Посещений:
ЭНДОКРИННЫЕ КЛЕТКИ ПРЕДШЕСТВЕННИКИ ПОДЖЕЛУДОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ

Биомаркер EphB3

EphB3 marks delaminating endocrine progenitor cells in the developing pancreas
Alethia Villasenor, Leilani Marty-Santos, Christopher Dravis, Peter Fletcher, Mark Henkemeyer, Ondine Cleaver
Developmental Dynamics Volume 241, Issue 5, pages 1008–1019, May 2012

Background: Understanding the process by which pancreatic beta-cells acquire their “fate” is critical to the development of in vitro directed differentiation protocols for cell replacement therapies for diabetics. To date, these efforts are hampered by a paucity of markers that distinguish pancreatic endocrine cells at different stages of differentiation. Results: Here, we identify EphB3 as a novel pro-endocrine marker and use its expression to track delaminating islet lineages. First, we provide a detailed developmental expression profile for EphB3 and other EphB family members in the embryonic pancreas. We demonstrate that EphB3 transiently marks endocrine cells as they delaminate from the pancreatic epithelium, prior to their differentiation. Using a Tet-inducible EphB3rtTA-lacZ reporter line, we show that short-term pulse-labeled EphB3+ cells co-express Pdx1, Nkx6.1, Ngn3, and Synaptophysin, but not insulin, glucagon, or other endocrine hormones. Prolonged labeling tracks EphB3+ cells from their exit from the epithelium to their differentiation. Conclusions: These studies demonstrate that pro-endocrine cell differentiation during late gestation, from delamination to maturation, takes approximately 2 days. Together, these data introduce EphB3 as a new biomarker to identify beta-cells at a critical step during their step-wise differentiation and define the timeframe of endocrine differentiation. Developmental Dynamics 241:1008–1019, 2012. © 2012 Wiley Periodicals, Inc.

Рисунки к статье
Понимание ступенчато-образной дифференцировки панкреатических beta-клеток существенно для изучения диабета, т.к попытки получения клеток для заместительной терапии диабета продолжаются. In vitro целенаправленная дифференцировка нативных клеток, таких как ES или iPS клеток, в направлении получения чувствительных к глюкозе, инсулин-продуцирующих beta-клеток привлекает большое внимание и уже довольно успешна (D'Amour et al., 2006). Однако эти в лаб. произведенные клетки необходимо имплантировать мышам для полного из созревания и функциональности. По этой причине необходима инкубация in vivo, но как полагают, что или in vitro полученные клетки дивергируют в отношении своей онтогенетической траектории рано в ходе своей дифференцировки или их созревание нуждается в дополнительных ступенях. Кстати, довольно трудно выявить или вызвать предполагаемую дивергенцию в судьбе частично из-за нехватки пригодных маркеров, которые могли бы отслеживать ступенчато-образную дифференцировку. Одна из попыток увеличить наше понимание связана с совместными усилиями некоторых групп, включая Beta Cell Biology Consortium (BCBC), чтобы разработать крупный набор антител, для вычленения этих ступеней (Hald et al., 2011). Однако остается крайне необходимой идентификация дополнительных молекулярных ориентиров и регуляторов дифференцировки beta-клеток, чтобы обеспечить более высокое разрешение в попытках понять выбор клетками судеб, благодаря чему эндокринные предшественники становятся функциональными эндокринными клетками.
В последнюю декаду предпринимались интенсивные попытки идентифицировать прирожденные регуляторы клонов панкреатических клеток. Эндокринная спецификация и дифференцировка зависят от сочетанного действия каскадов транскрипционных факторов, которые динамично экспрессируются во время развития поджелудочной железы. Pdx1, Ptf1a, Sox9 и Ngn3, напр., являются транскрипционными факторами существенными для дифференцировки эндокринных клеток, которые обнаруживают варьирующие и временные паттерны экспрессии в клетках, развивающихся панкреатических зачатков. Поскольку все 4 транскрипционных фактора экспрессируются в раннем панкреатическом эпителии, их экспрессия дивергирует как только дифференцируются эндокринные клетки: Pdx1 становится ограниченным ?-клетками, ?-клетками и PP (pancreatic polypeptide) клетками на поздних стадиях беременности (Ahlgren et al., 1997; Guz et al., 1995); Ptf1a сначала ограничивается мультипотентными предшественниками в окончаниях эпителиальных веточек, затем детерминирует экзокринные клетки (Masui et al., 2007); Sox9 гаснет, когда эндокринные клетки дифференцируются, но продолжает метить эпителий трубочек (протоков) у взрослых (Kopp et al., 2011); а Ngn3 широко распространен в раннем панкреатическом эпителии (Villasenor et al., 2008), но позднее обнаруживает сильно преходящую и ограниченную пространственно и во времени экспрессию во всех детерминированных типах эндокринных клеток, выключаясь , как только клетки покидают эпителий (Gradwohl et al., 2000; Johansson et al., 2007). Время экспрессии и взаимодействие этих транскрипционных факторов важно для детерминации судьбы эндокринных клеток. Вынужденная совместная экспрессия трех транскрипционных факторов, pdx1 ngn3 и mafA, напр., приводит к трансдифференцировке экзокринных клеток в beta-клетки (Zhou et al., 2008). Выявление ролей в ступенчато-образном развитии этих мощных регуляторов имеет большое значение для понимания молекулярных основ, предопределяющих судьбы beta-клеток.
Однако несмотря на то, что многие такие внутренне присущие молекулярные регуляторы интенсивно исследовались (see excellent reviews by Madsen et al., 1997; Oliver-Krasinski and Stoffers, 2008; Pan and Wright, 2011; Sander and German, 1997; Wilson et al., 2003), относительно мало известно о внешних межклеточных сигналах, которые управляют экспрессией этих прирожденных факторов, хотя некоторые шаги и были проделаны (Apelqvist et al., 1999; Cleaver and MacDonald, 2009; Heller et al., 2002; Stafford and Prince, 2002). Недавно передача сигналов ephrin лигандов Eph рецепторным тирозин киназам,как было установлено, необходима для собственно панкреатического морфогенеза ветвления (Villasenor et al., 2010) , а также для оптимальной секреции инсулина у взрослых мышей (Konstantinova et al., 2007). Предыдущий анализ экспрессии показал, что EphBs и ephrinBs секретируются в ранней поджелудочной железе (van Eyll et al., 2006; Villasenor et al., 2010).
Здесь мы расширили первоначальные наблюдения и произвели тщательное простраственно-временное сравнение разных членов семейства EphB/ephrin, сфокусировавшись на рецепторе EphB3. Мы использовали Tet-индуцибельную EphB3-rtTA BAC трансгенную репортерную линию, чтобы идентифицировать и отслеживать динамику EphB3-экспрессирующих клеток во время их онтогенетического вояжа. Мы установили, что EphB3 экспрессируется в про-эндокринных клетках четко регулируемым способом, начиная непосредственно перед их выходом из эпителия и исчезая, как только они дифференцируются. Пульс-чейз исследования по клонированию клонов продемонстрировали, что EphB3-экспрессирующие клетки дают островковые эндокринные клетки. Более того, эти эксперименты показали, что эндокринная дифференцировка, сопровождаемая "вторичным переходом," происходит в течение приблизительно 2-х дней. Мы полагаем, что EphB3 является первым биомаркером, выделяющим эндокринные клетки.

DISCUSSION


В последнее время становится всё яснее, что уровень разрешения, на молекулярном уровне, ступеней развития beta клеток трудно различим по большей части из-за отстуствия доступных молекулярных маркеров, служащими в качестве "биоиндикаторов" beta клеток с момента их появления до созревания. В попытке увеличить спектр инструментов для изучения ступенчато-образной дифференцировки beta клеток, мы идентифицировали EphB3 в качестве нового биоиндикатора для выявления эндокринных клеток и мы установили время, необходимое для дифференцировки эмбриональных эндокринных клеток.
В ходе развития поджелудочной железы EphB3 остается пригодным биомаркером для выявления и дифференцировки эндокринных клеток. Мы установили, что EphB3 маркирует про-эндокринные клетки во время как первичного,так и вторичного переходов в развитии поджелудочной железы. Во время первичного перехода EphB3 экспрессируется в субнаборе клеток, разбросанных в многослойном эпителии, тогда как во время вторичного перехода EphB3 маркирует про-эндокринные клетки с момента их вычленения из pre-ductal трубчатого эпителия до начала их дифференцировки.
Поскольку мы использовали трансгенное преходящее мечение (не нестираемое), которое зависело как от пульсовой индукции Dox, так и стабильности β-gal, то мы были способны определить время вступления клеток предшественников в дифференцировку. Использование пульс-чейз мечения клонов с применением Tet-индуцибельного подхода, который "отлавливает" клетки, которые экспрессируют EphB3 во время индукции, позволило нам динамически идентифицировать клетки, экспрессирующие EphB3 в развивающейся поджелудочной железе. Экспрессия EphB3 была обнаружена в трех субнаборах про-эндокринных клеток: (1) клетках внутри панкреатического трубчатого эпителия, (2) в клетках, находящихся в процессе "вычленения", и (3) в отделившихся клетках, образующих кластеры для будущих ранних аггрегатов островков. Короткие пульсовые проявления Dox, наступающие вслед за коротким периодом наблюдения, выявляли экспрессию EphB3 в про-эндокринных клетках, покинувших эпителий до образования трубок в начале их развития (Fig. 7A). Напротив, наблюдения в течение более длительных периодов, в 3-8 дней, позволили нам проследить как они дифференцируются и подтвердить их эндокринную судьбу (Fig. 7B). Спустя 2 дня клетки, которые экспрессируют EphB3, могли быть обнаружены, как дающие зрелые эндокринные клетки, расположенные внутри островков. Непрерывная индукция Dox в течение периода боле 3 дней метила клетки на всех стадиях формирования островков: от клеток тубулярного эпителия, до отделения, аггрегации и, наконец, до гормон-экспрессирующих клеток внутри островков.



Figure 7. Model for EphB3-expressing cell contribution to islets. Following the secondary transition, EphB3 is expressed in a continuum, including three key cell populations during the secondary transition: (1) pro-endocrine cells within the epithelium, (2) "delaminating" pro-endocrine cells, and (3) pro-endocrine cells in early clusters and islets. A: Short-term labeling of EphB3+ cells shows that EphB3 is expressed in delaminating pro-endocrine cells. B: Pulse-chase experiments determined that EphB3-expressing cells labeled at E14.5 begin to express endocrine hormones by E16.5 and contribute to islets. Newly emerging pro-endocrine cells are labeled due to residual systemic Dox (following a 20-hr pulse of Dox and 8-day chase, expression of EphB3 is restricted to endocrine cells, not shown here). C: Continuous 3-day Dox induction of EphB3rtTA-lacZ mice labels all endocrine populations, during their step-wise differentiation, from their delamination to hormone expression, both newly emerging pro-endocrine cells and older maturing endocrine cells.


Важно, что наши исследования определили время дифференцировки про-эндокринных клеток в процессе развития поджелудочной железы. Используя разные периоды наблюдения, мы установили, что EphB3+ клетки ко-экспрессируют гормональные маркёры, начиная со второго дня после удаления Dox, указывая, что эндокринные клетки нуждаются приблизительно в 48 ч от выхода из эпителия до созревания. Интересно, что в отличие от сжатого периода времени эндокринного созревания во время первого перехода, когда EphB3 клетки обнаруживают ко-экспрессию glucagon спустя 1 день, мы установили, что во время вторичного перехода ко-экспрессия EphB3 с гормональными маркерами начинается спустя 2 дня после удаления Dox. Это указывает на то, что про-эндокринные клетки из первой волны дифференцируются быстрее (~24 ч), чем эндокринные клетки второй волны (~48 ч).
Давно отмечено, что передача сигналов Eph-ephrin ассоциирована с фундаментальным поведением клеток, которое управляет морфогенезом тканей, таким как слипчивость и отталкивание (Dravis and Henkemeyer, 2011; Halloran and Wolman, 2006). Про-эндокринные клетки сильно регулируют адгезивные своства во время своего выделения и последующей агрегации в эндокринные кластеры и островки (Gouzi et al., 2011). Мы полагаем, что про-эндокринные клетки , скорее всего, испытывают влияние со стороны Eph-ephrin-обеспечиваемого отталкивания, когда они подвергаются EMT (epithelial-to-mesenchymal transition) и вычленяются из панкреатического эпителия. Эта отталкивающая передача сигналов, скорее всего, исчезает когда про-эндокринные клетки затем слипаются др. с др. и агрегируют в островки. Экспрессия EphB3 отражает эти события, начинающиеся во время отделения и заканчивается перед соединением в эндокринные кластеры. Поскольку более длительный промежуток пульс-чейза, отслеживающего клоны, демонстрирует, что EphB3+ клетки действительно дают островки эндокринных клеток, более короткое время мечения никогда не выявляет эндокринных клеток, подтверждая, что экспрессия EphB3 прекращается перед дифференцировкой эндокринных клеток и образованием островков.
Итак, эти результаты выявили EphB3 в качестве нового и удобного маркера вычленяющихся эндокринных клеток. Кроме того, мы сделали BAC-Tg-EphB3rtTA мышей как новый инструмент для анализа как эмбриональной экспрессии EphB3 так и для выявления онтогенетических путей с участием EphB3 клеток. Мы использовали этих трансгенных модельных мышей, чтобы проследить эндокринные клетки поджелудочной железы от их спецификации внутри эпителия предшественника до их действительного слияния в островки во время развития поджелудочной железы; однако это также пригодно для отслеживания судьбы EphB3+ клеток в др. тканях.