Нервный гребень (NC) это популяция мультипотентных стволовых клеток, которая индуцируется на границе нервной пластинки во время нейруляции и дает многочисленные типы клеток. Клетки NC экстенсивно мигрируют во время эмбриогенеза, используя стратегии, которые напоминают те, что наблюдаются при раковых метастазах. Проблемы с развитием NC являются основой многих синдромов у человека и врожденных дефектов, коллективно известных как neurocristopathies. Популяция NC также определяет признак принадлежности к типу позвоночных. Он ответственен за появление челюстей, приобретение стиля жизни хищников и новую организацию цефалических сенсорных органов у позвоночных. Т.о., NC является прекрасной системой для изучения клеточной дифференцировки и свойств стволовых клеток, а также эпителиально-мезенхимного перехода (EMT) и ведения клеток. Как таковые клетки NC становятся привлекательной моделью.

В данной работе и в сопровождаемом постере мы представляем обзор формирования, миграции и дифференцировки NC, суммируя экспериментальные данные, полученные на эмбрионах мышей, Xenopus, рыбок данио и птиц. В частности, мы подчеркиваем основные силы, управляющие миграцией NC, включая генетический контроль EMT, механизмы клеточной кооперации и ведения клеток. Мы также обсудим сходство между развитием NC и прогрессированием рака, чтобы подчеркнуть, как исследования физиологических систем, таких как мигрирующие клетки NC, могут предоставить новую информацию о миграции раковых клеток. Мы закончим презентацией некоторых дефектов развития, ассоциированных с нарушениями развития NC и предложим будущие направления исследований в этой области. Figure

Neural crest formation

NC индуцируется на краю нервной пластинки за счет точной комбинации bone morphogenetic protein (BMP), Wnt, fibroblast growth factor (FGF), ретиноевой кислоты и передачи сигналов Notch, продуцируемых эктодермой, нейроэпителием и подлежащей мезодермой (Milet and Monsoro-Burq, 2012; Prasad et al., 2012). Итак, эти сигналы активируют экспрессию серии транскрипционных факторов, таких как те, что кодируются с помощью Snail/Slug, Foxd3 и SoxE генов, которые предопределяют территорию NC и контролируют последовательность развития NC (Cheung et al., 2005; McKeown et al., 2013; Theveneau and Mayor, 2012).

Являются ли клетки NC, детерминированными стать специфическими клонами вскоре после индукции или они остаются недетерминированными и становятся всё более и более ограниченными в ходе своей миграции? Не смотря на интенсивные исследования существуют всё ещё противоречия относительно степени мультипотентности NC. Хотя экспериментальные данные подтверждают, что огромное большинство клеток NC не являются предетерминированными и дифференцируются как результат сигналов, с которыми они сталкиваются в своем окружении во время миграции, некоторые клетки NC, по-видимому, предетерминированы стать специфическим клоном до начала миграции (Krispin et al., 2010; McKinney et al., 2013). Т.о., популяция NC, по-видимому, является гетерогенной группой, состоящей из клеток с разной степенью мультипотентности и пластичности. Многие ранние NC гены, которые активируются во время индукции, также контролируют EMT, который запускает миграцию. Интересно, что EMT оказывается сцепленным с приобретением свойств стволовых клеток (Chang et al., 2011; Mani et al., 2008; Morel et al., 2008). Это открывает интригующую возможность, что мультипотентность и начало миграции NC могут быть связаны и одновременно контролируются как часть программы EMT.

Neural crest derivatives

После миграции клетки NC дифференцируются в обширный список производных (Dupin et al., 2006; Hall, 2008; Le Douarin and Kalcheim, 1999; Le Douarin et al., 2012; Theveneau and Mayor, 2011). Клетки цефалического NC, которые возникают на уровне от диэнцефалона до третьего сомита, вносят существенный вклад в черепно-лицевые структуры, продуцируя кости и хрящи лица и шеи, а также сухожилия, мышцы и соединительную ткань ушей, глаз, зубов и кровеносных сосудов. Они также формируют пигментные клетки и большую часть ПНС и модулируют рост и формирование паттерна головного мозга. Субпопуляция клеток цефалического NC, наз. кардиальным NC, возникает на уровне от отического зачатка до начала 4-го сомита. Он мигрирует в сердце и важен для разделения тракта оттока. Клетки NC туловища, которые возникают каудальнее 4-го сомита, формируют пигментные клетки, дорсальные корешки и симпатические ганглии ПНС и эндокринные клетки надпочечников. Наконец, клетки энтерического NC отсоединяются от нервной трубки на уровне сомитов 1 - 7 и колонизируют весь кишечник, формируя энтерическую ПНС, которая контролирует пищеварительный тракт.

Molecular mechanisms of neural crest cell migration

Epithelium-to-mesenchyme transition

Миграция клеток NC начинается после полного или частичного EMT, это позволяет клеткам NC отделяться от от нейроэпителия и эктодермы (Duband, 2010; Theveneau and Mayor, 2012). Глобальное переключение экспрессии с E-cadherin (cadherin 1) на N-cadherin (cadherin 2) происходит во время нейральной индукции (Dady et al., 2012; Nandadasa et al., 2009) и поэтому нервная пластинка и все премиграторные клетки NC экспрессируют высокие уровни N-cadherin, при этом остаточные уровни E-cadherin в основном обнаруживаются в цефалическом регионе. Это сопровождается др. переключением, с высокой к низкой экспрессии N-cadherin, вместе с de novo экспрессией более слабого типа II cadherins (6/7/11). Это контролируется с помощью Snail/Slug, Foxd3 и Sox9/10 в клетках NC туловища (Cheung et al., 2005; McKeown et al., 2013), при этом оказываются необходимыми головные дополнительные факторы, такие как Ets1, LSox5 и p53 (Perez-Alcala et al., 2004; Rinon et al., 2011; Theveneau et al., 2007). Кроме того, клетки NC также экспрессируют некоторые протеазы, которые способны расщеплять кадгерины, такие как ADAM10 и ADAM13, модулируя тем самым свойства межклеточной адгезии возникающих клеток NC (McCusker et al., 2009; Shoval et al., 2007). Эти изменения вместе с изменениями в активности интегрина и локальным ремоделированием внеклеточного матрикса (ECM), запускают миграцию NC.

Contact inhibition of locomotion

По ходу миграции клетки NC сохраняют экспрессию некоторых молекул межклеточной адгезии, которых оказывается достаточно для обеспечения временных межклеточных контактов. Наиболее очевидным проявлением этих временных контактов является contact-inhibition of locomotion (CIL). CIL является сложным процессом во время которого мигрирующие клетки моментально останавливаются после физического контакта с одна с др. и затем реполяризуются в противоположных направлениях (Mayor and Carmona-Fontaine, 2010). Этот феномен впервые был описан в 1950s (Abercrombie and Heaysman, 1953) а в 1980s, было предположено, что он действует как движущая сила для миграции клеток NC (Erickson, 1985). Эта идея в дальнейшем была подтверждена наблюдением за поведением клеток NC после столкновения in vitro и in vivo при использовании клеток NC из туловища и головы (Rovasio et al., 1983; Teddy and Kulesa, 2004). В целом, CIL предупреждает клетки от перекрывания за счет выпячиваний, ингибирующих клетки в местах физического контакта. Кроме того, CIL способствует дисперсии за счёт активной реполяризации клеток, направляющей их прочь из области взаимодействия.

Молекулярные эффекторы в CIL в клетках NC и их значение для миграции клеток NC in vivo было установлено с использованием цефалических Nc клеток Xenopus и рыбок данио (Carmona-Fontaine et al., 2008; Theveneau et al., 2010). Временные контакты между двумя столкнувшимися клетками NC используют N-cadherin и ведут к локальной активации неканонического пути Wnt/planar cell polarity (PCP), который, в свою очередь, активирует небольшую GTPase RhoA и ингибирует Rac1, реполяризуя тем самым клетки. Роль Wnt/PCP в миграции клеток NC туловища была установлена у кур, рыбок данио и мышей, но её связь с CIL ещё не была проанализирована (Banerjee et al., 2011; Rios et al., 2011).

Co-attraction

Не смотря на осуществление CIL при столкновении одна с др., клетки NC стремятся мигрировать в виде больших групп, следуя др. за др. и диспергируя в меньшей степени, чем предсказывает эффект CIL. Интересно, что исследования на Xenopus показали что цефалические клетки NC секретируют complement factor C3a и экспрессируют его рецептор C3aR на своей поверхности (Carmona-Fontaine et al., 2011). C3a действует как хемоаттрактант и обеспечивает феномен т. наз. co-attraction. Большая группа клеток NC продуцирует большие количества C3a, устанавливая локальный градиент. Когда клетки покидают поток мигрирующих NC, к которому они принадлежат, то они быстро привлекаются обратно посредством C3a-зависимого хемотаксиса. C3aR передача сигналов активирует Rac1, который достаточен, чтобы поляризовать отошедшие клетки NC в направлении масс мигрирующих NC клеток (Carmona-Fontaine et al., 2011; Theveneau and Mayor, 2013). Этот феномен взаимного привлечения делает возможной коллективную миграцию NC несмотря на низкую межклеточную адгезию и дисперсию, индуцируемую с помощью CIL. Детальный анализ мигрирующих клеток NC у кур и рыбок данио выявило признаки поведения, похожего на взаимное привлечение, но это поведение и его молекулярные эффекторы пока не изучены.

Neural crest guidance

Миграция NC базируется на доступном подходящем ECM, в основном представленном fibronectin, laminins и некоторыми коллагенами, которые выстилают пути миграции (Perris and Perissinotto, 2000). Дальнейшее формирование паттерна NC в самостоятельные потоки и их точная доставка в специфическую ткань контролируется большим количеством негативных и позитивных сигналов наведения (Alfandari et al., 2010; Kelsh et al., 2009; Kirby and Hutson, 2010; Kulesa et al., 2010; Kuo and Erickson, 2010; Kuriyama and Mayor, 2008; Sasselli et al., 2012; Theveneau and Mayor, 2012).

В голове отделившиеся клетки NC вынуждены собраться в три основных субпопуляции, в основном с помощью избегания class 3 semaphorins, секретируемых окружающими тканями (т.e. отическим пузырьком и соседними ромбомерами, глазом). Передача сигналов Eph/ephrin также участвует. Напр., мигрирующие клетки NC с несоответствующим Eph/ephrin кодом не могут мигрировать бок о бок др. с др. и поэтому распадаются на разные потоки. Сходным образом, мигрирующие клетки NC могут проникать только в ткань, которая экспрессирует соответствующий Eph/ephrin профиль. Дальнейший контроль обеспечивается сигналами позитивного ведения, такими как stromal cell-derived factor 1 (Sdf1; также известный как Cxcl12), vascular endothelium growth factor (VEGF), FGFs и glial cell-derived neurotrophic factor (GDNF). Sdf1 необходим для миграции вообще цефалического NC у Xenopus, но его ингибирование оказывает только локальный эффект на клетки NC рыбок данио (Olesnicky Killian et al., 2009; Theveneau et al., 2010). У мышей, FGF2 и FGF8, как было установлено, контролируют миграцию NC в направлении бранхиальных дуг (Kubota and Ito, 2000; Trokovic et al., 2005), тогда как у кур эквивалентная роль приписывается VEGFA (McLennan et al., 2010). Также у эмбрионов кур клетки кардиального NC, по-видимому, полагаются на FGF8 и semaphorin 3C (здесь действующий как позитивный сигнал) , чтобы достичь сердца (Lepore et al., 2006; Sato et al., 2011). Наконец, данные, полученные на эмбрионах кур и мышей, демонстрируют, что GDNF контролирует рострокаудальное распространение энтерического NC вдоль кишки, чтобы сформировать энтерическую нервную систему (Sasselli et al., 2012; Young et al., 2001).

Миграция клеток NC туловища подразделена на два альтернативных пути (Kelsh et al., 2009; Kuo and Erickson, 2010): дорсолатеральный путь, который в основном используется клетками NC пигментного клеточного клона, и вентромедиальный путь, используемый клетками NC, формирующими ПНС туловища. Разрешение на вступление на дорсолатеральный путь в основном контролируется с помощью endothelin и передачи сигналов Eph/ephrin. У мышей, дальнейшая доставка меланоцитов в волосяные фолликулы затем контролируется с помощью Sdf1 (Belmadani et al., 2009). NC клетки, следующие по вентральному пути ограничены дискретными потоками за счет сигналов, продуцируемых с помощью параксиальной мезодермы (сомитов). Только данный регион мезодермы пригоден для миграции клеток NC. У эмбрионов кур и мышей клетки NC заполняют переднюю часть сомитов, тогда как у рыб и лягушек они мигрируют по соседству с со средней и задней частью сомитов, соотв. Сигналы, используемые при формировании паттерна вентральной части туловища, при миграции клеток NC у рыб и лягушек остаются неизвестными, но исследования у эмбрионов кур и мышей выявили участие class 3 semaphorins, Eph/ephrins и некоторых компонентов ECM, таких как versicans, препятствующих миграции по всей каудальной части каждого сомита (Gammill and Roffers-Agarwal, 2010; Kuo and Erickson, 2010; Kuriyama and Mayor, 2008; Perris and Perissinotto, 2000; Theveneau and Mayor, 2012). Кроме того, миграция клеток NC в зачатки симпатических ганглиев у эмбрионов кур и в ганглии дорсальных корешков у мышей регулируется с помощью Sdf1 (Belmadani et al., 2005; Kasemeier-Kulesa et al., 2010).

Интересно, что ведение клеток, по-видимому, зависит, по крайней мере, частично от того факта, что клетки NC способны кооперироваться за счет временных межклеточных взаимодействий и коммуникаций. В самом деле, реакция на передачу сигналов semaphorin в цефалических клетках NC мышей нуждается в N-cadherin и connexin 43 (также известен как Gja1) (Xu et al., 2006; Xu et al., 2001). Сходным образом, исследования на Xenopus показали, что CIL, обеспечиваемый с помощью N-cadherin необходим для хемотаксиса в направлении Sdf1 (Theveneau et al., 2010). Эти наблюдения подтверждают, что межклеточные взаимодействия и ведение клеток с помощью градиентов секретируемых молекул интегрированы с контролем клеточной полярности и регуляцией направленности с течением времени.

Neural crest as a model for cancer metastasis

Подобно большинству опухолей популяция NC гетерогенная и многосторонняя. И клетки NC и раковые клетки, как известно, мигрируют как изолированные клетки или коллективно группами, с учетом хемотаксиса и metalloproteinases, а также взаимодействия с окружающими их тканями. Более того, многочисленные сигнальные пути и транскрипционные факторы участвуют в развитии NC, они же участвуют в прогрессировании опухолей, подтверждая, что некоторые опухоли могут воспроизводить частично развитие NC нарушенным способом (Duband, 2010; Kerosuo and Bronner-Fraser, 2012; Lim and Thiery, 2012; Theveneau and Mayor, 2012; Thiery et al., 2009).

Следовательно, развитие NC представляет собой прекрасную модель для изучения эволюции крупной, гетерогенной и инвазивной популяции клеток. В частности, развитие NC предлагает воспроизводимую и предсказуемую модель in vivo, которая может быть использована для изучения трех ключевых признаков метастазирования раковых опухолей: EMT, инвазия и миграция клеток на дальние расстояния (Hanahan and Weinberg, 2011). NC клетки являются особенно подходящей моделью для опухолей, возникающих из NC, таких как меланома (рак кожи) и нейробластома (происходящая из предшественников симпатического NC, часто возникающая в одном из надпочечников). Напр., при этих двух типах опухолей, миграция клеток и их доставка в отдаленные ткани использует N-cadherin и Cxcr4-зависимый хемотаксис (Bonitsis et al., 2006; Nguyen et al., 2009). Более того, многочисленные опухоли распространяются вдоль нервов в процессе т. наз. периневральной инвазии. Усиление активности N-cadherin в раковых клетках способствует периневральной инвазии и во время развития предшественников Шванновских клеток из NC, которое также базируется на взаимодействии N-cadherin с растущими нервами (De Wever and Mareel, 2003; Wanner et al., 2006), тем самым предоставляется интересная модель для изучения роли нервов для поддержания миграции клеток. Наконец, множество опухолей, таких как глиомы, как известно, секретируют ростовые факторы и соотв. им рецепторы (Hoelzinger et al., 2007). Некоторые, подобно VEGFs и FGFs, могут действовать как аттрактанты. Т.о., возможно, что некоторые опухоли могут использовать эти факторы не только для роста и выживания, но и также для поддержания плотности клеток и способствовать кооперации, как недавно было продемонстрировано для Xenopus клеток цефалического NC посредством передачи сигналов C3a/C3aR.

Neurocristopathies

Развитие NC интересно патологам из-за многочисленных врожденных дефектов, таких как DiGeorge, Treacher-Collins и CHARGE синдромы или болезнь Hirschsprung's, обусловленных неправильным развитием NC (Etchevers et al., 2006; Jones et al., 2008; Keyte and Hutson, 2012; Passos-Bueno et al., 2009). Наиболее распространенные фенотипы связаны с неадекватным формированием и миграцией NC, включая черепно-лицевые дефекты, потерю слуха, дефекты пигментации и сердца, а также отсутствие энтерических ганглиев. Интересно, что 50% пациентов с болезнью Hirschsprung's, у которых частично или полностью отсутствует энтерическая ПНС, имеют мутации в генах, которые являются критическими для миграции клеток энтерического NC вдоль кишечника (Mundt and Bates, 2010). Многообещающей терапией является использование стволовых клеток, выделенных из кишечника, было показано, что толстая кишка, лишенная ганглиев может быть колонизирована de novo, чтобы сформировать частичную ПНС (Sasselli et al., 2012). Это подчеркивает необходимость понять роль этих генов во время нормальной миграции клеток энтерического NC, чтобы сделать подобное лечение не только воспроизводимым, но и также выполняться по желанию пациентов.

Perspectives

Historically, the field of NC cell migration was focused on cell guidance at the single-cell level, trying to understand how a given NC cell might use the local matrix and the available guidance signals to avoid a particular territory and to invade another. Recent findings, however, have rejuvenated the idea that NC cells actively interact with each other so as to cooperate while migrating. These new developments have established NC cells as a model for collective cell migration and have further highlighted the similarities between NC development and cancer metastasis, as well as wound healing and other developmental cell migration events such as gastrulation, lateral line migration or border cell migration. To take the field of NC cell migration even further, we need to better understand how multiple guidance cues are integrated to control migration at the population level, but also to look into how NC cells cooperate and interact with their surrounding tissues. To achieve this, classic experimental methods and genetics will need to be coupled with modern approaches, from quantitative biophysics and mathematical modelling to nanotechnologies

The neural crest Roberto Mayor and Eric Theveneau Development 2013 V. 140, 2247-2251. Development 140, 2247-2251.

The neural crest
Roberto Mayor and Eric Theveneau
Development 2013 V. 140, 2247-2251. Development 140, 2247-2251.