Retinoic Acid Specifies the A-P Axis of the Inner Ear. У беспозвоночных компартменты и границы, как полагают, управляют формированием паттерна. Клетки эмбриона и примордиальные личиночные структуры, такие как крыловые имагинальные диски дрозофилы, организованы в компартменты на базе позиционной информации в форме градиентов морфогенов. Каждый компартмент затем стабилизируется с помощью активности присущих ему селекторных генов, которые инструктируют клетки как относительно их судьбы, и как взаимодействовать с клетками соседних компартментов (23). Сходная гипотеза компартментов и границ была предложена для формирования паттерна во внутреннем ухе (Fekete DM (1996) Cell fate specification in the inner ear. Curr Opin Neurobiol 6:533–541. ).

В ранних 1900s, зеркально расположенные “twinned” уши с двойными передними или двойными задними характеристиками были описаны как результат хирургической ротации презумптивной эктодермы уха у саламандр (25). Эти зеркальные дупликации указывали на то, что зачаток внутреннего уха сначала равнопотенциальный вдоль A-P оси, а позднее компартментализуется вдоль его A-P срединной линии. В последние годы описаны сходные зеркальные удвоения внутреннего уха у рыбок данио и лягушек после нарушения передачи сигналов hedgehog (hh) (26, 27). Парадоксально, передача сигналов hedgehog не является, по-видимому, первичным детерминантом для формирования A-P паттерна внутреннего уха амниот, хотя она важна для формирования dorsal-ventral (D-V) паттерна (4, 28, 29). Хотя остается неясным, как непрерывно действующий источник hedgehog, испускаемых из вентральной срединной линиим может влиять на A-P характеристики внутреннего уха амниот, более недавно было показано, что hh необходим также для формирования D-V паттерна внутреннего уха рыбок данио, что подчеркимвало сходство формирования паттерна внутреннего уха среди позвоночных (30).

Использование нами локального источника экзогенной RA , чтобы получить удвоение задней части уха строго подтверждает мнение, что RA является ключевым морфогеном для формирования паттерна A-P компартментов внутреннего уха у амниот. Нарушение передачи сигналов RA во время критического периода спецификации A-P влияет на качественные особенности A-P внутреннего уха.

Dynamic RA Signaling May Pattern Multiple Cranial Structures in Parallel. Конфигурация “source and sink” (источника и слива), т.е. синтеза RA (каудальная часть мезодермы) и деградация RA (рострально в нервной трубке и эктодерме) является прекрасной моделью, объясняющей как генерируются сигналы, которые устанавливают передний и задний компартменты внутреннего уха (Fig. 7G). Важным свойством этой модели является динамизм, с синтетической и катаболической активностью, сдвигаемой каудально вдоль раннего эмбриона (9, 12). Мы описали здесь два результата, чтобы подтвердить, что A-P отическая компартментализация эффективна в течение ограниченнго временного промежутка с помощью этого динамического процесса. Во-первых, мы использовали RARE-lacZ репортер у мышей, чтобы показать онтогенетически регулируемое устранение чувствительности к RA из переднего, а позднее и из заднего отического эпителия. Во-вторых, мы нашли, как у эмбрионов кур, так и мышей, что эффективность экзогенной RA по изменению экспрессии отических егнов снижается по ходу увеличения срока беременности. Сходная динамика передачи сигналов RA, как было предположено, специфицирует качественные особенности передних рамбомеров (12). Недавние данные на рыбках данио подтвердили, что эффекты передачи сигналов RA вдоль A-P оси тела могут не зависеть от простой диффузии молекул RA только из заднего источника, но скорее от сложной регуляции генов, участвующих в метаболизме RA , в частности, Cyp26s (31). Независимо от механизмов, участвующих в регуляции передачи сигналов RA, наша демонстрация прямых эффектов RA на экспрессию Tbx1 в отическом эпителии и анализ хирургических альтераций заднего мозга (Fig. S3; ref. 4) строго указывают на то, что, по крайней мере у кур паттерны передачи сигналов RA в заднем мозге и внутреннем ухе независимы один от другого. Возможно, что волна передачи сигналов RA координирует образование множественных органов на этом осевом уровне, и др. структуры, такие как бранхиальные дуги и эпибранхиальные плакоды могут покоиться на этой динамической регуляции.

Нарушения передачи сигналов RA на стадиях, более ранних, чем те, что были использованы в экспериментах здесь, такие как дефицитные по витамину А перепела и Raldh2 нокаутные мыши, влияли на расположение по оси слуховой плакоды (33, 34). Эти исследования вместе с результатами, представленными здесь, подтверждают динамичную конфигурацию источника и слива в регуляции с помощью RA, которая сначала специфицирует, где будет позиционирована отическая плакода вдоль A-P оси животного и позднее специфицирует A-P ось самого ушного зачатка.

Molecular Mechanisms by Which RA Patterns the Otic A-P Axis. Наблюдаемое ступенчатообразное и онтогенетически регулируемое устранение чувствительности к RA указывает, что прямые эффекты RA на отическую транскрипцию поддерживаются в течение более длинного периода в задней по сравнению с передней областью, эти различия д. лежать в основе дивергенции этих отических регионов в функционально самостоятельные структуры внутреннего уха. Т.о., низкая концентрация RA или кратковременное воздействие д. индуцировать переднюю, нейросенсорную судьбу, тогда как высокая концентрация или более длительное воздействие RA индуцирует задние, в основном несенсорные судьбы. Регулируются ли нейросенсорные гены непосредственно с помощью RA в передней отической области ещё предстоит определить. Недавние данные показали, что передняя нейрогенная судьба у эмбрионов кур зависит от Fgf8 и Sox3 (35).

Мы предоставили доказательства прямого эффекта передачи сигналов RA на транскрипцию Tbx1, гена, который участвует в обеспечении задних отических характеристик. У мышей, лишенных Tbx1, возникает расширение задней части переднего нейросенсорного домена и дупликации ганглия CVG, тогда как трансгенная избыточная экспрессия TBX1 человека вызывает уменьшение размеров нейрогенного домена и ганглия (19). Представленные здесь результаты показывают, что, по крайней мере, некоторые эффекты RA's по формированию A-P паттерна обеспечиваются с помощью активности Tbx1.

Итак, RA, которая является хорошо известным морфогеном для сомитогенеза, морфогенеза сердца и формирования паттерна бранхиальных дуг (7, 32, 36, 37), является также важным детерминантом формирования A-P паттерна во внутреннем ухе амниот. Детальный механизм, с помощью которого RA обеспечивает A-P характеристики и способствует приобретению разных отических судеб в ответ на разные концентрации и продолжительность воздействия нуждается в дальнейшем исследовании и может стать ценным для создания техники с использованием плюрипотентных стволовых клеток в качестве терапевтического подхода для смягчения нейросенсорной потери слуха (38, 39).