Roluri de coardă dorsală în vertebrate dezvoltare
Structurare
coardă dorsală are mai multe roluri bine stabilite în structurare surroundingtissues. Deoarece aceste probleme au fost revizuite în mod cuprinzător în altă parte(Cleaver and Krieg, 2001;Dodd et al., 1998; Hogan și Bautch, 2004; Holland și colab., 2004), eu numaimenționează unele dintre rolurile principale aici. Poate cel mai bine caracterizat este rolul notochordului în modelarea tubului neural., O serie de experimentsinvolving atât de transplant și îndepărtarea de coardă dorsală duringdevelopment a arătat că coardă dorsală poate semnala formarea floorplate, care este ventro-soarta a maduvei spinarii(Placzek et al., 1991; van Straaten și colab., 1989; Yamada și colab., 1991). Printresemnalele secretate de notochord sunt proteinele arici (Hh). SonicHedgehog, în special, induce o serie de ventrală a măduvei spinării destinele în agraded moda în timp ce simultan suprimarea expresia ofcharacteristically dorsal gene (Placzeket al., 1993; Yamada și colab.,, 1993; Yamada și colab.,1991). Consolidarea și menținerea mai devreme de dezvoltare, evenimente,coardă dorsală semnale sunt, de asemenea, implicate în stabilirea LR asimetrie; la ablationof de coardă dorsală în Xenopus gastrulae rezultate în randomizare ofasymmetry (Danos și Yost,1995; Lohr et al.,1997). În teleosts, coardă dorsală derivate Hh semnale de control theformation orizontale myoseptum, precum și specificarea lent-twitchmuscle soarta (Barresi et al., 2000; Devoto și colab.,1996). Semnalele derivate din Notochord sunt importante pentru specificareaformarea aortei dorsale (Cleaver etal., 2000; Fekany și colab.,, 1999; Isogai și colab.,2003; Lawson și colab.,2002), precum și pentru specificarea normală a câmpului cardiac(Goldstein și Fishman, 1998).În cele din urmă, coardă dorsală este important pentru dezvoltarea normală a earlyendoderm și pancreasului (Cleaver andKrieg, 2001; Kim et al.,1997).deși rolurile de structurare ale notochordului sunt esențiale pentru dezvoltarea normală a vertebratelor, notochordul are, de asemenea, un rol structural esențial.,Notochordul este principalul element scheletic axial al embrionului timpuriu chordate;fără un notochord complet diferențiat, embrionii nu reușesc să se alungească(Odenthal et al., 1996; Saúde și colab., 2000; Schulte-Merker et al., 1992; Schulte-Merker et al., 1994;Stemple și colab., 1996; Talbot și colab., 1995). Pentru mulțispecii, acest lucru duce la incapacitatea de a înota în mod corespunzător, de a scăpa de pradă și de a se hrăni. O înțelegere de această funcție de coardă dorsală a beenderived de studii de zebrafish mutații(Driever et al., 1996; Haffter și colab., 1996)., Un număr de loci implicați în formarea notochordului au fost identificați în mai multe ecrane sistematice pe scară largă pentru mutații care afectează embriogeneza zebră (Fig. 3) (Odenthal și colab., 1996;Stemple și colab., 1996). Am discutat, câteva dintre loci identificate în aceste ecrane au fost foundto fi important pentru formarea chordamesoderm, highlightingimportant semnalizare roluri de coardă dorsală. Cele mai multe loci, cu toate acestea, au beenfound a fi profund important pentru aspectele structurale ale notochordfunction.,pentru a înțelege structura notochord, este util să se ia în considerare partea notochordas a unui sistem mecanic necesar pentru locomoție(Fig. 4). Embrionii de pește-zebră, de exemplu, sunt capabili să-și răstoarne cozile în termen de 1 zi de la fertilizare și să înoate în termen de 3 zile. Prin analogie, notochordul este ca un furtun de incendiu,care posedă o teacă puternică, dar flexibilă, care poate rezista la presiuni hidrostatice ridicate. Luați în considerare atunci o situație în care furtunul de incendiu este umplut cubaloane de apă, fiecare împingându-se împotriva celuilalt și împotriva tecii., În acest aranjament, furtunul de incendiu ar fi alungit și rigid, dar capabil să se îndoaie în orice direcție. În cele din urmă, cu cabluri de-a lungul partea de sus și de jos a theinflated furtun de incendiu, cablurile ar rezista nici în sus sau în jos, îndoire din furtun, și orice forță care acționează asupra furtun de incendiu-ar devia lateral.Pentru embrionul zebrafish, echivalentul furtunului de incendiu este membrana bazală peri-notochordală, iar baloanele de apă sunt celulele vacuolate notochord. Rularea de-a lungul vârfului notochordului este placa de podea șide-a lungul fundului este hipocordul., În concordanță cu acest rol structural, atât placa de podea și hypochord exprima o varietate de cartilaj proteine,cum ar fi colagenul de tip II (Yan et al.,1995). În plus, mutații în gene ca oep andcyclops (ndr2 – peștele-Zebră Informații de Rețea), whichlead la pierderi substanțiale de placa de podea, de asemenea, produce embrioni cu un profounddownward curbură (Hatta,1992; Hatta et al., 1991; Schier și colab.,1997). Astfel, deși nu este încă stabilit direct, este posibil ca placa de podea și hypochord acționa ca cablurile respective dorsal andventral părți ale coardă dorsală.,în zebrafish, formarea membranei bazale peri-notochordale șivacuolul este afectat fiecare de două clase fenotipice de mutații. O clasă, inițial a constatat că afectează atât notochord și dezvoltarea creierului, cuprinde thebashful, morocănos și somnoros loci. Acești loci au recentlybeen găsit pentru a codifica zebrafish laminină α1 (timid), lamininß1 (morocănos) și laminină γ1 (somnoros), care areconstituents de membrana bazală(Parsons et al., 2002) (S. M. Pollard, teză de doctorat, University College London, 2002)., Cea de-a doua clasă ofmutations a fost găsit inițial să afecteze coardă dorsală și melanoforii developmentearly în embriogeneză, ceea ce duce în cele din urmă să catastrofale celule deaththroughout mutant embrioni. Această clasă cuprinde hapciu, fericit anddopey, care codifica, respectiv, α, β și ychains de coatomer complex, care este o componentă importantă a thesecretory cale și este esențial pentru supraviețuirea tuturor celulelor eucariote(Coutinho et al., 2004). În mod normal, complexul de coatomeri ar fi considerat ca îndeplinind o funcție eucariotă de păstrare., Este surprinzător faptul că pierderea activității coatomerului în embrionii de pește ar duce la un fenotip notochord. O explicație este că coatomerul este furnizat matern și că notochordul formator se numără printre primele țesuturi în care cererea secretorie depășește oferta maternă. Această pierdere de activitate secretorie duce la pierderea membranei bazale notochord și la un eșec al formării vacuolului. Împreună, laminina zebrafish și stratomermutanții evidențiază importanța structurii notochord pentru funcția sa.,
Laminins și coardă dorsală structura
Laminins sunt obliga heterotrimeric proteine complexe care constau din ana, β și γ lanț, și sunt parte integrantă a subsol membrane.Membrana bazală sunt structuri omniprezente cu roluri diverse, dar ele suntde obicei asociate cu un epiteliu. De obicei într-o membrană bazală,laminină trimeri polimeriza pentru a forma un meshwork, care este reticulat la un typeIV colagen meshwork de nidogens(Colognato și Yurchenco,2000; Iozzo, 1998;Timpl și Brown, 1996;Yurchenco și O ‘ rear, 1994).,În plus, asociate cu membranele subsolului sunt heparina-sulfatproteoglicani (Iozzo, 1998).Subsol membranele sunt importante pentru definirea granițelor între țesuturi, forsignalling între celule și, în unele situații, pentru a furniza o strongmechanical barieră (Timpl și Brown,1996). Acest din urmă rol este deosebit de important în kidneyglomerulus, în cazul în care membrana bazală servește ca o parte integrantă a thefiltration aparat în timp ce reziste la presiunile hidrostatică ridicată(Miner și Li, 2000). Aceasta estesimilar cu rolul pe care îl joacă membrana bazală peri-notochordală.,
etapele dezvoltării notochordului afectate de mutații. Trecerea fromdorsal organizator chordamesoderm este afectată de mutații în mai multe gene.În partea de sus a dorsală caietul de sarcini cascadă sunt ichabod andß-catenin proteine (Kelly et al.,2000). În absența lor, se pot forma tipuri ventrale de mezoderm, darnu chordamesoderm. La bozozok și cap plutitor loci eachencode homeodomain-contin proteine, care sunt necesare pentru chordamesodermspecification., În absența completă a oep, la fel ca în thematernal-zigotici (Mz) mutant, mesendoderm nu este specificat, inclusiv thechordamesoderm. La laminins (timid, morocănos și somnolență),care coatomers (hapciu, fericit și mutulică), brachyury (notail) și unul necunoscut locus, doctore, sunt toate necesare pentru propernotochord diferențiere. Vârfuri de săgeți indică (A) chordamesoderm progenitorregion de scut, (B) chordamesoderm și (C) differentiatednotochord.
aspecte structurale ale notochord., (A) o vedere laterală a unei cozi de pește livingzebrafish la 24 hpf, care prezintă principalele caracteristici ale notochord. Dorsalto notochord este placa de podea, în ventral-cea mai mare parte a formăriicordonul spinal. Ventral la notochord este hipocordul. (B) O schematicdiagram laterale și secțiuni de coardă dorsală, arătând floorplate și hypochord calitate cabluri de-a lungul partea de sus și de jos a thenotochord. (C) precum și notochord, placa de podea și hipochord expresstype ii colagen (Yan și colab.,1995). cc, canal central; fp, placă de podea; hy, hipocord; nu,notochord; nt, tub neural.,Lamininele sunt diverse, reflectând probabil rolurile lor diverse. La omexistă cinci α, patru β și trei gene care codifică laminina γ.Prin diverse combinații de α, β și γ lanțuri, ca multe as12 diferite laminină izoforme au fost identificate(Colognato și Yurchenco,2000). În zebrafish, până în prezent, cele mai multe dintre genele laminin pot fi găsite în secvența genomică, deși doar câteva au fost secvențiate ca ADNc de lungime completă.,clonarea pozițională a zebrafish timid, morocănos andleepy loci a condus la identificarea a trei lanțuri laminin;α1, β1 și γ1 (Parsons etal., 2002) (S. M. Pollard, teză de doctorat,University College London, 2002). Fenotipurile mutante ale lui morocănos și somnoros suntindistinguibil, în timp ce fenotipul timid este întotdeauna mai slab.,În timpul dezvoltării morocănos și somnoros mutant embrioni,coardă dorsală fenotip prima devine evident atunci când vacuole nu reușesc să formproperly și atunci când genele care sunt caracteristic exprimat bychordamesoderm, cum ar fi echidna arici, nu reușesc să fie stins, caei ar fi timpul normal de coardă dorsală diferențiere. Electron microscopicanalysis de peri-notochordal membranei bazale arată că este completelyabsent în acești mutanți, și anticorpi colorare arată o lipsă totală oflaminin 1 imunoreactivitate în cele mai grav afectate morocănos andsleepy mutant embrioni., În embrionii mutanți mai slabi, membrana bazală peri-notochordală lipsește numai în anteriorregiunile afectate ale notochordului. În partea posterioară a acestor embrioni, thenotochord este în mod normal diferențiat și are imunoreactivitate laminină 1. Diferențele dintre timid și morocănos sau somnoros se datorează unei redundanțe între lanțurile Laminin α. Perturbarea laminina4 exprimare în timid mutant embrioni, care lipsa laminina1, duce la grave coardă dorsală fenotip văzut în morocănos andsleepy mutanți, și o pierdere completă de laminină 1 imunoreactivitate (S. M., Pollard, teză de doctorat, University College London, 2002).
Aceste patru laminină lanțuri – α1, α4, β1 și γ1– participa la formarea de peri-notochordal basementmembrane, și chordamesoderm exprimă arnm pentru fiecare lanț. Dar thenotochord singur cont pentru laminin în membrana sa de bază? Această întrebare a fost abordată de un test de grefă al organizatorului. În aceste experimente,un tip sălbatic dorsal organizator a fost altoite în regiunea ventrală a unui mutanthost embrion, sau vice-versa, și care rezultă înfrățite embrioni au fost analysedfor morfologice coardă dorsală diferențiere., În mod surprinzător, pentru ambele țesuturi mutante Grumpy și somnoros, ambele tipuri de grefe au dus la același rezultat, un notochord normal diferențiat(Parsons et al., 2002). Efectuase o analiză de laminină imunoreactivitate a arătat că, atunci când de tip sălbatic organizator istransplanted în mutant gazde, laminină 1 proteine înconjoară transplantednotochord. Astfel, lamininele pot fi furnizate fie prin surse suplimentare notochordalesau de către notochord în sine.
membrana bazală Peri-notochordală., (O) tri-laminar structura de theperi-notochordal membranei bazale (între vârfuri de săgeți), se arată usingelectron microscopie, din teaca de un wild-tip coardă dorsală mobil. i, innerlayer; m, strat medial; o, Strat exterior. (B) această structură este perturbată în căldura unei celule notochord mutante dopey, unde lipsesc straturile exterioare și medii. Stratul interior este de natură să constea din laminină și (C)de tip sălbatic niveluri de laminină imunoreactivitate sunt clar văzute în (D)hapciu mutant embrioni, dar sunt abolite (E) sleepymutants.,există o anumită relație între diferențierea notochord și prezența membranei bazale. Acest lucru este probabil să implice semnalizarea de la membrana de bază la chordamesoderm. Starea de diferențiere poate fideterminată prin analiza expresiei genelor. De exemplu, echidnahedgehog, care este un pește zebră omolog al mamifere Indian arici, isnormally exprimată în chordamesoderm, dar atunci când coardă dorsală differentiatesand vacuole umfla, echidna arici expresie este stins(Currie și Ingham, 1996)., Cu toate acestea, mutanții echidna hedgehog sunt exprimați persistent(Parsons et al., 2002). Bycontrast, când mutant coardă dorsală se dezvoltă într-un tip sălbatic de fundal, thenotochord diferențiază în mod normal, sugerând că un semnal care are reședința în thebasement membrana este primit. O posibilitate este că lamininul în sine estesemnal. Există mulți receptori de laminină de suprafață celulară,dar perturbarea mai multor receptori nu reușește să copieze fenotipul pierderii funcției lamininei, deși alte fenotipuri sunt evidente., O altă posibilitate este că altasemnalul care locuiește în membrana de bază servește ca o diferențiere notochord. Prezența proteoglicanilor heparină-sulfat în membranele subsolului în general și, în special, în membranele subsolului notochord, ar oferi contextul corect pentru o varietate de proteine solubile ale factorului de creștere. Totuși, caracterul semnalului de diferențiere notochord rămâne de soluționat.
Aceste studii arată că formarea unei peri-notochordal subsol membraneis esențial nu numai la structura de coardă dorsală, dar, de asemenea, pentru propernotochord diferențiere., Într-adevăr, pierderea de mai multe alte gene care sunt notbasement componentele membranei, per se, dar care afectează formarea de theperi-notochordal membranei bazale, afectează, de asemenea, diferențierea de thenotochord.
Coatomers și coardă dorsală structura
Similar cu cel somnoros si morocanos laminină mutanți,hapciu, fericit și mutulică mutanți sunt, de asemenea, phenotypicallyindistinguishable (Coutinho et al.,2004)., În aceste mutanti, coardă dorsală nu reușește să se diferențieze, asmeasured atât de persistente de exprimare a devreme de gene marker, cum ar asechidna arici, și prin imposibilitatea de a forma în mod normal inflatedvacuoles. Ca și în laminină mutanți, membrana bazală nu reușește să formproperly. Spre deosebire de laminină mutanți, cu toate acestea, începând de la aproximativ 48 de hoursafter fertilizare hapciu, fericit și mutulică mutanți undergowidespread moartea celulară prin apoptoză și embrionii se dezintegreze. De positionalcloning, am identificat că hapciu, fericit și mutulică encodethe zebrafish α, β și β’ coatomer proteine(Coutinho et al.,, 2004).
Șapte coatomer subunități, în combinație cu mici GTPase Arf1, face upthe strat de COPI vezicule (Bannykh et al., 1998; Cosson și Letourneur,1997; Lowe și Kreis,1998; Nickel și Wieland, 1998). În celulele eucariote există cel puțin trei veziculesisteme de acoperire. Clathrin acoperite cu vezicule se ocupe de endocitoză și COPII-coatedvesicles mediază transportul de secretorie de marfă din endoplasmicreticulum să Golgi., COPI acoperite cu vezicule sunt considerate a fi largelyresponsible pentru retrograd transport de enzime în Golgi thatmaintain polaritatea sa, și pentru mașinile care transportă proteinele din theGolgi înapoi la reticulului endoplasmatic dur (RER).
Electron analiza microscopică a arătat două caracteristici importante ale notochordcells în zebrafish coatomer mutanți(Coutinho et al., 2004).În primul rând, calea secretorie este blocată, rezultând acumulări masive de materiale în cadrul RER, iar întreruperea aparatului Golgi este evidentă.,În al doilea rând, membrana bazală peri-notochordală nu se formează. În mod normal, membrana bazală peri-notochordală are o structură trilaminară(Fig. 5). Stratul cel mai apropiat de membrana plasmatică este un singur material colorat, întunecat, cu aparentcrosslinks la membrana plasmatică subiacentă. Distal la acest strat este un mediallayer de fibrele orientate într-o direcție în jurul coardă dorsală mobil, anddistal la acest lucru este un strat exterior din fibre orientate într-o orthogonaldirection. În mutanții coatomer, cele două straturi exterioare nu sunt prezente, darun strat interior distinct este adesea observat., Colorarea cu Laminin 1 antibodysugerează că stratul interior cuprinde în mare parte laminina. Folosind dorsalorganiser grefe de țesuturi mutante într-tip sălbatic embrioni, și vice-versa, theembryonic origine exterior două straturi de această membrană bazală wasinvestigated. Deși similare altoire experimente cu laminină mutantsshowed care laminină ar putea fi furnizate fie de coardă dorsală sine sau byextra-notochordal surse, grefe de coatomer mutant țesut arată că ambele theRER și membranei bazale fenotip sunt autonome la coardă dorsală., Astfel,întrucât laminină-bogat strat interior pot fi furnizate de către țesuturile înconjurătoare,straturile exterioare ale peri-notochordal membranei bazale sunt susceptibile de a besecreted de coardă dorsală celule.notochordul are două caracteristici, o membrană de bază groasă și un vacuol,ambele plasând o cerere neobișnuită pe calea secretorie. Proteinele Coatomer sunt esențiale pentru toate celulele, iar mRNAs-urile proteice și coatomer sunt furnizatematernal. Timpul de tip sălbatic de dezvoltare, mRNAs codare coatomer proteine areexpressed în chordamesoderm la un nivel ridicat., Într-adevăr, atunci când a observat în situhybridisation, coatomer arnm expresie pare a fi chordamesoderm-specificand are un similare temporale și spațiale modelul de expresie a genelor astfel asflh. Nivel înalt de coatomer exprimare în developingchordamesoderm este probabil să fie zigotici, și, astfel, oferă o explicație căt de mutații într-o celulă-genă esențială ar putea duce la anumite earlydevelopmental defecte.