Inner ear development in the chick

Внутреннее ухо сложная трехмерная структура, которая содержит слуховой и вестибулярный сенсорные органы, которые являются первой ступенью трансдукции стимулов звука, баланса и движения (Fig. 1A, sensory organs, see Box 1). Несмотря на региональные различия, функциональные единицы всех сенсорных органов состоят из трех консервативных элементов: волосковых клеток, сенсорных нейронов и поддерживающих клеток (Purves et al. 2001) (Fig. 1B). Волосковые клетки являются специализированными механо-рецепторами, которые трансдуцируют звуковые и вестибулярные механические стимулы в электрические сигналы. Волосковые клетки имеют специализированные микроворсинки, стереоцилии, которые, смещаясь под действием звука или движения, вызывают открытие или закрытие ионных каналов и вызывают изменения мембранного потенциала волосковых клеток (Purves et al. 2001). Волосковые клетки иннервируются отическими нейронами, которые являются биполярными первичными афферентными нейронами, которые активируют высвобождение нейротрансмиттеров в синаптические контакты и передают информацию нейронам второго порядка в вестибулярные и слуховые ядра в стволе мозга (Rubel & Fritzsch 2002). Поддерживающие клетки существенно варьируют по морфологии и функциональной специализации и их функция заключается в основном в обеспечении поддержки сенсорного эпителия (Kelley 2006). Они поддерживают правильное ионное окружение, необходимое для функционирования волосковых клеток, они высвобождают факторы, которые обеспечивают питание и жизнеспособность волосковых клеток (Haddon et al. 1999) и, наконец, они также служат в качестве предшественников для регенерации волосковых клеток после повреждения (Corwin & Cotanche 1988; Ryals & Rubel 1988), см. обзор (Cotanche & Kaiser 2010).

Figure 1. The development of the inner ear in the chicken embryo. (A) Diagram of the post-natal inner ear. The sensory patches are indicated in red: ac, anterior crista; bp, basilar papilla; lc, lateral crista; ml, macula lagena; ms, macula sacularis; mu, macula utricularis; pc, posterior crista. (B) The functional unit of the inner ear consists of hair cells, supporting cells and neurons, all deriving from the neurosensory progenitors residing in the otic placode. Schwann cells that derive from the neural crest are also indicated. (C) Inner ear development in the chick. The day of incubation is indicated by E2-E7. The otic placode in E2 shows the first asymmetry between the Neurosensory (NS) and non-neural competent domains. At the otic cup stage (E2.5), neurogenesis starts with the delamination of neuroblasts from the anterior-medial domain. Between E3 and E3.5 the dorsal prosensory patches start to be defined and by E4 all prosensory patches can be identified by specific markers and the dorsal most start to differentiate. By E7 all sensory patches exhibit nascent hair cells and synaptic connections are established. Labels in C, like in A.

Box 1. Glossary of ear development

Ear sensory organs are specialized epithelial domains containing hair cells and supporting cells in a highly specialized arrangement. Hair cells are innervated by the otic neurons. The number of sensory organs in the inner ear varies among animal species, but all have at least six differentiated sensory domains grouped into vestibular and auditory sensory organs. The former are located dorsally and they are subdivided into three cristae and two maculae. The later consists of a single domain that is located ventrally, the organ of Corti in mammals or the basilar papilla in birds. The cristae are located at the base of the semicircular canals, the ampullae, and detect angular accelerations. The maculae of the utricle and saccule detect linear accelerations in the horizontal and vertical axis, respectively, and the gravitational pull. In birds, amphibians, and fish there are other small maculae of uncertain function. In the auditory sensory epithelium, sound-wave frequency discrimination is based on the position of the hair cells along the longitudinal cochlear axis, which is correlated with the position of the sensory neurons in the cochlear ganglion. This tonotopical order is conserved in the central auditory nuclei, where sensory neurons project, reproducing in the brain the hair cell order of the cochlea. In addition to the sensory structures, the inner ear includes the endolymphatic duct (ED), which extends dorsally to communicate with the central nervous system (CNS) and is involved in the turnover of the endolymph.

Placodes, also named cranial placodes or ectodermal placodes, are transient embryonic structures that contribute to the paired sense organs and cranial sensory ganglia of the head. Placodes are discrete regions of thickened columnar epithelium that can give rise to a wide variety of cell types, including ciliated sensory receptors, sensory neurons, endocrine cells, glia, and other supporting cells (Ladher et al. 2010).

Neurosensory refers to neuronal and sensory cell phenotypes. The neurosensory domain in the otic placode and early otic vesicle is the one that gives rise to neurons and hair cells. It refers to the state of commitment of progenitors to neuronal and sensory fates.

Proneural genes were identified as genes involved in the early steps of neural development in Drosophila and, later on, found to play crucial roles in the development of the vertebrate nervous system. Proneural genes code for transcription factors that contain the basic Helix-Loop-Helix (bHLH) DNA binding domain and underlie the determination, differentiation and identity of neurons, sensory receptors and glial cells. (Bertrand et al. 2002; Gomez-Skarmeta et al. 2003). The vertebrate proneural genes discussed in this review are Neurogenin1 (Neurog1), NeuroD, NeuroM and Atoh1.

Prosensory patch/domains are restricted domains in the otocyst epithelium that are committed to develop into sensory fate, but not yet differentiated. They are defined by the expression of a characteristic set of genes that include Sox2, Jag1, LFng, BMP4, or Fgf10, which foreshadow the development of the sensory organs.

Sensory patches/domains are restricted domains in the epithelium of the otocyst that contain nascent hair cells and supporting cells. They are defined by the expression of hair cell differentiation genes. The earliest gene expressed in hair cells is the proneural gene Atoh1, followed by early differentiation genes like rare myosins MyoVI and MyoVIIa.

Neurogenic is the property of generating neurons, and it is applied to genes or domains exhibiting such property. In the context of ear development it refers to the generation of otic (auditory and vestibular) neurons as different from the generation of hair cells. The major neurogenic genes in the ear are Neurog1, NeuroD and NeuroM, but other bHLH genes like Nhlh1 and 2 are likely important (Fritzsch et al. 2010).

From the otic placode to the otic vesicle

Сложная структура внутреннего уха происходит из отической плакоды, которая дает как сенсорные, так и не сенсорные элементы мембранного лабиринта (Alsina et al. 2009; Ladher et al. 2010) (see Box 1). У кур отическая плакода видима как билатеральное утолщение эктодермы, соседствующее с развивающимся задним мозгом (Fig. 1C, E2). По ходу развития отические плакоды инвагинируют, чтобы сформировать отический бокал, который отсоединяется от эктодермы и закрывается, чтобы сформировать отический пузырек, элипсоидной формы структуру, выстланную псевдо-стратифицированным эпителием (Fig. 1C, E3). Отический пузырек подвергается интенсивному пролиферативному росту, сопровождаемому дифференцировкой, которая дает в результате отоцист и позднее полностью дифференцированное внутреннее ухо. Одновременно происходят формирование паттерна и спецификация клеток так, что разные типы клеток и сенсорные органы развиваются в точной временной и пространственной последовательности (Fig. 1C, E4-E7). Отметим, что во время развития уха спецификация и дифференцировка сенсорных органов следует временной и пространственной последовательности, при которой дорсальные органы развиваются первыми приводя к след. последовательности: cristae >maculae >basilar papilla.

Индукция отических плакод является классической моделью индуктивных процессов в развитии, а эмбрионы кур внесли большой вклад в понимание этого процесса, поскольку были осуществлены транскрипционные эксперименты (Waddington 1937). Сегодня считается, что отические плакоды возникают из пре-плакодных территорий, которые компетентны к развитию, в любую из плакод, но не специфицированы к развитию какого-то определенного типа. Это недавно было подтверждено в детальной работе Andrea Streit на эмбрионах кур (Streit 2007). Спецификация отических характеристик связана с привлечением, по крайней мере, двух индуктивных ступеней: вo-первых, передача сигналов FGF устанавливает отический/эпибранхиальный плакодный домен, во-вторых, волны передачи сигналов FGF и Wnt очищают отические судьбы от эпибранхиальных судеб, путем индукции otic-специфичных генов (Schimmang 2007; Ladher et al. 2010).

Otic patterning: The specification of the neurosensory competent domain in the otic placode

Формирование аксиального паттерна внутреннего уха является важной ступенью предоставления позиционных сигналов, необходимых для развития специфических клеточных типов в правильных местах, это является критическим для ответных реакций внутреннего уха на движения в трех измерениях. Формирование паттерна внутреннего уха осуществляется вдоль трех осей: передне-задней (AP), дорсо-вентральной (DV) и медиа-латеральнойl (ML) и регулируется индуктивными сигналами от окружающих тканей, это приводит к и/или поддержанию асимметричной экспрессии генов на отической территории (Groves & Fekete 2012).

У эмбрионов кур спецификация AP оси предшествует спецификациям др. осей (Alsina et al. 2004; Bok et al. 2007), и приводит к первому выбору клеточной судьбы между нейросенсорным (see box 1) и не нейральным доменом отической плакоды (Adam et al. 1998; Neves et al. 2007). первый дает отические нейроны и волосковые клетки, тогда как последний является источником разных несенсорных эпителиев, которые выстилают стенки внутреннего уха. Эти два домена обнаруживают ограниченное перемешивание клеток (Abello et al. 2007). Молекулярные маркеры, подобные Sox2 или Fgf10 , делающими возможным дальнейшее развитие нейросенсорного домена суммированы на Figure 1C (Alsina et al. 2004; Neves et al. 2007).

Имеющиеся доказательства подтверждают, что как нейроны, так и волосковые клетки происходят из общей популяции клеток предшественников (Fekete et al. 1998; Satoh & Fekete 2005; Raft et al. 2007; Bell et al. 2008). Детерминация нейросенсорной судьбы зависит от ранней экспрессии high-mobility HMG факторов Sox3 и Sox2. Sox3 экспрессируется только временно вплоть до конца нейрогенеза и достаточен, чтобы индуцировать Sox2, который метит нейросенсорных предшественников в ходе всего развития (Neves et al. 2007; Abello et al. 2010). Недавние эксперименты показали, что у эмбрионов кур нейроны и сенсорные клетки происходят из Sox2-позитивных предшественников в отической плакоде (Neves et al. 2012), а доказательства на мышах и курах показывают, что Sox2 необходим и достаточен для управления сенсорным развитием (Kiernan et al. 2005b; Neves et al. 2011; Ahmed et al. 2012). Sox2 и Sox3 также способны индуцировать нейрональную судьбу (Abello et al. 2010; Puligilla et al. 2010; Neves et al. 2011).

Development of otic neurons

Как упоминалось выше нейросенсорный домен специфицируется в передне-медиальной части отической плакоды. На этой стадии начинается нейрогенез со спецификацией нейробластов в эпителии их отщеплением, чтобы сформировать кохлео-вестибулярный ганглий (Hemond & Morest 1991; Adam et al. 1998; Alsina et al. 2004). Нейрональная судьба специфицируется за счет экспрессии пронейральных генов, подобных Neurogenin1, NeuroD и NeuroM, которые управляют отделением и дифференцировкой нейронов (Henrique et al. 1995; Ma et al. 1998; Alsina et al. 2004). Notch-обусловленное латеральное ингибирование является инструментом для детерминации нейронов.

Development of sensory organs and hair cells

Просенсорные участки/домены (see Box 1) возникают внутри нейросенсорного домена, но задерживаются в отношении инициации нейрогенеза. Отоцисты растут и подвергаются выраженным морфогенетическим изменениям, которые генерируют вестибулярный и кохлеарный аппарат (Bissonnette & Fekete 1996). Просенсорные участки специфицируются и позднее дифференцируются в сенсорные органы и становятся иннервированными кохлео-вестибулярными нейронами (Wu & Oh 1996; Adam et al. 1998; Rubel & Fritzsch 2002). Sox2 экспрессия происходит параллельно с сенсорным развитием с момента ранней спецификации вплоть до стад. дифференцировки (Hume et al. 2007; Neves et al. 2007). Кроме того, др. гены, чья экспрессия была картирована в просенсорных доменах, постоянно используются в качестве просенсорных маркеров. Сюда входят: Bmp4 и Bmp мишени Smad1-5-7 и Id1-3 (Oh et al. 1996; Chang et al. 2008; Kamaid et al. 2010), из передачи сигналов Notch элементы Jag1/Ser1 (Adam et al. 1998; Cole et al. 2000) и LFng (Morsli et al. 1998; Cole et al. 2000), Prox1 (Stone et al. 2003); BEN (Goodyear et al. 2001) и Fgf10 (Alsina et al. 2004; Chang et al. 2008). Считается, что они характеризуют клеточное состояние, в котором предшественники выбирают сенсорную судьбу, но защищены от дифференцировки (Neves et al. 2012). Сенсорная дифференцировка ассоциирует с Atoh1 (atonal homologue 1), пронейральным геном, который действует как фактор дифференцировки волосковых клеток. Он экспрессируется при инициации дифференцировки волосковых клеток, его делеция вызывает потерю волосковых клеток, а его избыточная экспрессия достаточна, чтобы индуцировать судьбы волосковых клеток (Bermingham et al. 1999; Zheng & Gao 2000; Woods et al. 2004). Регуляция Atoh1 лежит в основе дифференцировки и регенерации волосковых клеток, и начинают выявляться факторы, которые регулируют его экспрессию (Fritzsch et al. 2010; Mulvaney & Dabdoub 2012). Экспрессия Atoh1 ингибируется с помощью Sox2 в отической плакоде, но она замалчивается параллельной активацией ингибирующих факторов. , but it is silenced by the parallel activation of inhibitory factors. Эта непоследовательная (incoherent) реакция запускается с помощью Sox2 и приводит к ранней спецификации сенсорной компетентности, но задерживает дифференцировку волосковых клеток (Neves et al. 2012). Notch кооперирует с Sox2 для сенсорной спецификации.

The Notch pathway

Сигнальный путь Notch является juxtacrine сигнальной системой, которая регулирует множественные процессы в ходе развития. Этот стержневой путь состоит из взаимодействия между трансмембранным Notch рецептором, закрепленным на одной клетке, и с трансмембранным Notch лигандом (Delta или Serrate/Jagged), закрепленным на соседней клетке. После соединения лиганда с рецептором происходит серия протеолитических расщеплений и запускается процесс высвобождение Notch intracellular domain (NICD), это делает возможным образование ядерного комплекса с CSL и mastermind/MAML транскрипционными факторами. Этот комплекс затем активирует гены мишени (Artavanis-Tsakonas et al. 1999; Bray 2006; Fior & Henrique 2008; Fortini 2009) (see Fig. 2 and Box 2).

Figure 2. The Notch pathway. The intracellular Notch pathway consists of the Notch receptor and the associated nuclear proteins that include RBPJ and Mastermind (MAM). In the absence of ligand binding (left) RBPJ is associated with co-repressors and bound to DNA CSL binding sites. The result is the repression of target genes like Hes and Hey HLH factors. Upon binding to ligands, Notch intracellular domain (NICD) is cleaved and translocated to the nucleus, where it recruits other factors like MAM and binds to CSL binding sites activating the transcription of target genes.

Box 2. Glossary of the notch pathway

Notch receptors: Mammals have four Notch receptors (Notch 1-4), but in birds, only Notch1 and Notch2 have been annotated. Notch is a large type-I transmembrane receptor that accumulates at the plasma membrane as a heterodimer, composed of the Notch Extracellular Domain (NECD) and a membrane bound intracellular domain. These two polypeptides are formed in the trans-Golgi as a result of proteolytic activity by a Furin protease that constitutively cleaves Notch molecules at the S1 site. Notch receptor contains a large extracellular domain with 36 tandem epidermal growth factor (EGF)-like repeats and three cysteine-rich Notch/LIN-12 repeats (Wharton et al. 1985; Yochem et al. 1988). The intracellular domain is composed of six tandem CDC10/ankyrin repeats (Breeden & Nasmyth 1987), one or two nuclear localization signals, a glutamine-rich domain (opa) and a PEST domain rich in proline, glutamate, serine and threonine (Stifani et al. 1992; Artavanis-Tsakonas et al. 1999).

Notch ligands: Notch receptors bind to type I transmembrane proteins known collectively as DSL proteins (Delta and Serrate for Drosophila and Lag2 for Caenorhabditis elegans). Mammals have five DSL ligands (Jagged 1-2 homologous to Serrate and Delta-like 1-3 homologous to Delta). In contrast, birds have Jagged/Serrate1 and 2, and Delta-like-1 and 4. In the extracellular domain they contain a DSL region and several EGF repeats, while the intracellular region is much smaller than in the Notch receptor and is poorly conserved among DSL family members (Fleming 1998). Ligand-receptor binding normally occurs among adjacent cells, but it can also occur in the same cell (Sprinzak et al. 2010); however, this seems not to be the case in the inner ear (Chrysostomou et al. 2012).

Intracellular signaling pathways: The binding of the ligand to the receptor occurs through the conserved DSL domain and one or more EGF-like repeats and results in a series of proteolytic cleavages. They require γ-secretase activity and lead to the release of the Notch intracellular domain (NICD) and its translocation to the nucleus. The NICD fragment is the active form of the receptor, acting in the nucleus as a transcriptional co-activator. NICD binds to the CSL transcription factor (mammalian C-promoter binding factor 1, CBF-1 or recombination signal sequence-binding protein-J kappa, RBP-jkappa; Drosophila Suppressor of Hairless and C. elegans Lag-1) and to the Master mind (MAM and C. elegans Lag-3) co-activator, forming a ternary complex. In the absence of NICD, the CSL transcription factor promotes the assembly of a repressor complex at the cis-regulatory regions of the CSL/NICD target genes (named Su(H) or S binding boxes), which are therefore transcriptionaly inactive. When NICD translocates to the nucleus and binds to CSL, it is able to recruit HAT (Histone Acetylase) and displace the co-repressor complexes, relieving repression. It is only when MAM binds to NICD/CSL, forming the ternary complex, that transcription is activated (Mumm & Kopan 2000). Therefore, in the absence of Notch activity, the Notch target genes are repressed by CSL. When Notch signaling is initiated, NICD makes the switch from CSL-mediated repression to NICD/CSL/MAM activation, triggering transcription of the Notch target genes (Bray 1998; Castro et al. 2005). In addition to this core CSL-dependent Notch pathway, in which the key signaling molecule is NICD and the ultimate output is transcription, there is also evidence for a CSL-independent Notch signaling (Martinez Arias et al. 2002). This CSL-independent Notch signaling seems to rely on a Deltex dependent activity and, in some cases, it relies on different ligands that do not belong to the DSL family, like Contactin and DNER (Eiraku et al. 2005).

Notch downstream target genes: Several genes change their expression depending on Notch activity (Krejci et al. 2009). However the best characterized direct targets of Notch are the Hes (Hairy-Enhancer of Split) and Hey/Hrt genes (Hes related type, also known as Hesr, CHF, Herp, gridlock) (Iso et al. 2003). They are class C bHLH proteins that function as transcriptional repressors by binding to class C E-Box (CACGNG), N-box sequences (CACNAG) or class B E-Box sites, but not class A sites. The most striking difference between Hes and Hey factors is the lack of the WRPW tetrapeptide, which is replaced by a related YRPW peptide sequence in the members of the Hey family. This motif cannot bind TLE co-repressors, but nevertheless both factors are transcriptional repressors of tissue specific differentiation factors. They can function as homodimers and heterodimers between Hes and Hey proteins (Ohsako et al. 1994; Van Doren et al. 1994; Fisher & Caudy 1998; Iso et al. 2001, 2003).

Notch modulation: Interactions between Notch and either of its ligands can be differentially modulated by the Fringe family of glycosyltransferases (Lunatic Fringe, Manic Fringe and Radical Fringe) located in the Golgi apparatus. They glycosylate EGF repeats of Notch protein before its maturation and localization to the cell membrane (Bruckner et al. 2000; Moloney et al. 2000; Munro & Freeman 2000) Fringe proteins potentiate Notch signaling induced by Delta while inhibiting signaling induced by Serrate/Jagged1 (Bruckner et al. 2000; Hicks et al. 2000; Shimizu et al. 2001; Lei et al. 2003; Okajima et al. 2003; Yang et al. 2005). Notch ligands can inhibit signaling by co-expressed Notch in a cell-autonomous fashion, termed cis-inhibition (Glittenberg et al. 2006). Notch functions might be also modulated by the amount of the receptor or the ligand on the cell surface, by feedback loops that potentiate or shut off the signal, by post-transcriptional regulation mediated by microRNAs or by tissue specific co-factors. Such complex regulatory mechanisms imply that the expression of both ligands and receptors do not necessarily reflect the state of activation of the pathway (Schweisguth 2004; Bray 2006; D'souza et al. 2008; Borggrefe & Oswald 2009; Fortini 2009).

Notch signaling in inner ear development

Некоторые элементы сигнального пути Notch экспрессируются в ходе всего развития внутреннего уха в виде высоко динамического временного и пространственного паттерна. У эмбрионов кур Notch1 экспрессируется со ст. отической плакоды и вплоть до поздних ст. развития слухового пузырька (Adam et al. 1998; Abello et al. 2007). У мышей, Notch1 и Notch3 рецепторы экспрессируются повсеместно в слуховом пузырьке (Weinmaster et al. 1991; Williams et al. 1995; Lindsell et al. 1996; Adam et al. 1998; Lanford et al. 1999; Abello et al. 2007). Notch2 не экспрессируется ни у кур (Williams et al. 1995; Adam et al. 1998; Abello et al. 2007), ни у мышей в отической плакоде/пузырьке (Williams et al. 1995).

В противоположность Notch рецепторам экспрессия Notch лигандов ограничена. Экспрессия Delta1 впервые обнаруживается в разбросанных клетках нейрогенного домена в отической плакоде и поддерживается в ходе нейрогенеза. На эмбриональный день E3.5 и далее, по крайней мере, до E12, Delta1 экспрессируется в рассеянных клетках в сенсорных участках. Время экспрессии отличается между участками, в соответствии с их разным временем продукции волосковых клеток (Adam et al. 1998). Паттерн экспрессии Delta1 сходен и у мышей (Bettenhausen et al. 1995; Morrison et al. 1999; Vazquez-Echeverria et al. 2008). У обоих водов животных Delta1 метит возникающие нейробласты и волосковые клетки и становится молчащим после дифференцировки этих клеток. У мышей помимо Delta1, экспрессируются также Jag2 и Delta3 в возникающих волосковых клетках (Lanford et al. 1999; Shailam et al. 1999; Hartman et al. 2007). У рыбок данио, DeltaA, B и D и SerrateB следуют тому же самому паттерну (Haddon et al. 1998; Riley et al. 1999).

Jag1 впервые экспрессируется у кур в отической плакоде на ст. E2 и в противоположность Delta1, он экспрессируется в компактном домене скорее, чем в виде крапчатого паттерна. Jag1 первоначально экспрессируется заднем медиальном аспекте отической плакоды, но быстро подразделяется на передний и задний пул экспрессии. Затем, экспрессия Jag1 предзнаменует образование будущих сенсорных органов, где он продолжает экспрессироваться в ходе всего развития. После клеточной дифференцировки волосковые клетки подавляют экспрессию Jag1, которая сохраняется поддерживающими клетками (Myat et al. 1996; Adam et al. 1998; Cole et al. 2000; Abello et al. 2007). Сходным образом, у мышей Jag1 экспрессируется в просенсорном домене и ограничивается слоем поддерживающих клеток после дифференцировки волосковых клеток (Lewis et al. 1998; Morrison et al. 1999). Хотя имеются доказательства для просенсорной функции Notch у рыбок данио (Millimaki et al. 2007), но соотв. лиганд пока неизвестен.

Notch модулятор Lunatic Fringe (LFng, see Box 2) также динамически экспрессируется во время отического развития. У эмбрионов кур LFng впервые обнаруживается на ст. E2 в нейрогенном регионе, перекрываясь с Delta1. На ст. отоциста экспрессия LFng перекрывается с Jag1 и Delta1 в медиальном регионе, оказываясь более сильной в переднем вентральном аспекте отоциста. Подобно Jag1, LFng оказывается ограниченным развивающимися сенсорными участками и позднее поддержанием клеточного слоя возникающих сенсорных органов. LFng экспрессируется также в CVG. Этот паттерн экспрессии почти такой же у мышей (Morsli et al. 1998; Cole et al. 2000; Abello et al. 2007).

Гены мишени для Notch из семейства Hes/Hey транскрипционных факторов экспрессируются по-разному во время отического развития. Паттерн экспрессии Hes5, Hes1/Hairy-1, Hes6, Hey1, Hey2 и HeyL или у кур или мышей или у обоих видов. Данные экспрессии у кур всё ещё бедны и в основном связаны с ранними стадиями отического развития (Abello et al. 2007; Daudet et al. 2007; Paxton et al. 2010). Напротив, у мышей большинство исследований паттернов экспрессии относится к более поздним стадиям кохлеарного развития, как для Hes (Lanford et al. 1999; Shailam et al. 1999; Zheng et al. 2000; Zine et al. 2001; Qian et al. 2006; Jayasena et al. 2008; Doetzlhofer et al. 2009; Murata et al. 2009), так и для Hey факторов (Hayashi et al. 2008; Li et al. 2008; Doetzlhofer et al. 2009). Эти исследования показали, чтоу мышей гены Hes и Hey дифференциально экспрессируются в разных типах поддерживающих клеток развивающейся улитки. У рыбок данио это семейство генов более сложное и пока нет исчерпывающего описания (Fischer & Gessler 2007). Hes ортологи экспрессируются в отической плакоде (Takke et al. 1999; Radosevic et al. 2011), но всё ещё мало информации об их паттерне во время развития.

The modes of operation of Notch

Сложный паттерн экспрессии рецепторов, лигандов и модуляторов сигнального пути Notch предполагает разнообразные роли, которые играет Notch во время раннего развития уха. Notch необходим для индукции и формирования паттерна отических плакод (Abello & Alsina 2007; Abello et al. 2007; Jayasena et al. 2008 see Box 3). После этого во время нейросенсорного развития путь Notch выполняет две контрастирующие функции, которые приводят к противоположным эффектам, Notch блокирует продукцию волосковых клеток (Fig. 3A). Блокирование Notch на поздних стадиях развития или потеря функции Delta1/Jag2 вызывают образование избыточного количества волосковых клеток (Haddon et al. 1998; Lanford et al. 1999; Riley et al. 1999; Kiernan et al. 2005a; Brooker et al. 2006; Abello et al. 2007; Takebayashi et al. 2007; Hayashi et al. 2008). Это типичный "нейрогенный" фенотип ожидается для потери функции Notch, работающего в качестве латерального ингибитора. В этом случае ингибирование Notch высвобождает от репрессии гены дифференцировки и делает возможной массивную клеточную дифференцировку. Однако раннее ингибирование Notch или потеря функции Jag1 приводит к подавлению просенсорных генов и последующему дефициту продукции волосковых клеток (Tsai et al. 2001; Brooker et al. 2006; Kiernan et al. 2006; Daudet et al. 2007; Hayashi et al. 2008). Это подтверждает, что помимо роли в латеральном ингибировании, Notch необходим для сенсорной спецификации посредством иного механизма, который, как полагают, является латеральной индукцией (Eddison et al. 2000).

Figure 3. The dual effects of Notch in hair cell development. (A) Notch is required for sensory specification but prevents hair cell differentiation. The inhibition of Notch or the loss of function of Jag1 prevents sensory specification and the development of hair cells. However, the late inhibition of Notch, the impairment of the function of Delta1 or the loss of function of some Notch downstream targets cause premature differentiation and excess hair cells. (B) The two modes of operation of Notch during ear development. Lateral induction (left) is characterized by a positive feed-back loop between Notch and the Notch ligand Jag1. All cells in the prosensory patch express both Jag1 and show Notch activity. They adopt the same fate and maintain Sox2 expression, which in turn, confers sensory competence to the prosensory progenitors. Lateral inhibition (right) is described as a negative feed-back loop by which Delta1 induces Notch activity in the neighboring cell, and this causes the suppression of the expression of Delta1. The result is that the ligand delivering cell shuts down Notch activity and becomes fated to differentiate, while the surrounding cells repress Delta1 expression, maintain high levels of Notch activity and adopt the supporting cell fate.

Box 3. Other functions of Notch in early inner ear development and regeneration

Notch and inner ear induction: Notch signaling is involved in the induction of the otic placode. Notch regulates the size of the otic placode, and the inactivation of Notch1 reduces the size of the otic placode. It also regulates the expression of otic markers like Pax8, the thickening of the otic placode and the repression of the epidermal marker Foxig2 (Jayasena et al. 2008). Although Notch signaling does not regulate the onset of its own expression and activation in the otic placode, once that happens, it is able to enhance Wnt activity, which in turn maintains Notch activity (Jayasena et al. 2008). Thus, there is a positive loop between Wnt and Notch that cooperates to orchestrate otic placode specification.

Notch and early patterning of the otic placode: Notch signaling is required also for the early patterning of the otic placode that results in the specification of neurosensory and non-neural domains. Notch blockade results in the expansion of non-neural genes such as Lmx1b and Irox1 into the anterior aspect of the otic placode, where they are not normally expressed. This expansion is not due to cell migration, but to the lack of repression of these genes (Abello et al. 2007). However, Notch blockade does not abolish AP patterning and the neurosensory domain remains restricted suggesting that other upstream mechanisms establish this domain (Bok et al. 2011; Radosevic et al. 2011).

Notch and hair cell regeneration: The avian cochlea has the ability to regenerate cochlear hair cells throughout their lifetime (Corwin & Cotanche 1988; Ryals & Rubel 1988; Stone & Cotanche 2007). During hair cell regeneration Notch drives again lateral inhibition and the selection between hair cell and supporting cell fates (Lanford et al. 1999; Stone & Rubel 1999; Daudet et al. 2009). As a consequence, the blockade of Notch signaling during regeneration results in the overproduction of hair cells at the expense of supporting cells (Daudet et al. 2009; Lewis et al. 2012). Notch1 and Jagged1 are expressed in the supporting cells of the adult basilar papilla (Stone & Rubel 1999; Daudet et al. 2009). During regeneration Atoh1 is rapidly induced in the supporting cells (hours) (Cafaro et al. 2007; Lewis et al. 2012), and followed by Delta1 (days). Thereafter, hair cell differentiation markers are expressed and both Atoh1 and Delta1 downregulated (Stone & Rubel 1999; Chapman et al. 2009).

Согласно классическому мнению Notch-обусловленная латеральная ингибиция базируется на пионерских исследованиях нейрогенеза у Drosophila melanogaster (Artavanis-Tsakonas et al. 1999). Фенотип Drosophila характеризуется избыточной продукцией нейронов после потери функции или Notch или его лигандов, поэтому они наз. нейрогенными генами. При латеральном ингибировании, лиганд-продуцирующие клетки успешно передают сигналы своим соседям, чтобы редуцировать экспрессию лиганда. Т.о., распространение Notch оказывается перемежающимся и клетки, первоначально эквипотентные, или активируют или замалчивают Notch. Результатом является бинарный выбор клетками судеб, в результате чего соседние сигнальные клетки управляются так, чтобы отличаться др. от др. Это ассоциирует с паттернами экспрессии генов типа соль-и-перец (Bray 1998; Lewis 1998; Fior & Henrique 2008). Латеральное ингибирование оперирует во время нейрогенеза позвоночных и при генерации и регенерации волосковых клеток в сенсорных органах внутреннего уха (Henrique et al. 1995; Adam et al. 1998; Lewis 1998; Lanford et al. 1999, see Box 3). Генеральная модель утверждает, что нейрогенез инициируется внутри популяции эквипотентных предшественников, компетентных к нейрогенезу. Эти клетки экспрессируют пронейральные белки и DSL лиганды (Dll или Jag), но стохастические вариации уровней лигандов внутри клеток приводят к тому. что некоторые клетки экспрессируют более высокие уровни и поэтому активируют Notch в соседних клетках более эффективно. тем самым сигнал, воспринимаемый клетками, экспрессирует высокие уровни Hes/Hey генов. которые репрессируют экспрессию пронейральных генов и, следовательно, экспрессию Notch лигандов. Финальный эффект заключается в том, что субнабор клеток прекращает экспрессию высоких уровней пронейральных генов и Notch лигандов, приводя их к вступлению на путь дифференцировки. В свою очередь, они активируют Notch в соседних клетках, заставляя их сохранять состояние предшественников. Т.о., механизм латерального ингибирования умножает стохастические вариации между соседними клетками и создает мозаичные паттерны генной экспрессии, которые в конечном итоге приводят к принятию двух разных судеб (Artavanis-Tsakonas et al. 1999; Schweisguth 2004; Bray 2006; Kageyama et al. 2008) (Fig. 3B, right).

Напротив, латеральная индукция была впервые описана как петля позитивной обратной связи, в которой лиганд экспрессирующие клетки стимулируют те, что рядом, усиливать экспрессию лиганда и активацию Notch, способствуя тем самым активации coherent сигналов и скоординированному поведению клеток (Bray 1998) (Fig. 3B, left). Латеральная индукция наблюдается у мух в виде Notch-обеспечиваемой индукции пронейральных доменов в глазу (Baker & Yu 1997; Li & Baker 2001) и по краю крыла (De Celis & Bray 1997; Bray 1998). Существует также несколько примеров латеральной индукции у позвоночных, включая индукцию пронейральных доменов в ухе (Eddison et al. 2000) и глазу (Onuma et al. 2002), формирование края зачатка конечности (Irvine & Vogt 1997), сомитных границ (Oates et al. 2012), пролиферации и дифференцировки клеток предшественников хрусталика (Le et al. 2009) и становления домена нервного гребня внутри эктодермы (Cornell & Eisen 2005). Отметим, что во время как латерального ингибирования активация Notch в одной клетке ингибирует экспрессию Notch-лиганда в той же самой клетке; латеральная индукция действует противоположным образом.

The prosensory function of Notch: Lateral induction works for patterning

Наблюдение, что экспрессия Jag1 предвещает появление сенсорных органов, указывает на ассоциацию функции Notch с просенсорной спецификацией (Fig. 4A). Исследования потери функции у мышей указывают на роль передачи сигналов Jag1/Notch в раннем развитии уха (Kiernan et al. 2001; Tsai et al. 2001). Более того, в противоположность Dll1 и Jag2, паттерн экспрессии Jag1 в просенсорных участках униформен, а не в виде рисунка соль-и-перец (Adam et al. 1998; Lewis et al. 1998; Morrison et al. 1999; Cole et al. 2000), это ведет к предположению, что экспрессия Jag1 в просенсорных участках может регулироваться с помощью латеральной индукции (Eddison et al. 2000; Daudet & Lewis 2005; Daudet et al. 2007). "b первоначальные наблюдения поставили два основных вопроса о роли Notch и Jag1 в развитии внутреннего уха: (i) как экспрессия Jag1 регулируется с помощью Notch? и (ii) какой механизм лежит в основе просенсорной функции Notch в ухе? Продолжаются попытки выяснить механизмы, лежащие в основе просенсорной функции Notch и регуляции Jag1 в ухе.

Figure 4. Jag1 and lateral induction in the prosensory patches of the developing inner ear. (A) Jag1 is expressed uniformly in the prosensory patches. The microphotographs illustrate the expression of Jag1 and Sox2 detected by immunohistochemistry. Jag1 is expressed in the cell membranes of the same cells that express Sox2 in the nucleus. (B) Jag1 induces Jag1 in the neurosensory domains. The electroporation of hJag1 in the neurosensory domain of the otic placode (left) induce the expression of Jag1 (red) in both electroporated (green) and non-electroporated cells. hJag1 was co-electroporated with a green fluorescent protein (GFP) vector and Jag1 detected by immunohistochemistry. The diagram on the right illustrates an idealized view of the effects of the electroporation (for experimental details see Neves et al. 2011).

Jag1 is regulated by lateral induction

Мнение, что Jag1 регулируется с помощью латеральной индукции, предполагает, что экспрессия Jag1 позитивно регулируется с помощью Notch. Первая проверка этой гипотезы заключалась в замалчивании передачи сигналов Notch в отическом пузырьке эмбрионов кур посредством электропортации in ovo RCAS (replication competent ALV LTR with a splice acceptor) конструкции, кодирующей доминантно негативные формы Delta1 или Su(H). Это привело к потере или сильному снижению экспрессии Jag1 в трансфицированных просенсорных регионах и предосавило первые доказательства, что экспрессия Jag1 в самом деле позитивно регулируется с помощью активности Notch (Eddison et al. 2000). Потребность в передаче сигналов Notch, чтобы поддерживать экспрессию Jag1 в просенсорных доменах была подтверждена позднее экспериментами на изолированных отоцистах эмбрионов кур, культивируемых в присутствии DAPT, γ-secretase ингибитора, что предупреждает расщепление Notch (Daudet et al. 2007). Блокада Notch приводит к потере экспрессии Jag1 в просенсорных доменах (Daudet et al. 2007). Ранее исследования по избыточной функции у кур показали, что принудительная активация Notch вне просенсорных доменов в результате электропортации in ovo Notch1 intracellular domain (N1ICD) в отический пузырек, было достаточным, чтобы индуцировать эктопическую экспрессию Jag1 (Daudet & Lewis 2005). Это недавно было подтверждено на мышах (Hartman et al. 2010; Pan et al. 2010). Более того, недавние данные по обусловленному устранению во внутреннем ухе RBPj (see Box 2) у мышей, при этом передача сигналов Notch выключалась на ранних стадиях развития, также выявили потерю Jag1 и др. просенсорных маркеров (Basch et al. 2011; Yamamoto et al. 2011). Кохлеарный фенотип у RBPj мутантных мышей обнаруживал некоторую резистентность к делеции Notch, неожиданное свойство, которое указывает на альтернативные механизмы для просенсорной индукции в улитке мышей (Basch et al. 2011). Но несмотря на это в целом доступные данные подтверждают идею, что передача сигналов Notch позитивно регулирует экспрессию Jag1 во внутреннем ухе.

При латеральной индукции устанавливается позитивная петля обратной связи, с помощью которой Notch активация в одной клетке индуцирует экспрессию Notch-активируемого лиганда в той же самой клетке (Bray 1998). Как результат, все клетки д. кооперативно активировать Notch и экспрессировать сигнальный лиганд униформно. Одним из предсказаний такого способа действия является распространение сигнала в кластере клеток. Недавние данные, в самом деле, продемонстрировали, что такого типа механизм оперирует во внутреннем ухе. Notch активация во внутреннем ухе мышей не только индуцирует экспрессию Jag1 клеточно автономно, но и также не клеточно автономно, распространяя сигнал на соседние клетки, на расстояние в три клеточных диаметра (Hartman et al. 2010). У эмбрионов кур исследования избыточной функции показали, что эктопическая экспрессия человеческого (hJag1) трансгена в отическом пузырьке кур вне просенсорных доменов оказалась достаточной для индукции генов мишеней для Notch и экспрессии Jag1 не клеточно автономным способом (Fig. 4B). Это строго подтверждает мнение, что Jag1 оперирует с помощью механизма латеральной индукции, что базируется на петле позитивной обратной связи (Neves et al. 2011).

The prosensory function of Notch depends on Jag1

Эксперименты на курах и мышах подтверждают просенсорную функцию передачи сигналов Jag1/Notch во время развития внутреннего уха. Некоторые мутантные мыши - slalom, coloboma и headturner (Kiernan et al. 2001, 2006; Tsai et al. 2001; Brooker et al. 2006) - и сравнительно недавно, Pax2 и Foxg1 условные нулевые аллели для Jag1 в ухе были использованы для анализа эффектов потери функции Jag1 во внутреннем ухе (Brooker et al. 2006; Kiernan et al. 2006). Хотя и с некоторыми фенотипическими отличиями Jag1 мутации/делеции приводят к дефектам в развитии сенсорного эпителия внутреннего уха. Фенотипы включали укорочение или отсутствие сенсорных органов и потери волосковых клеток. Снижение количества волосковых клеток обусловлены ни дефектами в дифференцировке, ни сдвигом в нейрональный фенотип или дегенерацией клеток, а потерей клеточной спецификации (Brooker et al. 2006; Kiernan et al. 2006; Pan et al. 2010). Более того, длительная блокада передачи сигналов Notch с помощью DAPT нарушает продукцию волосковых клеток в отоцистах кур, культивируемых in vitro (Daudet et al. 2007). Напротив, вынужденная экспрессия NICD способна запускать формирование эктопических волосковых клеток (Daudet & Lewis 2005; Hartman et al. 2010; Pan et al. 2010; Liu et al. 2012). Однако недавние данные показали, что у кур эктопическая экспрессия Jag1 не может запускать образование эктопических волосковых клеток de novo, а только внутри нейросенсорного домена, указывая тем самым, что Jag1 действует на уже предсуществующую сенсорную компетентность (Neves et al. 2011).

The prosensory function of Jag1/Notch is mediated by Sox2

Существует несколько генов, иных чем Jag1, которые картируются в просенсорных доменах. Они предзнаменуют развитие сенсорных органов внутреннего уха и включают Bmp4, LFng и Sox2 (Cole et al. 2000; Neves et al. 2007). Среди них только Sox2 необходим для просенсорной спецификации, потеря его функции ведет к потере сенсорных органов (Kiernan et al. 2005b). Возникает вопрос, обеспечивается ли просенсорная функция Jag1/Notch с помощью Sox2. Три независимых исследования показали, что эктопическая экспрессия Jag1 в слуховом пузырьке кур или NICD в мышиных отоцистах ведет к экспансии экспрессии Sox2 (Hartman et al. 2010; Pan et al. 2010; Neves et al. 2011). Эксперименты на курах подтверждают, что Jag1-обеспеваемая активность Notch поддерживается с помощью экспрессии Sox2 скорее, чем индукции её de novo. Во время нормального развития экспрессия Sox2 первоначально широкая и содержит Jag1 участки. Однако по ходу развития домен экспрессии Sox2 ограничивается Jag1-позитивными участками и в них он сопутствует просенсорным доменам в течение всего развития (Fig. 4A). Jag1 способен поддерживать экспрессию Sox2 в доменах, расположенных между участками, в которых он уже выключился (Fig. 5, top left), но он неспособен индуцировать экспрессию Sox2 de novo вне нейросенсорного домена (Fig. 5, middle left). Соотв., избыточная экспрессия Jag1 позднее в развитии неспособна расширять экспрессию Sox2 (Fig. 5, bottom left). В противоположность Sox2 обнаруживает широко распространенную способность индукции судьбы волосковых клеток по всему отическому эпителию (Fig. 5, right), функция, которая недавно была ассоциирована со способностью непосредственно активировать транскрипцию Atoh1 (Neves et al. 2011, 2012; Ahmed et al. 2012).

Figure 5. The prosensory function of Jag1 depends on Sox2. The diagrams illustrate the effects of the electroporation of Jag1 (left) and Sox2 (right) on the generation of hair cells and neurons. Embryos were electroporated in E2.5 (upper two rows) or in E3.5 (lower row), and examined after two days for neuronal and hair cell markers (for details of experiments see Neves et al. 2011). The gain of function of both Jag1 and Sox2 in the neurosensory domain (upper rows) results in the expansion of the prosensory patches and a gain in neuronal and hair cell production. However, when electroporation is carried out in non-neurosensory domains, only Sox2 is able to generate ectopic neurons and hair cells. Similarly, when electroporation is done later in development, once the prosensory patches are defined, only Sox2 is able to induce ectopic neurons and hair cells.

Исходя из этих наблюдений было предположено, что просенсорная функция Jag1/Notch базируется на его способности поддерживать экспрессию Sox2 в просенсорных доменах, предопределяя т. о. регионы отического эпителия, некоторые сохраняют сенсорный потенциал. Это предоставляет простую модель связи формирования паттерна и спецификации клеточных судеб: экспрессия Jag1 специфицирует участки активации Notch, который поддерживает экспрессию Sox2, которая в свою очередь управляет сенсорной компетентностью. Кроме того, Notch индуцирует Hes и Hey факторы, которые являются репрессорами пронейральных генов, а Sox2 также препятствуют дифференцировке волосковых клеток посредством feed-forward incoherent петли, которая способствует активации ингибиторов для Atoh1 (Dabdoub et al. 2008; Neves et al. 2012). Оба пути кооперирую, чтобы поддерживать самообновление и экспансию сенсорных предшественников перед дифференцировкой, определяя тем самым время появления волосковых клеток.

Lateral inhibition in neurogenesis and hair cell determination

У кур, млекопитающих и рыбок данио экспрессия Delta1 предвосхищает дифференцировку отических нейронов и волосковых клеток, а Jag2 только волосковых клеток (Adam et al. 1998; Haddon et al. 1998; Lanford et al. 1999; Daudet & Lewis 2005; Brooker et al. 2006; Abello et al. 2007; Daudet et al. 2007). Роль Delta1 во внутреннем ухе впервы была открыта в исследованиях на мутантах Mindbomb (Mib) рыбок данио (Jiang et al. 1996). Mib является ubiquitin E3 лигазой, необходимой для Delta-обеспечиваемой активации Notch (Itoh et al. 2003; Koo et al. 2005; Zhang et al. 2007). Соотв. мутанты Mib обнаруживали повышенную экспрессию Delta1 и нарушение паттерна экспрессии в виде соль-и-перец. Mib мутантные рыбки обнаруживали избыточные количества отических нейронов и волосковых клеток, указывающих строго, что процесс латерального ингибирования, обеспечиваемый путем Notch, регулирует развитие этого типа клеток (Haddon et al. 1998). Эти наблюдения были в дальнейшем подтверждены на курах и мышах. У кур γ-secretase ингибитор DAPT или электропортация доминантно негативной формы MAM (see Box 2) также приводили к избыточной продукции нейронов и волосковых клеток без нарушения нейральной компетентности домена (Abello et al. 2007; Daudet et al. 2007). Вынужденная активация Notch1 в сенсорных участках предупреждала дифференцировку волосковых клеток (Daudet & Lewis 2005) (заметим, что это находится в контрасте со способностью Notch расширять просенсорный домен, когда электропортируется вне просенсорных участков). Условная делеция Delta1 у мышей вызывает увеличение CVG ганглия и дефекты макулы, указывая, что потеря Delta1 нарушает латеральное ингибирование и вызывает появление избыточного количества нейронов и истощение пула сенсорных предшественников (Brooker et al. 2006). Помимо того, потери функции Delta1 и Jag2 вызывают образование избыточных количеств волосковых клеток. Эффекты Jag2 предоминируют во внутреннем слое волосковых клеток внутреннего уха, тогда как эффекты Dll1 в слоях наружных волосковых клеток (Lanford et al. 1999; Kiernan et al. 2005a; Brooker et al. 2006). Dll3 мутантные мыши не обнаруживают аномалий в формировании волосковых клеток в улитке, это может быть обусловлено перекрыванием между Notch лигандами и не обязательно способом, которые не играет роли в латеральном ингибировании (Hartman et al. 2007). Итак, доказательства строго подтверждают, что генерация нейронов и мозаичный паттерн волосковых и поддерживающих клеток сенсорных органов зависит от Notch обеспечиваемого латерального ингибирования.

The dual function of Notch in the ear: open questions

Из представленного выше обсуждения следует, что Notch оперирует двумя противополжными способами, при которых один и тот же внутриклеточный аппарат объясняет униформны или соль-и-перец паттерны экспрессии, и активирование в противоположность репрессии лиганда (Fig. 6). Это ставит несколько интригующих вопросов, как сигнальная система, обладающая общим клеточным контекстом, может выполнять эти две отличающиеся функции. Далее мы коротко остановимся на возможных механизмах, которые позволяют пути Notch выбирать между режимами латерального ингибирования и латеральной индукции.

Figure 6. Model of Notch function in sensory development. During prosensory stages (upper diagram) the activation of Notch results in the transcription of Jag1 and maintains the repression of Atoh1. Jag1-induced Notch activity maintains also the expression of Sox2, which through an incoherent loop directly activates Atoh1, but inhibits its transcription via the activation of Hes and Hey genes. This is how sensory commitment is retained by prosensory patches. The ligand Delta1 is not expressed until the repression on Atoh1 is released. It is yet unknown how Notch promotes Jag1 expression or whether Hes/Hey genes are instrumental for the regulation of Jag1. Later in development, hair cells are determined by the expression of Delta1 that is set by Atoh1. Delta1 and Jagged2 are expressed in nascent hair cells and activate Notch in the neighboring cells that adopt the supporting cell fate. Supporting cells maintain Jag1 expression and the activation of Notch by lateral induction. They also retain Sox2 expression, which is probably the basis for their ability to regenerate hair cells after injury.

Зависит ли латеральная индукция или ингибирование от природы лиганда? В случае развития внутреннего уха предполагается, что это вполне возможно, поскольку латеральная индукция ассоциирует с Jag1 , а латеральное ингибирование с Delta1. Однако это происходит не во всех случаях. Напр., Jag1 избирает V1 нейробласты в нервной трубке с помощью латерального ингибирования (Ramos et al. 2010), тогда как он ассоциирует с латеральной индукцией в ухе и хрусталике (Le et al. 2009; Neves et al. 2011). С др. стороны, Delta1 генерирует когерентные паттерны экспрессии в пресомитной мезодерме, которые поддерживают осцилляции пресомитной пресомитной мезодермы локально синхронизируемые с помощью латеральной индукции (Jiang et al. 2000), но он также регулирует нейрогенез в ЦНС и ПНС и генерирует волосковые клетки внутреннего уха посредством латерального ингибирования (Henrique et al. 1995; Adam et al. 1998). Разные клеточные результаты в зависимости от лигандов могут также обеспечиваться их разными реакциями на Notch, при этом Delta ингибируется, Jagged активируется. гены Hes и Hey являются каноническими мишенями для Notch и они обычно действуют как репрессоры пронейральных генов, которые ответственны за экспрессию Delta (Ohsako et al. 1994; Van Doren et al. 1994; Fisher & Caudy 1998; Iso et al. 2001, 2003). В самом деле, как упоминалось выше Delta1 избыточно экспрессируется после блокады Notch (Abello et al. 2007; Daudet et al. 2007), тогда как Jag1 ведет себя противоположным образом и снижается после ингибирования Notch (Daudet et al. 2007), подтверждая, что , по крайней мере, частично позитивно регулируется с помощью Notch. Matsuda с коллегами исследовали этот вопрос теоретических потребностей для распространения передачи сигналов Notch. Базируясь на синтетических моделях клеточных культур, авт. предположили, что минимальная сетевая топология, которая необходима для латеральной индукции нуждается во взаимной активации между соседними клетками и также в умножении сигналов (Matsuda et al. 2012). Понимание регуляции лигандами является критическим для моделирования способа действия Notch.

Вследствие приведенного выше обсуждения можно сказать, что контекст, ведущий к разному поведению Jagged или Delta лигандов, приводит к разным исходам. Одной из возможностей является то, что присутствие Notch модуляторов, подобных Fringe (see Box 2), заставляет эти два лиганда вести себя по-разному. Fringe белки усиливают передачу сигналов Notch, индуцируемую с помощью Delta, тогда как они ингибируют передачу сигналов, индуцируемую с помощью Jagged. исследования по связыванию клеток Drosophila и млекопитающих показали, что Fringe меняет связывание Delta или Serrate/Jagged с Notch, так что передача сигналов Jagged ингибируется в присутствии Delta (Bruckner et al. 2000; Shimizu et al. 2001; Lei et al. 2003; Okajima et al. 2003). Однако в др. контексте гликозилирование Fringe не предупреждает связывание Jag1 с Notch. Вместо этого он мешает эффективному протеолизу, запускаемому путем связывания Jag1, эффективно действуя в качестве ингибитора Jag1-индуцируемой активации Notch (Hicks et al. 2000; Yang et al. 2005; Benedito et al. 2009; Golson et al. 2009). Возможно, что присутствие Lfng в просенсорных доменах затрудняет передачу сигналов Jag1, это, в свою очередь, приводит к низким уровням активного Notch. Напротив, во время продукции волосковых клеток, предшественники волосковых клеток экспрессируют Delta1, чьё связывание с гликозилированным Notch1 в соседних клетках ведет к строгой активации Notch. Сообщалось, что потеря функции Lfng может устранять эффекты мутации Jag2 на развитие кохлеарных волосковых клеток (Zhang et al. 2000). Можно предположить, что в отсутствие Lfng Jag1 будет вести себя как лиганд, приводящий к латеральному ингибированию и тем самым компенсировать потерю Jag2.

Несмотря на это помимо того факта, что лиганды обнаруживают избирательность, всё ещё остается проблема, как активация Notch рецептора ведет к разным клеточным исходам. Существуют стоящие ниже Notch мишени, такие как гены Hes и Hey, дифференциально регулируемые с помощью Notch, и если это так, то каков механизм выбора мишени? В некоторых случаях гены Hes и Hey экспрессируются одновременно, как, напр., во время формирования сомитов (Leimeister et al. 2000). Однако, дифференциальная экспрессия Hes и Hey во время развития внутреннего уха (Hayashi et al. 2008; Tateya et al. 2011) подтверждает, что Notch может приводить к активации разных эффекторов. Как может активный Notch вызывать дифференциальную активацию генов Hes и Hey? Способность Notch активировать данный промотор зависит от структурных свойств, подобных распределению и пространственному расположению сайтов связывания CSL или расстоянию от стартовой точки транскрипции, что влияет на избирательность и амплитуду реакции. Специфическая организация промоторных регионов генов мишеней диктует кооперативную сборку Notch транскрипционных комплексов, которые, в свою очередь, приводят к разным исходам (Arnett et al. 2010). Структурные требования также лежат в основе того факта, что уровни Notch являются инструментальными для выбора количественных отличий в активации Hes1 и Hes5, как в эмбриональных почках (Ong et al. 2006). Интересная возможность заключается в том, что Jag1 и Delta1, экспрессируемые в ходе всего развития уха индуцируют разные уровни активного Notch, которые в результате приводят к разным генным исходам и клеточным поведениям.

Наконец, активация Notch приводит к регуляции различных генов, иногда с противоположными функциями. Анализ геномных реакций на Notch показывает, что имеется несколько примеров путей, регулируемых с помощью incoherent network logics, согласно которым Notch активирует как гены, так и их репрессоры (Krejci et al. 2009). Более того, имеется активное взаимное общение на транскрипционном уровне с др. сигнальными путями, включая передачу сигналов RTK. Ничего неизвестно о Notch мишенях в ухе, но приведенное выше подтверждает, что финальный результат активации Notch может существенно варьировать в зависимости от состояния активации клеток даже внутри того же самого общего контекста.

In summary, we have reviewed here some aspects of Notch signaling in relation to the specification of the neurosensory territory and the development of neurons and hair cells in the inner ear. This provides an interesting example of how the same players, in this case the Notch signaling pathway, reiterate in development by performing multiple functions. Moreover, these functions rely on a core signaling pathway that is able to diversify its modes of operation. Which are the mechanisms underlying lateral inhibition versus lateral induction and those that govern their transitions are very intriguing questions still far from being resolved.

Patterning and cell fate in the inner ear: a case for Notch in the chicken embryoJoana Neves, Gina Abellу, Jelena Petrovic, Fernando Giraldez Development, Growth & Differentiation Volume 55, Issue 1, pages 96–112, January 2013

Patterning and cell fate in the inner ear: a case for Notch in the chicken embryo
Joana Neves, Gina Abellу, Jelena Petrovic, Fernando Giraldez
Development, Growth & Differentiation Volume 55, Issue 1, pages 96–112, January 2013