Madame Lelica

Oversikt over de mesodermal derivater (Fig. 1)

mesoderm utgangspunktet former i primitiv strek under gastrulation og senere fortsetter å utvikle seg i halen bud. Først chordamesoderm danner en notochord som utvider seg under neural tube, som observert i menneskelig embryos7., Den mesoderm ligger langs notochord og deler inn i den paraxial mesoderm, middels mesoderm, og lateral plate mesoderm8. Mesodermal undertyper er angitt langs mediolateral aksen avhengig aktiviteter BMPs9. En studie med kylling embryo vist at Noggin, en BMP-hemmer til uttrykk først i notochord og deretter i den somatiske mesoderm, skaper BMP gradient som angir mesodermal subtypes10. En annen studie med mus embryo vist at notochord gir opphav til nucleus pulposus, som senere danner ryggvirvel discs11.,

Paraxial mesoderm utviklingen er sammensatt av flere stadier: presomitic mesoderm spesifikasjon, somitogenesis, og somite specification12. Modne somites inneholder to store bestander: det sclerotome og dermomyotome. Den sclerotome gir opphav til ryggvirvler og tilhørende ribbeina, sener, og andre vev, som vaskulær celler av dorsal aorta, intervertebral blodkar, og meninges12,13. Den dermomyotome produserer to komponenter: myotome og dermatome., Den myotome gir opphav til muskulaturen på baksiden, brystkassen, ventrale kroppen veggen, og lemmer. Den dermatome gir opphav til dermis av ryggen, selv om begrepet dermomyotome er noen ganger brukt til å beskrive denne regionen fordi en nyere studie viste at denne sentrale regionen av dermomyotome ga også opphav til musklene i chick embryos14.

Den laterale plate mesoderm danner splanchnic mesoderm, somatiske mesoderm, og extraembryonic membraner, som dokumentert av en studie av dama embryos15., Den splanchnic mesoderm gir opphav til noen komponenter av sirkulasjonssystemet, som hjerte, blodkar og blod celler, mens de somatiske mesoderm former bekken skjelett og mesodermal komponenter av lemmer, med unntak av musklene, som er utledet fra dermomyotome14,16. Det mellomliggende mesoderm danner urogenitale system, blant annet nyrer og gonads8.,

Spesifikasjon av presomitic mesoderm

tidlig paraxial mesoderm er referert til som presomitic mesoderm, og består av bilaterale striper av mesenchymal celler i tilknytning til notochord17. Den presomitic mesoderm er avledet fra primitiv strek eller neuromesodermal forfedre i halen bud, som vist i studier med mus og fugl embryos18,19. I disse trinnene, Noggin produsert av notochord beskytter paraxial mesoderm fra lateralization av BMPs produsert av middels mesoderm og lateral plate mesoderm9,10., Denne gradienten er avgjørende for mesodermal celle skjebne determination9,10. Når Noggin-celler som uttrykker ble implantert i den presumptive lateral plate regionen, somitic vev ble dannet i den opprinnelige lateral plate territoriet til dama embryos10. Dette viser at paraxial mesoderm og lateral plate mesoderm dele felles forløpere i primitiv strek, og at cellen skjebne er av plast, avhengig av graderinger av BMP-aktivitet.

Wnt-signalisering er en annen viktig vei i disse prosessene., Wnt3a er mye uttrykt i primitiv strek og hale bud», som vises frem i en studie av mice18. Tap av funksjon av Wnt3a eller Ctnnb1, som er en genkode β-catenin, førte til et tap av paraxial mesoderm forfedre og deres derivater, den presomitic mesoderm og somites i musen embryos18. Tast transcriptional regulatorer i presomitic mesoderm spesifikasjon, inkludert Brachyury (T), Tbx6, og Mesogenin1 (Msgn1), er kjent for å være nedstrøms faktorer av Wnt signaling20.,

T, T-box transkripsjon factor21, er uttrykt i primitiv strek, halen fødselen, tidlig mesoderm og primitive ectoderm ved siden av primitiv strek, den notochordal plate, og notochord, som vist ved studier av mus embryos22. Klassisk genetiske analyser ved bruk av spontan mutant mus viste at T er viktig for mesoderm formation22,23. Tap av funksjon av T forårsaket av en forstyrrelse av primitiv strek dannelse og utilstrekkelig mesoderm dannelse i mus embryos23.,

Tbx6, T-box transkripsjonsfaktor, er uttrykt i utgangspunktet i primitiv strek, og senere i halen bud og presomitic mesoderm24. Studier med mus embryo viser at Tbx6 uttrykk i paraxial mesoderm er begrenset til presomitic mesoderm og er raskt downregulated som somite forms24. Dermed uttrykk for Tbx6 overlapper at T i primitiv strek og hale bud, selv om T er uttrykt på et tidligere tidspunkt i primitive streak24. Tap av funksjon av Tbx6 i mus resultert i en konvertering av presumptive presomitic mesoderm i nevrale tissues25., I Tbx6-knockout-mus, Sox2, medlem av Sry-relaterte høy mobilitet gruppe boksen som inneholder gener, var ectopically uttrykt i en presumptive presomitic mesoderm regionen, Sox2 var ikke til uttrykk i den regionen i wild-type mice25. Gitt at Sox2 er kjent for å være en kritisk faktor for neuroectodermal utvikling, dette indikerer at Tbx6 fremmer presomitic mesoderm spesifikasjon av repressing Sox2 uttrykk og neural fates25.

Msgn1, grunnleggende helix-loop-helix (bHLH) transkripsjonsfaktor, er uttrykt i paraxial mesoderm fra gastrulation til somite formation26., Overexpression av Msgn1 i mus utvidet Tbx6-å uttrykke regioner gjennom stammen, noe som resulterer i utvidelse av presomitic mesoderm regionen til anterior27. Tap av funksjon av Msgn1 redusert Tbx6 uttrykk i presomitic mesoderm27, og forårsaket en fullstendig fiasko av somite dannelse og segmentering av kroppen stammen, og halen i mice26. Disse resultatene indikerer at Msgn1 er en annen faktor av presomitic mesoderm skjebne spesifikasjon.,

Spesifikasjon av neuromesodermal forfedre

I den bakre delen av embryo, det paraxial mesoderm er avledet fra en celle befolkningen kalt neuromesodermal forfedre, som har bipotential til å differensiere i både mesodermal og ectodermal celletyper, som demonstrert i en mus study28. Cellen skjebne er bestemt av flere morphogens uttrykt langs anterior–posterior-aksen., Histologiske studier med mus embryo vist at Fgf8 og Wnt3a er høyt uttrykt i virveldyr halen bud, mens retinsyre (RA) gradienten er produsert fra somite og nevrale plate29. Fgf8 og Wnt3a ble funnet å upregulate både Msgn1 og Tbx6, noe som resulterer i markedsføring av presomitic mesoderm spesifikasjon ved å undertrykke Sox2 uttrykk og neural celle skjebne spesifikasjon i mus embryos25,30.,

Tap av funksjon analyse med aldehyd dehydrogenase 1 familiemedlem A2 (Raldh2), som fungerer som en katalysator for RA-syntese, viste at Raldh2−/− mus embryo utstilt økt Fgf8 uttrykk i fremre del av embryo29. Den mangelfulle mus også vist nedsatt dannelse av somites med en nedgang i Sox2-positive og Sox1-positive neuroectodermal avkom, og en økning i Tbx6-positive presomitic mesodermal progeny29. Phenotype av nedsatt somite dannelse i Raldh2−/− mus ble reddet av behandling, med en FGF reseptor antagonist29., Disse funnene tyder på at RA direkte undertrykker uttrykk for Fgf8 og Tbx6, noe som resulterer i celle skjebne spesifikasjon til nevrale celletyper med upregulation av Sox2. De videre foreslår at balansen av signalering aktiviteter mellom disse motstridende morphogens er en viktig determinant av nevrale og mesodermal celle fates29,30.

Somitogenesis

somite er avledet fra det fremre presomitic mesoderm gjennom en serie av dynamiske morfogenetiske hendelser som involverer sykliske signalene., Den periodisitet av somitomere dannelse er produsert av segmentering klokke som opererer i presomitic mesoderm. En studie med mus embryo vist at dette segmental prepattern er definert på «besluttsomhet foran», noe som skaper fremtiden somitic boundaries31. Denne prosessen fortsetter i henhold til en «klokke og wavefront-modellen»: en klokke bestemmer tiden, og en wavefront bestemmer sted for segmentation32. Mesenchymal–epithelial overgang (MET) er en annen viktig prosess for somitogenesis, som er involvert i epiteliale somite formation33., Studier med mus embryo viser at i løpet av disse prosessene, Msgn1 er downregulated, men flere andre markører, inkludert Mesp2, Paraxis, Pax3, Foxc1/2, og Meox1/2, er upregulated9,34,35,36.

Segmentering klokke

De store signaliserer trasé i segmentering klokke er Hakket, Wnt/β–catenin, og FGF trasé, som integrerer å danne et molekylært nettverk og generere en reise bølge av genuttrykk langs den tidlege aksen., Global genuttrykk analyse på mus viste at Notch – og FGF-relaterte syklisk gener svingte det meste i motsatt fase av Wnt-syklisk gener, noe som tyder på krysstale mellom disse signaliserer pathways37,38. I mus, klokken i hver region av presomitic mesoderm er godt forstått å være en negativ feedback mekanisme sentrert på aktiviteter transkripsjonsfaktor Hes739,40. Hes7 er først aktiveres ved FGF signalering, og da er det kontrollert av Hakk activity40. Hes7 undertrykker sin egen transkripsjon for å generere en oscillerende mønster av expression39., Hakk signaliserer aktiverer mesodermal posterior 2 (Mesp2), en bHLH transkripsjonsfaktor, som undertrykker Hakk veien via lunatic fringe (L-fng)41. Dermed Hakk aktivitet svinger i presomitic mesoderm som et «Hakk klokke oscillator»42. FGF signaliserer også svinger via phosphorylation av ekstracellulære signal-regulert kinase, en FGF signaliserer nedstrøms molekyl, som også ble vist i mice43.

Besluttsomhet foran og segmentering

Mesp2 er en mester regulator av utbruddet av segmentation35., Mesp2 er uttrykt i den innledende fasen av segmentering i presomitic mesoderm35, og uttrykket er begrenset til å rostral batterirommet ved å oscillatorer av Hakk og FGF trasé, noe som gjenspeiles i en studie på mus embryos43. Mesp2 uttrykk er aktivert av Hakk vei i fremre del av presumptive somite44, mens det er undertrykt av FGF signalering i bakre del, noe som resulterer i dannelsen av anterior og posterior borders35,45. Denne modellen er støttet av flere linjer med bevis., Første, Mesp2 uttrykk ble sterkt undertrykt i Hakk mutant musen embryo, for eksempel Dll1-null og RBP-jk-null embryos40. For det andre, Mesp2-å uttrykke domenet ble flyttet inn i den bakre presomitic mesoderm i fravær av FGF signalering i mus embryos43.

Som beskrevet tidligere, Mesp2 spiller en avgjørende rolle i dannelsen av grensen til somite segmenter og i å etablere rostrocaudal patterning av hver somite35,42. Mesp2-null musen embryo ble vist å ha en nonsegmented somite med helt caudalized somite derivatives35., Hakk aktivitet er nødvendig for caudalization av somite, siden fraværet i kaudal rommet som resulterte i en rostralized fenotypen i mice46. Med hensyn til mekanismen av Mesp2-mediert somite patterning, en studie på mus embryo vist at Mesp2 undertrykker Hakk aktivitet i rostral batterirommet ved å destabiliserende Mastermind-lik 1, en av de viktigste komponentene i den kjernefysiske Hakk intercellulær domene complex47. Dette fører til rostrocaudal dannelse via differensial Hakk activity47.,

En studie med mus embryo vist at Mesp2 aktiverer sitt mål Ripply2, som undertrykker Mesp2 uttrykk via hemming av Tbx6 i en negativ feedback-løkke, som fører til dannelsen av den neste segmental border48. Annen forskning på mus har vist at Mesp2 også upregulates Ef i den fremre delen av somitomeres, som er etterfulgt av upregulation av ephrin i motstanderens bakre halvdel av mer fremre somitomere49., Så, separasjon av somite fra den fremre delen av presomitic mesoderm oppstår på grensen mellom ephrin – og Ef-å uttrykke cells49. Dette mønsteret gjentas fortløpende i prosessen med somitogenesis42.

Mesenchymal–epithelial overgang

MET er nødvendig for å danne epiteliale laget av somite under somitogenesis, siden presomitic mesoderm er sammensatt av bare mesenchymal celler., En studie med mus embryo vist at uten OPPFYLT, verken epiteliale somite eller dermomyotome kan riktig form; fravær av MØTTE fører til misdannelser av den aksiale skjelettet, slik som mange patterning feil av muskulaturen i den aksiale skjelettet, lemmer, og kroppen wall33. Under MØTT i fremtiden, somatiske grenser, den ytre epithelial lag forutsetter apical–basal polaritet og uttrykker N-cadherin, β-catenin, og F-actin i apical adherens junctions50., Denne prosessen er nært regulert i en romlig og tidsmessig måte sammen anterior–posterior-aksen, som dokumentert av en studie i birds50.

Paraxis, en bHLH transkripsjonsfaktor, er uttrykt i presomitic mesoderm og somites. Paraxis er uunnværlig for epithelialization i utviklingsmessige prosessen med somite33. Paraxis-null mus hadde ingen epithelial somites, selv om den somites var segmentert inn i løs mesenchymal enheter av omtrent riktig størrelse og periodisitet som somites i paraxial mesoderm33., Mutanter også vist skjelett misdannelser, som for eksempel kaudal agenesis33. Disse fakta tyder på at Paraxis er nødvendig for dannelsen av epiteliale somite men ikke for segmentering av paraxial mesoderm.

Somitic MØTTE i mus og dama paraxial mesoderm er avhengig av Wnt signalering fra overliggende overflate ectoderm51,52. Selv om segmentering av paraxial mesoderm ble opprettholdt selv med fjerning av overflaten ectoderm, somitic MØTTE ikke forekomme i mice52. Tap av Wnt signaliserer forårsaket tap av Paraxis uttrykk og somitic MØTTE i mice52., I tillegg, Wnt6 uttrykk i overflaten ectoderm indusert somitic OPPFYLT, og ektopisk Wnt6 uttrykk erstatning for mangel på overflaten ectoderm og β-catenin avhengige prosesser i chick embryos53. Dessuten tvunget uttrykk for paraxis reddet somite epithelialization i fravær av Wnt signalering i chick embryos54. På den annen side, paraxis−/− mus embryo viste redusert uttrykk av nedstrøms gener i Wnt og Hakk signaliserer veier, så vel som redusert uttrykk av Meox1/2 og Pax1, som er nødvendig for riktig somite dannelse og spesifikasjon, respectively55., Disse fakta tyder på at paraxis deltar i Wnt signalering-mediert epithelialization i PSM55.

En tidligere rapport har vist at Meox1 og Meox2 er coexpressed i epiteliale somites, sclerotome, og lem knopper, mens dermomyotome bare uttrykker Meox156. Meox1-null mutant mus hadde feil i aksiale skjelettet utvikling, men ikke muskel development57, mens Meox2-null mutant mus viste en manglende lem musklene, så vel som et generelt redusert muskelmasse, men ikke noe unormalt i den aksiale skeleton56., Disse resultatene tyder på at Meox1 erstatter Meox2 i sclerotome, men ikke myotome og at Meox2 kompenserer for mangelen på Meox1 i myotome, men ikke sclerotome.

Foxc1 og Foxc2, medlemmer av den bevingede helix transkripsjon faktorer, er uttrykt i mange vev som danner somites, leder mesoderm, og endotelceller og mesenchymal cellene i å utvikle hjerte og blodkar, som vist i mus embryos36. Mus embryo mangler både Foxc1 og Foxc2 hadde ingen epithelial somite eller morfologiske segmentering av paraxial mesoderm36., Paraxis var umulig å oppdage i presomitic mesoderm og somite regionen i mutant, noe som tyder på at Foxc1 og Foxc2 er oppstrøms av paraxis under somite dannelse processes36. En annen rapport som viste at paraxial mesoderm i Foxc1/2 mutant mus var respecified i den mellomliggende mesoderm, som uttrykker Pax2; Pax2 er en stor transkripsjonsfaktor i den mellomliggende mesoderm58. Det er imidlertid ingen signifikant endring ble oppdaget i uttrykk for enten Bmp4 eller Noggin, som kan regulere mesodermal fates58., I tillegg, misexpression av Foxc1 eller Foxc2 i presumptive middels mesoderm av musen embryo resultert i en konvertering av cellen skjebner fra middels til paraxial mesoderm og somite, men ikke til den laterale plate mesoderm58. Disse resultatene tyder på plastisitet av cellen skjebner mellom middels mesoderm og paraxial mesoderm, med Foxc1 og Foxc2 bidra til somite segmentering i paraxial mesoderm. Til sammen viser disse resultatene at Foxc1 og Foxc2 er avgjørende for paraxial mesoderm differensiering skjebne og besluttsomhet.,

Spesifikasjon av somite

sclerotome er hentet fra en ventromedial en del av somite og er dannet av epiteliale–mesenchymal transition, mens dermomyotome er avledet fra epiteliale dorsolateral en del av somite59. Den sclerotome er en mesenchymal vev i sentrale myndigheter, inkludert Pax1, Pax9, Nkx3.2 (Bapx1), og Sox9, er spesielt expressed60. På den annen side, Pax3 og Myf5 er oppstrøms faktorer av MyoD som er involvert i muskel utvikling, noe som gjenspeiles av studier av mus embryos61., Pax3 er i utgangspunktet uttrykt i forming somite, men uttrykket er downregulated under spesifikasjon i sclerotome, mens det fortsatt er uttrykt i dermomyotome62.

Sonic pinnsvin (Hysj) er utskilt fra notochord og gulvplate av nevrale tube63. Studier med mus og fugl embryo viser at Hysj funksjoner som et viktig molekyl i sclerotome formation62,63. Hysj mutant mus som manglet ryggvirvel kolonner, og bare noen rudimentære rib cartilages var formed64., Mus embryoer med sletting av både Gli2 og Gli3, nedstrøms faktorer av Hysj, stilte svært redusert uttrykk av Pax1 og Pax9; videre, Sox9 uttrykk var umulig å oppdage i somites65. Men, Hysj-null mus likevel viste forbigående Pax1 uttrykk. Disse resultatene antyder at Hysj er en avgjørende induser for Pax1, Pax9, og Sox9 gjennom Gli2 og Gli365, selv om andre signaler kan også være involvert i induction64. Studier i mus og fugler viste at Noggin ble uttrykt i node, notochord, og dorsal somite og at det hemmet BMP4 aktivitet i løpet av sclerotome specification63,66., Hysj også konkurrert med Wnt signalering fra den takplaten og overflaten ectoderm, og Wnt fungert på disse stedene for å opprettholde somite epithelial staten og indusere dermomyotome i chick embryos62. Samlet viser disse resultatene at høye nivåer av Hysj aktivering og lave nivåer av Wnt-og BMP-signalering er nødvendig for å avgjøre sclerotomal skjebne.

Pax1 og Pax9, transkripsjonfaktorer av Pax familie, er spesielt uttrykt i store deler av sclerotomes. Homozygote Pax1-null nyfødte mus viste alvorlige misdannelser i den aksiale skeleton67., På den annen side, homozygote Pax9 mutant mus viste skjelettet mangler i beina og skallen, men viste ingen åpenbare feil i den aksiale skeleton68. I tillegg, Pax1/Pax9 dobbeltrom mutant mus viste mye mer alvorlig phenotypes enn Pax1 enkelt homozygote mutanter; Pax1/Pax9 dobbeltrom mutanter fullstendig mangel vev som stammer fra den mediale delen av sclerotome, slik som ryggvirvel kropp, intervertebral plater, og den proksimale deler av ribs69., Kondens av ventromedial sclerotome rundt notochord ble også forhindret i dobbeltrom mutanter, noe som resulterer i en nedskrivning av chondrogenesis og ryggvirvel formation69. Videre, en rescue eksperimenter på mus viste at Pax1 kompensert for Pax9 funksjon, mens Pax9 ikke kompensere for Pax1 function69.

Nkx3.2 (Bapx1) er en homeobox-inneholder transkripsjonsfaktor uttrykt i sclerotome under tidlige embryo musen development70. En målrettet forstyrrelse av Nkx3.,2 genet i mus resulterte i dødelig skjelett-dysplasi med unormal utvikling av ryggsøylen og kraniofaciale bones70, og en unnlatelse av brusk utvikling med redusert uttrykk av Sox9 og type II collagen69. I tillegg, kondensering av sclerotomal celler i ryggvirvel anlagen rundt notochord var helt borte i løpet av tidlig embryogenesis i Nkx3.2 mutant mice71. Analyser av musen embryoer med en dobbel mutasjon av Pax1/Pax9 åpenbart at Nkx3.2 uttrykk i sclerotome kreves det tilstedeværelse av både Pax1 og Pax9 i en dose-avhengig manner72. I den samme studien, Nkx3.,2 ble funnet å være indusert av overexpression av Pax1 selv uten Hysj. Videre, Pax1 og Pax9 transactivated den Nkx3.2 promotor gjennom direkte interaksjon med DNA, noe som indikerer at Nkx3.2 er et direkte mål på Pax1 og Pax972. Disse resultatene tyder på at Nkx3.2 funksjoner nedstrøms av Pax1 og Pax9, og spiller avgjørende roller i chondrogenesis og ryggvirvel development71.

Meox1 og Meox2 er avgjørende for somite dannelse, som beskrevet ovenfor, og de bidrar til å somite utvikling., Meox1/2 doble mutant mus som manglet Pax1 uttrykk i paraxial mesoderm, og de viser en svekking av Pax3 og Pax7 uttrykk, noe som resulterer i en svikt i dermomyotome differentiation34. Disse manglene ført til forandringer i den aksiale skjelettet, som for eksempel mangel på normal ryggvirvel columns34, så vel som store defekter i utviklingen av somite-avledet skjelett musculature34. I tillegg uttrykk for Nkx3.2 i mus med mutasjoner i begge Meox1 og Meox2 var mye mer alvorlig enn det var i mus med en enkelt Meox1 mutation34., Disse resultatene tyder på at Meox1 og Meox2 koordinere med og kompensere for hverandre under sclerotome og dermomyotome utvikling.

Undergrupper av sclerotome

på Grunn av sin beliggenhet, sclerotome er i kontakt med ulike celle bestander som produserer ulike signalmolekyler, noe som resulterer i etablering av ulike undergrupper av befolkningen langs ventral–rygg, mediale–lateral, og anterior–posterior axes12. Disse konklusjonene ble trukket hovedsakelig fra studier på fugl.,

Den midtre delen av sclerotome danner mesenchymal kjernen av epiteliale somite, som i hovedsak bidrar til dannelsen av intervertebral plater og ledd av vertebrale column73. Kristus kalte dette sclerotomal underdomene den «arthrotome»12. Dorsal en del av sclerotome ligger nær myotome. FGF ligander, for eksempel Fgf8, er utskilt fra myotome og indusere scleraxis expression74. Disse signaliserer aktiviteter gi opphav til syndetome befolkningen, som er en forløper av vertebrale sener og ligaments74., I dorsomedial og laterale deler av sclerotome, Pax1 uttrykk er downregulated av BMP4 fra dorsal neural tube, middels mesoderm, og lateral plate mesoderm, som fører til utvikling som er uavhengig av notochordal signals75,76. Den dorsomedial en del av sclerotome danner ryggraden og bue, mens den laterale delen av sclerotome former den distale ribs75. Dette avhenger Bmp4 utskilt fra dorsal neural tube og lateral plate mesoderm75. Videre, disse to delene er blottet for Pax1 expression75., Den mediale sclerotome som ligger i tilknytning til den laterale overflaten av neural tube ble identifisert, som en befolkning som gir opphav til blodårene og hjernehinnene av spinal cord77. I respons til signalmolekyler utskilt fra notochord, ventromedial sclerotome sterkt uttrykker Pax1 og vandrer ut medially mot notochord. Disse cellene danner perinotochordal tube, som gir opphav til en ryggvirvel kropp og intervertebral discs78. Sist, ventral–posterior sclerotome med endotelceller forløper potensielle ble nylig kåret til endotome13,79., Denne delen av sclerotome vandrer ut og skiller i vaskulær celler av dorsal aorta og intervertebral blodkar, som vist i studier med chicks79,80.