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Nucl Recept Signal(零接收信号)。2009; 7:e002。
2009年4月3日在线发布。 数字对象标识:10.1621/编号07002
PMCID公司:PMC2670431型
PMID:19381305

视黄酸受体在胚胎发育中的作用

摘要

类维生素A是维生素A的活性代谢物,调节脊椎动物形态发生、生长、细胞分化和体内平衡的复杂基因网络。进行的研究体外使用脱细胞系统或转染细胞表明,维甲酸作用是通过RAR和RXR核受体之间的异二聚体介导的。然而,体外研究表明什么是可能的,但不一定是实际发生的体内,因为它们是在非生理条件下进行的。因此,动物的遗传学方法已被用于确定类视黄醇受体的生理功能。胚胎干细胞中的同源重组已被用于在小鼠中产生RAR-和RXR编码基因的种系无效突变。如本文所述,这种种系突变的产生,结合阻断RA信号通路的药理学方法,提供了遗传证据,证明RAR/RXR异二聚体确实是在产前发育期间传递RA信号的功能单位。然而,由于(i)通过多重RAR和RXR转导的“激素”信号的复杂性,(ii)属于特定家族的受体同型内的功能冗余(可能是人为产生的突变),以及(iii)子宫内或某些种系无效突变的早期出生后致死性,这些遗传研究未能揭示RAR和RXR的所有生理功能,尤其是在成人中。要求在特定细胞类型/组织中以及在出生后的特定时间产生的时空控制体细胞突变,以揭示RAR和RXR在小鼠一生中的所有功能。

介绍

临床发现和实验方法都表明,维生素A(视黄醇)及其活性衍生物(即视黄醇类化合物)对脊椎动物胚胎体的形成和器官发生、组织内稳态、细胞增殖、分化和凋亡具有多种影响(综述于[布隆霍夫,1994年;Kastner等人,1995年;Mark等人,2006年;莫里斯·凯和沃德,1999年;斯波恩等人,1994年]). Hale初步证明维生素A缺乏(VAD)会导致先天性眼部畸形[黑尔,1933年],Warkany和他的合作者表明,维生素a缺乏(VAD)大鼠的胎儿中发生了大量影响眼、心脏、呼吸和泌尿生殖系统的先天性畸形(统称为胎儿VAD综合征)(综述于[Wilson等人,1953年]). 后来的研究表明,维甲酸(RA)可以在胚胎发育过程中,至少在某些阶段和某些器官中取代维生素A[Dickman等人,1997年;怀特等人,1998年].

RA如何发挥这种多效性作用是一个长期存在的问题,随着发现两类RA结合转录调节因子,即维甲酸受体(RARα、β和γ等型的多种亚型)和维甲酸X受体(RXRα、γ和β等型的多种亚型),这个问题得到了解决(在中审查[Chambon,1996年;Leid等人,1992年].

本综述主要关注三个问题:(i)RA信号转导中涉及的RAR和RXR是什么体内? (ii)在何种程度上进行了观察体内支持从中推导出的分子机制体外研究?(iii)RAR和RXR控制的发展事件是什么?在这篇综述中,我们总结并讨论了由编码RARs和RXRs基因座的突变所诱导的发育表型,并将其与VAD或脊椎动物服用拮抗性RARs配体的药理剂量所导致的表型进行了比较,强调在哺乳动物身上取得的结果。

RARs和RXRs在胚胎发育过程中有助于维甲酸信号传导

通过RAR的信号传递对于胚胎模式化和器官发生是必不可少的

拉拉,Rarb公司、和拉格无效突变小鼠是可行的。它们显示了胎儿(和出生后)VAD综合征的某些方面,以及一些额外的先天性畸形(表1). 然而,它们的异常仅限于正常表达这些受体的组织子集,这可能反映了RAR之间存在功能冗余(在[Kastner等人,1995年;Kastner等人,1997年a;Mark和Chambon,2003年;Mark等人,1995年;Mascrez等人,1998年]). 为了验证这一假设,缺失两个RAR同型的突变体(拉拉/b-,拉拉/克-和Rarb/g(雷布/克)-null突变体),或产生属于不同同型的几个亚型。为了清楚起见,只有缺乏RAR等型(所有亚型均被删除)的双零突变体显示的异常才列在表2表3类似的异常,尽管渗透性通常较少,由“异构体特异性”双空突变体显示,如[Kastner等人,1995年](缺乏RARα1/RARβ2/4、RARα1/RARγ、RARβ1α2的突变体+/-/RARγ和RARβ2/4/RARγ)[Subbarayan等人,1997年](缺乏RARα/RARγ1和RARα/RARγ2的突变体)[Luo等人,1996年](缺乏RARα1/RARβ的突变体),in[Ghyselinck等人,1998年](缺乏RARα/RARβ1/3和RARβ1/3/RARγ的突变体),以及[Grondona等人,1996年](缺乏RARβ2/RARγ2的突变体)。

表1

生殖道消融的产后表现Rar公司Rxr公司基因。

CD:先天性缺陷,PnVAD:出生后维生素A缺乏症的异常(Wolbach和Howe,1925);胎儿VAD:妊娠期间维生素A缺乏症出现异常(Wilson等人,1953年)。#:这些异常完全是渗透性的。拉拉1,拉拉2,约1/3,拉布2/4,拉格1拉格2指异形特异性消融。

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表2

胎儿维生素A缺乏(VAD)综合征的异常(Wilson等人,1953年)Rarb公司-空突变体(Aβ),Rxra公司-无效突变体和化合物拉拉/b-,拉拉/克-和Rarb/g(雷布/克)-null突变体。

(分别为Aα/Aβ、Aα/Aγ和Aβ/Aγ).#,这种异常完全是渗透性的。NA,不适用,因为E14.5中通常没有找到相应的结构Rxra公司-零变种死亡。参考文献(Ghyselinck等人,1997;Lohnes等人,1994;Kastner等人,1994)。请注意,在拉拉/b-零突变发生在Rara/b2-突变体(Mendelsohn等人,1994年)。

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表3

胎儿维生素A缺乏症(VAD)综合征缺失的异常出现于拉拉-,Rarb公司-和拉格-空突变体(Aα、Aβ、Aγ)和化合物拉拉/b-,拉拉/克-和Rarb/g(雷布/克)-零突变(Aα/Aβ、Aα/Aγ和Aβ/Aγ)。

#:此异常完全是渗透性的。参考文献(Ghyselinck等人,1997;Lohnes等人,1994;Kastner等人,1994)。请注意拉拉/b-零突变发生在Rara/b2-突变体(Mendelsohn等人,1994年)。

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拉拉/b-,拉拉/克-和Rarb/g(雷布/克)-零变种死亡子宫内或在出生时,因为严重的发育缺陷,包括55年前Warkany小组报告的属于胎儿VAD诱导综合征的全部畸形[Wilson等人,1953年] (表2). 与相同Rar公司-单空突变体(参见表1),Rar公司-双零突变体(表3)也表现出Hale和Warkany的开创性胎儿VAD研究中没有描述的先天性异常[黑尔,1933年;Wilson等人,1953年]包括哈德氏腺、颅骨、面部、脊椎、四肢和前脑的骨骼缺陷[Ghyselink等人,1997年;Lohnes等人,1993年;Lohnes等人,1994年;Luo等人,1996年;Mendelsohn等人,1994年;Subbarayan等人,1997年]. 这些“非VAD”缺陷的发生Rar公司-单基因和双基因突变小鼠很可能是因为难以通过饮食剥夺达到与妊娠相适应的严重VAD状态。事实上,几乎所有这些“非VAD”缺陷都是在啮齿动物胚胎(i)缺乏维生素A,但补充RA后产生的[Dickman等人,1997年;怀特等人,2000年;怀特等人,1998年]; (ii)RBP(视黄醇结合蛋白)和维生素A缺乏[Quadro等人,2005年]; (iii)缺乏视黄醇合成酶RDH10(视黄醇脱氢酶10)[Sandell等人,2007年]; (iv)缺乏RA合成酶RALDH2(视黄醛脱氢酶2)[Halilagic等人,2007年;Molotkova等人,2007年;Niederreither等人,2002a;Niederreither等人,1999年;Niederreither等人,2001年;Niederreither等人,2000年;Niederreither等人,2002b;Ribes等人,2006年]或RALDH3[Dupe等人,2003年;Halilagic等人,2007年]或(v)用具有panRAR拮抗活性的合成类视黄醇治疗[Kochhar等人,1998年;Wendling等人,2000年;Wendling等人,2001年]. 此外,最近发现Matthew-Wood综合征(包括一系列先天性异常)也在拉拉/b,拉拉/克Rarb/g(雷布/克)-无效突变体是由RBP受体基因STRA6的突变引起的[Golzio等人,2007年;Pasutto等人,2007年]. 作为STRA6系列功能丧失突变很可能导致胚胎组织RA功能不全[川口等人,2007年]这一发现提供了证据,证明RAR信号在小鼠和人类胚胎发育期间具有类似的功能。

比较Rar公司-啮齿动物和人类在RA信号转导中携带上述区块的无突变表型表明,配体RAR在许多器官发育的许多不同阶段发挥着关键作用([Kastner等人,1995年]以及其中的参考)。例如,在拉拉/克-无胚胎[Wendling等人,2001年]与Aldh1a2型(原名Raldh2)-无效胚胎[Niederreither等人,1999年],反映了RAR信号在轴向旋转、后脑分割和闭合、耳囊、咽弓和前肢芽的形成以及原始肠道闭合中的早期作用。RAR对于(几乎)所有来源于中胚层细胞的解剖结构的个体发生也是不可或缺的,即产生间充质衍生物的颅神经嵴细胞(NCC)[Kastner等人,1995年;Mark等人,1998年;Mark等人,1995年]). RAR参与体节中胚层和后脑神经外胚层的前后模式[Dupe等人,1999b;Ghyselink等人,1997年;Lohnes等人,1993年;Lohnes等人,1994年;Wendling等人,2001年]尤其是通过控制同源盒基因的表达[Allan等人,2001年;Dupe等人,1997年;Dupe等人,1999b;Houle等人,2000年;Oosterveen等人,2003年;Serpente等人,2005年]. RAR还参与四肢前后轴的建立[Dupe等人,1999a;Lohnes等人,1994年;Mascrez等人,1998年]. 开发大量眼部结构需要RAR(表2表3)以及视网膜的组织发生[Ghyselink等人,1997年;Grondona等人,1996年;Lohnes等人,1994年],心肌细胞分化[Kastner等人,1994年;Kastner等人,1997年b]以及控制视网膜的生理凋亡[Grondona等人,1996年]额鼻和指间间质[Crocoll等人,2002年;Dupe等人,1999a;Ghyselink等人,1997年;Lohnes等人,1994年],胚胎心脏的锥管段[Ghyselinck等人,1998年]和胚胎肾管[Batourina等人,2005年]. 在胚胎泌尿生殖道,RARs通过受体酪氨酸激酶Ret的表达控制肾脏上皮-间充质的相互作用[Batourina等人,2002年;Batourina等人,2001年;Mendelsohn等人,1999年]以及生殖器导管和输尿管的形成[Batourina等人,2001年;Batourina等人,2005年;Ghyselink等人,1997年;Mendelsohn等人,1994年]. 在发育中的呼吸道中,RA-标记的RAR对于鼻腔的形态发生以及与更多尾侧气道的沟通是必要的[Dupe等人,2003年;Ghyselink等人,1997年] (表2表3). RA-相关的RAR也需要用于将原始前肠分割成食道和气管,并调节肺分支的形态发生[Chen等人,2007年;Desai等人,2006年;Malpel等人,2000年;Mollard等人,2000年;Wang等人,2006年]以及肺泡间隔[马萨罗和马萨罗,2003年;马萨罗等人,2003年;马萨罗等人,2000年;McGowan等人,2000年] (表1,表2、和表3).

总之Rar公司-无效突变小鼠通过饮食中维生素A缺乏或遗传上受影响的RA合成,忠实地再现了那些缺乏RAR配体的啮齿动物。然而,这一规则有两个显著的例外,它们与通过RA信号控制(i)体节模式的对称性和(ii)胚胎卵巢中的生殖细胞分化有关。关于体节发生,在一些脊椎动物物种中,RA有助于产生双侧对称的体节对,这一点已经得到了牢固的证实[埃切维里和奥茨,2007年;Kawakami等人,2005年;Sirbu和Duester,2006年;Vermot and Pourquie,2005年]. 最近还证明RA的信号传导是表达Stra8系列(由维甲酸8刺激),进而触发胚胎卵巢的减数分裂[Baltus等人,2006年;Bowles等人,2006年;Koubova等人,2006年]. 然而,体节衍生物(如脊椎和肌肉)或卵巢组织学的对称性缺陷在拉拉/b-,拉拉/克-和Rarb/g(雷布/克)-使突变小鼠无效。如上所述,缺乏RA的动物模型和缺乏RAR的动物模型之间明显缺乏表型趋同,这可能是由于剩余的RAR对敲除小鼠中缺失的RAR功能进行了人工补偿。

RAR对中胚层衍生物的系统发育起到了重要作用

除了显著的颅面骨骼缺陷影响拉拉/克-空突变体[Lohnes等人,1994年],通常会改变单个骨骼块形状的细微缺陷在几个Rar公司-null小鼠,包括:砧骨中耳骨和泽泻骨(翼喹组)之间的软骨或骨连接,三叉神经节与大脑之间的软骨(毛发),以及吻侧乙脑和上颌窦发育不全(表3) [Ghyselink等人,1997年;Lohnes等人,1994年;Mark等人,1998年]. 翼方体元素和内突毛在从爬行动物到哺乳动物的进化过程中消失,代表了返祖特征(在[Mark等人,1998年;Mark等人,1995年]). 沿着同样的路线,乙脑骨骼和副鼻窦(如上颌窦)是爬行动物没有的典型哺乳动物特征[诺瓦切克,1993年]. 因此可以想象这些鼻结构的发育不全Rar公司-空突变体也模仿返祖状态。返祖特征的存在Rar公司-空突变体支持以下可能性:Rar公司在脊椎动物进化过程中,基因为改变单个颅骨骨骼元素的数量和形状提供了一种通用机制。有趣的是,最近过度使用RA的致畸实验也得出了类似的结论[Vieux-Rochas等人,2007年].

持续增生的玻璃体(PHPV)Rarb公司-空突变体可与眼睑相媲美,眼睑是一些爬行动物视神经盘上的一种正常血管和色素投射物,被认为在视网膜的营养中起作用[曼恩,1937年]. 观察到的腹侧视网膜缩短Rarb/g(雷布/克)-无效突变体也可能被解释为对祖先条件的修改,因为视网膜的比较胚胎学表明,当一个人从鱼类到两栖类、爬行动物和哺乳动物的脊椎动物等级上升时,腹面视网膜场的大小会增加[曼恩,1937年]. 因此,RARβ和RARγ可能在脊椎动物进化过程中有助于扩大腹侧视网膜视野。

RXRα是参与胚胎发生的主要RXR同型

Rxra公司-零突变均显示心室肌致密层发育不全(表2)这似乎是E14.5左右心衰导致突变死亡的主要原因[Kastner等人,1994年;Kastner等人,1997年b;Ruiz-Lozano等人,1998年;Sucov等人,1994年]. VAD和Rar公司-空胎[Mendelsohn等人,1994年;Wilson等人,1953年]表明RXRα参与了心肌生长所需RA信号的转导。这一要求不太可能是细胞自主的,因为通过转基因在心肌细胞中过度表达RXRα并不能阻止Rxra公司-零突变引起的心室心肌发育不全[Subbarayan等人,2000年]. 其他数据进一步表明Rxra公司心外膜的表达是触发心肌生长所必需的旁分泌信号所必需的[Chen等人,2002年;Kang和Sucov,2005年;Merki等人,2005年].

大约三分之一的Rxra公司-空突变体缺乏锥管隔,锥管隔通常将胚胎心脏流出道(或锥管)分为主动脉和肺干的心内部分[Kastner等人,1994年]. 有趣的是,这个隔膜的缺陷既代表了啮齿动物典型的VAD缺陷,也代表了人类先天性心脏缺陷的主要原因,包括高室间隔缺损和右心室双出口(DORV)。Rxra公司-无突变,锥管隔发育不全似乎是继发于锥管嵴间充质细胞和顶叶锥管心肌细胞的细胞死亡率增加,因此,表明RXRα是控制胚胎心脏锥管段细胞凋亡的RA信号转导所必需的[Ghyselinck等人,1998年].

除了心脏缺陷Rxra公司-空胎表现出一种典型的眼部综合征,其特征是PHPV、眼睑皱褶较近、角膜基质腹侧部分增厚、晶状体腹侧旋转、巩膜发育不全和腹侧视网膜缩短(表2) [Kastner等人,1994年]. 由于VAD胎儿和Rarb/g(雷布/克)-空突变体(表2) [Ghyselink等人,1997年;Wilson等人,1953年],RXRα似乎在一些眼部形态发生过程所需RA信号的转导中起着重要作用,尤其是在视网膜腹侧场的形成中。

重要的是,小鼠缺乏RXRβ和RXRγ(卢比/克-零突变体)不显示任何明显的形态发生缺陷,即使另外缺乏Rxra公司,明确表明RXRα在胚胎本体形态发生过程中是功能上最重要的RXR[Krezel等人,1996年].

RXRα的含AF-1的A/B结构域和配体依赖的AF-2在发育过程中有不同的参与

根据体外研究一直是一个有争议的问题。确定RXRα的转录作用体内,小鼠突变体被改造为表达截短的RXRα蛋白,该蛋白缺乏(i)含有N-末端活化功能(AF)-1-的A/B区(Rxra公司af1o公司突变体)[Mascrez等人,2001年],(ii)位于E区C末端的AF-2激活域(AD)核心包含螺旋12(Rxra公司二氧化亚铁突变体)[Mascrez等人,1998年]和(iii)AF-1和AF-2(Rxra公司非洲金融组织突变体)[Mascrez等人,2009年].

这个Rxra公司二氧化亚铁突变体显示心肌发育不全和眼部综合征是Rxra公司-无表型[Kastner等人,1994年],但频率较低[Mascrez等人,1998年]. 这可能反映了RXRβ的功能补偿,因为(i)心肌发育不全的频率在Rxra公司二氧化亚铁额外失活后突变为50%卢比(这本身没有影响)[Kastner等人,1996年]以及(ii)眼部综合征的发病率从年的15%左右增加Rxra公司二氧化亚铁进一步失活后突变为100%卢比[Mascrez等人,1998年]. The full penetrance of theRxra公司-观察到的无眼综合征Rxra公司二氧化二氟/卢比-空突变体[Mascrez等人,1998年],以及Rxra公司非洲金融组织突变体[Mascrez等人,2009年]支持RXRα的AF-2(因此可能是RXR激动配体)对眼部形态发生不可或缺的观点。另一方面,心肌发育不全罕见或中度外显率Rxra公司二氧化二氟(5%),Rxra公司二氧化亚铁/卢比-零(50%)和Rxra公司二氧化亚铁/卢比/克-零突变(50%)表明,RXRα的转录活性仅在“不利”遗传背景下对心肌生长是必要的。因此,我们最近发现80%的心脏组织学正常Rxra公司非洲金融组织胎儿[Mascrez等人,2009年]表明转录“沉默”的RXRα可以促进心肌生长。

原发性玻璃体的内卷化代表了可能需要最高浓度的RA-和维甲酸受体的发育过程,因为这两种VAD[Wilson等人,1953年],Rarb公司烧蚀,烧蚀[Ghyselink等人,1997年],Rxra公司烧蚀,烧蚀[Kastner等人,1994年],删除RXRαAF-2[Mascrez等人,1998年]RXRαAF-1和AF-2的缺失[Mascrez等人,2009年]经常产生PHPV。除了偶尔的PHPV外Rxra公司af1o公司变种人从不显示任何Rxra公司-无发育缺陷[Mascrez等人,2001年]. 这种近无缺陷并不反映RXRβ或RXRγ的功能补偿Rxra公司af1o公司/Rxrb公司-null和Rxra公司af1o公司/卢比/克-除了PHPV外,空突变体没有其他发育缺陷。然而,PHPV的频率从10%增加到Rxra公司af1o公司100%突变Rxra公司af1o公司/卢比/克-空突变体[Mascrez等人,2001年]. 总之,这些观察结果表明,初级玻璃体的退化需要RXRαAF-1和AF-2,而其他依赖于RA的眼部形态发生事件只需要RXR-αAF-2,因为它们通常发生在缺乏RXRγAF-1的A/B结构域的情况下。

因此,这些数据支持这样的观点,即RXRα的激活功能对眼睛的形态发生有不同的要求,并且它们对心脏的发育是不必要的。他们还表明,由于功能冗余,每个激活功能所起的作用只能在因RA-signaling受损的遗传背景中(或在RA-不足的条件下)才能揭示。假设RXRαAF-2对发育事件的频繁需求反映了激动配体的结合,这就提出了生理性RXR配体可能存在和性质的问题体内在啮齿动物胚胎中无法检测到9-顺式RA[霍顿和马登,1995年;Matt等人,2005b]使人怀疑这种RXR生理配体可能是9-顺式RA(参见[沃尔夫,2006]; 另请参见[Calleja等人,2006年]).

含有RXRαAF-1-的A/B结构域在指间质的对合中具有特异性功能

RXRα的AF-2在发育过程中的功能似乎比其AF-1更重要,如(i)Rxra公司二氧化亚铁/卢比/克-空胎都有大量先天缺陷和死亡子宫内,同时Rxra公司af1o公司/卢比/克-空胎只显示少数先天缺陷,通常是可以存活的;和(ii)RA-应答基因的转录lacZ公司小鼠中的报告基因转基因需要RXRαAF-2,但不需要AF-1[Mascrez等人,1998年;Mascrez等人,2001年]. 然而,含有RXRαAF-1的A/B区在指间间质的RA依赖性消失中具有独特的作用。

第一个证据表明类风湿关节炎与指间间质退化有关,这是通过在RA-deprived培养基中使用全肢体进行器官培养实验得出的[Lussier等人,1993年]. 随后,研究表明,缺乏两种基因的小鼠拉拉拉格以及小鼠杂合子Rxra公司-零突变偶尔表现出轻微的指间蹼(即软组织并指)(表1) [Ghyselink等人,1997年;Kastner等人,1994年;Lohnes等人,1993年;Lufkin等人,1993年]. 令人惊讶的是,该缺陷在Rarb公司-即使是零变种Rarb公司在指间坏死区(INZ)有强而特异的表达[Ghyselink等人,1997年]. 然而,一个(或两个)等位基因的破坏Rarb公司在一个拉格-零遗传背景持续产生指间网状结构[Ghyselink等人,1997年]. 负责指腹的胎儿指间质的持续存在是由程序性细胞死亡的显著减少以及突变INZ中细胞增殖的增加引起的[Dupe等人,1999a]. 作为Rarb公司拉格在INZ中没有共同表达,指间质退化必须涉及该间质之间的旁分泌相互作用,这表示Rarb公司以及手指的软骨胚芽或表面表皮,两者都表达拉格(在中讨论[Dupe等人,1999a]).

包含RXRαAF-1的A/B区对于参与指间质内卷化的RXRβ/RARβ和/或RXRγ异二聚体的功能是必不可少的,因为大多数Rxra公司非洲突变体和所有Rxra公司af1o公司/卢比/克-零突变显示软组织并指[Mascrez等人,2001年]. 相反,Rxra公司二氧化亚铁Rxra公司二氧化亚铁/卢比/克-空突变体从不显示这种缺陷[Mascrez等人,1998年],表明了指间质内卷化中包含RXRαAF-1的a/B区域的特定要求。有趣的是,位于a结构域的特定丝氨酸残基上的RXRα磷酸化对于F9畸胎瘤细胞对RA的抗增殖反应是必要的[Bastien等人,2002年;罗切特·伊格利和查本,2001年]. 因此,RXRαA结构域的磷酸化可能在分子事件级联中发挥重要作用,体内导致指间质正常消失。

维甲酸信号在发育过程中由特异性RXRα/RAR异二聚体转导

复合突变体,其中给定RAR同型的空突变与Rxra公司-null,一个Rxra公司af1o公司或aRxra公司二氧化二氟突变,完全重现了Rar公司-空突变体(表4) [Kastner等人,1994年;Kastner等人,1997年a;Mascrez等人,1998年;Mascrez等人,2001年]. 这两者之间的协同作用Rar公司Rxra公司功能缺失突变支持这样的结论,即RXRα/RARα、RXRα/RARβ和RXRα/RARγ异二聚体是胚胎发生过程中转导RA信号的功能单元。此外卢比/克-正常发育的空突变体表明RXRα是发育过程中功能上最重要的RXR同型[Krezel等人,1996年]. 这一结论进一步得到了胚胎发生过程中两种基因之间缺乏协同作用的支持拉拉-,Rarb公司-或拉格-空突变和卢比-或Rxrg公司-无效突变[Kastner等人,1997年a].

表4

RXRα和RAR在胚胎发育中协同作用的证据。

类似的先天性缺陷在Rxra公司-空,Rxra公司af1o公司,Rxra公司二氧化亚铁、和拉拉-,Rarb公司-,拉格-在化合物中观察到零突变Rxra/Rara公司-,Rxra/Rarb-,以及Rxra/Rarg公司-化合物中的无效突变体(Xα/Aα、Xα/Aβ和Xα/Aγ)Rxra公司二氧化亚铁/拉拉-,Rxra公司二氧化亚铁/Rarb公司-,以及Rxra公司二氧化亚铁/拉格-零突变体(Xα二氧化二氟/Aα,Xα二氧化亚铁/Aβ和Xα二氧化亚铁/化合物中的Aγ)Rxra公司af1o公司/拉拉-,Rxra公司af1o公司/Rarb公司-,以及Rxra公司af1o公司/拉格-零突变体(Xαaf1o公司/Aα,Xαaf1o公司/Aβ和Xαaf1o公司/Aγ),以及化合物拉拉/b-,拉拉/克-和Rarb/g(雷布/克)-零突变(Aα/Aβ、Aα/Aγ和Aβ/Aγ)。*:这种异常存在于大多数突变体中。#:这种异常是完全渗透的。VAD,这些异常属于胎儿维生素A缺乏综合征(Wilson等人,1953年)。参考文献(Kastner等人,1997a和1997b;Mascrez等人,1998;Kastner等,1994;Mascrex等人,2001)。

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通过比较不同突变体之间特定异常的严重程度和外显率,可以确定在特定发育过程中优先参与RA信号转导的异二聚体。例如,心肌发育不全在Rxra公司af1o公司突变体和5%的Rxra公司二氧化亚铁突变体。在45%的Rxra公司af1o公司/拉拉-零和80%Rxra公司二氧化亚铁/拉拉-null突变体,但没有Rxra公司af1o公司/Rarb公司-null或Rxra公司af1o公司/拉格-零突变体和只有20%的Rxra公司二氧化亚铁/Rarb公司-null或Rxra公司二氧化亚铁/拉格-空突变体[Mascrez等人,1998年;Mascrez等人,2001年]. 总之,这些遗传数据表明,RXRα/RARα异二聚体优先传递作用于心肌生长的RA信号。

同样,尽管所有三种RAR都在发育中的眼部结构中表达[Mori等人,2001年]一些证据表明,在眼睛形态发生过程中,RXRα/RARβ和RXRγ/RARγ参与,但RXRβ/RARα异二聚体没有参与。首先,两者之间存在强大的协同作用Rxra公司-和Rarb公司-或拉格-无效突变,表现为Rxra公司-无眼部缺陷,而与拉拉-无突变(表4) [Kastner等人,1997年a]. 第二,在Rarb公司-或拉格-RXRα的AF-1结构域或AF-2的零突变和消融导致眼部缺陷(表4) [Mascrez等人,1998年;Mascrez等人,2001年]. 事实上,除了上述PHPV之外Rxra公司-在Rxra公司af1o公司突变体,在不到15%的Rxra公司二氧化亚铁突变体。另一方面,这种眼部综合征在100%的Rxra公司af1o公司/Rarb公司-空,Rxra公司af1o公司/拉格-空,Rxra公司二氧化亚铁/Rarb公司-null和Rxra公司二氧化亚铁/拉格-空突变体,而它在所有中都不存在Rxra公司af1o公司/拉拉-null和Rxra公司二氧化亚铁/拉拉-空突变体[Mascrez等人,1998年;Mascrez等人,2001年]. 总之,这些遗传数据表明,RXRα/RARβ和RXRβ/RARγ是有助于眼部形态发生的异二聚体。

药理学和体细胞突变方法为发育过程中头部区域的RAR控制机制提供了线索

鳃弓内胚层是由RARα和/或RARβ介导的RA作用的靶点

拉拉/b-在妊娠期胎儿期分析的零突变显示,通过手术切除耳后NCC可在雏鸡体内产生一整套缺陷,即胸腺和甲状旁腺发育不全或异位、头动脉模式异常、肺动脉和主动脉肺隔缺失([Ghyselink等人,1997年;Mark等人,1998年;Mendelsohn等人,1994年]以及其中的参考)。这些缺陷也存在于CATCH22综合征中,该综合征是人类神经嵴病的原型(即NCC衍生结构的先天性畸形)。这些和其他观察结果表明,产生间充质衍生物(即中胚层细胞)的颅骨NCC是RA作用的主要靶点(参见[Mark等人,2004年]).

意外地,拉拉/b-在妊娠胚胎期分析的零突变显示尾部鳃弓(BA)很小,但没有显示NCC改变[Dupe等人,1999b]. BA是胚胎头部和颈部的暂时性隆起,部分充满NCC,并通过内胚层(咽囊)的外翻相互分离。尾端BA和囊袋会引起上述NCC消融实验中受影响的成人器官。正如在拉拉/b-无效胚胎的严重程度低于缺乏RALDH2的胚胎(即缺乏RA的胚胎)[Niederrer等人,1999年],它们并不反映RA信号转导的完全阻断。为了分析NCC迁移以及BA和咽囊的形成,在RA信号转导的阻断程度可以精确控制的情况下,设计了一个培养系统,在该系统中,野生型胚胎在选定的时间暴露于panRAR拮抗剂BMS493[Wendling等人,2000年].

使用BMS493治疗会导致尾部BA和咽囊的缺乏,并轻微干扰NCC的耳后迁移路径,但不会影响NCC的数量。此外,最有趣的是,这种治疗仅在一个狭窄的时间窗口内抑制尾侧BA的发育,而这与NCC耳后迁移期不相符。因此,与预期相反拉拉/b-空胎[Dupe等人,1999b],以BA尾侧为目的地的迁移NCC并不代表RA作用的唯一主要靶点。另一方面,BMS493诱导的“模式化”基因和编码参与旁分泌信号通路的肽的基因的内胚层表达的改变表明,RA信号传导(i)是指定咽内胚层所必需的,以及(ii)可能通过咽内胚层分泌特异性旁分泌因子为NCC迁移提供了一个宽松的环境[Mark等人,2004年;Wendling等人,2001年]. 这些数据还增加了以下可能性:在妊娠第四周和第五周RA的控制下,人类CATCH22综合征的相关基因实际上在内胚层中表达。

RAR作用于控制后脑分割的遗传级联之上

胚胎后脑暂时被分成若干节段(菱形节),其中七节(R1至R7)在哺乳动物中可见。尽管早期和短暂,后脑分割有助于组织成人结构,如颅神经。后脑拉拉/克-无效胚胎显示R3和R4标记的后膨胀,但不能表达克雷斯勒R5和R6的特异标记[Wendling等人,2001年]. 相反,R5和R6对应的神经外胚层区域在拉拉/b-无胚胎[Dupe等人,1999b]. 用panRAR拮抗剂BMS493治疗胚胎第(E)7.0天的野生型胚胎复制了拉拉/克-胚胎无效,而BMS493在E8.0开始给药会导致拉拉/b-类空表型[Wendling等人,2000年]. 因此拉拉/b-和拉腊/g-无效胚胎与RA在不同时间窗口的作用有关。E7.5时(RA在胚胎中开始合成时)[Niederreither等人,1999年]、RARγ和RARα传感器用于指定R5/R6区域所需的信号。在E8.0,RARβ和RARα介导后脑后部RA信号的局部增加,以控制R6尾侧边界的位置,从而允许指定下一个尾侧菱形肌R7[Mark等人,2004年;Serpente等人,2005年;Wendling等人,2000年].

几个重要后脑模式基因的表达域在拉拉/b-和拉拉/克-无效胚胎提供了证据,证明RA作用于控制后脑模式的遗传层次之上[Wendling等人,2001年]. 此外,通过改变培养物中panRAR拮抗剂的浓度,在RA信号转导中产生分级胚胎阻滞,表明单个菱形体由RA信号的不同阈值指定,并支持RA作为胚胎后脑模式的后优先信号的观点([Dupe和Lumsden,2001年;Serpente等人,2005年;Wendling等人,2001年]以及其中的参考)。RA信号的阈值水平可以通过调节RAR或RA合成和分解酶(RALDHs和CYP26s)的表达水平来设置[Abu-Abed等人,2001年;MacLean等人,2001年;Niederreither等人,2000年;Tahayato等人,2003年;Uehara等人,2007年].

视黄酸依赖性眼睛形态发生由神经嵴调控

如上所述,Rarb/g(雷布/克)-,Rxra/Rarb-和Rxra/Rarg公司-null突变体,但不是Rxra/Rara公司-零突变,表现出类似的,尽管比之严重得多的眼部缺陷Rxra公司-零突变体,表明RXRα/RARβ和RXRβ/RARγ异二聚体有助于眼睛结构的形态发生,包括视网膜腹侧(表2,表3、和表4). 两者都有Rarb公司拉格在眼周间质(POM)中表达,但在视网膜中不表达[Ghyselinck等人,1997年;Mori等人,2001年]. 因此,POM(NCC衍生组织)中的RA信号可能有助于视网膜(神经外胚层衍生组织)的形态发生。使用体细胞突变方法(在[Metzger和Chambon,2001年]),我们最近证实了选择性切除Rarb公司拉格POM前体细胞中的基因(Rarb/g(雷布/克)NCC−/−突变体)重述了相同受体基因的种系消融产生的眼部缺陷。在POM细胞中,RXRα/RARβ和RXRα/RARγ异二聚体似乎控制参与POM重塑的细胞死亡程度和富士康1坑x2基因[Matt等人,2005a]对小鼠和人类眼前段的发育起关键作用[Cvekl和Tamm,2004年]. 有趣的是,POM不表达任何RA合成酶(RALDH),因此无法合成RA。相反,神经视网膜、视网膜色素上皮和角膜外胚层同时表达RALDH1和RALDH3([Matt等人,2005a]以及其中的参考)。事实上,在缺乏RALDH1和RALDH3的突变体中,(i)RA-敏感报告基因的活性在POM中被消除,(ii)产生的眼部缺陷与在Rarb/g(雷布/克)-零突变体证明,这两种RA-合成酶提供了激活POM中RXRα/RARβ和RXRβ/RARγ异二聚体所需的RA。因此,在发育中的眼睛中,RA起着旁分泌信号的作用:它由上皮细胞(即视网膜、视网膜色素上皮和角膜外胚层)合成,但对间充质细胞(即POM)产生影响。相反,间充质室似乎通过合成腹侧视网膜生长所需的未知旁分泌因子来响应RA信号[Matt等人,2005a;Matt等人,2008年].

结论和观点

缺乏维甲酸受体突变体的表型分析提供了令人信服的证据,证明RA实际上是维生素A的代谢物,维生素A在早期胚胎发生、器官发生以及出生后都很活跃。这一结论随后通过证明由视黄醛脱氢酶(RALDH1、RALDH2和RALDH3)合成的RA作为一种不可或缺的发育激素而得到加强[Dupe等人,2003年;Matt等人,2005a;Mic and Duester,2003年;Mic等人,2002年;Mic等人,2003年;Mic等人,2004年;Niederreither等人,2002a;Niederreither等人,1999年;Niederrer等人,2001年;Niederrer等人,2000年;Niederreither等人,2002b;Vermot等人,2003年]. 此外,在小鼠身上进行的遗传学和药理学研究结果证明,维甲酸受体转导RA信号的分子机制体外这些研究实际上有助于在生理条件下进行维甲酸信号传导。他们还最终确定,对胚胎施用外源性RA所产生的致畸效应并不反映内源性RA在相应的发育过程中的生理作用(在[Mark等人,2006年]).

RXRα/RAR异二聚体显然是发育过程中传递RA信号的主要功能单元,特定的异二聚物参与特定的发育过程(综述于[Mark and Chambon,2003年]). 这有力地支持了最初的观点,即RA的多效性效应反映了复杂的组合机制,通过该机制,多个RXR/RAR异二聚体差异地转导维甲酸信号,选择性地控制多组RA靶基因的表达[Leid等人,1992年]. 第二,体内,RXR伴侣可以是转录活性的(因此与RAR伴侣协同作用),也可以是RXR/RAR异二聚体中的非活性,具体取决于所考虑的发育事件。第三,RXR的转录活性服从于与RAR伴侣的配体结合体内[Elmazar等人,2001年;Matt等人,2003年;Mic等人,2003年]和培养细胞的情况一样体外[Durand等人,1994年;罗切特·伊格利和查本,2001年;Roy等人,1995年]当RXRα转录激活时,可能涉及一个或两个激活功能(AF-1和AF-2),其活性取决于RA控制的发育事件的性质[Mascrez等人,2009年;Mascrez等人,1998年;Mascrez等人,2001年].

本综述中总结的遗传学研究揭示了每个家族成员(RAR或RXR)中存在广泛的功能冗余,尽管这些成员中的每一个似乎各自至少发挥一种特定的生理功能。因为每个家庭的成员都有一个共同的祖先[Escriva等人,2004年],这样的冗余并不奇怪。然而,它提出了一个问题,即当特定受体缺失时,它是生理相关的还是人工生成的,就像培养的F9细胞一样[罗切特·伊格利和查本,2001年;Taneja等人,1995年;Taneja等人,1996年]. 在这方面,请注意,从进化的角度来看,不太可能存在两个完全冗余的基因[布鲁克菲尔德,1992年;托马斯,1993]. 同样值得注意的是Rar公司双零突变体与其在Rar公司单空突变体不应被视为细胞自主功能冗余的确切证明。另一种可能的解释可能暗示不同组织中不同RAR的作用,这可能独立地指导特定结构的形成。这种可能性可能适用于指间软组织的情况,这些软组织通常会退化Rarb公司-几乎全部拉格-零突变体,但在所有Rarb/g(雷布/克)-产生网状数字的空突变体(表1表3). 在这种情况下,很难想象RARβ和RARγ之间的功能细胞自主冗余,因为Rarb公司拉格显示四肢的非重叠表达模式[Ghyselink等人,1997年].

重要的是,RXRα/RAR复合突变体的功能冗余要少得多(表2,表3、和表4). 由于RXRα/RAR异二聚体是功能转换单位,解释这些观察结果的最简单方法是假设只有当“生理异二聚物”的一个伴侣缺失时才会出现冗余[Kastner等人,1997年a;Mascrez等人,1998年;Mascrez等人,2001年]. 换言之,当“生理异二聚体”的RXR或RAR伴侣缺失时,“替代异二聚物”的活性可能仍高于功能阈值水平,但当两者都被删除时,活性可能不会高于功能阈值。根据这一解释,只有在未达到功能阈值水平的条件下,才能揭示给定RAR或RXR的选择性参与。这将明显解释以下观察结果:除非“生理异二聚体”的活性因RAR伴侣或冗余RXR同型的额外消融而改变,否则RXRαAF-1或AF-2的作用无法完全揭示[Mascrez等人,1998年;Mascrez等人,2001年]. 因此,任何降低RXR/RAR异二聚体活性的条件(例如RA可用性降低)都可能减少或消除功能冗余。由于维生素A(RA的前体)在野生环境中的供应可能比在动物设施中的供应更为有限,因此RAR和RXR之间的功能冗余在自然环境中可能不太突出。

非常令人惊讶的是,RXR功能丧失突变体除了在胎儿VAD综合征或RA-合成酶消融时观察到的缺陷外,在形态发生方面没有显示缺陷。这表明RXR仅通过与RAR的异二聚作用参与形态发生。因此,与RXR二聚并已知配体的其他核受体(NRs)无突变的小鼠(即PPARα、PPARβ、TRα、TRβ、VDR、LXRα、LXRβ、FXR、PXR、CAR)不显示形态异常[Flamant和Samarut,2003年;加藤,2000;Lee和Gonzalez,1996年;Peet等人,1998年;Peters等人,2000年;Sinal等人,2000年;Staudinger等人,2001年;Wei等人,2000年;谢等人,2001],PPARγ-阴性小鼠除外[巴拉克等人,1999年]. 在后一种情况下,胚胎心脏缺陷明显继发于严重的胎盘发育不全[巴拉克等人,1999年]. 因此,在RXR/NR异二聚体可以整合的多种“激素样”信号中,RA似乎是最关键的,如果不是唯一参与胚胎本身形态发生的信号的话。

本综述中总结的遗传方法为RA受体在发育过程中的功能提供了有价值的见解。然而,这种策略有内在的局限性,这主要是由于在生殖系中引入了突变。首先,种系突变的影响可能在发育过程中得到功能补偿,从而排除缺陷的出现。另一方面,突变可能是致命的子宫内(例如Rxra公司敲除和RAR复合物缺失突变体),从而阻止了对出生后阶段基因功能的分析。这种突变也可能在早期阻止某一器官的发育,从而排除了后期对基因功能的进一步分析。此外,在生殖系中引入突变使得很难区分属于家族的基因的细胞自主功能和非细胞自主功能,例如参与多效性信号通路的RAR和RXR。在许多情况下,这些限制实际上可能会妨碍确定特定基因产物在特定细胞类型/组织和/或动物生命中特定时间的功能。这显然是RAR和RXR的情况。

为了克服所有这些局限性,设计了小鼠RARs和RXRs的时空控制体细胞突变策略,该策略基于三苯氧胺诱导的Cre重组酶(称为Cre-ER)的细胞类型特异性表达T型和Cre-ERT2段)(在中审查[Metzger和Chambon,2001年;Metzger等人,2003年]). 联合使用在特定细胞类型中表达嵌合三苯氧胺诱导Cre重组酶的转基因小鼠和携带RAR和RXR基因loxP侧翼条件等位基因的小鼠系,将为阐明维甲酸受体的出生后功能提供宝贵的模型。

缩写

AD公司转录激活域
空军激活函数
文学士鳃弓
CYP公司细胞色素P450羟化酶
DORV公司右心室双出口
E类胚胎期
印度国家统计局指间坏死区
NCC公司神经嵴细胞
尼泊尔卢比核受体
PHPV公司持续性和增生性玻璃体
POM公司眼周间质
R1至R7菱形1至7
无线电高度表维甲酸
RALDH公司视黄醛脱氢酶
风险调整比率维甲酸受体
RBP公司视黄醇结合蛋白
RDH公司视黄醇脱氢酶
RXR公司维甲酸X受体
STRA公司维甲酸刺激
VAD(VAD)维生素A缺乏

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文章来自核受体信号由提供SAGE出版物