Посещений:
ПОТЕРЯ ПОДВИЖНЫХ РЕСНИЧЕК У МУТАНТОВ TALPID3
Нарушения миграции центросом
|
Failure of centrosome migration causes a loss of motile cilia in talpid3 mutants Louise A. Stephen, Gemma M. Davis,Katie E. MCteir, John James,Lynn MCteir, Martin Kierans,Andrew Bain, Megan G. Davey
Developmental Dynamics 242:923-931, 2013. © 2013 Wiley Periodicals, Inc. |
Loss of function mutations in the centrosomal protein TALPID3 (KIAA0586) cause a failure of primary cilia formation in animal models and are associated with defective Hedgehog signalling. It is unclear, however, if TALPID3 is required only for primary cilia formation or if it is essential for all ciliogenesis, including that of motile cilia in multiciliate cells. Results: FOXJ1, a key regulator of multiciliate cell fate, is expressed in the dorsal neuroectoderm of the chicken forebrain and hindbrain at stage 20HH, in areas that will give rise to choroid plexuses in both wt and talpid3 embryos. Wt ependymal cells of the prosencephalic choroid plexuses subsequently transition from exhibiting single short cilia to multiple long motile cilia at 29HH (E8). Primary cilia and long motile cilia were only rarely observed on talpid3 ependymal cells. Electron microscopy determined that talpid3 ependymal cells do develop multiple centrosomes in accordance with FOXJ1 expression, but these fail to migrate to the apical surface of ependymal cells although axoneme formation was sometimes observed. Conclusions: TALPID3, which normally localises to the proximal centrosome, is essential for centrosomal migration prior to ciliogenesis but is not directly required for de novo centriologenesis, multiciliated fate, or axoneme formation.
Рисунки к статье
|
Реснички это базирующиеся на микротрубочках органеллы, которые проецируются с поверхности большинства клеток эмбрионов и взрослых. Они играют существенную, даже необъяснимую роль в передаче сигналов и физиологическую роль во время развития, а их потеря ведет к катастрофическим последствиям и гибели для эмбрионов (Hildebrandt et al., 2011). Ресничка состоит из специализированной плазматической мембраны, окружающей базирующуюся на микротрубочках аксонему, которая проецируется из модифицированной центриоли, базального тельца, которое ориентировано и закреплено в плазматической мембране (Ishikawa and Marshall, 2011). Реснички классифицированы как имеющие или 9+0 или 9+2 аксонемную структуру, это указывает на то, состоит ли аксонема только из 9 наружных дублетов микротрубочек или также содержит центральную синглетную пару. Поскольку 9+0 реснички наиболее часто одиночные или преимущественно неподвижные реснички и представлены только по одной на клетку, 9+2 реснички подвижны и имеют dynein добавления и др. модификации, прикрепленные к микротрубочкам аксонемы, облегчающими движения. Дальнейшим важным отличием между 9+0 и 9+2 ресничек является то, что подвижные 9+2 реснички обычно обнаруживаются у клеток с множественными ресничками; клетки со многими ресничками могут иметь менее двух 9+2 ресничек, (напр., эпендимные клетки в спинном мозге взрослых) (Alfaro-Cervello et al., 2012) или несколько сотен, как в клетках трахей (Dawe et al., 2007). Клетки со множественными ресничками являются окончательно дифференцированными, тогда как первичная ресничка может формироваться временно в G1 пролиферирующих клеток (Dawe et al.,2007).
Клетки со множественными ресничками характеризуют ткани, нуждающиеся в перемещении жидкостей или частиц, при этом реснички ориентированы так, что это позволяет частицам перемещаться за счет скоординированных биений (Satir and Christensen, 2007). Эпителиальные клетки со многими ресничками были изучены постнатально в трахее млекопитающих и яйцеводах (Noreikat et al., 2012; Vladar and Stearns, 2007) , тогда как исследования с использованием кожи и почек Xenopus и хороидного сплетения эмбрионовкур проливают свет на образование ресничек у эмбрионов (Doolin and Birge, 1966; Stubbs et al., 2012). Процесс цилиогенеза при продукции первичных ресничек драматически отличается от такового у клеток со множественными ресничками. В то время как первичные реснички используют существующую центриоль в качестве базального тельца, клетки со множественными ресничками д. подвергаться продукции центриолей de novo чтобы продуцировать множественные базальные тельца и давать множественные реснички (Dawe et al., 2007; Vladar and Stearns, 2007). Multicilin является главным регулятором судеб клеток со множественными ресничками, вызывая образование множественных центриолей, ресничек, а экспрессия FOXJ1 (Stubbs et al., 2012), который сам является главным регулятором развития подвижных ресничек, как одиночных подвижных ресничек, подобных тем, что в узелке или вентральной части нервной трубки, так и подвижных ресничек в клетках со множественными ресничками, такими как в дыхательном тракте (Yu et al., 2008; Cruz et al., 2010).
TALPID3 (KIAA0586) является важным геном для развития позвоночных. TALPID3 впервые был картирован как рецессивный, эмбрионально летальный, polydactylous talpid3 (ta3) у цыплят, разводимых в Roslin Institute, Edinburgh (Davey et al., 2006). Белок TALPID3 располагается в центросоме клеток человека, кур, мышей и рыбок данио, а мутации у модельных животных вызывают неспособность к образованию первичных неподвижных 9+0 ресничек и в последствие к потере регуляции пути Hedgehog (Bangs et al., 2011; Ben et al., 2011; Davey et al., 2006). Потеря обычного процессинга и ядерной локализации белков семейства GLI (Ben et al., 2011; Davey et al., 2006), процесса, зависимого от первичных ресничек, ведет к фенотипу потери пути передачи сигналов Hh в некоторых органах, таких как дорсализация нервной трубки, также как и к фенотипу избыточной передачи сигналов Hh в др., напр., при полидактилии (Davey et al., 2006) в зависимости от необходимых комбинаций GliRepressor (GliR) и GliActivator (GliA) белков, которые формируют паттерн специфических тканей (Eggenschwiler and Anderson, 2007). ta3 куриные и talpid3-/- (ta-/-) мышиные эмбрионы имеют одно крупное отличие в фенотипе: спецификация лево-правосторонней оси рандомизирована у talpid3-/- у мышей, но нормальная у ta3 эмбрионов кур (Bangs et al., 2011). У мышей спецификация лево-правосторонней оси зависит от подвижных 9+0 моноресничек (McGrath et al., 2003). Эмбрионы кур, по-видимому, не обладают длинными подвижными ресничками в клетках узелка (Essner et al., 2002; Gros et al., 2009), которые также лишены экспрессии FOXJ1 (Davey, unpublished data). Однако, длинные 9+0 моноцилии, обычно присутствующие в клетках вентральной пластинки нервной трубки кур, и которые предположительно активны, отсутствуют у ta3 эмбрионов и не могут быть восстановлены с помощью экспрессии FOXJ1 (Cruz et al., 2010), подтверждая, что как и у мышей, TALPID3 также необходим для цилиогенеза подвижных 9+0 ресничек. Очевидно, что TALPID3 важен для образования 9+0 ресничек. Однако, не было показано. что TALPID3 необходим и для цилиогенеза 9+2 подвижных ресничек, что и стало целью данного исследования. Для изучения клеток с 9+2 ресничками у эмбрионов кур, мы впервые предприняли анализ экспрессии FOXJ1, чтобы определить эмбриональную ткань, которая обладает потенциалом образования клеток со множественнми ресничками. Этот анализ подтвердил, что хороидное сплетение эмбрионального прозэнцефалона наиболее вероятно состоит из клеток со множественными ресничками.
Хороидные сплетения (ChP) являются секреторными органами, которые развиваются из дорсальной пластинки телэнцефалона, диэнцефалона и заднего мозга вскоре после закрытия нервной трубки (Cohen and Davies, 1937; Dziegielewska et al., 2001). У кур и мышей непрерывное ChP образует разделение на границе между телэнцефалоном и диэнцефалоном благодаря внутрижелудочковому отверстию. Первые морфологические признаки дифференцировки появляются на одинаковых стадиях развития: E3.5 у эмбрионов кур и E11 у мышей (Cohen and Davies, 1937; Sturrock, 1979). Однако, у кур ChP прозэнцефалона развивается раньше ChP заднего мозга, тогда как у млекопитающих этот порядок обратный (Dziegielewska et al., 2001). У мышей, спецификация хороидной бляшки (plaque) перед выростом хороидного сплетения зависит от экспрессии Wnt и Bmp из дорсальной пластинки нервной трубки и кортикального низа (hem), активируемой с помощью Gli3R и ингибируемой с помощью передачи сигналов Shh (Hubert and Fishell, 2008), а у мышей, лишенных Gli3, ChP телэнцефалона теряется до дорсальной экспансии вентральной части телэнцефалона (Grove et al., 1998; Theil et al., 1999). Однако, у Ftm-/-/RPGRIP мутантов, которые лишены нормальных ресничек и имеют формирование паттерна нервной трубки очень сходное с таковым у ta3 эмбрионов кур (Vierkotten et al., 2007) и сходство с формированием паттерна переднего мозга у Gli3 мутантов (Besse et al., 2011; Delous et al., 2007), ChP гены Ttr1 и Bmp4, поддерживаются в презумптивном эпителии ChP, а ChP телэнцефалона, по-видимому, развивается (Besse et al., 2011; Delous et al., 2007), подтверждая наличие формирования паттерна в дорсо-медиальной части телэнцефалона у мутантов по ресничкам, хотя и дезорганизованного. Эвагинация псевдо-стратифицированного презумптивного эпителия ChP увеличивается и ветвится в ходе эмбрионального развития, а веточки в ходе всего эмбрионального развития продуцируют сильно извилистую структуру к 8 дню развития эмбрионов кур (Dziegielewska et al.,2001; el-Gammal, 1983). Изучение развития ChP у эмбрионов кур продемонстрировало, что клетки со множественными ресничками появляются во время эмбрионального развития, хотя точная ст. развития не установлена (Doolin and Birge, 1966; el-Gammal, 1981, 1983). У мышей, FOXJ1 экспрессируется в ChP со ст. E13 (Lim et al., 1997) и клетки в дальнейшем становятся многореснитчатыми на ст. E17 у мышей (Banizs et al., 2005; Sturrock, 1979).
DISCUSSION
Установив, что хороидное сплетение обладает клетками со множественными ресничками на ст. 34HH (E8), мы смогли показать, что подвижные реснички, также как и первичные реснички (Yin et al., 2009), отсутствуют у ta3 эмбрионов. Важно, что мы показали, что отсутствие ресничек у ta3 эмбрионов не обусловлено неспособностью к образованию центриолей, ни нарушениями образования аксонем, а , скорее всего, обусловлено неспособностью ta3 центриолей транслоцироваться на или ориентироваться на апикальную поверхность клеток. Мы также впервые заинтересовались поведением ta3 центросом, в которых белок TALPID3 был локализован нормально и действовал (Ben et al., 2011; Yin et al., 2009). Будущее сравнение ta3 центросом со стереотипическим поведением и локализацией ta3 базальных телец во время цилиогенеза клеток со множественными ресничками позволит определить функцию белка TALPID3.
Фенотипические отклонения при цилиопатичепских условиях у человека сложны; большое количество органов повреждается, благодаря формированию аномального паттерна из-за потери передачи сигналов Hedgehog и Wnt во время эмбриогенеза, тогода как потеря подвижных ресничек является обычной причиной проблем со здоровьем у взрослых, таких как респираторные болезни и бесплодие (Hildebrandt et al., 2011). Подвижные реснички также вносят вклад в формирование паттерна во время эмбриогенеза, напр., образование поляризованных стереоцилий во внутреннем ухе (Eggenschwiler and Anderson, 2007), но за исключением специализированного 9+2 киноцилия внутреннего уха, роль подвижных ресничек хорошо изучена как первичных ресничек. Специализированные первичные реснички у эмбрионов могут обладать осмосенсорной и механосенсорной функциями, такими как cholangiocytes печени, которые важны для нормальной продукции желчи (Masyuk et al., 2008). Подвижные реснички ChP выполняют сходную специализированную роль по продукции и физиологии спинномозговой жидкости, а потеря подвижных ресничек в ChP вносит вклад в формирование гидроцефалии (Banizs et al., 2005) и вполне возможно, что подвижные реснички могут выполнять эту роль и в др. местах эмбриона. Определение, что ta3 эмбрионы лишены подвижных ресничек позволило нам понять разные вклады 9+0 или 9+2 ресничек во время эмбрионального развития, особенно в менее изученных системах органов, таких как поджелудочная железа. Фенотип ta3 эмбрионов кур согласуется с фенотипом цилиопатий у млекопитающих, во всех отношениях, за исключением спецификации лево-правосторонней оси (Bangs et al., 2011). Так, наблюдалось как и во всех подробно проанализированных органных системах, телэнцефалон ta3 лишен экспрессии PTCH1 и GLI1, тогда как экспрессия GLI2 и GLI3 нормальна (Buxton et al., 2004). Потеря нормального соотношения белков GliA:GliR та же самая у разных видов, рыбок данио, кур и мышей, у которых была смоделирована потеря TALPID3 (Ben et al., 2011; Davey et al., 2006; Davey, unpublished data) и она сходна с др. мышиными моделями, которые лишены первичных ресничек и обладают сходным фенотипом (Huangfu and Anderson, 2005). Это указывает на то, что формирование аномального паттерна в ta3 телэнцефалоне также обусловлено той же самой потерей функции GliA и GliR, логически вытекающей из неспособности образования первичных ресничек, что лежит в основе формирования аномального паттерна др. органов (напр., конечности). Потеря только GliR, как это наблюдается у Gli3-/- мышей или Gli3 гипоморфных Pdn/Pdn аллелей, вызывает потерю ChP телэнцефалона (Kuschel et al., 2003; Theil et al., 1999) из-за потери дорсомедиальной части телэнцефалона. Напротив, ChP переднего мозга сохраняется у ta3 и Ftm-/-/RPGRIP мутантов, хотя формирование паттерна не нормально и дорсомедиальная часть телэнцефалона, по-видимому, дезорганизована. У Gli3-/- и Pdn/Pdn мышей, граница телэнцефалон-диэнцефалон потеряна, что демонстрируется потерей или слнижением экспрессии Emx1 и Emx2 в телэнцефалоне как следствие увеличения домена экспрессии Fgf8 (Kuschel et al., 2003; Theil et al., 1999). Интересно, что Bmp4, регулятор судьбы ChP, потерян в дорсомедиальной части телэнцефалона, но не диэнцефалона (Kuschel et al., 2003), демонстрируя, что экспрессии генов в ChP диэнцефалона недостаточено для восстановления образования ChP в отсутствие границы телэнцефалон-диэнцефалон. У Ftm-/- мутантов, Fgf8 в Anterior Neural Ridge (ANR) не изменен (Besse et al., 2011) и снижен в ta3 ANR; граница телэнцефалон-диэнцефалон, как полагают, интактна у обоих мутантов (Besse et al., 2011; Buxton et al., 2004) и это, по-видимому, является центральным для поддержания формирования ChP. Гены, которые контролируют границу телэнцефалон-диэнцефалон, как было установлено, выполняют двойную роль в индукции ChP; избыточная экспрессия Emx1 и Emx2 негативно регулирует образование ChP (Von Frowein et al., 2006), тогда как потеря Emx2 также вызывает потерю ChP (Subramanian and Tole, 2009). Следовательно, не EMX гены сами по себе, которые супрессируют ChP, но контекст молекулярной анатомии ими обеспечиваемый. ChP заднего мозга формируется на границе между тканевым организатором дорсальной пластинки нервной трубки и латеральной нейроэпителиальной тканью и контролируется с помощью передачи сигналов Delta-Notch (Broom et al., 2012). Клетки ChP переднего мозга, по-видимому, также происходят из кортикального низа (hem), с помощью дорсального организатора прозэнцефалона за счет неизвестного механизма (Hubert and Fishell, 2008; Subramanian and Tole,2009). Учитывая расположение и зависимость от границы телэнцефалон-диэнцефалон для развития ChP, кажется вероятным, что сходный контекст-зависимый организатор границы будет найден важным для индукции ChP переднего мозга.
|