This article needs additional citations for verification. (December 2009) |
Аорта -гонад-мезонефрос ( АГМ ) [1] [2] [3] [4] [5] — это область эмбриональной мезодермы , которая развивается во время эмбрионального развития из парааортальной спланхноплевры у куриных, [6] мышиных [4] [5] и человеческих [7] эмбрионов. Самые первые взрослые дефинитивные гемопоэтические стволовые клетки , способные к долгосрочному многолинейному репопуляции взрослых облученных реципиентов, происходят из вентральной эндотелиальной стенки эмбриональной дорсальной аорты [8] [ 9] через процесс эндотелиальной трансдифференцировки, называемый «эндотелиально-гематопоэтическим переходом» (ЭГП). [10] [11] [12] [13] [14] В эмбрионе мыши эти самые первые HSC характеризуются экспрессией Ly6A-GFP [8] [15] (Sca1), CD31 , [16] [15] CD34 , [17] cKit , [16] [17] CD27 , [16] CD41 , [18] Gata2 , [16] [19] [13] Runx1 , [20] [21] Notch1 , [22] и BMP [23] среди прочих.
Регион аорта-гонад-мезонефрос (АГМ) — это область, полученная из мезодермы спланхноплевры, выявленная у эмбрионов людей, мышей и позвоночных, не относящихся к млекопитающим, таких как птицы и данио-рерио . Он содержит дорсальную аорту, генитальные гребни и мезонефрос и лежит между хордой и соматической мезодермой, простираясь от пупка до передней конечности зачатка эмбриона. [24] Регион АГМ играет важную роль в эмбриональном развитии, являясь первым автономным внутриэмбриональным местом для окончательного кроветворения . [3] [2] [5] [25] [26] Окончательный кроветворение производит кроветворные стволовые клетки , которые обладают способностью «самообновляться» при последовательной трансплантации облученным реципиентам и дифференцируются в любую из линий клеток крови взрослой кроветворной иерархии. [5] [25] Специализированные эндотелиальные клетки в нижней части дорсальной аорты (в области АГМ), идентифицированные как гемогенный эндотелий , дифференцируются в гемопоэтические стволовые клетки.
Область AGM происходит из слоя мезодермы эмбриона. Во время органогенеза (примерно на четвертой неделе у эмбрионов человека) висцеральная область мезодермы, спланхноплевра, трансформируется в отдельные структуры, состоящие из дорсальной аорты, генитальных гребней и мезонефроса. [27] В течение определенного периода эмбрионального развития дорсальная аорта производит гемопоэтические стволовые клетки, которые в конечном итоге колонизируют печень и дают начало всем зрелым линиям крови у взрослого человека. [28] К моменту рождения дорсальная аорта становится нисходящей аортой, в то время как генитальные гребни образуют гонады. [28] Мезонефрос продолжает формировать нефроны и другие связанные с ними структуры почек.
Формирование области AGM лучше всего описано у позвоночных, не относящихся к млекопитающим, таких как Xenopus laevis. Вскоре после гаструляции клетки из дорсолатеральной пластинки, аналогичной мезодерме спланхноплевры у млекопитающих, мигрируют к средней линии, под хорду , чтобы сформировать дорсальную аорту, а латерально — кардинальные вены и нефрические протоки. [29]
Наиболее значимой функцией области аорта-гонадного мезонефроса является ее роль в дефинитивном кроветворении. Дефинитивный кроветворение является второй волной эмбрионального кроветворения и дает начало всем гемопоэтическим стволовым клеткам во взрослой гемопоэтической системе. Было показано, что область аорта-гонадного мезонефроса содержит мультипотентные гемопоэтические колониеобразующие единицы-селезенки ( CFU -S) клетки-предшественники [1] и плюрипотентные долгосрочно репопулирующие гемопоэтические стволовые клетки (LTR- HSCs ). [2] [3] В отличие от желточного мешка , внеэмбрионального гемопоэтического участка, количество CFU-S было намного больше в области аорта-гонадного мезонефроса. Активность LTR-HSC также была обнаружена в области аорты гонады мезонефроса немного раньше, чем в желточном мешке и печени плода. Это указывает на потенциал окончательного гемопоэза из этой области. Кроме того, изолированные органные культуры AGM из эмбрионов мышей могут автономно инициировать активность гемопоэтических стволовых клеток, без влияния желточного мешка или печени. [3] На 10-й день после коитуса (dpc) область аорты и гонады мезонефроса смогла инициировать и расширить окончательную активность гемопоэтических стволовых клеток, тогда как в желточном мешке гемопоэтическая активность не наблюдалась до 11 dpc. То же самое происходит и с эмбрионами человека, где они впервые обнаруживаются на 27-й день в области аорты и гонады мезонефроса, быстро расширяются на 35-й день, а затем исчезают на 40-й день. Это «исчезновение» коррелирует с миграцией этих гемопоэтических стволовых клеток в печень плода, где она становится последующим местом гемопоэза.
Спинная аорта состоит из эндотелиального слоя и нижележащего стромального слоя. Существует также другая популяция клеток, называемая гематогенным эндотелием, которая происходит из эндотелиального слоя для производства гемопоэтических стволовых клеток.
Эндотелиальные клетки выстилают просвет всех кровеносных сосудов как один плоский эндотелиальный слой. Эти клетки поддерживают контакт друг с другом посредством плотных соединений. В AGM эндотелиальные клетки выстилают просвет дорсальной аорты. Специализированная подгруппа эндотелиальных клеток, гемогенный эндотелий, имеет потенциал дифференцироваться в гемопоэтические стволовые клетки.
Гемопоэтические стволовые клетки ( ГСК ) были обнаружены прочно прикрепленными к вентральному эндотелию дорсальной аорты. Было установлено, что эти клетки происходят из гематогенного эндотелия, предшественника как гемопоэтических, так и эндотелиальных линий. Именно здесь ГСК дифференцируются от эндотелиальной выстилки дорсальной аорты. VE-кадгерин, специфический маркер эндотелиальных клеток, находится на люминальной стороне эндотелия аорты. Клетки, сгруппированные на стенке дорсальной аорты, также экспрессировали VE-кадгерин, а также CD34 , общий гемопоэтический и эндотелиальный маркер; и CD45 , маркер, присутствующий на гемопоэтических клетках. Когда эти особые эндотелиальные клетки культивировались in vitro , они были способны генерировать гемопоэтические стволовые клетки с более высокой скоростью, чем клетки гемопоэтического происхождения. Таким образом, совместная экспрессия маркеров клеточной поверхности обеих линий свидетельствует о том, что гемопоэтические стволовые клетки дифференцируются из эндотелиальных клеток дорсальной аорты в АГМ.
Покадровая съемка живых эмбрионов данио-рерио позволила визуализировать дифференциацию гематогенного эндотелия в гемопоэтические стволовые клетки. Примерно через 30 часов после оплодотворения, за несколько часов до первого появления dHSC, многие эндотелиальные клетки из дна аорты начинают сокращаться и изгибаться в сторону субаортального пространства, что обычно длится 1–2 часа. Затем эти клетки подвергаются дальнейшему сокращению вдоль медиолатеральной оси, объединяя двух своих боковых эндотелиальных соседей и разрывая с ними контакт. Появившаяся клетка приобретает округлую морфологию и поддерживает прочные контакты с ростральными и каудальными эндотелиальными клетками для перемещения вдоль оси сосуда. Снимки с электронного микроскопа показывают, что эти клетки поддерживают контакты посредством плотных соединений. После того, как эти контакты растворяются, клетка из-за своей апикально-базовой полярности перемещается в субаортальное пространство и, следовательно, колонизирует другие кроветворные органы.
Считается, что в производстве ГСК AGM ключевую роль играют гемогенные эндотелиальные клетки. Гемогенные эндотелиальные клетки — это специфические эндотелиальные клетки, которые одновременно экспрессируют как гемопоэтические, так и эндотелиальные маркеры. Затем эти гемогенные эндотелиальные клетки активируются , освобождая связь с соседними эндотелиальными клетками и входя в кровоток в процессе, называемом «почкованием». Это происходит на E9.5 у развивающегося эмбриона мыши. Отсюда гемогенные эндотелиальные клетки развиваются в ГСК. Однако точный сигнальный путь, участвующий в активации гемогенных эндотелиальных клеток, неизвестен, но было установлено несколько сигнальных молекул, включая оксид азота (NO), Notch 1 и Runx1.
Сигнальные пути, участвующие в активации гемогенных эндотелиальных клеток АГМ, включают:
RUNX1 (также известный как AML1) — это фактор транскрипции, который в значительной степени участвует в производстве и активации гемогенных эндотелиальных клеток в AGM. Исследования нокаута RUNX1 показали полное удаление окончательной гемопоэтической активности во всех тканях плода до летальности эмбриона на E12. Нокауты RUNX1 также вызывают морфологические изменения в AGM с чрезмерным скоплением мезенхимальных клеток. Поскольку мезенхимальные клетки дифференцируются в эндотелиальные клетки, отсутствие RUNX1 может повлиять на способность мезенхимальных клеток дифференцироваться в гемогенные эндотелиальные клетки. Это могло бы объяснить увеличение числа мезенхимальных клеток и явное отсутствие клеток, положительных по другим гемопоэтическим маркерам. Runx1 также был вовлечен в активацию гемогенного эндотелия. Используя условные нокауты, было показано, что удаление экспрессии Runx1 в гемогенных эндотелиальных клетках AGM предотвратило производство HSC. Те же эксперименты также показали, что после того, как были произведены HSC, Runx1 больше не требовался, не вызывая никаких отклонений в активности HSC по сравнению с контрольными клетками. Кроме того, когда клетки AGM из нокаутов Runx1 подвергались ретровирусному переносу in vitro для сверхэкспрессии Runx1, их можно было спасти и произвести окончательные гемопоэтические клетки. Это говорит о том, что Runx1 играет решающую роль в сигнальном пути активации гемогенных клеток и его производстве из мезенхимальных клеток.
Также было показано, что сигнализация оксида азота играет роль в производстве и активации гемогенных эндотелиальных клеток, возможно, путем регулирования экспрессии Runx1. Чистый стресс от кровотока активирует механорецепторы в кровеносном сосуде для производства NO, делая производство NO зависимым от циркуляции. Это наблюдается у нокаутов Ncx1 , где отсутствие развития сердцебиения и последующее отсутствие циркуляции приводит к снижению регуляции Runx1 и отсутствию гемопоэтической активности в AGM. Когда нокауты Ncx1 снабжаются внешним источником NO, гемопоэтическая активность в AGM возвращается к уровням, близким к дикому типу. Это изолирует сигнализацию NO как ключевой фактор, контролирующий гемопоэз, а не только наличие циркуляции. Однако каскад сигнализации, связывающий NO с экспрессией Runx1, еще предстоит выяснить. Также было показано, что сигнализация NO контролирует подвижность эндотелиальных клеток, регулируя экспрессию молекул клеточной адгезии ICAM-1 . Это делает вероятным, что он участвует в почковании гемогенных эндотелиальных клеток в кровообращении. Поскольку Runx1 также имеет решающее значение для активации гемогенных эндотелиальных клеток, возможно, что NO регулирует оба этих эффекта ниже по течению.
Notch1 — еще один белок, который был вовлечен в сигнальный путь для производства HSC. Нокауты Notch1 демонстрируют нормальный гемопоэз в желточном мешке, но не производят HSC в AGM. Эксперименты показали, что сниженная экспрессия Notch1 также влияет на экспрессию Runx1, что приводит к его подавлению. Дальнейшие эксперименты, в которых Notch1 сверхэкспрессируется, показывают большие кластеры дефинитивных гемопоэтических клеток, развивающихся в эндотелии AGM. Поскольку экспрессия Runx1 пропорциональна производству гемопоэтических клеток, эти результаты предполагают, что Notch1 также участвует в регуляции Runx1.