Посещений: 
ЭМБРИОНАЛЬНЫЙ МИОГЕНЕЗ У XENOPUS
Миогенные волны и миогенные программы
|
|
Myogenic waves and myogenic programs during Xenopus embryonic myogenesis Bruno Della Gaspera, Anne-Sophie Armand, Ines Sequeira, Albert Chesneau‡, Andre Mazabraud, Sylvie Lecolle, Frederic Charbonnier, Christophe Chanoine Developmental Dynamics
Volume 241, Issue 5, pages 995–1007, May 2012 |
Background: Although Xenopus is a key model organism in developmental biology, little is known about the myotome formation in this species. Here, we assessed the expression of myogenic regulatory factors of the Myod family (MRFs) during embryonic development and revealed distinct MRF programs. Results: The expression pattern of each MRF during embryonic development highlights three successive myogenic waves. We showed that a first median and lateral myogenesis initiates before dermomyotome formation: the median cell population expresses Myf5, Myod, and Mrf4, whereas the lateral one expresses Myod, moderate levels of Myogenin and Mrf4. The second wave of myoblasts arising from the dermomyotome is characterized by the full MRF program expression, with high levels of Myogenin. The third wave is revealed by Myf5 expression in the myotome and could contribute to the formation of plurinucleated fibers at larval stages. Furthermore, Myf5- or Myod-expressing anlagen are identified in craniofacial myogenesis. Conclusions: The first median and lateral myogenesis and their associated MRF programs have probably disappeared in mammals. However, some aspects of Xenopus myogenesis have been conserved such as the development of somitic muscles by successive myogenic waves and the existence of Myf5-dependent and -independent lineages. Developmental Dynamics 241:995–1007, 2012. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.
Рис. в оригинале статьи
|
Basic helix-loop-helix myogenic regulatory factors (MRFs) семейства Myod, Myod, Myf5, Mrf4 (Myf6) и Myogenin (Mgn), участвуют в контроле миогенеза. Они образуют гетеродимеры с членами семейства E-белков и соединяются с консенсусной последовательностью ДНК, CANNTG, нказ. E-box, чтобы активировать транскрипцию мышце-специфических генов (Berkes and Tapscott, 2005). Эксперименты по устранению активности генов у мышей показали, что Myf5, Myod и Mrf4 (Kassar-Duchossoy et al., 2004; Buckingham and Vincent, 2009) могут быть определены как факторы миогенной дифференцировки. Более того, Myod, Myogenin и Mrf4 ивации экспрессии генов скелетных мышц во время миогенной дифференцировки. Анализ роли MRF c помощью экспериментов по потере функции, проведенных также на рыбках данио, видах амниот, у которых Myod и Myf5 действуют как факторы детерминации (Maves et al., 2007; Hinits et al., 2009).
Миогенез Xenopus отличается от такового у млекопитающих и птиц, из-за двухфазного развития, характеризующегося радикальной реорганизацией тела при метаморфозе (Chanoine and Hardy, 2003; Elinson, 2007). Эмбриональный и личиночный миогенез определяется как первичный миогенез, а за ним следует вторичный миогенез, инициируемый во время метаморфоза. Довольно характерным для этих видов то, что во время метаморфоза первичные миофибриллы миотомов полностью гибнут и прогрессивно замещаются вторичными, "взрослыми" многоядерными миофибриллами. Хотя клеточные и молекулярные события, ассоциированные со специфическими онтогенетическими судьбами личиночного- и взрослого-типа мышц, начинают выявляться, но многочисленные аспекты первичного миогенеза ещё нуждаются в выяснении (Chanoine and Hardy, 2003). Развитие эмбриональных и плодных мышечных волокон у позвоночных осуществляется путем появления последовательных миогенных волн (Tajbakhsh, 2009). Однако существуют критические различия между сомитным миогенезом млекопитающих и анамниот: у млекопитающих все мышечные клетки туловища и конечностей происходят их дермомиотомов (Buckingham and Vincent, 2009). Этого не происходит у Xenopus, поскольку дермомиотом-подобные структуры развиваются после появления самых ранних мышечных волокон (Grimaldi et al., 2004). В самом деле, структура, первоначально названная "дерматом," стала первым гистологическим описанием дорсо-латерального региона сомитов Xenopus (Hamilton, 1969). Сравнительно недавно, Grimaldi et al. (2004) показали, что этот регион сходен с амниотическими дермомиотомами поскольку он экспрессирует Pax3 и дает миогенные клетки на epaxial и hypaxial уровнях со стадии 28/30 (Martin and Harland, 2001).
В данной работе мы оценивали c помощью гибридизации in situ экспрессию MRF в последовательных миогенных волнах, участвующих в формировании миотомов и черепно-лицевых мышц во время первичного миогенеза. В сомитах охарактеризованы три миогенные волны, экспрессирующие отличающиеся миогенные программы. В черепно-лицевом миогенезе мы идентифицировали Myf5- или Myod-экспрессирующие зачатки. Итак. эти данные позволяют нам предложить модель первичного миогенеза Xenopus.
DISCUSSION
Детальный анализ экспрессии MRF предоставляет новую информацию о молекулярных событиях, регулирующих миогенез, которая позволяет нам лучше понять конструкцию миотомов у Xenopus. Мы подчеркиваем тот факт, что: (1) , по крайней мере три миогенные волны участвуют в формировании миотомов; и (2) разные миогенные программы могут быть охарактеризованы во время сомитного и черепно-лицевого миогенеза (Fig. 10).
Figure 10. A: Schematic representation of median and lateral myogenesis formation in Xenopus on dorsal view. B: Myogenic waves and myogenic regulatory factor (MRF) programs involved in myotome formation. C: Myf5- and Myod-expressing anlagen during craniofacial myogenesis.
Xenopus Myogenic Waves
Первоначальное подразделение миотома на медианный и латеральный домен кажется общей схемой миогенеза анамниот. У рыбок данио адаксиальные клетки, которые дают медленные волокна и субпопуляцию быстрых волокон, локализуются медиально, тогда как остальные быстрые волокна формируются латерально (Devoto et al., 1996; Groves et al., 2005; Hinits et al., 2009). У Xenopus, формирование паттерна миотомов, по-видимому, не зависит от типа мышечных волокон, поскольку медленные мышечные волокна появляются позднее (Grimaldi et al., 2004). Медианный миогенез дает первые дифференцированные волокна, расположженные вблизи хорды, а латеральный миогенез дает дерсомедианную и вентролатеральную популяции, которые, по-видимому, продолжают расти до стадии хвостовой почки (Fig. 8A). Наши эксперименты по отслеживанию клеток сравнимы с экспериментами по картированию судеб клеток вокруг бластопора гаструлы, осуществленному Krneta-Stankic et al., (2010), где наиболее латеральные клетки маргинальной зоны давали мышечные волокна в дорсальной и вентральной областях сомитов, тогда как наиболее медианные (дорсальные) клетки оставались ассоциированными с хордой в регионах головы и туловища. Мы не можем исключить, что дермомиотом может вносить вклад в рост этих двух латеральных популяций, т.к. Col1a1, маркер дерма-подобных клеток у анамниот, начинает экспрессироваться в дорсальной части сомитов на ст. 21-22 (данные не показаны). Независимо от того, имеет ли это место, начиная со ст. 26-27, дермомиотом генерирует вторую миогенную волну (Grimaldi et al., 2004). Если эмбриональный миогенез сравнивать у Xenopus и мышей, то видно, что первый медианный и латеральный миогенез исчезают во время эволюции, поскольку все мышцы туловища и конечностей происходят из дермомиотома млекопитающих. С др. стороны, вторая миогенная волна у Xenopus эффективно обладает некоторыми общими характеристиками с миогенезом млекопитающих: (1) она исходит из дермомиотома и генерирует epaxial и hypaxial миогенные клетки как и у мышей; (2) она инициируется c помощью Myf5 с сильной экспрессией Myogenin как у мышей (Edmondson et al., 1994); и (3) она сопровождается также экспрессией Mef2c в межсомитных пространствах (della Gaspera et al., 2009) как у мышей (Edmondson et al., 1994). Тем же самым способом третья миогенная волна Xenopus должна возникать из Pax3/Pax7 предшественников, расположенных в сомитах, что подтверждается данными на мышах и курах (Relaix et al., 2005; Gros et al., 2005). Pax7-позитивные мышечные стволовые клетки наблюдались также в миотомах Xenopus на стадии 46 (Chen et al., 2006). Myf5-позитивные клетки из третьей волны должны участвовать в формировании многоядерных (plurinucleated) клеток, что происходит, начиная со стадии 45 у Xenopus laevis (Kielbowna and Daczewska, 2005).
Xenopus MRF Programs
Медианный миогенез характеризуется миогенной программой, экспрессирующей Myf5, Myod и Mrf4. Напротив, дифференцировка латеральных миогенных клеток маркируется существенным накоплением мРНК Myod, что сопровождается умеренными уровнями транскриптов Myogenin и Mrf4, но отсутствует устойчивый уровень мРНК Myf5 (Fig. 10A,B). Вторая миогенная волна и hypaxial мигрирующие мышечные клетки экспрессируют полную миогенную программу. В голове, некоторые мышечные зачатки экспрессируют только Myf5, тогда как др. экспрессируют только Myod, а некоторые др. экспрессируют и Myod и Myf5 (Fig. 10B). Т.о., экспрессия MRF у Xenopus выявляет существование разных миогенных программ (Fig. 10A). Наши результаты указывают на то, что Myf5 в отдельности является слабым индуктором маркеров дифференцировки, поскольку он индуцирует низкую эктопическую экспрессию Actc и Des, согласно результатам Ishibashi et al. (2005) в культуре клеток млекопитающих. Myf5 , по-видимому, скорее всего, участвует в пролиферации или поддержании популяции миобластов, что подтверждается его преимущественной локализацией в недифференцированных миогенных клетках Xenopus . IУ рыбок данио мутанты Myf5 погибают во время личиночного роста (Hinits et al., 2009). Принимая во внимание, что рост мышц д. быть сходным у рыбок данио и Xenopus во время личиночных стадий, Myf5 д. быть необходим для развития и жизнеспособности третьей миогенной волны у Xenopus. В противоположность Myf5, Myod является сильным индуктором мышечной дифференцировки у Xenopus. У рыбок данио Myod управляет дифференцировкой большинства мышц (Hinits et al., 2009). Хотя первый медианный и латеральный миогенез исчезает у млекопитающих с потерей независимого от дермамиотомов миогенеза, кажется, что некоторые свойства программ MRF, ассоциированные с первым медианным и латеральным миогенезом, сохраняются: во-первых, идентифицированные Myf5-независимые клоны в epaxial и hypaxial регионах у мышей in mice (Haldar et al., 2008; Gensch et al., 2008), могут соответствовать Myod экспрессирующим клеткам в позднем миогенезе у Xenopus; во-вторых, Myogenin, который не участвует в инициальной фазе образования миотомов (Venuti et al., 1995) , но является критическим для дифференцировки эмбриональных и плодных миобластов у мышей (Hasty et al., 1993; Nabeshima et al., 1993), экспрессируется от слабого до умеренного уровня во время формирования миотомов у Xenopus, но на высоких уровнях во время второй волны миогенеза у Xenopus . С др. стороны, Mrf4, который способен инициировать миогенез только в эмбриональных сомитах во время развития мышей (Kassar-Duchossoy et al., 2004; Sambasivan et al., 2009), этот последний MRF всегда экспрессируется во всех мышечных клетках Xenopus (Fig. 8B), а мутантные Mrf4 рыбки данио, по-видимому, жизнеспособны и не имеют видимых дефектов в развитии мышц (Hinits et al., 2009). Т.о. функция детерминации Mrf4 может быть приобретена у млекопитающих, поскольку у них теряется первый медианный и латеральный миогенез.
Xenopus Head Muscles
Наш анализ подтверждает идею, что ранее описанные головные сомиты Xenopus (Chung et al., 1989) формируются рано из передних клеток медианного миогенеза, эти клетки экспрессируют как Myf5, так и Myod. Более того, экспрессия Pitx2 и Tbx1 в популяциях клеток, которые инициируют окологлазной (extraoccular) или бранхиомерный (branchiomeric) миогенез, подобный с таковым у Xenopus и миног (Boorman and Shimeld, 2002; Sauka-Spengler et al, 2002), подтверждая, что транскрипция регуляторной сети, участвующая в черепно-лицевом миогенезе, законсервирована у позвоночных от миног до мышей (Sambasivan et al., 2011). Итак. миогенная программа, которая участвует в формировании сомитов головы, по-видимому, независима от таковой, принимающей участие в черепно-лицевом миогенезе, чья дифференцировка инициируется позднее. Однако мы не можем исключить, что некоторые клетки, которые экспрессируют Myf5 и Myod, происходящие из передней параксиальной мезодермы, должны участвовать в выделении черепно-лицевого клона у Xenopus. Более тщательный клональный анализ необходим для решения этого вопроса. Сегменты головной мезодермы были описаны у хордовых amphioxus, у бесчелюстных рыб миног и у базовых челюстных рыб акул (Holland et al., 2008). Одна из гипотез предполагает, что amphioxus-подобный предшественник теряет большинство передних сомитов в голове, чтобы дать зачатки черепно-лицевых мышц позвоночных (Holland et al., 2008; Sambasivan et al., 2011). Головные сомиты или полости, присутствующие у бесчелюстных рыб миног и у акулообразных (elasmobranchs), могут быть остатками сомитов amphioxus (Holland et al., 2008). Однако споры об эволюционных отношениях между головными мезодермальными сегментами у столь разных видов всё ещё дискуссионны (Kusakabe and Kuratani, 2007). Присутствие головных полостей у миног оспаривается и может быть synapomorphy у акулообразных (Kuratani, 2008). Незрелые сомиты или головные сомитомеры были также идентифицированы у некоторых амфибий и амниот (Jacobson, 1988), но их существование спорно (Sambasivan et al., 2011). Удивительно, что у видов амфибий, подобных Xenopus, головные сомиты существуют и формируются рано в результате медианного миогенеза. Они вероятно являются производными характеристиками и Xenopus мог приобрести головные сомиты, как полагают, повторяющиеся сегменты мб. получены или потеряны во многих группах (Holland et al., 2008). Альтернативно, если головной медианный миогенез у Xenopus является пережитком родоначального сомитогенеза, то встает вопрос: является ли медианное и латеральное подразделение, наблюдаемое в туловищных сомитах у рыбок данио (Hinits et al., 2009) и Xenopus (this work), гомологичным в головной параксиальной мезодерме?
Myf5 играет важную роль во время черепно-лицевого миогенеза мышей (Sambasivan et al., 2009). Точно таким же образом, Xenopus Myf5 строго экспрессируется в окологлазных мышцах и в верхнем регионе зачатков бранхиальных мышц, по сравнению с Myod. Однако существуют интригующие различия между черепно-лицевыми миогенными программами у видов позвоночных. Специфические характеристики черепно-лицевого миогенеза у Xenopus обнаруживаются в присутствии Myf5- или Myod-экспрессирующих клеток. Этого не наблюдается в слу4чает рыбок данимо (Hinits et al., 2009), и у мышей (Sambasivan et al., 2009). С др. стороны, Mrf4, действуя синергично с Myf5, способен действовать выше Myod во время образования окологлазных мышц у мышей (Sambasivan et al., 2009) , но лишь последний из MRF экспрессируется у рыбок данио (Hinits et al., 2009) и Xenopus. Поскольку это паттерн поздней экспрессии, то мы предполагаем, что Mrf4 возможно не действует выше Myod во внеглазном миогенезе у Xenopus. Однако мы не можем исключить, что в большинстве дифференцированных экспрессирующих Myf5 зачатках, Mrf4 может действовать выше Myod и трансактивировать ген Myod. Эти своеобразные программы Xenopus рыб и амниот. Можно предположить, что потеря у эмбрионов Xenopus черепно-лицевых программ во время эволюции может быть связана с крупными эволюционными изменениями, подобно исчезновению у амниот метаморфоза. В таком случае общий предшественник амфибий и амниот является метаморфным животным, как предполагает Reiss (2002), понимание того, как эмбриональный и метаморфный черепно-лицевой миогенез возникли, может быть важным для объяснения образования головных мышц у амниот.
|