF может регулировать способность к росту или дифференцировке клеток предшественников, которые дают латеральный компартмент клеток, развитие медиального компартмента (IHCs и внутренние SCs) и латерального компартмента может контролироваться разными механизмами (Figure 7). Кроме того, поскольку Fgf20-Gal/-Gal мыши жизнеспособны и здоровы, но с рождения глухи, то FGF20 скорее всего, является геном кандидатом на роль наследственной глухоты у человека. Интересно, что ген FGF20 локализуется на хромосоме 8p22-21.3 человека внутри аутосомного рецессивного несиндромального локуса нарушения слуха, DFNB71 [31]. Timing of FGF Signaling and Sensory Cell Differentiation Чтобы идентифицировать время развития, когда FGF20 действует, чтобы регулировать дифференцировку латерального компартмента, предприняты эксперименты по восстановлению его активности в Fgf20βGal/βGal улитках, помещаемых в культуру до дифференцировки (E13.5) и затем добавляли FGF9 к культуре в разные промежутки времени. Эти эксперименты показали, что дефекты дифференцировки латерального компартмента у Fgf2βGal/βGal мышей могут быть устранены только если FGF9 добавлялся во время или перед E14.5. Однако воздействие FGF9 после E15.5 было неспособно устранять фенотип Fgf20βGal/βGal мышей. Это интересно, поскольку период E14.5-15.5 соответствует времени, когда спецификация сенсорных клеток завершалась и начиналась дифференцировка HC и SC [5],[32].
Изменения в эпителии улитки, которые делают её нечувствительной к передаче сигналов FGF после E14.5, неизвестны. Возможно, что происходит потеря экспрессии FGFR1, что FGFR1 становится нечувствительным к клеточным путям сигнальной трансдукции, или что потеря кофакторов необходима для активации лигандом FGFR1. В развитии легких, сдвиг вперед (feed forward) сигнальной петли связывает FGF9 с передачей сигналов Wnt/β-catenin и поддержанием экспрессии FGFR. Потеря Fgf9 ведет к потере экспрессии Fgfr1 и Fgfr2 и последующей потере чувствительности эксплантированных легких к экзогенному FGF9 [33]. Если сходная feed forward петля функционирует в просенсорном эпителии внутреннего уха, то потеря экспрессии FGFR у Fgf20βGal/βGal мышей может объяснить потерю чувствительности к экзогенному FGF после E14.5. Однако во внутреннем ухе FGF20 продолжает экспрессироваться в IPhCs и на низких уровнях в PCs вплоть до ранней постнатальной стадии (Figure 2). Это указывает на то, что передача сигналов FGF20 может выполнять дополнительную роль в развитии улитки. На ст. P0, βGal окрашивание указывает на то, что Fgf20 экспрессируется на самых высоких уровнях в апексе улитки (Figure 2). Поскольку дифференцировка апикальной части улитки задерживается у Fgf20βGal/βGal mмышей (Figure 3), то FGF20 может действовать на более поздних стадиях развития, чтобы способствовать созреванию сенсорных клеток.
Поскольку повреждения или потеря OHCs, как полагают, является основной причиной нейросенсорной потери слуха, то попытки восстановить слух у некоторых пациентов с нейросенсорной потерей слуха были предприняты путем регенерации OHCs. Понимание изменений, которые происходят в клетках сенсорных предшественников между E14.5 и E15.5 оказалось важным, т.к. они могут дать информацию о путях, которые необходимо предпринять для реактивации предшественников OHC у взрослых или для защиты OHCs от ототоксических повреждений. Хотя сама по себе передача сигналов FGF20 может быть недостаточной, чтобы индуцировать регенерацию OHCs, она может быть необходима в комбинации с др. сигнальными молекулами. Напр., в развитии легких чувствительность легочной ткани, отсутствующая к FGF9, может быть восстановлена путем одновременного воздействия Fgf9-/- эксплантов активаторами передачи сигналов Wnt/β-catenin и FGF9 [34]. The FGF9 Family Has Unique Signaling Properties in Development Подсемейство Fgf9 включает Fgf16 и Fgf20 [35]. В соответствии с законсервированными последовательностями внутри этого подсемейства, биохимические активности FGF20 сходны с таковыми FGF9 и FGF16 [26]. In vitro, FGF20 соединяется и активирует сплайс-варианты FGFR1, FGFR2 и FGFR3, которые обычно экспрессируются в мезенхимных клетках, и b сплайс-вариантами FGFR3, которые экспрессируются в эпителиальных клетках [26]. Однако фенотип Fgf20?Gal/?Gal мышей более похож на тот, что наблюдается у Fgfr1 условных делеционных мутантов, при котором эпителиальный Fgfr1 инактивируется в сенсорном эпителии развивающегося внутреннего уха с помощью Foxg1cre [10]. Фенотипическое сходство строго подтверждает, что FGFR1 является физиологическим рецептором для FGF20. Поскольку, in vitro, FGF20 активирует FGFR1c в значительной большей степени, чем FGFR1b [26], вариант FGFR1c может экспрессироваться в сенсорном эпителии развивающейся улитки. Альтернативно, уникальные кофакторы в сенсорном эпителии улитки могут позволять FGF20 активировать FGFR1c. FGF Signaling and Hair Cell Regeneration Сенсорный эпителий улитки млекопитающих не может регенерировать после ототоксических или шумовых повреждений; однако внутреннее ухо птиц и амфибий отвечает на ототоксические или шумами вызванные повреждения мощной регенеративной реакцией, которая приводит к полному восстановлению функции [36]. Лежащие в основе механизмы, объясняющие эти различия в регенеративной способности неизвестны. Однако, в принципе реактивация соотв. сигнальных путей во внутреннем ухе млекопитающих должна быть способной к воспроизведению реакции птиц, приводя как восстановлению функции, так и предупреждению дальнейшей патологии. Наши наблюдения, что FGF20 действует как разрешающий фактор дифференцировки латерального компартмента, подтверждают, что передача сигналов FGF может быть необходимым фактором, способствующим регенерации внутреннего уха. Кроме того, рыбки данио, лишенные FGF20, жизнеспособны и здоровы, но обнаруживают дефекты своей способности регенерировать поврежденные плавники [37]. Эти наблюдения указывают на то, что передача сигналов FGF и особенно FGF20 или родственных FGFs, могут быть важными факторами для регенерации различных тканей, включая и внутреннее ухо. Индуцибельные генетические системы у мышей и идентификация сигнальных путей, которые взаимодействуют с FGF20, необходимо протестировать в отношении защитного и регенеративного потенциала FGF20 к шумовым и ототоксическим повреждениям во внутреннем ухе млекопитающих.
|