基因发育。1999年2月1日;13(3): 295–306.
ephrinB配体和EphB受体在心血管发育中的作用:动/静脉结构域的划分、血管形态发生和新生血管的萌芽
,1 ,1 ,2 ,1 ,三 ,2 ,2,4和1,5
拉尔夫·H·亚当斯
1德国海德堡D-69117欧洲分子生物学实验室;2德国巴德瑙海姆W.G.Kerckhoff研究所Max-Planck-Institute for Physical and Clinical Research,61231;三Regeneron Pharmaceuticals,Inc.,美国纽约州塔利镇,邮编:10591
乔治·A·威尔金森
1德国海德堡D-69117欧洲分子生物学实验室;2德国巴德瑙海姆W.G.Kerckhoff研究所Max-Planck-Institute for Physical and Clinical Research,61231;三Regeneron Pharmaceuticals,Inc.,美国纽约州塔利镇,邮编:10591
科妮莉亚·韦斯
1德国海德堡D-69117欧洲分子生物学实验室;2德国巴德瑙海姆W.G.Kerckhoff研究所Max-Planck-Institute for Physical and Clinical Research,61231;三Regeneron Pharmaceuticals,Inc.,美国纽约州塔利镇,邮编:10591
弗朗西斯卡·迪埃拉
1德国海德堡D-69117欧洲分子生物学实验室;2德国巴德瑙海姆W.G.Kerckhoff研究所Max-Planck-Institute for Physical and Clinical Research,61231;三Regeneron Pharmaceuticals,Inc.,美国纽约州塔利镇,邮编:10591
尼古拉斯·盖尔
1德国海德堡D-69117欧洲分子生物学实验室;2德国巴德瑙海姆W.G.Kerckhoff研究所Max-Planck-Institute for Physical and Clinical Research,61231;三Regeneron Pharmaceuticals,Inc.,美国纽约州塔利镇,邮编:10591
德国城市
1德国海德堡D-69117欧洲分子生物学实验室;2德国巴德瑙海姆W.G.Kerckhoff研究所Max-Planck-Institute for Physical and Clinical Research,61231;三Regeneron Pharmaceuticals,Inc.,美国纽约州塔里敦10591
沃纳·里索
1德国海德堡D-69117欧洲分子生物学实验室;2德国巴德瑙海姆W.G.Kerckhoff研究所Max-Planck-Institute for Physical and Clinical Research,61231;三Regeneron Pharmaceuticals,Inc.,美国纽约州塔利镇,邮编:10591
吕迪格·克莱因
1德国海德堡D-69117欧洲分子生物学实验室;2德国巴德瑙海姆W.G.Kerckhoff研究所Max-Planck-Institute for Physical and Clinical Research,61231;三Regeneron Pharmaceuticals,Inc.,美国纽约州塔利镇,邮编:10591
1德国海德堡D-69117欧洲分子生物学实验室;2德国巴德瑙海姆W.G.Kerckhoff研究所Max-Planck-Institute for Physical and Clinical Research,61231;三Regeneron Pharmaceuticals,Inc.,美国纽约州塔利镇,邮编:10591
4纪念:沃纳·里索(1953年12月18日至1998年12月13日)。
5通讯作者。
收稿日期:1998年8月7日;1998年12月9日接受。
Eph受体酪氨酸激酶家族及其ephrin配体在哺乳动物、低等脊椎动物和无脊椎动物(例如秀丽隐杆线虫它们调节视网膜顶盖/视网膜丘系统中的地形图形成(Cheng等人,1995年;Drescher等人,1995年;Nakamoto等人,1996年;Frisen等人,1998年)并在脑连合的形成和束化中发挥重要作用(Henkemeyer等人,1996年;Orioli等人,1996年;Park等人1997). 它们在大脑胚胎结构的模式化中还有其他重要功能(Xu等人,1995年,1996)和体节(Durbin等人,1998年). 肾上腺素控制神经嵴细胞向鳃弓和体节的迁移(Krull等人,1997年;Smith等人,1997年;Wang和Anderson 1997). 在这些系统中,ephrin与Eph的相互作用被认为主要是排斥性的,也就是说,在生长锥或迁移细胞中表达Eph受体时,它们会远离表达相应ephrin-配体的细胞(Drescher等人,1995年;Nakamoto等人,1996年;Brennan等人,1997年;Krull等人,1997年;Wang和Anderson 1997). 排斥性相互作用和互补表达模式表明,ephrins和Eph受体定义了发育中胚胎的空间边界(Gale等人,1996年).
由于Eph受体和所有已知的ephrin配体都附着在质膜上,因此ephrin-Eph系统在细胞间而非远程通信中发挥作用(Davis等人,1994年;Orioli和Klein 1997年). Ephrins可分为两个亚类:EphrinA配体(ephrinA1–A5)通过糖基化磷脂酰肌醇(GPI)锚定物连接到细胞表面,而ephrinB配体(ephrinB1–B3)通过跨膜区域和保守细胞质域插入质膜。这一细分也分别与相应的EphA或EphB受体亚家族的ephrinA和ephrinB分子的结合偏好相匹配,而在这些亚家族中,相互作用是高度混杂的(Brambilla等人,1995年;Gale等人,1996年). 与其他受体酪氨酸激酶的可溶性配体不同,肾上腺素分子似乎以聚集状态呈现,以获得对其同源Eph受体的高刺激活化(Davis等人,1994年). 聚集状态可能决定Eph受体的差异信号反应(Stein等人,1998年)而ephrin表达细胞可能会根据配体聚集程度在Ephr受体表达的相邻细胞中引发不同的反应。跨膜ephrinB分子具有高度保守的细胞质结构域,类似于膜受体。越来越多的证据表明,ephrinB分子具有积极的信号作用,导致其与配体功能双向信号转导的反向或结合(布吕克纳和克莱因1998).
体内血管生成试验和体外研究的证据表明,肾上腺素和Eph受体在血管形成中发挥作用。EphrinA1在肿瘤坏死因子α诱导的炎症性血管生成中具有体内血管生成特性(Pandey等人,1995年). 聚集的ephrinB1在体外促进内皮毛细血管样组装和细胞附着(Stein等人,1998年). 在胚胎发育期间,血管形成的第一步涉及原始中胚层细胞分化为血管内皮细胞,最终将排列在所有血管的内表面。可以区分两个过程。血管生成定义了从分散的内皮细胞前体群体形成管状结构,形成相当均匀的蜂窝状初级毛细管网络,即所谓的胚胎初级毛细管丛和胚胎外结构,如卵黄囊(里索和弗拉梅1995). 血管生成还导致心脏原基和大的主干血管,如背主动脉和主静脉的形成。在称为血管生成的第二个过程中,通过新生血管的萌芽、重塑和现有血管的分裂,初级血管网络被重塑为由大小血管组成的层次网络。此外,神经上皮等无血管组织通过新生毛细血管的萌芽而形成血管。血管生成是一个涉及内皮细胞增殖、趋化迁移和功能成熟的复杂过程(里索1997).
最近的研究发现,内皮细胞及其配体上表达的几种受体酪氨酸激酶是胚胎发生期间血管发育的关键调节因子。血管内皮生长因子(VEGF)及其酪氨酸激酶受体VEGF–R1/Flk-1对血管生成和内皮细胞分化至关重要,而VEGF-R2/Flt受体对胚胎血管组织的组织至关重要(Fong等人,1995年;Shalaby等人,1995年,1997;Carmeliet等人,1996年;Ferrara等人,1996年). 血管生成素-1(Ang-1)及其酪氨酸激酶受体Tie–2/Tek是血管生成和心脏发育的重要调节器,而Tie-1受体对血管完整性很重要(Dumont等人,1994年;Puri等人,1995年;Sato等人,1995年;Suri等人,1996年). 最近,ephrinB2被证明是胚胎血管系统重塑所必需的(Wang等人,1998年). 由于其在动脉上的唯一表达和在静脉上的一种同源受体EphB4的互补表达,有人认为,ephrinB2既是EphB5的配体又是其受体,并且其相互作用,在血管网络成熟过程中,这两种血管之间可能存在的排斥信号对血管生成性重塑至关重要(Wang等人,1998年;Yancopoulos等人,1998年).
在本报告中,我们暗示了血管发育中额外的Eph受体和ephrin,从而表明ephrin-Ephf相互作用的复杂性更高。与…对比Wang等人(1998),我们发现配体ephrinB1在动脉中与ephrinB2共表达,ephrinB1和EphB3在静脉内皮细胞中与EphB4共表达,EphB3在一些动脉中表达。因此,我们的研究结果表明,ephrins和Eph受体之间的细胞间相互作用不仅限于动脉和静脉之间的边界,而且在大多数胚胎血管系统中都会发生和需要。与我们的表达数据一致,我们表明,EphB2和EphB3受体信号缺失的双突变小鼠具有部分渗透表型,类似于肾上腺素B2−/−表型。与内皮细胞相邻的间充质细胞中ephrinB2和EphB2的显著表达进一步表明,ephrins和Eph受体调节内皮细胞和间充质之间的相互作用,并且是内皮细胞和基质细胞相互作用所必需的。最后,我们证明了体外对ephrinB1和ephrinB2的毛细血管萌芽诱导活性,描述了这些配体在血管生成重建过程中的细胞刺激反应。
结果
卵黄囊和胚胎血管中多种肾上腺素和Eph受体的共表达
Wang等人(1998)最近生成的ephrinB2/taulacZ等位基因显示ephrinB2在动脉中特异性表达,而在静脉中缺失。相反,原位杂交分析表明EphB4在静脉上的唯一表达。血管上未检测到其他Eph受体或ephrin配体。然而,我们自己的表达分析表明血管中存在额外的ephrinB分子和EphB受体。尽管ephrinB2的免疫染色在动脉上显示出强烈的表达(图。A) 静脉上几乎检测不到表达(图。B) ,用与碱性磷酸酶(EphB3-AP)融合的EphB3受体胞外域蛋白探针进行染色,碱性磷酸酶与几种肾上腺素B结合,显示动脉和静脉上都存在肾上腺素B配体(图。C、 D)。接下来,我们使用配体-AP探针分析EphB受体的表达。而ephrinB2-AP优先染色静脉(图。E、 F),ephrinB1–AP与动脉和静脉结合良好(图。G、 H),表明静脉上存在至少两种EphB受体,其对两种肾上腺素B配体具有不同的结合偏好。RT-PCR分析证实存在ephrinB1、ephrinB2、EphB2、EphB3、和EphB4型卵黄囊中的mRNA(图。一) ●●●●。
卵黄囊血管中ephrinB配体和EphB受体的表达。E9.5卵黄囊与抗ephrinB2抗体的整体染色(A、 B)或与碱性磷酸酶(AP)融合蛋白(C–H型). 卵黄动脉被确定为卵黄囊的后血管域(白色箭头A、 C、E、G)卵黄静脉作为卵黄囊的前域(B、 D、F、H)分别是。免疫组织化学检测卵黄囊动脉ephrinB2蛋白的表达(A类)但不是,或仅在静脉区域的极低水平(B类). EphB3–AP融合蛋白的结合证实了ephrinB2和其他可能的ephrinB配体的动脉表达(C类). 在卵黄静脉上观察到较弱的染色,显示卵黄囊血管的两个区域都存在配体(天). EphrinB2–AP检测卵黄静脉上的受体(F类)但动脉染色较弱(E类). ephrinB1–AP与所有血管类型的结合(G、 小时). (我)RT-PCR分析。至少两个配体的mRNA(肾上腺素B1和肾上腺素B2)和三个受体(ephB2、ephB3、eph B4)在E9.5卵黄囊(y)和胚胎(e)中发现。在没有反转录的对照反应(c)中没有获得PCR产物。
接下来,我们通过原位杂交分析和融合蛋白染色检测E9.5野生型胚胎中ephrinB配体和EphB受体的表达。EphB1主要局限于神经系统,ephrinB3和EphB2在神经外胚层和心脏中表达(数据未显示;Henkemeyer等人,1996年; K.Brückner、J.P.Labrador、P.Scheiffele、A.Herb、P.H.Seeburg和R.Klein,预备);EphB2也在胚胎间质中发现(见下文)。胚胎血管上表达了两种ephrin,即ephrinB1和ephrinB2,以及两种EphB受体EphB3和EphB4。EphrinB2和EphB4以互补模式表达;肾上腺素B2mRNA在动脉中发现,包括背主动脉和主动脉弓(图。B) ,而EphB4型表达于所有主静脉,包括前、后主静脉和脐静脉(图。F;Wang等人,1998年). 与公布的数据相比(Wang等人,1998年),EphB3型在所有主要静脉上也显著表达,此外,在主动脉弓上也显示出特异性表达(图。E) ●●●●。mRNA表达模式通过静脉和主动脉弓的ephrinB2-AP染色检测受体蛋白而独立确认(图。D) ●●●●。与卵黄囊一样,ephrinB2并不是胚胎血管表达的唯一配体。肾上腺素B1在所有主要血管原基中都发现了mRNA(图。C) ●●●●。共表达肾上腺素B1和肾上腺素B2通过使用寡核苷酸探针(K.Brückner、J.P.Labrador、P.Scheiffele、A.Herb、P.H.Seeburg和R.Klein,预备)进行放射性原位杂交分析,确认背主动脉和主动脉弓上的基因。全山染色胚胎切片显示,在我们的研究中分析的静脉中,基本上所有内皮细胞,包括前、后主静脉和脐静脉,共表达ephrinB1和两个受体EphB3和EphB4(图。H–J)。在培养的人微血管内皮细胞中观察到类似的B亚类配体和受体共表达,并发现其与体外血管生成具有功能相关性(Stein等人,1998年). 因此,我们的研究结果表明,动脉上的两种ephrinB配体共存,主动脉弓上的ephrinB1、ephrinB2和EphB3共存,静脉中的ephrin B1、EphB3和EphB4共存,这表明在许多血管结构中,通过ephrin和Eph受体在内皮细胞上进行复杂的细胞间相互作用。
胚胎血管中ephrinB配体和EphB受体的表达。(A类)胚胎血管系统示意图,静脉为蓝色,动脉和主动脉弓(黑色箭头)为红色[修改自Streeter(1918年)]. 如图所示,用反义探针对E9.5野生型胚胎进行整体原位杂交(B、 C、E、F)和一个ephB4型传感控制(G公司),前部向上,背部在左侧。信使核糖核酸肾上腺素B2(B类)表达于背主动脉(白色箭头)和主动脉弓(白色箭头肾上腺素B1成绩单(C类)发现于所有主要血管,包括背主动脉、主动脉弓(白色箭头)、主静脉和脐静脉(黑色箭头)。受体结合ephrinB2-AP定位于主静脉、脐静脉和主动脉弓(天). 的表达式ephB3(E类)和ephB4型(F类)在前、后主静脉和尾静脉中,静脉窦。ephB3也表达于主动脉弓(白色箭头,E类). (H–J型)用指示的反义探针显示前主静脉血管壁的全山原位杂交胚胎的横截面(所有三个胚胎的位置大致相同)。多萨尔站起来了。注释的表达式ephrinB1、ephB3、和ephB4型在所有或大多数内皮细胞(箭头)中。(K、 L(左))E10.5野生型胚胎的AP染色。(K(K))EphB3在不同直径的头部血管中的配体,包括前主静脉分支(箭头)和毛细血管(白色箭头)。(L(左))较大头部血管和毛细血管中的肾上腺素B2受体。前主静脉;(BA)鳃弓;(DA)背主动脉;(LB)肢芽;(SV)静脉窦;后主静脉;(UV)脐静脉;(五十) 血管管腔。
内皮-间充质界面上ephrins和Eph受体的表达
在体细胞发生过程中,ephrinB配体、EphB2和EphA4受体在体细胞生成中表达并部分需要,而在平行调节神经嵴迁移和运动轴突导向中(Durbin等人,1998年以及其中的参考)。我们现在显示了体间血管(通过Flk-1表达识别,图。A) 在体节边界形成的表达EphB3和EphB4受体(图。C、 D)当ephrinB2在体节尾侧半部表达时(图。B) 。ephrinB2和PECAM-1的双重免疫染色表明,皮肤肌瘤的ephrinB2表达细胞与表达EphB受体的血管内皮细胞之间有密切接触(图。E、 F)。这表明体液ephrinB2和内皮Eph受体在体间血管和连接毛细血管网络的形态发生中存在功能性相互作用。起源于心脏附近静脉窦的脐静脉是间充质EphB受体和内皮细胞ephrinB配体之间可能发生功能性相互作用的另一个例子。EphB2表达,通过β-半乳糖苷酶染色观察ephB2–lacZ在紧邻脐静脉的间充质细胞中发现了杂合子(图。G) 而静脉内皮细胞,通过PECAM-1染色鉴定(图。H) ,表达ephrinB1和EphB3/EphB4受体(见图。).
表达配体和受体的内皮细胞和间充质细胞之间的细胞接触。如图所示,用反义探针在E9.5胚胎上进行整体原位氢化。显示躯干区域,吻部向上,背部向左(A–D). 的表达式flk-1(flk-1)(A类),单位B3(C类)、和ephB4型(天)在体间血管中。(B类)ephrinB2在体节的尾侧半部表达。Somite边界用括号表示。(E、 F类)用抗PECAM-1(棕色)抗体对E9.5野生型胚胎进行整体免疫组化,染色体间血管,并用肾上腺素B2(紫色)染色背侧体节。切面,背部向上,吻侧向左。白色方框所示区域的放大倍数更高(E类)显示了(F类). 请注意,内皮细胞与表达肾上腺素B2的体液细胞直接接触。(G公司)E10.5的横截面EphB2lacZ公司突变杂合子(Henkemeyer等人,1996年)在静脉窦附近的脐静脉水平,β-半乳糖苷酶活性染色,背部向上。如PECAM-1染色所示,在血管壁未染色内皮细胞附近的间充质细胞中可以看到EphB2(β-gal)的表达(H(H)).
卵黄囊和脐血管发育对ephrinB2和EphB2/EphB3受体的需求
小鼠靶向灭活肾上腺素B2基因(Bergemann等人,1995年)(见材料和方法)揭示了胚胎血管形成过程中对ephrinB2的需求。肾上腺素B2−/−E9.5和E10的突变株生长迟缓,心包膨胀,心脏跳动,但胚胎中几乎没有血流(数据未显示)。E9.5野生型卵黄囊表现出分级组织的血管结构,具有许多大型卵黄血管,而肾上腺素B2−/−同一阶段的突变体有苍白的卵黄囊(图。B) 包含一个原始的血管丛,由一个均匀组织的相互连接的小血管网络组成(数据未显示),很像最近报道的ephrinB2/taulacZ突变体(Wang等人,1998年). 我们独立生成的肾上腺素B2−/−因此,该突变体证实了ephrinB2在早期血管发育中具有重要作用。此外,我们得出结论,在部分重叠区域表达的ephrinB1无法弥补ephrinB2的缺乏,这表明这两种配体在胚胎内皮细胞之间的细胞间相互作用中具有不同的功能。
血管缺损肾上腺素B2−/−和ephB2/ephB3双突变胚胎。E9.5野生型卵黄囊(A类),肾上腺素B2−/−(B类)和ephB2/ephB3双纯合突变体(C类). 在新解剖的纯合子突变卵黄囊中缺乏可见的主要血管。(D–I型)PECAM-1的整体免疫组化。E10胚胎干区血管PECAM-1染色,吻侧向上,背侧向左。野生型胚胎中背主动脉(白色箭头)、主动脉弓(白色箭头方向)和前主静脉(黑色箭头方向)的外观(天)与…相比肾上腺素B2−/−突变体(E、 F类)和一个ephB2/B3双突变体(G公司)显示出不规则形状或主要船只完全断裂。(H(H))双杂合胚胎的躯干区域(het/het)显示完整的背主动脉和第四主动脉弓(白色箭头)。(我)的主干区域ephB2/ephB3双突变胚胎,第四主动脉弓和靠近主动脉弓的背主动脉有缺陷(白色箭头)。(J、 K(K))胚胎主动脉弓横截面图H(H)和我,罗斯特拉尔站起来了。注意正常血管管腔(J型)在双突变体中没有形成(K(K)).
在卵黄囊中观察到EphB2和EphB3受体的表达,以及在胚胎间质和内皮细胞中分别观察到EfB2和EphB3的表达,这促使我们检查ephB2/ephB3双突变小鼠(Orioli等人,1996年)血管重塑缺陷。利用30%的外显率(32个双突变体中的10个),我们回收了具有血管缺陷的双纯合胚胎。这些突变体显示出淡黄色的卵黄囊,几乎没有血管(图。C) 与正常窝友相比,它们生长迟缓,偶尔心包囊扩大(数据未显示)。未观察到单个血管缺陷ephB2型或ephB3纯合子,可能是由于外显率很低。在胚胎中,血管缺陷与肾上腺素B2−/−突变体。在PECAM-1染色的野生型胚胎的躯干区,背主动脉、主动脉弓和大的前主静脉很容易辨认(图。D) ●●●●。图E表示代表肾上腺素B2−/−突变胚胎,背主动脉原基形成正常,而第四主动脉弓和前主静脉异常。在更严重的情况下肾上腺素B2−/−突变体,我们观察到胚胎有一条或没有背主动脉,而主静脉总是异常的(图。F) ●●●●。受到严重影响ephB2/ephB3双纯合子的主要血管原基形状异常(图。G) ●●●●。受影响程度较轻的胚胎显示出正常的主动脉背侧和主静脉,但缺乏形成心脏流出道的功能性第四主动脉弓(图。H、 I)。通过躯干这一区域的横截面显示,内皮细胞未能组织成管腔血管(图。J、 K)。综上所述,这些数据表明,很大一部分胚胎需要EphB2/EphB3受体才能正常发育血管。两者都有肾上腺素B2−/−和ephB2/ephB3双突变体显示出通过血管生成形成大血管原基的可变表型,这表明其他配体(可能是ephrinB1)和受体(如EphB4)在这一过程中相互合作。
ephrinB2和ephB2/ephB3突变胚胎中头部、心脏和体间血管的缺陷性血管生成
在E10,野生型胚胎头部包含高度组织化的血管系统,从前主静脉延伸出直径较大的分支(图中的箭头)。A) 和颈内动脉。相反,肾上腺素B2−/−突变体显示出原始的脉管系统,具有大小均匀、组织不良的血管(图。B) 。同样地,ephB2/ephB3双纯合子头部血管较少,直径较小(图。C) 或者,在严重的病例中,在初级毛细血管丛阶段被阻止(数据未显示),表明血管生成没有发生或严重延迟。AP融合蛋白的整体染色显示,头部血管(包括头部毛细血管床)中ephrinB配体和EphB受体的部分重叠表达(图。K、 L)。
脑、心脏和体节血管的血管系统缺陷肾上腺素B2−/−和ephB2/ephB3受体双突变体。PECAM-1全身染色E10胚胎头部区域(A–C). 直径较大的前主静脉分支用白色箭头表示(A类). 请注意ephB2/ephB3双突变胚胎(C类). 在更严重的受体双突变体示例中(数据未显示)肾上腺素B2−/−突变胚胎(B类)头部脉管系统仍然组织为原始的毛细血管丛。PECAM-1染色的野生型心脏(天),肾上腺素B2−/−(E类),ephB2/ephB3双突变体(F类)E10处。注意心脏较小,心室小梁减少肾上腺素B2−/−(E类)和电子线B2/电子线B3双突变体(F类)与野生型心脏相比(天). (G、 H(H))PECAM-1染色的野生型心脏切片(G公司)和ephB2/ephB3双突变体(H(H)). (I–M公司)PECAM-1(E10)染色显示躯干腰段间血管。(我)野生型胚胎显示体间血管(白色箭头)和毛细血管网的分段模式肾上腺素B2−/−突变体(J型).ephB2/ephB3双突变体表现出较温和的缺陷,例如来自体间血管的异常背芽(箭头,K(K)). (五十、 M(M))PECAM-1染色胚胎的矢状切面。(L(左))野生型胚胎。(M(M))肾上腺素B2−/−胚胎显示两个体节在体节边缘有正常血管(*),几个体节有异常的芽伸入体节(黑色箭头)。
正常的心室充满了大量的心肌小梁,心肌壁的指状突起由PECAM-1阳性心内膜细胞排列(图。D、 G)。相反,肾上腺素B2−/−和电子线B2/电子线B3变异心脏较小,心室内折叠的小梁越来越少(图。E、 F、H)。这种表型让人想起缺乏Ang1的胚胎(Suri等人,1996年)或其受体Tie-2(Sato等人,1995年).
在野生型胚胎的主干区,体节间血管排列在体节边界之间。在背部,它们被重塑成高度树枝状的毛细血管网络(图。一) ●●●●。在肾上腺素B2−/−突变体,间质血管表现出较差的组织,并且它们的分支比野生型胚胎中的对应物少(图。J) ●●●●。受影响的ephB2/ephB3双纯合子,在正常的分段模式中存在体间血管。然而,观察到异常的背侧支(图中的箭头)。K) 。PECAM-1染色切片显示体节内类似的异常分支肾上腺素B2−/−突变体(图。M、 箭头)。这些结果表明,EphB2和EphB3在心脏发育以及头部和体节血管系统重塑中是必需的。
EphrinB配体在体外新生血管萌芽实验中诱导毛细血管萌芽
为了开始确定血管生成中细胞对肾上腺素信号的反应,我们使用了体外发芽试验,该试验概述了体内发芽血管生成的一些方面(里索1997). 该检测涉及微载体(MC)珠上的肾上腺皮质衍生微血管内皮(ACE)细胞,用于评估Ang1的发芽活性(Koblizek等人,1998年)也是血管重塑所必需的(Suri等人,1996年). 通过使用ephrinB–IgG融合蛋白(ephrinB-Fc)的流式细胞术,在ACE细胞上检测到ephrinB1和ephrinB2受体的存在(数据未显示)。纯化的肾上腺素B1–Fc诱导了长度超过珠子直径的芽数的显著增加(图。). ephrinB1的发芽活性被两个同源受体EphB1和EphB2的Fc融合完全阻断(Gale等人,1996年)(图。D) ●●●●。EphA5–Fc是Eph受体a亚类的一员,不与ephrinB1结合,在EphA5-Fc存在时未观察到抑制作用。类似的发芽活性与ephrinB2-Fc相关。有趣的是,在这种情况下,配体只有以预先聚集的形式出现时才有效(图。E) ●●●●。这些结果表明,ephrinB1和ephrinB2对毛细血管萌芽具有刺激作用,这可能取决于它们的聚集程度,而这可能与它们的体内功能有关。
EphrinB配体在体外诱导新生血管萌芽。与对照样品孵育的三维纤维蛋白凝胶珠上的肾上腺皮质衍生微血管内皮细胞(第11代)(A类)或纯化肾上腺素B1–Fc(B、 C). (A、 B)相控显微照片。(C类)内皮细胞荧光细胞核用Hoechst染料染色。(D、 E类)芽形成的定量分析,表示为每50MC珠中长度超过珠直径的芽的数量。(天)在没有或存在20μg/ml受体EphB1–Fc、EphB2–Fc或EphA5–Fc.的情况下,使用EphrinB1–Fc.(100 ng/ml)。在本试验中,仅EphB2–Fc没有发芽活性。(E类)EphrinB2–Fc(74 ng/ml)用于未聚集或预聚集,并与Ang-1(670 ng/ml,血管内皮生长因子)和VEGF的饱和量进行比较。数值为平均值±s.e.m.公司。(n个 = 4). (F类)Ang1受体(Tie-2)在体外磷酸化ephrinB1细胞质域。纯化细菌产生的GST–Tie-2或GST单独,将一部分(200 ng)与200 ng GST–ephrinB1胞外区(ext.)或GST–ehrinB1细胞质区(cyto.)结合,并使用[γ]进行体外激酶反应32P] ATP。反应产物通过10%SDS-PAGE分析,考马斯亮蓝染色(未显示),干燥,并暴露于X射线胶片。请注意,ephrinB1细胞质域(而非ephrinB1-胞外域)是Tie-2的直接体外底物。
如上所述肾上腺素B2和EphB2/B3型突变体与之前描述的RTK和配体Tie和Ang家族的小鼠突变体具有惊人的相似性(Dumont等人,1994年;Puri等人,1995年;Sato等人,1995年;Suri等人,1996年). 此外,我们的体外实验表明内皮细胞对这两个家族配体的细胞反应非常相似,因此增加了这两个信号系统在介导这种反应中相互作用的可能性。我们最近发现激活的PDGF受体可以快速诱导肾素B酪氨酸磷酸化顺式(Brückner等人,1997年). Ang1(Tie-2)和VEGF受体与PDGF受体具有相同的结构特征,包括细胞外区域的多个免疫球蛋白样结构域,重要的是,还有一个分裂激酶结构域(Fantl等人,1993年). 因此,我们询问Tie-2受体和ephrinB1之间是否存在类似的生化相互作用。在体外激酶测定中,我们观察到细菌表达的GST–Tie2能够直接磷酸化ephrinB1细胞质结构域(图。F) ●●●●。这些结果表明由可溶性血管生成因子和细胞相关的ephrinB蛋白触发的信号通路之间存在相互作用。
讨论
最近的一份报告Wang等人(1998)展示了动脉上的ephrinB2配体与静脉上的EphB4受体相互作用的图片,这种相互作用对于胚胎血管系统的早期重塑是必需的,并且是足够的。在这里,我们描述了一个更复杂的情况,两个跨膜肾上腺素B配体和三个EphB3受体在血管内皮细胞中或附近表达。我们证明了两个Eph受体,EphB2和EphB3,对于胚胎血管系统的重塑至关重要。与缺乏ephrinB2的小鼠相似,导致大小血管网络的血管生成过程以及需要从现有血管中萌芽和修剪的血管生成程序在一小部分中被中断ephB2/ephB3双突变体。此外,我们的表达和表型分析表明,ephrin–Eph相互作用不仅限于动静脉边界,而且发生在大多数血管系统、内皮细胞之间以及内皮-间充质接触区。
麻黄碱体外调节毛细血管芽的形成
我们还首次证明了内皮细胞对肾上腺素的直接反应,即可溶性肾上腺素B配体在体外诱导内皮细胞的发芽行为,其效力与已知的血管生成因子(如Ang1和VEGF)相当。这些发现表明,肾上腺素在毛细血管芽的形成中具有刺激作用。另外,ephrin–Eph信号可能参与内皮细胞接触抑制的调节。外源性提供的ephrinB可能通过增加细胞运动来缓解细胞接触抑制,从而使发芽在本试验中发生。这项相对简单的测试给出了一个出乎意料的复杂读数,为深入了解肾上腺素对该细胞群的作用提供了机制上的见解。未聚集的ephrinB1能够诱导毛细血管芽,而只有未聚集的ehrinB2表现出相同的活性。虽然不能排除在没有聚集抗体的情况下,在一些ephrinB1嵌合体的制备中发生了一定程度的自发聚集,但我们的发现与已发表的神经元实验密切相关,这些实验表明,未聚集的ephrinB1-在体外崩塌实验中是活跃的。此外,ephrinB2-Fc需要预先聚集以激活EphB4受体(Meima等人,1997年). 这些观察的体内相关性尚不确定。一方面,未聚集的ephrinB1在体外的功效可能意味着该配体在体内有效,即使在低表达水平下也会阻止聚集配体的出现。另一方面,体外对聚集的ephrinB2的需求可能意味着,体内细胞以聚集和未聚集的形式呈现ephrinB2,例如,由于不同的表达水平或对未知分子信号的反应,可能会促进内皮细胞的定性不同反应。
动脉和静脉域之间的边界形成
体内ephrinB和Eph受体功能的机制尚不清楚。情况很复杂,因为(1)内皮细胞和相邻结构上存在几种不同的配体和受体,至少部分重叠表达模式(本报告;Pandey等人,1995年),(2)ephrinB配体与各种EphB受体表现出很大程度的混杂结合(弗拉纳根和范德哈根1998)(3)活性配体受体复合物需要更高阶的肾上腺素簇(本报告;Davis等人,1994年;Gale和Yancopoulos 1997;Stein等人,1998年),(4)ephrinB配体和EphB受体具有双向信号传递的能力(Holland等人,1996年;Brückner等人,1997年). 基于动脉上ephrinB2和静脉上EphB4受体的互补表达,人们认为这两种分子的双向信号传导对胚胎血管系统的发育至关重要(Wang等人,1998). 通过类比它们在神经系统中已知的排斥性相互作用,有人认为,ephrinB2–EphB4相互作用可能在动脉和静脉区域之间形成一个边界,从而简单地防止细胞混合(图。A;Yancopoulos等人,1998年). 有人认为,边界处的相互作用也可能阻止动脉和静脉结构融合成更大的血管,从而确保它们重塑为毛细血管网络。该模型可能在一定程度上是正确的,但需要体外数据显示内皮细胞之间通过ephrin–Eph相互作用的排斥性相互作用。我们对静脉中ephrinB1、EphB3和EphB4共表达的证明证明了更复杂的相互作用。基于排斥的模型需要由ephrinB2与EphB4相互作用介导的信号事件,这与与共表达ephrinB1和EphB3的相互作用不同。
血管重塑过程中推测的肾上腺素和Eph受体的作用机制和部位。(A类)动脉上表达的ephrinB2配体与静脉上表达的EphB3和EphB4受体的相互作用划定了动脉和静脉结构域之间的边界。通过与神经系统中的作用类似,有人认为,肾上腺素与Eph的相互作用可能会阻止动脉和静脉内皮细胞的混合,并且在内皮细胞发芽后,可能会导致毛细血管网络的形成(Yancopoulos等人,1998年). 然而,该模型是基于ephrinB2和EphB4的排他性和互补性表达。(B类)配体和受体在同一类型血管(例如静脉)上的共表达为内皮细胞提供了细胞间信号,这可能是刺激性的,有助于促进形态发生和萌发。(C类)邻近血管的间充质细胞也表达肾上腺素或Eph受体,可能有助于血管系统的模式化。在体节中,这种信号可能被抑制并阻止发芽,而在其他区域,刺激信号是可以想象的。间充质细胞也是血管生成因子的来源,如Ang1和VEGF,它们可能调节ephrinB–EphB受体信号。
血管形态发生过程中的Ephrin–Eph相互作用
我们的原位杂交分析和AP全染色,以及之前发表的体外观察结果(Stein等人,1998年)表明内皮细胞可以共同表达ephrin配体及其同源Eph受体,表明ephrin-Eph信号参与内皮细胞间的通讯。观察到的主动脉弓缺陷肾上腺素B2−/−和ephB2/ephB3双突变胚胎表明内皮细胞上的ephrinB2、EphB3和ephrinB1之间存在这种相互作用。大静脉原基上的ephrinB1、EphB3和EphB4的共表达和相互作用可能是静脉结构重塑所必需的。我们认为,同一血管类型的内皮细胞之间通过ephrin/Eph系统的细胞间相互作用产生刺激信号,促进内皮形态发生和发芽,最终形成功能性血管(图。B) 。在这个过程中触发的信号事件可能与发生在动静脉边界的信号有质的不同。配体聚集和单向与双向信号传递可能为这种信号传递差异提供了分子基础。
内皮细胞与间充质细胞的相互作用
ephrin与Ephf相互作用的另一个潜在部位是内皮细胞与间充质细胞的界面(图。C) ●●●●。我们观察到表达ephrinB2的皮肤肌瘤间充质细胞与表达EphB3和EphB4受体的体间血管密切接触。这种表达与血管重塑具有功能相关性,因为它与体间毛细血管床的减少有关肾上腺素B2−/−和ephB2/ephB3双突变体。此外,在体细胞发生过程中,ephrinB2在体细胞的尾侧半部表达(见图。B类;Wang和Anderson 1997)可能参与体间血管的节段性组织。与这个假设相一致,我们发现在肾上腺素B2−/−突变体和穿透体节的异常芽ephB2/ephB3突变体。基于这些表型,我们推测体液性ephrinB2与内皮EphB受体相互作用的性质可能是抑制芽,因此在突变体中可以看到芽。因此,EphB3和EphB4受体在这种结构中具有细胞自主功能,而间充质肾上腺素B2可以作为这些受体的配体。在脐静脉中观察到相互作用的情况,表达EphB2的间充质细胞与表达配体ephrinB1的PECAM-1阳性内皮细胞紧密接触。虽然我们在ephB2/ephB3突变纯合子,可能是由于与其他EphB受体的功能冗余或外显率低的结果,我们推测内皮细胞附近细胞表达的Eph受体可能作为内皮细胞肾上腺素的配体,它与前连合神经元的反向信号传递机制非常相似(Henkemeyer等人,1996年;Orioli等人,1996年).
间充质细胞也是血管生成因子的来源,如VEGF和Ang1,后者是重塑胚胎血管系统所必需的。这两个信号系统在发展中的脉管系统中如何相互作用?EphrinB–EphB相互作用可能调节Ang1或其受体Tie-2和Tie-1的表达。然而,我们的初步RT-PCR表达分析表明Ang1、Tie-2、和第1级mRNA转录肾上腺素B2−/−突变体(数据未显示)。或者,Ang1和VEGF可能调节ephrinB–EphB信号传导。与此假设一致,我们表明Tie-2至少在体外可以直接磷酸化ephrinB2的细胞质结构域。虽然体内数据尚不可用,但Ang1的作用之一可能是通过诱导酪氨酸磷酸化和肾上腺素逆转信号传导来激活ephrin–Eph信号传导。无论机制如何,我们认为间充质细胞通过分泌因子和通过ephrinB–EphB系统的细胞间信号传导与内皮细胞相互作用(图。C) ●●●●。
神经系统血管生成
神经系统的血管发育涉及从邻近血管向神经外胚层组织的血管生成性萌芽,可能由类似的机制介导,如内皮-间充质相互作用。有趣的是,血管生成性神经系统的萌芽在肾上腺素B2−/−纯合子(数据未显示;Wang等人,1998年). 这些工作人员认为,在与神经管中EphB2表达细胞相互作用后,动脉内皮细胞需要ephrinB2配体信号。然而,我们在ephB2/ephB3双基因敲除胚胎(数据未显示)。这可能是由于神经系统中其他EphB受体(如EphB1)的重叠表达和功能补偿所致。或者,在神经管不同水平表达的ephrinB2可能向EphB3/EphB4-表达的静脉内皮细胞提供萌芽诱导信号,从而刺激毛细血管向神经管内长入。对神经系统中缺乏ephrinB配体的条件突变小鼠的分析有望澄清这个问题。
ephrin–Eph相互作用诱导的信号事件
一些证据表明,在这里展示的两类突变胚胎中观察到的血管表型至少部分是由于EphB受体信号的干扰。我们的体外数据显示,可溶性(聚集性)肾上腺素能诱导出芽,证明EphB受体在介导这种反应中的直接作用,这模拟了体内血管重塑的某些方面。已知活化的EphB受体与Ras GTPase激活蛋白RasGAP结合(Holland等人,1997年)它反过来又招募其他信号分子,这些信号分子最终可能介导细胞反应,如肌动蛋白聚合和细胞形状的改变(布吕克纳和克莱因1998). 有趣的是,缺乏RasGAP的小鼠表现出与此处描述的小鼠表型相似的血管重塑缺陷(Henkemeyer等人,1995年),增加了RasGAP介导内皮细胞中EphB受体信号的可能性。
ephrinB配体的反向信号传导也可能有助于此处所述小鼠的表型。观察到的血管重塑缺陷ephB2/ephB3双突变小鼠必须至少部分地将外源性信号反射到内皮细胞,因为在血管上没有观察到EphB2的表达。间充质EphB2和内皮EphB3受体之间的功能冗余可能是由于与内皮ephrinB1的相互作用,其主要功能可能是受体。关于ephrins下游的信号传导事件知之甚少。活化的ephrinB配体在酪氨酸上磷酸化,从而启动磷酸化酪氨酸介导的信号传递,同时通过在同一细胞中表达的活化受体酪氨酸激酶抑制信号传递(Brückner等人,1997). 这表明内皮细胞中的ephrinB信号可以和许多已知对血管生成和血管生成至关重要的受体酪氨酸激酶相互作用(里索1997).
未来的方向
Ephrins和Eph受体已被发现在多种实体肿瘤和肿瘤细胞系中表达(Brambilla and Klein 1995年). 我们观察到,这些基因家族的无效突变导致血管重构缺陷,这增加了阻断ephrin–Eph受体相互作用可能干扰肿瘤组织新生血管形成,从而影响肿瘤生长的可能性。成年期缺乏肾上腺素或Eph受体的条件突变体可能是证明病理性血管生成对这些分子需求的重要工具。
材料和方法
靶向载体和突变小鼠的产生
替代型靶向载体pRA62由11.7 kb的肾上腺素B2基因组序列(长臂10.5kb,短臂1.2kb),由PGK驱动新磁带两侧有loxP位点和lacZ公司融合到小鼠跨膜结构域的基因trkB型[pJP68;位于trkB型cDNA(Klein等人,1989年)],在小鼠中ephrinB2假定信号肽[核苷酸位置87]下游插入5个氨基酸肾上腺素B2cDNA(Bergemann等人,1995年)]. 根据标准方案进行细胞培养、R1 ES细胞电穿孔、G418筛选和胚泡注射。对早期胚胎进行RT-PCR分析,确认没有肾上腺素B2mRNA输入肾上腺素B2−/−突变体(数据未显示)。杂合子代没有显性表型,但没有肾上腺素B2−/−突变体是在杂合子雌性和雄性杂交后出生的,表明存在隐性致死表型。出生的杂合子数量减少了一半(数据未显示),表明胚胎对ephrinB2的需求依赖于剂量。在129/svev×C57Bl/6和129/svev-×CD1混合遗传背景中分析突变表型,结果基本相同。已描述EphB2(Nuk)和EphB3(Sek4)突变小鼠(Henkemeyer等人,1996;Orioli等人,1996年). 所述缺陷在ephB2型空/lacZ;ephB3−/−C57Bl/6背景中的突变体。
RT-PCR分析
通过标准程序从野生型卵黄囊和胚胎中提取mRNA,并用寡核苷酸(dT)进行反转录15引物和PCR扩增。检测各种肾上腺素/肾上腺素基因,使用以下引物对:肾上腺素B2,5′-CTGTGGCCAGACCAAGAG-3′(正义),5′-CAGCAGAACTTGCATCTTGTC-3′(反义);肾上腺素-B1,5′-AAGCCACCAGAAATCCGC-3′(有义),5′-CGGTGCCCGCTGTACCACTAC-3’(反义);ephB2型,5′-ATGCCTTCTCCACCCTCTCCC-3′(正),5′-TCTTCCTAGTTATGAGTTCTAC-3′(反义);ephB3,5′-GCTGGTGAGTTTGGGAAGTG-3′(有义),5′-GTGACCAATCCTTAGC-3′(反义);ephB4型,5′-CAGGTGGTCAGCGCTCTGGAC-3′(有义),5′-ATCTGCCACGGTGGTGAGTCC-3′(反义)。
整体免疫组化
根据已公布的方案,分离、固定野生型和突变胚胎,并用抗PECAM-1的大鼠抗体(Pharmingen 1:100稀释)和抗大鼠IgG的二级抗体以及亲和素结合过氧化物酶(Vector)进行染色。对于双重免疫组化,胚胎被固定,用5%H漂白2O(运行)2在甲醇中培养5小时,用3%速溶脱脂奶粉、0.1%Triton X-100在PBS中封闭2小时,同时用PECAM-1(Pharmingen,1:100)和ephrinB2(Santa Cruz,1:50)的一级抗体在4°C封闭溶液中培养过夜。在封闭溶液中进行大量清洗后,胚胎再次在4%多聚甲醛中固定2小时,在PBS中清洗,并在65°C下培养30分钟以灭活内源性磷酸酶。然后,如前所述,用二级抗体(生物素化抗鼠IgG,Vector,1:100;抗兔IgG碱性磷酸酶偶联物,Sigma,1:100)孵育2小时。最后,对胚胎进行广泛清洗,用碱性磷酸酶反应染色,用亲和素结合过氧化物酶(Vector)孵育过夜,再在封闭缓冲液中清洗,并在3,3′-二氨基苯并胺四氢氯化物(DAB)中发育。
碱性磷酸融合蛋白的整体染色
对野生型胚胎(CD1)的胚胎和卵黄囊进行解剖,在室温下用Dent的固定剂(20%二甲基亚砜,80%甲醇)处理30分钟,用PBS洗涤三次(每次5分钟),并用融合蛋白孵育(10 n)米)Eph受体或肾上腺素和人分泌的碱性磷酸酶(Brambilla等人,1995年)DMEM中,10%小牛血清,0.1%NaN三.如前所述进行磷酸酶的洗涤、热灭活和显色(Cheng和Flanagan 1994).
体外激酶测定
GST与小鼠Tie2胞质结构域(GST-Tie2)、人ephrinB1(GST-ephrinB1)胞外或细胞质结构域的融合蛋白在细菌菌株XL1-blue中表达,并根据标准方案进行纯化。GST–Tie2或GST(200–300 ng)对照与类似量的GST–ephrinB1底物一起培养在20 m米HEPES(pH 7.2),10 m米氯化锰2,1米米DTT,5μ米ATP,185 kBq[γ-32P] ATP(Amersham),100 n米原钒酸钠,1×完整蛋白酶抑制剂鸡尾酒(Boehringer Mannheim),37°C下20分钟。在10%SDS-聚丙烯酰胺凝胶中通过电泳分离蛋白质后,将真空干燥的凝胶暴露于X射线胶片(柯达X-OMAT AR)36小时。