Посещений: 
РЕМОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАКТА ОТТОКА СЕРДЦА
Роль Pitx2
|
|
Pitx2-mediated cardiac outflow tract remodeling Hsiao-Yen Ma, Jun Xu, Diana Eng, Michael K. Gross, Chrissa Kioussi  Developmental Dynamics
Volume 242, Issue 5, pages 456–468, May 2013 |
Background: Heart morphogenesis involves sequential anatomical changes from a linear tube of a single channel peristaltic pump to a four-chamber structure with two channels controlled by one-way valves. The developing heart undergoes continuous remodeling, including septation. Results: Pitx2-null mice are characterized by cardiac septational defects of the atria, ventricles, and outflow tract. Pitx2-null mice also exhibited a short outflow tract, including unseptated conus and deformed endocardial cushions. Cushions were characterized with a jelly-like structure, rather than the distinct membrane-looking leaflets, indicating that endothelial mesenchymal transition was impaired in Pitx2?/? embryos. Mesoderm cells from the branchial arches and neural crest cells from the otic region contribute to the development of the endocardial cushions, and both were reduced in number. Members of the Fgf and Bmp families exhibited altered expression levels in the mutants. Conclusions: We suggest that Pitx2 is involved in the cardiac outflow tract septation by promoting and/or maintaining the number and the remodeling process of the mesoderm progenitor cells. Pitx2 influences the expression of transcription factors and signaling molecules involved in the differentiation of the cushion mesenchyme during heart development. Developmental Dynamics 242:456–468, 2013.
Рисунки к статье
|
Врожденные пороки сердца являются неинфекционной причиной гибели новорожденных. Приблизительно половина от всех случаев ассоциирована с нарушениями перегородок в outflow tract (OT) и/или желудочков (Hoffman and Kaplan, 2002). Сердце млекопитающих развивается из клеток 4-х эмбриональных источников: (1) кардиального полумесяца, первого клона или первого поля сердца ; (2) происходящей из бранхиальных дуг (BA) мезодермы, второго клона или вторичного поля сердца; (3) клеток кардиального нервного гребня (cNC); и (4) эпикарда. Первый клон возникает вскоре после гаструляции в виде популяции мезодермальных клеток, которые дифференцируются в эндокардиальные и миокардиальные типы и образуют трубчатую структуру (Harvey, 2002). Второй клон возникает из популяции спланхнических мезодермальных клеток, которые вносят вклад в формирование OT и правого желудочка (RV) (Kelly et al., 2001; Buckingham et al., 2005). OT является трубчатой конструкцией, состоящей из поперечно полосатой кардиальной мускулатуры, выстланной эндокардом. OT испытывает драматическое ремоделирование, чтобы сформировать аорто-пульмональную перегородку (AP), которая разделяет первоначально одиночный OT сосуд, чтобы сформировать восходящую аорту ascending aorta (Ao) и пульмональный ствол (Webb et al., 2003). Между E9.5 и E10.5, эндокардиальные подушки начинают формироваться поперек общего OT, формируя conotruncus и атриовентрикулярный канал. Конотрункальные эндокардиальные подушки далее делятся на проксимальную и дистальную конотрункальные подушки. Дистальные конотрункальные подушки будут формировать AP перегородку на ст. E12.5-E13.5. Линейная сердечная трубка состоит из наружного слоя миокарда и внутреннего слоя эндокарда, которые разделены миокардом продуцируемым внеклеточным матриксом, кардиальным гелем. По мере развития эндокардиальных подушек эндокардиальные клетки пролиферируют и подвергаются эпиталиально-мезенхимной трансформации (EMT) и заполняют кардиальный гель. Когда две подушки сближаются барьер из эндокардиальных клеток дегенерирует и мезенхимные клетки формируют мостики, чтобы стабилизировать слияние двух подушек (Ray and Niswander, 2012). Когда нарушается сопоставление, сливание или ротация ткани, то возникают нарушения transposition of the great arteries (TGA) или double-outlet right ventricle (DORV). Полная неспособность к разделению OT ведет к persistent truncus arteriosus (PTA).
На ранних стадиях клетки cNC проникают во второй клон, который соседствует с фарингеальной эктодермой, для формирования OT. Неспецифицированная мезодерма получает внеклеточные сигналы, которые контролируют ей последовательную дифференцировку в кардиогенную мезодерму, миокард и гладкие мышцы. Эти сигналы являются, прежде всего, сигнальными молекулами, такими как bone morphogenetic proteins (BMPs) и fibroblast growth factors (FGFs). Передача сигналов BMP участвует в индукции кардиальной дифференцировки. Bmp2 и Bmp4 индуцируют Nkx2.5 и Gata4, которые регулируют дифференцировку кардиальной мезодермы в первый и второй клоны сердца (Monzen et al., 1999). Передача сигналов BMP способствует спецификации и дифференцировке второго клона по приобретению кардиальной судьбы путем ингибирования передачи сигналов FGF (Tirosh-Finkel et al., 2006). Bmp4 экспрессируется в спланхнической мезодерме, мезодерме BA и миокарде OT и необходим для разделения перегородкой OT и ремоделирования эндокардиальных подушек (Liu et al., 2004). Передача сигналов FGF участвует в кардиальной индукции, образовании перегородок, клеточной пролиферации и в выстраивании OT (Kelly et al., 2001; Ilagan et al., 2006; Park et al., 2008).
Sequence-specific transcription factors (SSTFs) также участвуют в контроле собственно пролиферации, дифференцировке и миграции кардиальных клеток. LIM-homeodomain protein Islet-1 (Isl1) экспрессируется в фарингеальной мезодерме и необходим для развития клона SHF и его производных (Cai et al., 2003). Isl1 маркирует пролиферирующие, недифференцированные плюрипотентные сердечно-сосудистые предшественники второго клона (Cai et al., 2003; Buckingham et al., 2005). Isl1-нулевые мыши погибают на ст. E10, имея сердце с неразделенным OT. bHLH белок Mef2c маркирует субпопуляцию второго клона (Dodou et al., 2004) и, будучи мутантным, приводи к сходным дефектам, как и Isl1, включая дефекты петлеобразования сердца и уродливый OT (Lin et al., 1997; Buckingham et al., 2005). Tbx1 экспрессируется в мезодерме, не происходящей из cNC, каудальной фарингеальной области, которая является частью второго клона и вносит вклад в формирование OT и RV (Hu et al., 2004; Xu et al., 2004). Fgf8 и Fgf10 действуют ниже Tbx1 во втором клоне (Vitelli et al., 2002; Kelly and Papaioannou, 2007).
Pitx2, a paired-like гомеобоксный SSTF, временно экспрессируется на левой стороне кардиального полумесяца и линейной сердечной трубки во время раннего развития (E8) и позднее (E9-E14.5) экспрессируется в OT и RV. Геномный скрининг пациентов с наследуемой атриальной фибрилляцией выявил нехватки в локусе Pitx2 (Schnabel, 2011). Pitx2-нулевые эмбрионы характеризуются не разделенным перегородкой предсердием, дефектами клапанов и OT, включая PTA, DORV и TGA (Gage et al., 1999; Kitamura et al., 1999; Lin et al., 1999; Lu et al., 1999; Kioussi et al., 2002). Pitx2 контролирует спецификацию кардиальных клеток внутри второго клона путем репрессии Fgf10 и Isl1 (Galli et al., 2008). Pitx2 и Tbx1 необходимы для собственно миграции и пролиферации кардиальных предшественников второго клона (Nowotschin et al., 2006). Наблюдаемые фенотипы нокаутных модельных мышей показали, что Pitx2 является критическим в регуляции формирования OT. Здесь мы установили, что Pitx2 действует в ядре сети во время кардиогенеза и контролирует состояние клеток второго клона, когда они мигрируют из BA в OT и вступают в ремоделированное состояние, чтобы сформировать клапаны.
DISCUSSION
Гомеобоксные гены являются ключевыми игроками для клеточной спецификации и формирования органов, как члены ядра сети на ранних стадиях развития. Pitx2 специфицирует зубы, гипофиз (Gage et al., 1999; Kitamura et al., 1999; Lin et al., 1999; Lu et al., 1999; Shih et al., 2007b), развитие лицевых (глазных и жевательных) (Gage et al., 2005; Shih et al., 2007a) и абдоминальных (Hilton et al., 2010) мышц, в то же время регулируя онтогенетический процесс органов, включая сердце, кишечник и легкие (Gage et al., 1999; Kitamura et al., 1999; Lin et al., 1999; Lu et al., 1999; Shih et al., 2007b). Синдром Axenfeld-Rieger у человека, ассоциирующий с мутациями в PITX2 локусе 4q25, характеризуется пупочной грыжей, глаукомой, миопатиями и аритмиями сердца (Perveen et al., 2000; Schnabel, 2011). Тесная корреляция мышиных фенотипов с синдромами у человека демонстрирует эволюционную консервацию функций Pitx2. Потеря функции Pitx2 ведет к тяжелым сердечно-сосудистым дефектам, включая атриальный изомеризм, DORV, TGA, PTA, и аномальное ремоделирование аортальной дуги (Gage et al., 1999; Kitamura et al., 1999; Lin et al., 1999; Lu et al., 1999; Campione et al., 2001; Liu et al., 2002). Генетические исследования показали, что Pitx2-обеспечиваемая передача сигналов во время кардиогенеза осуществляется внутри клеток BA мезодермы (Ai et al., 2006), мезенхимы фарингеальных дуг (Franco and Campione, 2003) и клеток cNC (Hamblet et al., 2002; Kioussi et al., 2002). Наши данные показали, что Pitx2 является членом ядра сети, включающего Mef2c, Isl1, Tbx1, Gata4 и Nkx2.5, которые взаимно усиливая др. др. регулируют развитие эндокардиальных подушек и разделение на магистральные артерии. Мы продемонстрировали, что Pitx2 оккупирует цис-регуляторные элементы генов Mef2c, Isl1 и Tbx1 (Harel I, 2012) в мезодерме BA.
Конотрункальные дефекты, включая TGA, DORV, тетраду Fallot и PTA, приводят к аномальному развитию OT, включая подушки с недостаточными количествами клеток, нарушения конотрункальной ротации и несопоставимость компонентов перегородок. Образование эндокардиальных подушек начинается с набухания области OT на ст. E9.5, а их образование индуцируется сигналами от миокарда, который ингибирует экспрессию специфичных для камер генов и активирует экспрессию генов внеклеточного матрикса. BMPs являются основными миокардиальными сигналами, которые инициируют образование и ремоделирование эндокардиальных подушек, способствуя EMT (Lyons et al., 1990; Ma et al., 2005). Bmp4 необходим для экспансии эндокардиальных подушек и разделения перегородкой OT (McCulley et al., 2008). Потеря Bmp4 во втором кардиальном клоне ведет к ограничению количества клеток в развивающихся подушках OT и к дефектам процесса ремоделирования, к очень сходному фенотипу, наблюдаемому у Pitx2-мутантных мышей. Передача сигналов BMP в эндокарде и клетках cNC является жизненно важной для разделения OT и образования аорты и пульмональной артерии.
TGFβs находятся среди ранних сигнальных молекул, участвующих в развитии эндокардиальных подушек. TGFβ лиганды и рецепторы экспрессируются в OT во время образования подушек и EMT (Brown et al., 1996). Передача сигналов TGFβ осуществляется посредством SMADs, чтобы индуцировать экспрессию SSTF Slug, который, в свою очередь, способствует образованию эндокардиальных подушек atrioventricular canal (AVC) посредством механизма EMT (Romano and Runyan, 2000). Wnt/β-catenin регулирует формирование кардиальных клапанов (Hurlstone et al., 2003) и вместе с TGFβ регулирует EMT подушек. Передача сигналов Notch индуцирует экспрессию промиграторного SSTF Snail в эндотелиальных клетках эндокардиальных подушек AVC и OT , подвергающихся EMT. Snail ингибирует активность VE-cadherin, разрыв контактов между мезенхимными клетками с их соседними клетками. Передача сигналов Notch также необходима для TGFβ2 и некоторых TGFβ рецепторов в AVC и OT для дальнейшего поддержания эндокардиального EMT.
Fgf10, мишень для пути Wnt-β-catenin в кардиальной мезодерме, экспрессируется во втором кардиальном клоне (Kelly et al., 2001). Однако, Fgf10-нулевые мыши не обнаруживают видимых кардиальных дефектов. Fgf8 также экспрессируется во втором кардиальном клоне и, будучи мутантным, вызывает DORV и PTA (Abu-Issa et al., 2002; Frank et al., 2002). Fgf8 важен для пролиферации и жизнеспособности происходящих из мезодермы клеток во время удлинения OT. Снижение экспрессии Fgf8 в клетках, происходящих из мезодермы и эктодермы, приводит к апоптической гибели клеток cNC в развивающихся фарингеальных дугах (Ilagan et al., 2006).
Клетки кардиального NC мигрируют в эндокардиальные подушки OT и вносят вклад в формирование аортальных и пульмональных клапанов. Устранение клеток cNC вызывает OF дефекты, включая укорочение длины, задержку ротации и каудальное смещение, расположение аорты справа, DORV, PTA и прерывание аортальной дуги. Укорочение OT также характеризуется также снижением миграции клеток второго кардиального клона (Waldo et al., 2005). Это реципрокное взаимодействие между двумя клонами клеток важно для разделения перегородкой OT.
Pitx2 действует выше сигнального пути Wnt11/TGFβ2, который регулирует состав внеклеточного матрикса, перестройки цитоскелета и поляризованные перемещения клеток, необходимые для морфогенеза ткани (Zhou et al., 2007). Экспрессия BMP и Notch оказывается зависимой от Pitx2 в OT из линейной сердечной трубки в области, где будут сформированы подушки (Fig. 6I-K, M-O). Это ещё больше подтверждает участие Pitx2 в много сигнальной сети во время формирования подушек и индукции и поддержания EMT. Pitx2-мутантные мыши также обнаруживают аномалии ремоделирования межжелудочковой перегородки и миокарда желудочков (Tessari et al., 2008). Формирование AVC и разделение желудочков является ещё одним типом слияния, нуждающимся в EMT.
Т.о., очевидно, что Pitx2 регулирует поддержание и эпителиально-мезенхимные переходы мезодермальных клеток BA, когда они проникают в линейную сердечную трубку, чтобы сформировать эндокардиальные подушки OT. Pitx2 способствует здоровому взаимодействию происходящих из мезодермы и cNC клеток для собственно разделения перегородкой OT , действуя как узел сложного ядра сети.
|