Посещений:
ВРОЖДЕННЫЕ БОЛЕЗНИ СЕРДЦА

Роль пердачи сигналов ВМР

BMP signaling in congenital heart disease: New developments and future directions
Jun Wang, Stephanie B. Greene, James F. Martin
Birth Defects Research Part A: Clinical and Molecular Teratology Special Issue: Congenital Heart Defects Volume 91, Issue 6, pages 441–448, June 2011

Congenital heart malformations are the most common of all congenital human birth anomalies. During the past decade, research with zebrafish, chick, and mouse models have elucidated many fundamental genetic pathways that govern early cardiac patterning and differentiation. This review highlights the roles of the bone morphogenetic protein (BMP) signaling pathway in cardiogenesis and how defective BMP signals can disrupt the intricate steps of cardiac formation and cause congenital heart defects. Birth Defects Research (Part A), 2011. © 2011 Wiley-Liss, Inc.


Рисунки к статье


Bone morphogenetic proteins (BMPs) являются членами эволюционно консервативного сверхсемейства transforming growth factor-β (TGF-β), которые передают сигналы посредством гетеродимерных комплексов, состоящих из type I и type II рецепторов. BMPs были первоначально открыты благодаря их способности индуцировать образование костей и хрящей, но дополнительные исследования выявили их важные роли во многих аспектах эмбриогенеза (Hogan,1996a,1996b). В каноническом пути передачи сигналов BMP, BMP лиганды соединяются с type II рецептором, таким как Bmpr2 и затем активируют type I рецептор, такой как Bmpr1a, чтобы фосфорилировать BMP рецептором-регулируемый Smad (R-Smad) сигнальные трансдукторы Smad1, Smad5 или Smad8 (Derynck and Zhang,2003; Shi and Massague,2003). После освобождения от рецепторного комплекса, фосфорилированный R-Smad ассоциирует с широко распространенным Smad4, чтобы сформировать тримерный комплекс, состоящий из двух R-Smads и Smad4, который затем может индуцировать транскрипцию нижестоящих генов (Fig. 1). Кроме того, передача сигналов BMP также осуществляется посредством non-Smad сигнальных путей, таких как MAPK-сигнальный путь (Aubin et al.,2004; Nohe et al.,2004; Xu et al.,2008).
Недавние находки показали, что сигналы BMP могут регулировать экспрессию генов посредством microRNA (miRNA)-обеспечиваемых путей (Davis et al.,2008). В определенных контекстах передача сигналов BMP регулирует экспрессию miRNA посредством канонического эффекторного пути (Li et al.,2008). Кроме того, Smad1/5 формируют межбелковые взаимодействия с комплексом Drosha , чтобы регулировать процессинг первичной (pri-) miRNA в предшественник (pre-) miRNA (Fig. 1). Это взаимодействие между Smad и Drosha комплексами не зависят как от Smad4, так и C-терминального фосфорилирования (Davis et al.,2008). Более того, недавнее исследование идентифицировало РНК Smad-связывающий элемент внутри стволовой последовательности из субнабора pri-miRNAs; этот элемент соединяется с MH1 доменом Smad1/5 и необходим и достаточен для расщепления Drosha (Davis et al.,2010). Эти новые находки показали, что Smad1/5 являются мультифункциональными молекулами, которые помимо регуляции транскрипции также действуют как часть ферментативного комплекса, чтобы способствовать процессингу miRNA.

Figure 1. Summary of BMP-signaling pathway. In the canonical pathway, bone morphogenetic protein (BMP) ligands bind to type II receptors then activate type I receptors. Activated type I receptors phosphorylate R-Smads (Smad 1, 5, 8); following release from the type I receptors, phosphorylated R-Smads associate with the common Smad4 to form complex, which can then initiate transcription of target genes. Recent findings indicate that BMP signals regulate gene expression through pathways mediated by microRNAs. BMP signaling can regulate miRNA expression via the canonical pathway. In addition, Smad1/5 can bind to a sequence-specific site in the primary (pri)-miRNA to recruit the Drosha complex and promote the processing of the pri-miRNA to the precursor (pre)-miRNA (Davis et al.,2008; Davis et al.,2010; Li et al.,2010).

Overview of BMP Ligand and Receptor Germ Line Loss of Function Studies in Mice


Мыши с функциональными нарушениями (нокаутом) Bmp2 и Bmp4 нежизнеспособны. Bmp2 нокаутные мыши погибают на 7.5 ~10.5 days post coitum (dpc) и обнаруживают дефекты развития амниона-хориона и сердца (Zhang and Bradley,1996). Bmp4 нокаутные мыши погибают на 6.5 - 9.5 dpc и обнаруживают дефекты дифференцировки мезодермы (Winnier et al.,1995). И Bmp5 и Bmp6 нокаутные мыши жизнеспособны и плодовиты с отсутствием серьезных аномалий сердца (Kingsley et al.,1992; Solloway et al.,1998). Bmp7-дефицитные мыши погибают после рождения и обнаруживают тяжелые дефекты развития почек и глаз, а также минорные скелетные дефекты (Dudley et al.,1995; Luo et al.,1995). Поскольку Bmp5, Bmp6 и Bmp7 входят в одну и туже подгруппу семейства BMP и индивидуальные нокаутные мыши неспособны раскрыть роль в кардиогенезе, функциональное перекрывание может лежать в основе наблюдаемых фенотипов индивидуальных нокаутов. Мыши с двойным нокаутом имеют более тяжелые фенотипы, чем индивидуальные нокауты. Bmp5 и Bmp7 двойные нокаутные мыши являются эмбриональными леталями на 10.5 dpc, с дефектами образования кардиальных подушек и они обнаруживают и др. дефекты внутри ко-экспрессирующих тканей (Solloway and Robertson,1999). Bmp5 и Bmp6 двойные мутантные животные обнаруживают слегка усиленные дефекты грудины по сравнению с Bmp6 нокаутными мышами (Solloway et al.,1998). Bmp6 и Bmp7 двойные нокаутные мыши погибают на 10.5 -15.5 dpc от кардиальных дефектов (Kim et al.,2001).
Bmpr1a нокаутные мыши погибают на 9.5 dpc из-за отсутствия образования мезодермы. Кроме того, морфологические дефекты впервые выявляются на ст. 7.5 dpc, это подтверждает критическую роль Bmpr1a в индукции мезодермы во время гаструляции (Mishina et al.,1995). Bmpr1b не экспрессируется во время раннего кардиального развития, а нокаутные мыши жизнеспособны, но обнаруживают дефекты в добавочном скелете (Yi et al.,2000). Bmpr2 необходим для гаструляции у мышей и его нокаут является ранней эмбриональной леталью (Beppu et al.,2000).
Исследования потери функции зародышевых клеток также выявили роль Smad1 и Smad5 в эмбриогенеза. Smad1 нокаутные мыши погибают на 10.5 dpc из-за неспособности формировать соединения между пупочным канатиком и плацентой (Tremblay et al.,2001). Smad5 нокаутные мыши погибают на 10.5 -11.5 dpc из-за дефектов в ангиогенезе и образовании сердечной петли, что является вторичным по отношению к нарушениям передачи сигналов лево-правосторонней асимметрии (Yang et al.,1999; Chang et al.,2000). Smad8 нокаутные мыши жизнеспособны и плодовиты, но имеют нарушения ремоделирования легочной сосудистой системы (Huang et al.,2009). Мутации nonsense в Smad8 приводят к укороченному белки у пациентов с ассоциированной гипертензией легочной артерии (Shintani et al.,2009). Smad4 нокаутные мыши погибают перед 7.5 dpc и обнаруживают задерку роста, неспособность к гаструляции и аномальное развитие висцеральной энтодермы (Sirard et al.,1998).

BMP Signaling Function in Cardiogenic Mesoderm Specification


Во время гаструляции клетки предшественники сердца генерируются внутри билатеральных полей в передней части латеральной пластинки мезодермы (Fig. 2), а кардиогенные регионы получают индуктивные сигналы, которые способствуют кардиогенной дифференцировке. Информация о функции передачи сигналов BMP в спецификации кардиогенной мезодермы первоначально получена в исследованиях Dpp, который у Drosophila является ортологом Bmp2 позвоночных. Dpp необходим для сердце-индуцирующей активности во время гаструляции и миграции мезодермы. Dpp-дефицитные эмбрионы неспособны формировать клетки предшественники для дорсального сосуда, кардиального органа Drosophila, тогда как мутантные эмбрионы с эктопической экспрессией Dpp приводят к эктопическому образованию клеток дорсального сосуда (Frasch,1995; Yin and Frasch,1998).
Данные по рыбкам данио, курам и мышам предоставляют важные доказательства, что передача сигналов BMP играет существенную роль в индукции сердца. Bmp2 является фактором кардиальной спецификации, которые обусловливает эктопическую экспрессию ранних кардиальных маркеров Nkx2.5 и Gata4, когда он экспрессируется эктопически (Schultheiss et al.,1997; Andree et al.,1998; Schlange et al.,2000; Jamali et al.,2001; Liberatore et al.,2002; Lien et al.,2002; Reiter et al.,2001; Brand,2003; van Wijk et al.,2007). Nkx2.5 имеет эволюционно консервативный сайт связывания Smad в своем энхансере, а поддержание экспрессии Nkx2.5 нуждается в регуляции с помощью передачи сигналов BMP ы эмбриональном серце Xenopus, кур и мышей (Schultheiss et al.,1997; Andree et al.,1998; Schlange et al.,2000; Jamali et al.,2001; Liberatore et al.,2002; Lien et al.,2002; Reiter et al.,2001; van Wijk et al.,2007). Анализ мутантов рыбок данио по type I serine-threonine kinase receptor Alk8 (Lost-a-fin), также известному как Acvr1, который необходим для передачи сигналов BMP 2, 4 и 7, указывает на то, что активность BMP необходима для спецификации кардиальных предшественников (Marques and Yelon,2009). Более того, данные исследований с использованием ингибиторов BMP, включая Noggin, укороченные версии BMP рецепторов и ингибирующий Smad6 также подтвердили сердце-индуцирующую активность передачи сигналов BMP (Schlange et al.,2000; Schultheiss et al.,1997; Shi et al.,2000).

BMP Signaling Function in Second Heart Field


Два основных пула кардиальных предшественников, primary/first heart field (PHF/FHF) и anterior/second heart field (AHF/SHF), вносят вклад в сердце и дают кардиомиоциты, гладкие мышцы и эндотелиальные клетки, основные клоны в сердце (Fig. 2; Buckingham et al.,2005; Kirby, 2008; Dyer and Kirby,2009). FHF в основном вносит вклад в миокард предсердий и левого желудочка. SHF, располагается дорсо-медиальнее кардиального полумесяца на ст. 7.5 dpc, начинает расширяться кпереди и дорсально на ст. 8.0 - 8.5 dpc и участвует в формировании тракта оттока outflow tract (OFT) и в миокард и эндокард правого желудочка. SHF также вносит вклад в тракт притока и гладкомышечную стенку внутриперикардиальной аорты и пульмональных стволов (Fig. 2; Buckingham et al.,2005; Cai et al.,2003; Meilhac et al.,2004a,2004b; Zaffran et al.,2004; Waldo et al.,2005; Abu-Issa and Kirby, 2008). FHF и SHF экспрессируют как отличающиеся, так и перекрывающиеся молекулярные маркеры: Hand1 и Tbx5 транскрипционные регуляторные метки FHF, тогда как fibroblast growth factor 10 (Fgf10) и Lim-homeobox ген Isl1 метят SHF, а гомеобоксный геен Nkx2.5 экспрессируется в FHF и SHF (Srivastava and Olson,1997; Schwartz and Olson,1999; Yuan and Schoenwolf,2000; Bruneau et al.,2001; Kelly et al.,2001; Cai et al.,2003; Takeuchi et al.,2003).
Передача сигналов BMP играет критическую роль в спецификации, регуляции пролиферации и индукции дифференцировки миокарда SHF. Nkx2.5 нулевые эмбрионы обнаруживают повышенную экспрессию Bmp2 и активность, которая ассоциирует с расширенной спецификацией SHF (Prall et al.,2007). Nkx2.5 мутанты также обнаруживают резко сниженную пролиферацию кардиальных предшественников, которая может быть восстановлена с помощью потери функции Smad1, указывая тем самым, что передача сигналов BMP ограничивает рост клеток предшественников (Prall et al.,2007). После спецификации и экспансии клеток предшественников, передача сигналов BMP всё ещё необходима для дифференцировки SHF. базируясь на данных от эмбрионов кур, Bmp2 заставляет экспланты SHF дифференцироваться в миокард (Waldo et al.,2001). Недавняя работа с использованием мышиных эмбрионов показала, что передача сигналов BMP регулирует кластер miR-17-92 в качестве механизма, способствующего миокардиальной дифференцировке (Wang et al.,2010). Онкогенный miRNA miR-17-92 кластер, известный как oncomir-1, выполняет существенные функции в формировании опухолей и в развитии нормальных эмбрионов и он специфически необходим для развития легких, сердца и иммунной системы (Hayashita et al.,2005; He et al.,2005; Lu et al,2007; Ventura et al.,2008; Wang et al., 2010; Xiao et al.,2008). Кластер miRNA 17-92 кодирует 6 miRNAs (miR-17, miR-18a, miR-19a, miR-20a, miR-19b-1 и miR-92a-1), которые возникают в результате преобразования общего первичного транскрипта. Передача сигналов BMP непосредственно регулирует транскрипцию кластера miRNA-17-92 посредством Smad связываю0щих сайтов в 5' фланкирующей области miRNA-17-92. У нормальных эмбрионов Bmp-miRNA-17-92 регуляторный путь подавляет гены кардиальных предшественников, такие как Isl1 и Tbx1, чтобы усилить дифференцировку миокарда, тогда как у Bmp мутантных эмбрионов, гены кардиальных предшественников не способны к подавлению и нарушается дифференцировка миокарда (Wang et al.,2010).

Figure 2. Summary of cardiac development. (A) Cardiac progenitor stage. At approximately 6.5 days post coitum (dpc), myocardial progenitor cells, which originate in the primitive streak (PS), start to migrate to the anterior bilateral fields of the embryo. (B) Cardiac crescent stage. At approximately 7.5 dpc, myocardial progenitor cells form the cardiac crescent and the first heart field (FHF) starts to give rise to differentiated myocardial cells. The second heart field (SHF) is located medially to the cardiac crescent at this stage. Shown in red: FHF location and contribution. Shown in green: SHF location and contribution (the same color coding as here for the lineage contributions to the heart at later stages in C to E). (C) Linear heart tube stage. At approximately 8.0 dpc, the cardiac crescent fuses at the midline of the embryo and forms a linear cardiac tube. SHF cells start extending anteriorly and dorsally at 8.0 to 8.5 dpc to add to the heart tube. (D) Heart looping stage. The linear heart tube subsequently undergoes looping at approximately about 8.5 dpc. At approximately 9.0 dpc, the cardiac neural crest (CNC) cells (shown in purple) start to migrate into the outflow tract (OFT) and contribute to the developing heart tube. The proepicardium (PE) (shown in black) located at the cardiac venous pole also starts to emigrate onto the looping heart tube to form the epicardium. (E) Chamber formation stage. At approximately 10.0 dpc, the heart starts to form four well-defined chambers, and chamber septation is nearly completed by 12.5 dpc (Buckingham et al.,2005). pa, pharyngeal arch; LA, left atrium; LV, left ventricle; OFT, outflow tract; PS, primitive streak; RA, right atrium; RV, right ventricle.

BMP Signaling Events During Chamber and Cushion Tissue Morphogenesis


Образование кардиальной петли выстраивает области будущих камер сердца в соотв. расположение с атриовентрикулярным каналом, разделяющим атриальные и вентрикулярные области. Как только происходит ремоделирование сердца образование перегородки между камерами почти заканчивается к 12.5 dpc, образуются самостоятельные левый и правый желудочки, а также левое и правое предсердие. Образование камер использует разделение предсердных и вентрикулярных камер, и разделение первичной кардиальной трубки на левый и правый компоненты. Происходящая из миокарда перегородка между предсердиями и желудочками сливается с эндокардиальной атрио-вентрикулярной перегородкой, происходящей из эндокардиальных подушек, приводя к полному разделению камер (Harvey,2002).
Клинически гетерозиготная делеция BMP2 внутри 20p12.3, как было установлено, предрасполагает пациентов к синдрому Wolff-Parkinson-White , синдрому предвозбуждения, который часто без симптомов, но в некоторых случаях он характеризуется тахикардией и как результат аномальным соединением между предсердиями и желудочками (Lalani et al.,2009). В то время как делеция в зародышевой линии Bmp2 у мышиных моделей ведет к эмбриональной летальности, некоторые мутанты неспособны формировать сердце, а некоторые образуют сердца в экзоцеломической полости (Zhang and Bradley,1996). Условная делеция Bmp4 в кардиомиоцитах мышей приводит к ventricular septal defects (VSDs), дефектами атриовентрикулярного канала и к double-outlet right ventricle (DORV; Jiao et al.,2003). Bmp2 и Bmp4 компаундные гетерозиготные эмбрионы мышей также обладают VSD (Goldman et al.,2009; Uchimura et al.,2009). Кроме того, Bmp6- и Bmp7-дефицитные мыши обнаруживают дефекты разделения камер и гипопластические желудочки с редуцированными трабекуляциями (Kim et al.,2001). Сходным образом компаундные Bmp5 и Bmp7 мутантные мыши имеют дефекты разделения камер с миокардиальными и перикардиальными аномалиями (Solloway and Robertson,1999). Интересно, когда образование камер начинается приблизительно 9.0 dpc, экспрессия Bmp10 может впервые определяться в вентрикулярном миокарде, при этом его экспрессия ограничивается трабекулированной частью общей вентрикулярной камеры и bulbus cordis развивающегося сердца. После 12.5 dpc, она может обнаруживаться в атриальной стенке (Neuhaus et al.,1999). Мыши, дефицитные по этому новому члену семейства TGF-β погибают приблизительно на 9.0 dpc из-за незавершенного развития желудочков, включая выраженную гипоплазию стенок желудочков, отсутствие желудочковых трабекул и аномальную пролиферацию подушек в OFT, атриовентрикулярном канале (AVC; Chen et al.,2004). Эндокардиальная экспрессия Notch1, как было установлено, необходима для миокардиальной экспрессии Bmp10 во время формирования камер желудочков (Grego-Bessa et al.,2007).
Более того, анализ рецепторов BMP подтвердил, что передача сигналов BMP выполняет важную роль в развитии миокарда камер. Данные по мутантным рыбкам данио Alk8 показали, что активность BMP необходима для формирования камер, регуляции общего размера сердца и предопределения судеб предсердий и желудочков (Marques and Yelon,2009). Более того, условная делеция Bmpr2 в развивающемся сердца мышей приводила к кардиальным дефектами, включая DORV, VSD и дефекты атри-вентрикулярных (AV) подушек (Beppu et al.,2009).
Используя условную потерю функции Smad4 в сочетании с несколькими разными Cre линиями, Smad4 делеция в кардиомиоцитах вызывала у мышей тяжелые дефекты сердца, включая дефекты вентрикулярного миокарда и VSD (Wang et al.,2005; Qi et al.,2007; Song et al.,2007; Azhar et al.,2010). Несмотря на вариации во времени и эффективности инактивации специфичного для миокарда Smad4, эти мутантные мышиные модели для широко распространенного Smad4 подтвердили существенные роли передачи сигналов BMP в миокарде.
Во время формирования паттерна передача сигналов BMP необходима для точной регуляции многих миокардиальных генов мишеней. Формирование паттерна внутри AVC тонко регулируется с помощью передачи сигналов BMP в миокарде AV, где Bmp2 индуцирует транскрипцию Tbx2, который обнаруживает точные паттерны экспрессии при формировании камер (Ma et al.,2005). Индукция Tbx2 необходима, чтобы ингибировать камер-специфичные гены такие как Natriuretic precursor peptide type A (Nppa), Connexin (Cx) 40, Cx43 и Chisel в миокарде AVC, подтверждая роль Bmp2 в дифференцировке миокарда (Christoffels et al.,2004). Bmp2 непосредственно регулирует Tbx2 посредством канонического транскрипционного пути (Shirai et al.,2009). Помимо ингибирующего межбелкового взаимодействия между Smad1 и Tbx20, Tbx2 репрессора, в миокарде AVC происходит пермиссивная транскрипция Tbx2 в миокарде AVC (Singh et al.,2009). Интересно, что имеются дополнительные доказательства на Xenopus, что передача сигналов BMP также регулирует транскрипцию Tbx20 посредством канонического пути Smad1/4 pathway, указывая на сложную регуляторную сеть с участием BMP-регулируемой экспрессии Tbx в миокарде AVC (Mandel et al.,2010).
Дефекты в кардиальных структурах, производных подушек, включая клапаны сердца и ассоциированные структуры, являются наиболее распространенными субтипами середечно-сосудистых нарушений и составляют 25% - 30% дефектов (Loffredo,2000). Сердечная трубка мышей на ст. 8.5 dpc состоит из наружного слоя миокарда и внутреннего монослоя специализированного эндотелия, эндокарда. Два слоя разделены толстым внеклеточным матриксом, наз. кардиальный гель, который секретируется миокардиальными клетками. Приблизительно на ст. 9.5 dpc, субнабор эндотелиальных клеток в AVC и OFT регионах подвергается эпителиально-мезенхимному переходу (epithelial-mesenchymal transition (EMT)) в ответ на регионализованные миокардиальные сигналы. Эти клетки отслаиваются от эндокарда и заполняют кардиальный гель, чтобы сформировать эндотелиальные подушки, которые д. вносить вклад в развитие кардиальных клапанов и образование камер сердца. EMT, важен для многочисленных онтогенетических процессах, может быть индуцирован рядом сигнальных путей, такиех как TGF-β и Notch, и эффекторами транскрипции, такими как Snail, Twist и FoxC2 (Perez-Pomares and Munoz-Chapuli,2002; Timmerman et al.,2004; Yang et al.,2004; Thiery and Sleeman,2006; Mani et al.,2007).
Данные, полученные на эмбрионах мышей и кур, показали, что Bmp2 важен для совершенствования образования кардиального геля и эндокардиального EMT и для формирования паттерна миокарда AV (Sugi et al.,2004; Ma et al.,2005; Rivera-Feliciano and Tabin,2006). Bmp2 необходим для экспрессии в миокарде Has2, который является критическим компонентом матрикса кардиального геля и необходим для эндокардиального EMT (Camenisch et al.,2000; Ma et al.,2005). Кроме того, Bmp2 в эндокарде передает сигналы посредством Bmpr1a, чтобы способствовать экспрессии Twist1, который был описан как индуктор EMT (Yang et al.,2004; Ma et al.,2005). Данные, полученные на эмбрионах кур показали, что белок Bmp2 экспрессируется в эндокардиальных подушках OFT и AVC, а также в соседних слоях миокарда (Keyes et al.,2003). Др. данные показали, что Bmp2 важен для образования ткани эндокардиальных подушек и действует синергично с TGF-β3, чтобы регулировать EMT (Boyer et al.,1999; Yamagishi et al.,1999; Nakajima et al.,2000).
Bmp4 также участвует в морфогенезе AV подушек. Bmp2 и Bmp4, кодирующие близко родственные пептиды с 92% идентичностью C-терминального домена зрелого лиганда, обнаруживают перекрывающиеся функции в развитии сердца (Goldman et al.,2009; Uchimura et al.,2009). Инактивация Bmp4 в сердце с использованием кардиального troponin T (cTnT) Cre трансгена, специфичного для кардиомиоцитов Cre и гипоморфного Bmp4 условного аллеля (Kulessa and Hogan,2002) показала, что Bmp4 регулирует пролиферацию мезенхимы атрио-вентирикулярных подушек (Jiao et al.,2003). У Bmp6- и Bmp7-дефицитных мышей образование эндокардиальных подушек OFT заметно задержано, это дополнительно доказывает центральную роль BMPs в развитии подушек (Kim et al.,2001).
BMP рецепторы экспрессируются в OFT и AV подушках эмбрионов кур (Keyes et al.,2003). Условная делеция Alk3/Bmpr1a в миокарде AV приводит к образованию аномальных подушек, это указывает на петлю обратной связи с TGF-β2 в развитии подушек (Gaussin et al.,2002). Делеция в эндокарде Bmpr1a дает подушки, неспособные к EMT, это указывает на прямое вовлечение передачи сигналов BMP в формирование подушек в эндокарде (Ma et al.,2005). Более того, исследования с ингибиторами передачи сигналов BMP далее продемонстрировали существенную роль передачи сигналов BMP в морфогенезе подушек. Целенаправленные мутации Smad6 приводят к гиперплазии кардиальных клапанов и ке дефектам образования перегородки в OFT, это подтверждает роль передачи сигналов BMP в обеспечении трансформации эндокардиальных подушек (Galvin et al.,2000). Эксперименты с мышиными эксплантами показали, что если Noggin добавляется к эндотелиальным клеткам AV, культивируемым совместно с ассоциированным миокардом, то он блокирует в эндотелиальных клетках способность к EMT (Sugi et al.,2004).
Bmp2, который является критическим для EMT подушек, также выполняет роль во время более поздних стадий в подушках в морфогенезе клапанов. Bmp2 сохраняет свою экспрессию в мезенхиме подушек на ст. 13.5 - 16 dpc во время ремоделирования клапанов и ткани клапанов у взрослых мышей (Sugi et al.,2004). Недавние исследования с мышиными моделями подтвердили, что взаимодействие между Notch1 в эндокарде и миокардиальным Bmp2 скоординировано регулирует эндокардиальный EMT. В этой модели, Bmp2 способствует инвазивности эндокардиальных клеток внутри области образования клапанов между камерами (Luna-Zurita et al.,2010). Данные на мышах также показали, что передача сигналов по оси FGF-BMP необходима для регуляции ремоделирования клапанов в OFT, в основном благодаря обеспечению дифференцировки клеток краниального нервного гребня в подушках OFT (Zhang et al.,2010).


BMP Signaling in the Outflow Tract: The Second Heart Field and Cranial Neural Crest


Первоначально неразделенный OFT делится на пульмональный ствол и аорту, это является критическим для разделения постнатальной пульмональной и системной циркуляции. Нарушения в развитии OFT человека включают DORV, где обе магистральные артерии полностью или частично соединяются с правым желудочком, и транспозиция магистральных артерий, которая приводит к обратному вентрикуло-артериальному соединению. Др. нарушения развития OFT включают persistent truncus arteriosus (PTA), при этом truncus arteriosus никогда собственно не подразделяется на пульмональную артерию и аорту и patent ductus arteriosus, причем у новорожденных ductus arteriosus не способен закрываться после рождения. Врожденные пороки OFT обнаруживаются у 4 на 10,000 живых новорожденных и обычно летальны (Webb,2003); поэтому информация о генетических путях, регулирующих развитие OFT является критической для биологии развития и клинической медицины.
Миокард OFT воспринимает клеточные сигналы от SHF (Fig. 2), а дефектное развитие SHF может вызывать пороки развития OFT, включая DORV, транспозицию магистральных сосудов, PTA, или аорта-наездник (аорта сидит верхом на межжелудочковой перегородке вместо того, чтобы располагаться поверх левого желудочка). Bmp4 экспрессируется в SHF и внутри собственно миокарда OFT, указывая тем самым на роль в морфогенезе OFT (Abdelwahid et al.,2001). У мышей исследования условных делеций, инактивации Bmp4 в SHF, эндокарде OFT, фарингеальной энтодерме и миокарде OFT с использованием Nkx2.5 Cre выявляли дефекты разделения перегородкой OFT с присутствием aortopulmonary (AP) окна и дефекты в рекрутировании сосудистых гладких мышц в формирующиеся сосуды (Liu et al.,2004). Было установлено, что репрессия обратной связи передачи сигналов Bmp2/Smad1 с помощью Nkx2.5 регулирует морфогенез OFT (Prall et al.,2007). Nkx2.5 мутанты обнаруживают драматически суженный и укороченный OFT, тогда как специфическая инактивация Smad1 в передней мезодерме с использованием Mesp1 Cre приводит к увеличению длины OFT. Важно, что делеция Smad1 у мутантов Nkx2.5 частично устраняет аномалии OFT у Nkx2.5 мутантов, возможно из-за супрессии передачи сигналов BMP2/Smad1 с помощью Nkx2-5, это делает возможной пролиферацию в SHF, которая управляет морфогенезом OFT.
Кроме того, развивающийся OFT получает клеточный вклад от кардиального нервного гребня (CNC; Fig. 2). CNC это популяция мигрирующих клеток, которая возникает из дорсальной части нервной трубки в области заднего мозга на уровне рабдомеров 6, 7 и 8. Предшественники CNC мигрируют в каудальную третью, четвертую и шестую фарингеальные дуги, а субпопуляция этих клеток, происходящий из нервного гребня, в этих фарингеальных дугах продолжает мигрировать в тракт оттока развивающегося сердца и вносит существенный вклад в формирование кардиальных OFT подушек (Kirby et al.,1983; Kirby and Waldo,1995). Происходящая из CNC артерио-пульмональная перегородка необходим а для разделения одиночного сосуда оттока на два ствола, тогда как клетки CNC в подушки OFT и truncal клапаны, по-видимому, вносят незначительный вклад в возникающие постнатально структуры (Webb et al.,2003). Удаление нервного гребня у эмбрионов кур приводит к неспособности образования кардиальных подушек и к дефектам OFT, включая PTA и аномалии аортальных дуг (Kirby et al.,1983; Kirby and Waldo,1995). У эмбрионов мышей эксперименты по отслеживанию клонов подтвердили мнение, что CNC вносит вклад в подушки OFT и артерио-пульмональную перегородку (Jiang et al.,2000). Важные роли белков BMP, в частности, Bmp2 и Bmp4, в индукции. поддержании, миграции и дифференцировке клеток нервного гребня были продемонстрированы на разных модельных организмах(Christiansen et al.,2000; Aybar and Mayor,2002; Knecht and Bronner-Fraser,2002).
Анализ рецепторов BMP проливает дальнейший свет на функции передачи сигналов BMP в клетках CNC во время морфогенеза OFT. Условная инактивация Bmpr1 в кардиальном нервном гребне, с использованием Wnt1 Cre трансгенного драйвера для управления активностью Cre, приводила к тяжелым дефектам OFT таким как укороченный OFT и PTA (Kaartinen et al.,2004; Stottmann et al.,2004). Кроме того, анализ гипоморфных аллелей повсеместно экспрессируемого Bmpr2, содержащего частичную делецию эктодомена, выявил дефекты образования перегородки в проксимальной части OFT у мутантных эмбрионов мышей (Delot et al.,2003). Гипоморфные мутанты претерпевают нормальную гаструляцию, но погибают в средине беременности из-за существенного OFT фенотипического отклонения PTA. Более того, специфическая инактивация общераспространенного Smad4 в CNC клетках приводила к повышенной клеточной гибели и снижению вклад клеток CNC в развивающийся OFT (Jia et al.,2007; Nie et al.,2008). Smad4 мутанты обнаруживают пониженную экспрессию генов, которые являются критическими для развития клеток нервного гребня, таких Msx1 и Msx2, и обнаруживают тяжелые дефекты OFT, включая аномальную элонгацию и расположение OFT, гипоплазию подушек и PTA. Наконец, ибыточна экспрессия Noggin у эмбрионов кур вызывает аномалии OFT , такие как PTA и DORV. Данные из этих исследований ингибитора BMP подтверждают, что передача сигналов BMP необходима как для миграции клеток CNC в развивающийся OFT, так и пролиферации мезенхимы OFT (Allen et al.,2001).

BMP Signaling Related to Epicardium Development and Differentiation


Проэпикард (PE) является преходящим внекардиальным мезотелиальным рудиментом, расположенным на венозном полюсе сердца, он переселяется в сердечную трубку, формирующую петлю, чтобы сформировать эпикард, эпителиальную наружную выстилку сердца (Fig. 2). PE происходит из мезодермальной выстилки проспективной перикардиальной полости, экспрессирует специфические маркерные гены Tbx18, Wt1 и Cfc. PE вносит вклад во множественные типы клеток сердца, давая кардиальные фибробласты и коронарные гладкомышечные клетки, также вообще-то вносит вклад в клон кардиальных миоцитов (Mikawa and Fischman,1992; Mikawa and Gourdie,1996; Perez-Pomares et al.,2002; Kruithof et al.,2006; Winter and Gittenberger-de Groot,2007; Cai et al.,2008; Zhou et al.,2008; Christoffels et al.,2009; Ishii et al.,2009,2010; van Wijk et al.,2009).
хотя сигналы, которые контролируют морфогенетические события эпикарда всё ещё в основном неизвестны, важная роль передачи сигналов BMP во время разных событий морфогенеза эпикарда демонстрируется в разных исследованиях модельных животных. У кур определенный уровень передачи сигналов BMP необходим для приобретения характерных особенностей PE и экспрессии специфических для PE маркерных генов (Schlueter et al.,2006). PE и миокард тракта притока отделяются от одного и того же предшественника под регуляцией собственно взаимодействий между передачей сигналов BMP и FGF, но нарушение баланса между ними может вызывать арест развития эпикарда и усиление образования миокарда (van Wijk et al.,2009). Данные по рыбкам данио также показали, что передача сигналов BMP в сочетании с Tbx5 важна для спецификации PE (Liu and Stainier,2010). У эмбрионов кур происходящие из миокарда сигналы BMP способствуют выпячиванию PE и прикреплению к петлеобразующей сердечной трубке, а эктопическая экспрессия BMP сигналов вызывает эктопическое прикрепление PE (Ishii et al.,2010). Напротив, экспрессия BMP антагониста Noggin приводит к уменьшению прикрепления PE на сердечной трубке (Ishii et al.,2010).

CONCLUSION


Although much has been learned about BMP signaling in cardiac development, there are many areas for fruitful investigation. The role of BMP signaling in miRNA processing is an important area for future studies. Further insight is needed into what BMP-mediated cardiac functions are caused by defective miRNA activity. Currently, it is unclear how generally important this mechanism will be in the heart. It will also be important to determine how many miRNAs are regulated by the canonical BMP pathway and to integrate this information into a larger model for heart development.
Recent experiments have uncovered the importance of feedback loops in cardiac development (Prall et al.,2007). This mechanism is undoubtedly of broad importance in many different aspects of cardiac development and will need to be intensively investigated to solidify our understanding of heart development. Last, the integration of BMP signaling and other important signaling pathways, such as Wnt and Notch signaling, will need to be understood with much more clarity.
Сайт создан в системе uCoz