Madame Lelica

översikt över mesodermala derivat (Fig. 1)

mesodermen bildar initialt i den primitiva strimman under gastrulation och fortsätter senare att utvecklas i svansknoppen. För det första bildar ackordamesodermen ett notochord som expanderar under neuralröret, vilket observeras i mänskliga embryon7., Mesodermen ligger längs notochordet och delas in i paraxial mesoderm, mellanliggande mesoderm och lateralplatta mesoderm8. Mesodermala subtyper anges längs den mediolaterala axeln beroende på aktiviteten hos BMPs9. En studie med kycklingembryon visade att Noggin, en BMP-hämmare uttryckt först i notokordet och sedan i den somatiska mesodermen, skapar BMP-gradienten som anger de mesodermala subtyperna10. En annan studie med musembryon visade att notochordet ger upphov till nucleus pulposus, som senare bildar vertebrala diskar11.,

Paraxiell mesodermutveckling består av flera steg: presomitisk mesoderm specifikation, somitogenes och somit specifikation12. Mogna somiter innehåller två stora populationer: sclerotome och dermomyotome. Sklerotomen ger upphov till ryggkotorna och associerade revben, senor och andra vävnader, såsom vaskulära celler i dorsala aorta, intervertebrala blodkärl och meninger12, 13. Dermomyotomen producerar två komponenter: myotomen och dermatomen., Myotomen ger upphov till muskulaturen i ryggen, ribbburet, ventral kroppsvägg och lemmar. Dermatomen ger upphov till dermis i ryggen, även om termen dermomyotome ibland används för att beskriva denna region eftersom en ny studie visade att denna centrala region av dermomyotomen också gav upphov till muskler hos kycklingembryon14.

Den laterala plattan mesoderm bildar splanchnic mesoderm, somatisk mesoderm, och extraembryonic membran, vilket framgår av en studie av chick embryos15., Den splanchnic mesoderm ger upphov till komponenter i cirkulationssystemet, såsom hjärta, blodkärl och blodkroppar, medan den somatiska mesoderm bildar bäcken skelett och mesodermala komponenter i armar och ben, med undantag för musklerna, som härrör från dermomyotome14,16. Den mellanliggande mesodermen bildar det urogenitala systemet, inklusive njurarna och gonads8.,

specifikation av den presomitiska mesodermen

den tidiga paraxiella mesodermen kallas den presomitiska mesodermen och består av bilaterala streck av mesenkymala celler intill notokord17. Den presomitiska mesodermen härrör från de primitiva streak eller neuromesodermala stamceller i svansknoppen,som visas i studier med mus och fågel embryos18, 19. I dessa steg Skallen som produceras av notochord skyddar paraxial mesoderm från lateralization av Bmp produceras av mellanliggande mesoderm och laterala plattan mesoderm9,10., Denna gradient är avgörande för mesodermal cell öde bestämning9, 10. När Noggin-Uttryckande celler implanterades i den presumptiva laterala plattområdet bildades somitiska vävnader i det ursprungliga laterala plattområdet hos kycklingembryo10. Detta visar att den paraxiella mesoderm och laterala plattan mesoderm delar gemensamma prekursorer i primitiva strimma, och att cell öde är plast, beroende på gradienter av BMP-aktivitet.

Wnt signalering är en annan viktig väg i dessa processer., Wnt3a är allmänt uttryckt i primitiva strimma och svans knopp, som avslöjas i en studie av mice18. Förlust av funktion av Wnt3a eller Ctnnb1, som är en gen kodning av β-catenin, ledde till en förlust av paraxial mesoderm föräldrarna och deras derivat, presomitic mesoderm och somites i musen embryos18. Nyckeln transkriptionell tillsynsmyndigheter i presomitic mesoderm specifikation, inklusive Brachyury (T), Tbox6, och Mesogenin1 (Msgn1), är kända för att vara nedströms faktorer av Wnt-signaling20.,

T, T-box transkription factor21, är uttryckt i den primitiva strimma, svansen bud, början av mesoderm och primitiva ektoderm bredvid den primitiva rad, notochordal plattan, och notochord, vilket framgår av studier av musen embryos22. Klassiska genetiska analyser med spontana mutantmöss visade att T är viktigt för mesodermformation22, 23. Förlust av funktion av T orsakade en störning av primitiv streakbildning och otillräcklig mesodermbildning i musembryo23.,

tbx6, T-box transkriptionsfaktorn, uttrycks initialt i den primitiva strimman, och senare i svansknoppen och presomitisk mesoderm24. Studier med musembryon visar att tbx6-uttrycket i paraxial mesodermen är begränsat till den presomitiska mesodermen och nedregleras snabbt som somitformer24. Således överlappar uttrycket av Tbx6 det för T i den primitiva streak och svans knopp, även om T uttrycks vid en tidigare punkt i den primitiva streak24. Förlust av funktion av tbx6 hos möss resulterade i omvandling av den presumptiva presomitiska mesodermen till neurala vävnader25., I tbx6-knockout-möss uttrycktes Sox2, en medlem av den Sry-relaterade högrörlighetsgruppslådan innehållande gener, ektopiskt i en presumptiv presomitisk mesoderm-region; Sox2 uttrycktes inte i den regionen i vildtypsmice25. Med tanke på att Sox2 är känt för att vara en kritisk faktor för neuroektodermal utveckling, indikerar detta att Tbx6 främjar presomitisk mesoderm-specifikation genom att undertrycka Sox2-uttryck och neurala fates25.

Msgn1, den grundläggande helix-loop-helix (bHLH) transkriptionsfaktor, är uttryckt i paraxial mesoderm från gastrulation tills somite formation26., Överuttryck av Msgn1 hos möss expanderade tbx6-Uttryckande regioner genom stammen, vilket resulterade i expansion av den presomitiska mesodermregionen i anterior27. Förlusten av funktion av Msgn1 minskade tbx6 uttryck i den presomitiska mesoderm27, och orsakade ett fullständigt misslyckande av somitbildning och segmentering av kroppen stammen och svansen i mice26. Dessa resultat indikerar att Msgn1 är en annan determinant av presomitisk mesoderm fate specification.,

specifikation av neuromesodermala stamceller

i den bakre delen av embryot är paraxial mesoderm härledd från en cellpopulation som kallas neuromesodermala stamceller, som har bipotential att differentiera till både mesodermala och ektodermala celltyper, vilket visas i en musstudi28. Cellens öde bestäms av flera morfogener uttryckta längs den främre bakre axeln., Histologiska studier med musembryon visade att Fgf8 och Wnt3a i hög grad uttrycks i svansknoppen på ryggradsdjur, medan retinsyragradienten (RA) framställs från somiten och neuralplattan29. Fgf8 och Wnt3a hittades upregulate både Msgn1 och Tbox6, vilket resulterar i främjandet av presomitic mesoderm specifikation genom att undertrycka Sox2 uttryck och neurala cell fate specifikation i musen embryos25,30.,

förlust av funktionsanalys med aldehyddehydrogenas 1-familjemedlem A2 (Raldh2), som fungerar som katalysator för RA-syntes, visade att raldh2 – / – musembryonerna uppvisade ökat Fgf8-uttryck i den främre delen av embryot29. De bristfälliga mössen visade också nedsatt bildning av somiter med en minskning av Sox2-positiv och Sox1-positiv neuroektodermal avkomma och en ökning av tbx6-positiv presomitisk mesodermal avkomma29. Fenotypen av försämrad somitbildning hos Raldh2−/− möss räddades genom behandling, med en FGF-receptorantagonist29., Dessa fynd indikerar att RA direkt undertrycker uttrycket av Fgf8 och Tbx6, vilket resulterar i cellödesspecifikation till neurala celltyper med uppreglering av Sox2. De föreslår vidare att balansen mellan signaleringsaktiviteter mellan dessa motsatta morfogener är en nyckeldeterminant för neurala och mesodermala cellfeter29, 30.

Somitogenes

somiten härrör från den främre presomitiska mesodermen genom en serie dynamiska morfogenetiska händelser som involverar cyklisk signalering., Periodiciteten av somitomerebildning produceras av segmenteringsklockan som fungerar i den presomitiska mesodermen. En studie med musembryon visade att denna segmentell prepattern definieras vid ”bestämningsfronten”, vilket skapar framtida somitiska gränser31. Denna process fortsätter enligt en ”klocka och vågfront modell”: en klocka bestämmer tiden, och en vågfront bestämmer platsen för segmenteringen32. Mesenkymala epitelial övergång (MET)är en annan viktig process för somitogenes, eftersom det är involverat i epitelial somitformation33., Studier med mus embryon visar att under dessa processer, Msgn1 är downregulated, men flera andra markörer, inklusive Mesp2, Paraxis, Pax3, Foxc1/2, och Meox1/2, är upregulated9,34,35,36.

Segmenteringsklocka

de viktigaste signalvägarna i segmenteringsklockan är Notch, Wnt/b–catenin och FGF-vägar, som integreras för att bilda ett molekylärt nätverk och generera en resande våg av genuttryck längs den embryonala axeln., Global genuttrycksanalys hos möss avslöjade att Notch-och FGF-relaterade cykliska gener oscillerade mestadels i motsatt fas av Wnt-cykliska gener, vilket tyder på crosstalk mellan dessa signaleringsvägar37,38. Hos möss är klockan i varje region av den presomitiska mesodermen väl förstådd för att vara en negativ återkopplingsmekanism centrerad på transkriptionsfaktor Hes739, 40. Hes7 aktiveras initialt av FGF-signalering, och sedan styrs den av Notch activity40. Hes7 undertrycker sin egen transkription för att generera ett oscillerande mönster av expression39., Notch signalering aktiverar mesodermal bakre 2 (Mesp2), en bHLH transkriptionsfaktor, som undertrycker Notch vägen via lunatic fringe (L-fng)41. Sålunda oscillerar Notch-aktivitet i den presomitiska mesodermen som en”Notch clock oscillator” 42. FGF-signalering oscillerar också via fosforylering av extracellulärt signalreglerat Kinas, en FGF-signalering nedströmsmolekyl, som också visades i mice43.

bestämning front och segmentering

Mesp2 är en huvudregulator för segmenteringen35., Mesp2 uttrycks vid det inledande skedet av segmentering i den presomitiska mesoderm35, och dess uttryck är begränsat till rostralfacket av oscillatorerna i hak-och FGF-vägarna, vilket framgår av en studie av musembryos43. Mesp2-uttrycket aktiveras av Hakvägen i den främre delen av den presumptiva somiten44, medan den undertrycks av FGF-signalering i den bakre delen, vilket resulterar i bildandet av främre och bakre gränser35,45. Denna modell stöds av flera bevis., För det första, Mesp2 uttryck var starkt undertryckta i Skåran mutant musembryon, såsom Dll1-null-och RBP-jk-null embryos40. För det andra skiftades mesp2-Uttryckande domänen in i den bakre presomitiska mesodermen i frånvaro av FGF-signalering i musembryos43.

som tidigare beskrivits spelar Mesp2 en avgörande roll vid bildandet av gränsen för somitsegment och vid upprättandet av rostrocaudalmönstringen av varje somit35,42. Mesp2-null musembryon visades ha en icke-segmenterad somit med helt kaudaliserade somitderivat35., Notch-aktivitet krävs för caudalization av somiten, eftersom dess frånvaro i det kaudala facket resulterade i en rostraliserad fenotyp i mice46. När det gäller mekanismen för Mesp2-medierad somitmönstring visade en studie i musembryon att Mesp2 undertrycker Notch-aktivitet i rostral-facket genom att destabilisera Mastermind-liknande 1, en av kärnkomponenterna i det intercellulära domänkomplexet47. Detta leder till rostrocaudal bildandet via differential-Notch activity47.,

en studie med musembryon visade att Mesp2 aktiverar sitt mål Ripply2, vilket undertrycker mesp2-uttryck via inhiberingen av Tbx6 i en negativ återkopplingsslinga, vilket leder till bildandet av nästa segmentgräns48. En annan forskning på möss har visat att Mesp2 också uppreglerar Eph i den främre delen av somitomerer, vilket följs av uppreglering av ephrin i den motsatta bakre halvan av den mer främre somitomere49., Sedan sker separation av somiten från den främre änden av den presomitiska mesodermen vid gränsen mellan ephrin-och Eph-Uttryckande celler49. Detta mönster upprepas sekventiellt i processen med somitogenesis42.

mesenkym–epitelial övergång

MET är nödvändigt för att bilda epitelskiktet av somiten under somitogenes, eftersom den presomitiska mesodermen består av endast mesenkymala celler., En studie med musembryon visade att varken epitelial somit eller dermomyotomet kan bildas korrekt. frånvaron av MET leder till abnormiteter i det axiella skelettet, såsom många mönsterdefekter i muskulaturen i det axiella skelettet, lemmarna och kroppsväggen33. Under MET i framtiden somatiska gränser, det yttre epitelskiktet antar apikal-basal polaritet och uttrycker N-kadherin, β-katenin, och F-aktin i apikala vidhäftningar50., Denna process är intimt reglerad på ett rumsligt och tidsmässigt sätt längs den främre–bakre axeln, vilket framgår av en studie i fåglar50.

Paraxis, en bHLH transkriptionsfaktor, uttrycks i den presomitiska mesodermen och somiterna. Paraxis är oumbärlig för epitelisering i utvecklingsprocessen av somit33. Paraxis-null-möss hade inga epiteliala somiter, även om somiterna segmenterades i lösa mesenkymala enheter av ungefär rätt storlek och periodicitet som somiter i paraxial mesoderm33., Mutanterna visade också skelettabnormiteter, såsom caudal agenesis33. Dessa fakta tyder på att Paraxis krävs för bildandet av epitelial somit men inte för segmentering av paraxial mesodermen.

Somitic TRÄFFADE i musen och chick paraxial mesoderm är beroende av Wnt-signalering från den överliggande yta ectoderm51,52. Även om segmentering av paraxial mesodermen upprätthölls även vid avlägsnande av ytan ektoderm, uppkom inte somitisk MET i mice52. Förlust av Wnt-signalering orsakade förlust av Paraxisuttryck och SOMITISK effekt i mice52., Dessutom Wnt6 uttryck i ytan ektoderm inducerad somitic UPPFYLLDA, och ektopisk Wnt6 uttryck som ersätta en brist på ytan ektoderm och β-catenin beroende processer i chick embryos53. Dessutom räddade tvångsuttryck av paraxis somit epitelisering i frånvaro av Wnt-signalering i chick embryos54. Å andra sidan visade paraxis−/− musembryon minskat uttryck av nedströmsgener i WNT-och Notch-signalbanorna, liksom minskat uttryck för Meox1 / 2 och Pax1, vilket krävs för korrekt somitbildning och specifikation, respektively55., Dessa fakta tyder på att paraxis deltar i Wnt-signalmedierad epitelisering i psm55.

En tidigare rapport visat att Meox1 och Meox2 är samuttrycks i den epiteliala somites, sclerotome och lem knoppar, medan dermomyotome bara uttrycker Meox156. Meox1-null-mutantmöss hade defekter i axiell skelettutveckling men inte muskelutveckling57, medan meox2-null-mutantmöss visade brist på lemmuskler, liksom en generellt minskad muskelmassa, men ingen abnormitet i det axiella skelettet56., Dessa resultat tyder på att meox1 ersätter Meox2 i sclerotomen, men inte myotomen och att Meox2 kompenserar för bristen på Meox1 i myotomen, men inte sclerotomen.

Foxc1 och Foxc2, medlemmar av de bevingade helix transkriptionsfaktorerna, uttrycks i många vävnader som bildar de somiter, Huvud mesoderm och endotel-och mesenkymala cellerna i det utvecklande hjärtat och blodkärlen, vilket visas i musembryon36. Musembryon som saknar både Foxc1 och Foxc2 hade ingen epitelial somite eller morfologisk segmentering av paraxial mesoderm36., Paraxis var omöjliga att upptäcka i presomitic mesoderm och somite regionen i mutant, vilket tyder på att Foxc1 och Foxc2 är uppströms paraxis under somite bildandet processes36. En annan rapport visade att paraxial mesoderm i Foxc1/2 muterade möss var respecified i den mellanliggande mesoderm, som uttrycker Pax2; Pax2 är en viktig transkriptionsfaktor i mellanliggande mesoderm58. Ingen signifikant förändring upptäcktes emellertid i uttrycket av antingen BMP4 eller Noggin,vilket kan reglera mesodermal fates58., Dessutom resulterade misexpression av Foxc1 eller Foxc2 i den presumptiva mellanliggande mesodermen av musembryon i omvandling av cellfaten från mellanliggande till paraxial mesoderm och somit, men inte till lateralplattan mesoderm58. Dessa resultat tyder på plasticitet i cellen öden mellan de mellanliggande mesoderm och paraxial mesoderm, med Foxc1 och Foxc2 bidra till somite segmentering i paraxial mesoderm. Sammantaget visar dessa resultat att Foxc1 och Foxc2 är nödvändiga för paraxiell mesodermdifferentiering och ödesbestämning.,

specifikation av somiten

sclerotomen härleds från en ventromedial del av somiten och bildas genom epitelial-mesenkymala övergången, medan dermomyotomen härleds från den epiteliala dorsolaterala delen av somiten59. Den sclerotome är en mesenkymala vävnad i vilka centrala tillsynsmyndigheter, inklusive Pax1, Pax9, Nkx3.2 (Bapx1), och Sox9, är särskilt expressed60. Å andra sidan är Pax3 och Myf5 uppströms faktorer av MyoD som är involverade i muskelutveckling, vilket framgår av studier av musembryos61., Pax3 uttrycks initialt i formningen somit, men dess uttryck är nedreglerat under specifikationen i sclerotomen, medan det förblir uttryckt i dermomyotome62.

Sonic hedgehog (Shh) utsöndras från notochord och golvplatta av neurala tube63. Studier med mus-och fågelembryon visar att Shh fungerar som en avgörande molekyl i sklerotomformation62, 63. Shh mutant möss saknade vertebrala kolonner, och endast ett fåtal rudimentära revbensbrosk bildades64., Musembryon med radering av både Gli2 och Gli3, nedströms faktorer av Shh, uppvisade kraftigt minskat uttryck av Pax1 och Pax9; ytterligare, Sox9 uttryck var omöjlig att upptäcka i somites65. Men Shh null möss visade ändå övergående Pax1 uttryck. Dessa resultat innebär att Shh är en avgörande inducerare för Pax1, Pax9, och Sox9 genom Gli2 och Gli365, men även andra signaler kan också vara inblandade i induction64. Studier i möss och fåglar visade att Skallen var uttryckt i nod, notochord, och dorsala somite och att det hämmade BMP4 aktivitet under sclerotome specification63,66., Shh tävlade också med Wnt signalering från takplattan och ytan ektoderm, och Wnt fungerade på dessa platser för att upprätthålla somit epitel tillstånd och inducera dermomyotome i chick embryos62. Sammantaget visar dessa resultat att höga nivåer av SHH-aktivering och låga nivåer av Wnt och BMP-signalering krävs för att bestämma sclerotomal öde.

Pax1 och Pax9, transkriptionsfaktorer av Pax familj, uttrycks specifikt i den stora delen av sclerotomes. Homozygot Pax1 null nyfödda möss visade allvarliga avvikelser i axiell skeleton67., Å andra sidan visade homozygota pax9-mutanta möss skelettfel i benen och skallen, men uppvisade inga uppenbara defekter i det axiella skelettet68. Dessutom visade pax1 / Pax9 dubbla mutantmöss mycket allvarligare fenotyper än pax1 enkla homozygota mutanter; pax1 / Pax9 dubbla mutanter saknar helt vävnader som härrör från den mediala delen av sklerotomen, såsom ryggkropparna, de intervertebrala skivorna och de proximala delarna av ribs69., Kondenseringen av den ventromediala sklerotomen runt notokordet förhindrades också i de dubbla mutanterna, vilket resulterade i en försämring av kondrogenes och vertebralformation69. Dessutom visade ett räddningsexperiment hos möss att pax1 kompenserade för pax9-funktionen, medan Pax9 inte kompenserade för pax1-funktion69.

Nkx3.2 (Bapx1) är en homeobox-innehållande transkriptionsfaktor uttryckt i sclerotomen under tidig embryonal musutveckling70. En riktad störning av Nkx3.,2-genen hos möss resulterade i dödlig skelettdysplasi med onormal utveckling av ryggraden och kraniofaciala ben70 och ett misslyckande av broskutveckling med minskat uttryck för Sox9 och typ II collagen69. Dessutom förlorades kondens av sklerotomala celler i vertebralanlagen runt notochordet helt under tidig embryogenes i nkx3. 2 mutantmice71. Analyser av musembryon med en dubbel mutation av Pax1/Pax9 visade att Nkx3.2 uttryck i sclerotome krävs närvaro av både Pax1 och Pax9 i en dos-beroende manner72. I samma studie, Nkx3.,2 befanns induceras av överuttryck av Pax1 även utan Shh. Dessutom, Pax1 och Pax9 transactivated den Nkx3.2 promotor genom direkt interaktion med DNA, vilket tyder på att Nkx3.2 är ett direkt mål för Pax1 och Pax972. Dessa resultat tyder på att Nkx3.2 funktioner nedströms Pax1 och Pax9, och spelar avgörande roller i chondrogenesis och ryggraden development71.

meox1 och Meox2 är väsentliga för somitbildning, såsom beskrivits ovan, och de bidrar till somitutveckling., Meox1/2 dubbel muterade möss saknade Pax1 uttryck i paraxial mesoderm, och de uppvisade en dämpning av Pax3 och Pax7 uttryck, vilket resulterar i ett misslyckande av dermomyotome differentiation34. Dessa brister ledde till abnormiteter i det axiella skelettet, såsom brist på normala vertebrala kolumner34, liksom stora defekter i utvecklingen av den somitderiverade skelettmuskulaturen34. Dessutom var uttrycket av Nkx3. 2 hos möss med mutationer i både Meox1 och Meox2 mycket svårare än det var hos möss med en enda meox1-mutation34., Dessa resultat tyder på att Meox1 och Meox2 koordinerar med och kompenserar för varandra under sclerotom och dermomyotomutveckling.

Subsets av sclerotomen

på grund av dess läge är sclerotomen i kontakt med olika cellpopulationer som producerar olika signalmolekyler, vilket resulterar i upprättandet av olika subpopulationer längs ventral–dorsala, mediala–laterala och främre–bakre axlar12. Dessa slutsatser drogs huvudsakligen av studier på fåglar.,

den centrala delen av sclerotomen bildar den mesenkymala kärnan i epitelial somit, vilket huvudsakligen bidrar till bildandet av intervertebrala skivor och leder i ryggraden kolumn73. Således kallade Kristus denna sklerotomala underdomänen ”arthrotom” 12. Den dorsala delen av sclerotomen ligger nära myotomen. FGF ligander, till exempel Fgf8, utsöndras från myotome och framkalla scleraxis expression74. Dessa signaleringsaktiviteter ger upphov till syndetompopulationen, som är en föregångare till ryggraden och ligamenterna74., I de dorsomediala och laterala delarna av sclerotomen nedregleras pax1-uttrycket av BMP4 från det dorsala neurala röret, mellanliggande mesoderm och lateralplatta mesoderm, vilket leder till utvecklingen som är oberoende av notochordal signaler75,76. Den dorsomediala delen av sclerotomen bildar ryggraden och bågen, medan den laterala delen av sclerotomen bildar de distala revbenen75. Detta beror på BMP4 utsöndras från dorsala neuralröret och laterala plattan mesoderm75. Dessutom saknar dessa två delar pax1 expression75., Den mediala sclerotomen som ligger intill nervrörets laterala yta identifierades, som en population som ger upphov till blodkärlen och meningerna i ryggmärgen77. Som svar på signalmolekyler som utsöndras från notokordet uttrycker den ventromediala sclerotomen starkt Pax1 och migrerar medialt mot notokordet. Dessa celler bildar perinotokordalröret, vilket ger upphov till ryggkropparna och intervertebrala diskar78. Sist, den ventrala–bakre sclerotomen med endotelial prekursorpotential namngavs nyligen endotome13, 79., Denna del av sklerotomen migrerar och skiljer sig åt i vaskulära celler i dorsala aorta och intervertebrala blodkärl,vilket visas i studier med kycklingar79, 80.