Посещений: 
РАННИЙ ГОНАДОГЕНЕЗ У МЛЕКОПИТАЮЩИХ
Значение структуры гонад
|
|
Early gonadogenesis in mammals: Significance of long and narrow gonadal structure Kyoko Harikae, Kento Miura, Yoshiakira Kanai  Developmental Dynamics
Volume 242, Issue 4, pages 330–338, April 2013 |
In mammalian embryogenesis, the gonadal primordium arises from the thickening of the coelomic epithelium, which results in a pair of extremely long and narrow gonadal structures along the anteroposterior axis. These gonadal structures are conserved in various mammalian species, suggesting a great advantage in properly receiving migrating primordial germ cells (PGCs) that are widely scattered throughout the hindgut tube. Soon after the PGCs settle, the bipotential gonads undergo sex determination into testes or ovaries by the sex-determining gene, Sry, which is expressed in supporting cell precursors in a center-to-pole manner. Such a long, narrow gonadal structure bestows a considerable time lag on Sry expression between the center and pole regions, but testiculogenesis with cord formation and Leydig cell differentiation occurs synchronously throughout the whole organ. This synchronous testiculogenesis could be explained by a positive-feedback mechanism between SOX9 (another SRY-related transcription factor) and FGF9 downstream of Sry. FGF signals are likely secreted from the center region, rapidly diffuse into the poles, and then induce the establishment of SOX9 expression in Sertoli cells in the pole domains. This work focuses on recent knowledge of the molecular and cellular events of PGC migration, gonadogenesis, and testiculogenesis, and their biological significance in mammalian embryogenesis. Developmental Dynamics 242:330–338, 2013.
Рисунки к статье
|
EARLY MOLECULAR AND CELLULAR EVENTS IN PGC MIGRATION TOWARD THE GENITAL RIDGES
Зародышевые клетки возникают вне гонад (see rev. Saga, 2008; Richardson and Lehmann, 2010). У мышей primordial germ cells (PGCs) возникают из клеток проксимальной части эпибласта благодаря передаче внеэмбриональных, происходящих из эктодермы сигналов BMP (bone morphogenetic protein) на ранней прегаструляционной стадии у эмбрионов мыши (~6.0 days post-coitum: dpc; Lawson et al., 1999). Они постепенно перемещаются к основанию аллантоиса, т.е внеэмбриональной мезодерме, на ранней стадии гаструляции (~7.25 dpc; rev. Sasaki and Matsui, 2008, Saitou et al., 2012). Эти PGCs также экспрессируют некоторые ключевые гены, такие как Nanos3, Dppa3/Stella/Pgc7, Prdm1/Blimp1 и Prdm14 (Yabuta et al., 2006; Kurimoto et al., 2008; Saitou et al., 2012). Напротив, формирование полового гребня начинается в промежуточной мезодерме на ранней стадии формирования органов, приблизительно спустя 3 дня после спецификации PGC (~10.0 dpc). Вплоть до начала гонадогенеза PGCs остаются в основании аллантоиса в виде кластера приблизительно из 40 alkaline phosphatase-позитивных клеток (7.25 dpc; Fig. 1A) и затем движутся в направлении генитального гребня внутри задней части туловища (Molyneaux et al., 2001), используя морфогенетические движения слоя энтодермы задней кишки, как на ленте конвейера (Hara et al., 2009; Fig. 1B-E).
Генетический анализ с использованием Sox17-нулевых (дефицитных по энтодерме задней кишки) (Kanai-Azuma et al., 2002) и химерных эмбрионов из смеси с клетками эндодермы задней кишки дикого типа, показал важность синхронизированных движений энтодермальных клеток задней кишки и PGCs на заднем конце первичной полоски для собственно миграции PGCs в генитальный гребень (Fig. 1A-C). Эти находки базировались на наблюдениях эктопической миграции PGC в желточный мешок висцеральной энтодермы у эмбрионов, дефицитных по задней кишке (Hara et al., 2009). Используя морфогенетические движения энтодермы, миграция PGC, по-видимому, законсервированное клеточное событие у беспозвоночных, таких как Caenorhabditis elegans и Drosophila ("hitchhiking" перемещение энтодермы и "remodeling" энтодермального эпителия; DeGennaro et al., 2011; Chihara and Nance, 2012; Seifert and Lehmann, 2012). Интересно, что Nanos1, специфичный для PGC фактор, необходим для предотвращения экспрессии различных ключевых энтодермальных генов, включая Sox17 в Xenopus PGCs (Lai et al., 2011, 2012). Сходная ассоциация между клонами дефинитивной энтодермы и PGC также была предположена, исходя из находок, показывающих временную экспрессию Sox17, гена, детерминирующего энтодерму кишки, в PGCs мвшей в основании аллантоиса приблизительно на ст. 7.25 dpc (Yabuta et al., 2006). В свете этой совместной локализации эндодермальных предшественников задней кишки вокруг кластера PGC, эти находки четко подтверждают региональную тесную ассоциацию и сегрегацию между этими двумя клонами на заднем конце первичной полоски. Эта идея согласуется с нашими предыдущими находками, показавшими очень эффективный вклад Sox17-нулевых ES клеток в PGC клон, чтобы конкурировать с происходящими от хозяина дикого типа PGCs у химерных эмбрионов (Hara et al., 2009).
Удлинение задней кишки, включая и PGCs, ведет к проникновению PGCs из внеэмбриональной энтодермы в эмбриональные регионы вблизи генитального гребня (Fig. 1D, E) и к их последующей миграции прочь от задней кишки в направлении генитального гребня через мезентерий приблизительно на ст. 9.5-10.0 dpc (Fig. 1F; Molyneaux and Wylie, 2004). Эта активная миграция PGCs из трубки задней кишки в направлении генитального гребня, как было установлено, регулируется посредством нескольких сигналов жизнеспособности и хемотаксиса с использованием SDF1-CXCR4 (Ara et al., 2003; Molyneaux et al., 2003), SCF (secreted KitL)-ckit (Runyan et al., 2006; Gu et al., 2009) и WNT5a-ROR2 (Laird et al. 2011; Chawengsaksophak et al., 2012).
FORMATION OF THE LONG AND NARROW GONADAL STRUCTURES BY PROLIFERATION AND INGRESSION OF THE COELOMIC EPITHELIUM
Использование морфогенеза задней кишки для перемещения PGC д. анатомически объяснить широкое распространение PGCs по региону задней кишки вдоль передне-задней (AP) оси. Интересно, что зачатки гонад возникают из утолщений целомического эпителия в билатеральных регионах, покрывающих всю область задней кишки, приводя к образованию чрезвычайно длинных и узких гонадных структур вдоль AP оси (Fig. 1E, F). Эта уникально длинная, узкая гонадная структура законсервирована у различных видов млекопитающих, подтверждая огромное преимущество для собственно получения мигрирующих PGCs, которые широко разбросаны по всей трубке задней кишки. Т.к. некоторые Hox гены, такие как Hoxc5, Hoxc6 и Hoxd9, как было установлено, экспрессируются в регионе гонад (Dolle and Duboule, 1989; Gaunt et al., 1990; Spirov et al., 2002), то действие этих Hox генов может участвовать в детерминации позиции и длины зачатков гонад вдоль AP оси. Однако, точный механизм остается неясным.
Оказалось, что различные транскрипционные факторы, включая EMX2, WT1, SF1/Ad4Bp/NR5A1, LHX9, GATA4/FOG2, CBX2/M33 и др., являются критическими для собственно утолщения зачатков гонад, покрытых целомическим эпителием (rev. Wilhelm et al., 2007; Munger and Capel, 2012). Недавно, Kusaka et al. (2010) , используя метод мечения клеток, продемонстрировали, что некоторые клетки целомического эпителия пролиферируют, подвергаются epithelial mesenchymal transition (EMT) и мигрируют в дорсальные внутренние слои целомического эпителия через слой базального листка (lamina), приводя к образованию зачатков гонад на ст. t 10.0-11.0 dpc (Fig. 2).В Emx2-нуллевых гонадах, клетки целомического эпителия обнаруживают тяжелые дефекты в EMT и в последующем проникновении в направлении дорсальной стороны из-за аберрантной регуляции передачи сигналов EGF рецепторов, это приводит к гипоплазии зачатков гонад, покрытых нерегулярным высовывающимся целомическим эпителием (Kusaka et al., 2010). Напротив, в Cbx2-нулевых гонадах, пролиферация и врастание клеток целомического эпителия в норме, но клетки гонад обнаруживают дефекты пролиферации, особенно в задней половине зачатков гонад (Katoh-Fukui et al., 2012). Эти фенотипические Cbx2-нулевые данные также предоставляют первые прямые доказательства в пользу регионально отличающихся механизмов между передней и задней половинами утолщенных гонадных зачатков у млекопитающих.
Во время раннего гонадогенеза некоторые маркеры гонадных клеток делают возможной визуализацию множественных слоёв утолщения гонадного зачатка вдоль дорсо-вентральной (DV) оси. Напр., Mfge8, который маркирует гонадные соматические клетки, ограничен пограничным регионом между гонадами и первичными почками (mesonephros) (Fig. 2: lightest gray area in images on right), начинает экспрессироваться в целомическом эпителии на ст. 10.0 dpc, после чего слой Mfge8-позитивных клеток расширяется и в основном ограничивается пограничным регионом генитального гребня (Kanai et al., 2000). В клоне поддерживающих клеток, самцового типа поддерживающие клетки (т.e., pre-Sertoli клетки, позитивные по SRY или SOX9), по-видимому, перемещаются от целомического эпителия в течение временнного промежутка 11.0-11.5 dpc в XY гонады (Fig. 2: blue oblique lines and green circles; Karl and Capel, 1998; Capel, 2000; Sekido et al., 2004; Kidokoro et al., 2005). В дальнейшем, во время тестикулогенеза, целомический эпителий полностью отделяется от паренхимы гонад за счет образования tunica albuginea (Fig. 2: white broken line in bottom right image), это препятствует внедрению целомического эпителия во внутреннюю тестикулярную паренхиму на поздних стадиях (т.e., ~12.5 dpc). В XY гонадах, специфичная для самцов пролиферация целомичного эпителия, по-видимому, ведет к рекрутированию дополнительных поддерживающих (т.e., pre-Sertoli) клеток во время поздней половины этого временного промежутка (11.25-11.5dpc; Schmahl et al., 2000; Schmalh and Capel 2003; Fig. 2: dark gray region). Напротив, XX гонады, по-видимому, обнаруживают отсутствие или снижение вклада целомического эпителия в клон поддерживающих клеток из-за низкой специфичной для самок пролиферативной активности в целомическом эпителии XX гонад на той же самой стадии. Более того, в XX гонадах, целомический эпителий анатомически соединен с паренхимой оварий на постнатальных стадиях. Недавно, зернистые (granulosa) клетки (т.e., примордиальные фолликулы), как было установлено, заново рекрутируются из целомического эпителия на перинатальной или ранней постнатальной стадиях (Mork et al., 2012), подтверждая частичный вклад клеток целомического эпителия в формирование кортекса яичников. Итак, эти находки подтверждают, что стадио- и регион-специфичная пролиферация, EMT и проникновение целомического эпителия вносят неравные вклады в соматические клетки гонад, расположенные в пространственном порядке вдоль дорсовентральной оси развивающихся гонад (Fig. 2; gray gradient in right images).
CENTER-TO-POLE WAVE-LIKE EXPRESSION OF SRY, SEX-DETERMINING GENE ON THE Y CHROMOSOME, IN SUPPORTING CELLS ALONG THE AP AXIS OF A LONG AND NARROW XY GONAD
Вскоре после того как PGCs вселяются в генитальный гребень (~12 x у мышей), зачатки гонад подвергаются детерминации органной судьбы в семенники или яичники благодаря действию пол-детерминирующего гена, Sry, который кодирует HMG-доменовый транскрипционный фактор (rev. Kanai et al., 2005; Kashimada and Koopman, 2010). Длинная структура гонад обладает значительным преимуществом в собственно получении мигрирующих PGCs около 9.5-10.5 dpc (Fig. 1F), но, по-видимому, дарует существенную временную задержку (time lag) (более чем 6 ч у мышей) начала экспрессии Sry между центральным и полярными регионами на ст. 11.0-12.0 dpc (Fig. 2; blue shaded lines in left images; Albrecht and Eicher, 2001; Bullejos and Koopman, 2001). Короче, экспрессия Sry впервые обнаруживается в центральном регионе XY гонад на ст. 11.0 dpc (примерно на ст. 12 tail-somite [ts] ) и распространяется к переднему и заднему концу на ст. 11.5 dpc (18 ts). После этого его экспрессия быстро подавляется в переднем и среднем регионах, оставаясь ограниченной задним полюсом пока полностью не исчезнет около 12.5 dpc (30 ts) (Fig. 2). Т.к. некоторые гонадные маркеры недифференцированных поддерживающих клеток (напр., Sprr2d) обнаруживают сходную от центра к полюсам экспрессию в ранних фазах гонадогенеза (Lee et al., 2009), то эти находки подтверждают, что этот от центра к полюсам паттерн SRY-позитивных клеток отражает пространственно-временную дифференцировку предшественников поддерживающих клеток в утолщениях гонадных зачатков.
В противоположность такому от центра к полюсам волнообразному паттерну развития XY гонад, наблюдается передне-задний паттерн в развитии XX гонад: (1) мейотическая индукция зародышевых клеток самок (Menke et al., 2003; Koubova et al., 2006; Bowles et al., 2006; Chen et al., 2012) и (2) пониженная экспрессия некоторых недифференцированных pre-granulosa клеточных маркеров (Lee et al., 2009). Хотя этот передне-задний волнообразный паттерн может быть частично индуцирован некоторыми диффузионными сигнальными факторами, концентрирующимися в соседней мезонефрической ткани (напр., WNT4 [Mizusaki et al., 2003] и ретиноевая кислота [Bowles et al., 2006]), его точный механизм всё ещё неясен.
CRITICAL TIME WINDOW OF SRY ACTION IN TESTIS DETERMINATION
SRY непосредственно индуцирует активацию Sox9 (Sry-related HMG box-9), фундаментального гена дифференцировки тестисов, общего у разных видов позвоночных, в предшественниках клеток Сертоли (Sekido and Lovell-Badge, 2008), который в свою очередь активирует др. гены, участвующие в дифференцировке клеток Сертоли. В XY гонадах экспрессия SOX9 в дальнейшем индуцирует специфичную для самцов экспрессию FGF9, после чего сигналы FGF9 способствуют поддержанию экспрессии SOX9 на высоком уровне в дифференцированных клетках Сертоли посредством позитивной обратной связи (Kim et al., 2006). Кроме того, специфичные для самок, WNT4/RSPO1-β-catenin сигналы, как было установлено, репрессируют специфичную для самцов SOX9-FGF9 петлю позитивной обратной связи в развивающихся XX яичниках (Kim et al., 2006; Chassot et al., 2008; Maatouk et al., 2008; Tomizuka et al., 2008; Bernard et al., 2012).
Sekido et al. (2004) сообщают, что экспрессия SRY временно ограничена ~8 ч в каждой поддерживающей клетке. Чтобы выяснить этот критический временной промежуток действия SRY, мы создали индуцируемую тепловым шоком SRY transgenic (Tg) мышиную систему, которая позволяет индукцию развития семенников в культивируемом XX генитальном гребне в разные временные точки во время развития (Fig. 3A; Hiramatsu et al., 2009). Используя эту преходящую SRY-индуцибельную систему, мы установили, что способность Sry детерминировать развитие тестисов ограничена приблизительно периодом 11.0-11.25 dpc (12-15 ts), промежутком в 6 ч (Fig. 3A: blue arrows). После этого критического временного периода (11.25-11.5 dpc), эктопическая Sry индукция первоначально вызывает экспрессию SOX9. Однако высокие уровни экспрессии Sox9 не поддерживаются, приводя к дифференцировке яичников (Fig. 3A: purple arrows). Мы также показали, что это неожиданно узкое временное окно детерминации семенников определяется не клеточно автономно, а за счет доступности состояния передачи сигналов, специфичных для самцов high-FGF9/low-WNT4, которое ведет к поддержанию высоких уровней экспрессии SOX9 и к последующему формированию тяжей семенников (Colvin et al., 2001; Schmahl et al., 2004; Kim et al., 2006). Поскольку ранние соматические клетки гонад наделены склонностью становиться женскими несмотря на свою бипотенциальность (Munger et al., 2009; Jameson et al., 2012b), эти данные строго показывают сверх важное значение действия Sry в инициальной 6-ч фазе (11.0-11.25 dpc), которая является критической для переключения со специфического для самок на самцовый паттерн передачи сигналов FGF9/WNT4 в развивающихся гонадах.
Чтобы понять жизненно важное значение действия SRY, мы культивировали одинаковые сегмента [anterior, middle и posterior] из XY генитального гребня и их рекомбинантные гонады в присутствии или отсутствии разделения между этими сегментами на этой критической стадии (11.0-11.25 dpc), в комбинации с добавлением различных диффузных сигнальных факторов и их ингибиторов (Hiramatsu et al., 2010). Это исследование базировалось на наших предыдущих находках, которые показали важность центрального домена в тестикулогенезе полярных доменов в этой инициальный 6-ч стадии, используя культуры XY генитального гребня из переднего, среднего и заднего сегментов (Hiramatsu et al., 2003). Результаты чётко продемонстрировали (1), что определенные растворимые/диффузные факторы секретируются из центрального домена гонад в этот инициальные критический период и вносят вклад в собственно тестикулогенез в полярных доменах на этой поздней стадии; (2) FGF9 является одним из происходящих сз центра сигнальных факторов, которые может восстанавливать дефектный тестикулогенез в полярных доменах; и (3) ингибирование передачи сигналов FGF репрессирует экспансию домена экспрессии Sox9 в направлении полюсов, приводя к формированию типичных ovotestis. Чтобы отследить два места экспрессии Fgf9 и ge его сигналов, мы сравнивали паттерны пространственно-временой экспрессии Fgf9 и Dusp6, нижестоящего медиатора передачи сигналов FGF, в развивающихся in vivo гонадах, используя общую in situ гибридизацию. Экспрессия Dusp6 различается у разных полов, она более высокая в XY гонадах, чем в XX гонадах на ст. 11.5 dpc. Интересно, что экспрессия Dusp6 в целомических эпителиальных и субэпителиальных клетках быстро активируется по всей гонадной области непосредственно после начала активации Fgf9 в центральном домене на ст. 11.3 dpc, несмотря на неполную экспансию экспрессии Fgf9 в направлении полюсов даже на ст. 11.5 dpc. Итак, эти данные показывают, что чрезвычайная важность действия SRY в инициальной 6-ч фазе (11.0-11.25 dpc; Fig. 3) обусловлена очень быстрой диффузией в направлении полюсов происходящих из центра FGF9 молекул, стоящих ниже SRY, приводящей к быстрому становлению высоких уровней экспрессии SOX9 в полярных доменах (Fig. 3). Эта идея согласуется с тем фактом, что XYPOS, XYAKR ("delayed" Sry expression) и Fgfr2-нулевые XY гонады (потеря FGF рецептора с наивысшим сродством к FGF9) имеют один и тот же фенотип с феминизацией полярных регионов (Schmahl et al., 2004; Kim et al., 2007; Wilhelm et al., 2009; Correa et al., 2012).
POSITIVE FEEDBACK SYSTEM MAINTAINS HIGH-LEVEL SOX9 EXPRESSION IMMEDIATELY DOWNSTREAM OF SRY: A BETTER SWITCH OF THE SYNCHRONOUS DETERMINATION OF TESTIS FATE THROUGHOUT A LONG AND NARROW ORGAN
Система экспансии от центра к полюсам с петлями позитивной обратной связи гарантирует быстрое переключение с женского на мужской путь во всем органе. Этот механизм может быть чрезвычайно важным в случае длинных, узких структур. таких как зачатки гонад млекопитающих. Секреция FGF9 из центрального домена гонад, по-видимому, быстро диффундирует в направлении полюсов, чтобы стабилизировать высокий уровень экспрессии SOX9 в pre-Sertoli клетках (Colvin et al., 2001; Schmahl et al., 2004) и чтобы рекрутировать pre-Sertoli клетки предшественники (Karl and Capel, 1998; Schmahl et al., 2004), приводя в результате к быстрому прогрессу тестикулогенеза в полярных доменах. Такой механизм д. объяснить синхронность тубулогенеза во всей области гонад (Coveney et al., 2008), несмотря на существенную временную задержку начала экспрессии Sry между центральным и полярными регионами (Bullejos and Koopman, 2001; Albrecht and Eicher, 2001).
Более того, др. растворимые/диффузионные факторы могут участвовать в системе экспансии тестикулогенеза в направлении полюсов in vivo. Растворимые/диффузные факторы, которые активируют непосредственно нижестоящие SRY/SOX9 д. поддерживать становление высоких уровней экспрессии SOX9 зависимым от позитивной обратной петли способом. Среди членов семейства FGF, помимо FGF9, также Fgf10, как было установлено, обнаруживает более высокую экспрессию в XY гонадах, чем в XX гонадах на ст. 11.5 dpc (Hiramatsu et al., 2010). Его экспрессия также выше в центральном домене, чем в полярных доменах, указывая на функциональное перекрывание FGF9 и FGF10 в тестикулогенезе. Путь передачи сигналов PGD2, как было установлено, умножает активность SOX9 непосредственно ниже SRY/SOX9 в дифференцировке тестисов (Malki et al., 2005; Wilhelm et al., 2005; Moniot et al., 2009). Некоторые компоненты ECM, как было установлено, также участвуют в позитивной петле обратной связи, регулирующей поддержание высоких уровней экспрессии SOX9, приводя собственно к тубулогенезу (Matoba et al., 2008). Итак, эта система SOX9 и передачи сигналов диффузионных факторов позитивной обратной связи безусловно благоприятна для быстрого и синхронного переключения пола в гонадах, особенно в длинных и узких структурах гонад млекопитающих.
FUTURE PROSPECTS
In this review, we have focused mainly on recent findings regarding the molecular and cellular events of PGC migration, gonadogenesis, and early testiculogenesis and have discussed their biological significance in terms of anatomy and morphogenesis. However, as these findings were derived mainly from mouse embryos, it remains unclear whether these events are mouse-specific, mouse/human-specific, or events common to various mammalian species. To resolve these questions, other novel animal models that allow evaluation of conserved or non-conserved molecular and cellular events in early gonadogenesis and testiculogenesis must be developed. Moreover, this review does not refer to an important finding regarding postnatal sex reversal in Dmrt1-null testis (Matson et al., 2011) and Foxl2-null ovary (Uhlenhaut et al., 2009). These two mutant gonads undergo proper sex differentiation and development until the late-fetal stage (Raymond et al., 2000; Ottolenghi et al., 2005, 2007; Kim et al., 2007). These data clearly imply that the maintenance of the phenotypic sex of supporting cells at later stages may be regulated in a manner distinct from the initial cellular and molecular events immediately downstream of SRY in mammals. These two distinct mechanisms could also explain the controversial actions of WNT4 and DAX1/NR0B1; i.e., their SOX9-inducible action in initial testiculogenesis during the SRY expression period (Meeks et al., 2003; Jeays-Ward et al., 2004; Bouma et al., 2005) and their anti-testis actions at later stages (Swain et al., 1998; Vainio et al., 1999; Jameson et al., 2012a; Ludbrook et al., 2012). Further detailed analyses of sex reversal processes at the fetal and postnatal stages are needed to resolve the molecular and cellular events common to these sex differentiation/sex reversal processes in mammals.
|