Antero-posterieure patroonvorming door signalisatie factoren in een muis model van de gastrulatie. (FWOKN217)

Inleiding Een van de eerste patroonvormings- en differentiatiegebeurtenissen tijdens de zoogdierenembryogenese is de vorming van de antero-posterieure as in de gastrula. Tijdens deze fase transformeert het radiaal symmetrisch embryo, bestaande uit twee kiemlagen, zich in een bilaterale triploblastisch embryo met duidelijk zichtbare toekomstige hoofd- en staartdomeinen (Tam et al., 2006). De vorming van de toekomstige antero-posterieure as wordt geïnitieerd door de migratie van het distale viscerale endoderm naar één zijde van het embryo en wordt zo het anterieure viscerale endoderm (aVE) en bepaalt de positie van het hoofd. Tegelijkertijd wordt de mesodermvorming geïnitieerd aan de tegenovergestelde pool van het embryo door delaminatie van de epiblastcellen in de primitieve streep (PS). Tijdens de extensie van de primitieve streep wordt het mesoderm gepatroneerd langsheen de antero-posterieure as met de meest anterieure regio voorbestemd tot de vorming van het mesendoderm (bvb. anterieure mesoderm en definitieve endoderm). Het werd aangetoond dat de anterieure primitieve streep het van de Spemann organiser vormt omdat het organiserende eigenschappen vertoont zoals de mogelijkheid om het nieuw gevormde mesoderm te patroneren langs de A-P as (Beddington, 1994). Genetische analyse toonde aan dat drie signaliserende pathways gecentreerd rond de familie van Wnt factoren, van de BMP4 factor en de afgescheiden Nodal factor cruciaal zijn voor de vorming en patroonvorming van de antero-posterieure as. Inactivatie van beta-catenine, de nucleaire effector van de canonische Wnt pathway, leidt naar een volledig gebrek van antero-posterieure patroonvorming zoals onthuld door het gebrek aan een primitieve streep en dus de afwezigheid van mesoderm en door de inhibitie van de anterieure migratie van het distale viscerale endoderm (Huelsken et al., 2000). Dit en andere experimenten (o.a. door onze laboratorium - zie Kemp et al, 2005 en 2007) duidt aan dat een gepolariseerde Wnt signalisatie cruciaal is in de initiële afbraak van de radiale symmetrie van het pregastrula embryo. BMP4 mutatie zoals mutaties in the BMP4 signalisatie pathway toont aan dat BMP4 signaal noodzakelijk is voor antero-posterieure patroonvorming tijdens de gastrulatie en in het bijzonder voor posterieur mesoderm vorming (Winnier et al., 1995). Vóór de gastrulatie is Nodal uitgedrukt in de hele epiblast van het embryo, maar wanneer de gastrulatie begint wordt de expressie beperkt tot de anterieure primitieve streep (aPS). Embryo's die gemuteerd zijn voor het Nodal gen vormen geen aVE, noch een primitieve streep mits gedetailleerde analyses aantoonden dat het vereist is voor de inductie van het mesoderm (Colon et al., 1994; Lowe et al., 2001; Whitman 2001). Studies van de Nodal pathway in kikker- en visgastrulatie toonden tevens aan dat Nodal uitgedrukt wordt in de Spemann organiser, waar het ageert als een morfogen dat verantwoordelijk is voor de antero-posterieure patroonvorming van het mesoderm op een concentratieafhankelijke manier (Okabayashi & Asashima, 2003; Smith et al., 1990). Omdat in de muisgastrula, zoals in andere gewervelde, Nodal ook tot expressie komt in de aPS werd er gepostuleerd dat Nodal ageert als een morfogen tijdens de patroonvorming van muismesoderm. Het vroege fenotype, vertoond door gemuteerde embryo's in de Nodal pathway, belemmert echter de studie van de morfogenetische rol van Nodal tijdens de gastrulatie. Embryonische stamcellen (ES) hebben het potentieel om te differentiëren in alle celtypes van het volwassen lichaam en kunnen regeneratie van beschadigd weefsel bevorderen. Er werd getracht om de moleculaire mechanismen te begrijpen die vereist zijn voor de vorming van de verschillende kiemlagen en weefsels vanuit ES en deze mechanismen blijken zeer gelijkaardig te zijn in het muisembryo. We analyseerden dus de rol van Activin A/Nodal, BMP en Wnt signalisatie in de patroonvorming van ES-afgeleid mesoderm door gebruik te maken van een tweeledig ES differentiatie systeem dat een functieverlies met een functiewinst combineert. We vonden dat Wnt signalisatie noodzakelijk was voor de vorming van het mesoderm terwijl Bmp4 posterieur en extra-embryonisch mesoderm induceert ten koste van de anterieure primitieve streepcellen. Hierbij toonden we aan dat, door gebruik te maken van verscheidene concentraties van het Activin A of Nodal groeifactoren alsook verschillende concentraties van een chemische inhibitor van de Nodal signalisatie pathway, de Nodal pathway een concentratie afhankelijk effect had die het nascent mesoderm naar het axiale mesoderm en mesendoderm leidt (zie ook onze resultaten in Wawrzak et al, 2007 en Willems en Leyns, 2008). DOEL EN HYPOTHESE Gebaseerd op onze gepubliceerde resultaten en onze vergaarde kennis door studies in andere organismen stellen we voor dat Nodal een bonafide morfogen is in de muisgastrula dat ontstaat in de anterieure primitieve streep en ageert als een gradiënt om verschillende soorten mesoderm te induceren langsheen de anteroposterieure as. We stellen ook voor dat de antero-posterieure patroonvorming van het embryo vastgesteld is door de gecoördineerde actie van Bmp4 en Nodal met een rol van FGF signalen in de epithelial-mesenchymal transitie. Dit model is gebaseerd op onze gepubliceerde resultaten met ES en de stappen die zullen onderzocht worden zijn aangeduid in figuur 1 (stappen 5-8). Ons eerste doel is nieuwe genen identificeren die betrokken zijn in deze A/P patroonvorming en in de inductie van de verschillende celtypes tijdens gastrulatie. Ten tweede, zullen we de rol van deze genen functioneel bestuderen door het gebruik van cDNA overuitdrukking of siRNA aanpakken om ze te op- en onderreguleren tijdens de ES differentiatie.

Trefwoorden:embryonic stem cell, mesoderm, Biology

Disciplines:Biologische wetenschappen