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发展。2012年5月1日;139(9): 1557–1567.
数字对象标识:2012年10月12日/2006年7月7日
预防性维修识别码:项目经理3317964
PMID:22492351

不同水平的Notch信号调节胰腺内分泌祖细胞的静止、更新和分化

关联数据

补充资料

摘要

遗传学研究表明Notch信号与胰腺祖细胞的维持有关。然而,Notch信号传导如何在单细胞水平上调节胰腺祖细胞的静止、增殖或分化行为仍不清楚。在这里,我们使用单细胞遗传分析和一种新的转基因系统来动态评估Notch信号,研究Notch信号的离散水平如何调节斑马鱼胰腺内导管内分泌祖细胞的行为。我们发现这些祖细胞经历不同水平的Notch信号传导,进而调节不同的细胞结果。高水平的Notch信号诱导静息,而低水平的Notch信号促进祖细胞扩增。Notch信号的持续下调触发了一个多步骤过程,包括内分泌分化前的细胞周期进入和祖细胞扩增。重要的是,祖细胞扩增和分化可以通过调节Notch信号下调的持续时间和/或程度来解耦,这表明这些过程是由不同水平的Notch信号触发的。这些数据表明,不同水平的Notch信号在祖细胞群体中驱动不同的行为。

关键词:凹口,内分泌,胰腺,祖细胞,转基因,斑马鱼

简介

胰腺由腺泡细胞组成,腺泡细胞产生消化酶、导管细胞和激素分泌内分泌细胞,包括胰岛素分泌β细胞。了解β细胞的发育对于我们为糖尿病患者设计更有效的治疗方法至关重要。这种疗法可以利用干细胞体外分化β细胞或体内刺激β细胞形成。因此,确定能够招募和激活内分泌祖细胞的机制,以及能够促进祖细胞种群更新的机制,是重要的目标。

Notch信号通路是哺乳动物胰腺祖细胞动力学的重要调节器。胰腺域Notch信号成分的基因缺失导致假定的Notch应答祖细胞过度分化为内分泌细胞,包括β细胞(Apelqvist等人,1999年;Jensen等人,2000年). 遗传谱系追踪研究进一步证实了这些发现,表明在正常发育过程中,Notch-responsive cells(NRCs)有助于内分泌新生(Kopinke等人,2011年).

最近,在斑马鱼胰腺中发现了类似的NRC群,它们对导管细胞和内分泌细胞起作用(Parsons等人,2009年;Wang等人,2011年). 当γ-分泌酶受到抑制时,NRC产生内分泌细胞,包括β细胞(Parsons等人,2009年;Wang等人,2011年). NRC首先出现在腹侧胰腺芽中,与背侧胰腺芽衍生细胞混合后,向后扩张,形成由腺泡细胞包围的相互连接的细胞网络(Parsons等人,2009年;Wang等人,2011年). 在幼虫发育过程中,根据遗传谱系追踪评估,NRC产生内分泌细胞,从而导致沿胰腺导管(IPD)形成次级胰岛(Wang等人,2011年).

在这里,我们在单细胞水平上解决了关于胰腺中这些Notch应答祖细胞的几个关键问题,包括:(1)细胞命运转换期间Notch信号的水平如何;(2) 什么比例的Notch反应祖细胞能够产生内分泌细胞;(3) 扩散或保持沉默的决定是如何被监管的;和(4)不同水平的Notch信号是否与不同的细胞反应有关?

我们使用了新的和已有的Notch信号转导、内分泌新生和增殖的报道者,并辅以实时成像和功能丧失和获得方法,以表明这些祖细胞经历了不同水平的Notch信息转导,调节不同的细胞结果。我们的分析揭示了Notch信号水平在调节静止、更新和分化中的新作用。

材料和方法

斑马鱼品系和品系

斑马鱼是在28°C的标准条件下饲养的。在12hpf时加入苯基硫脲(PTU)以防止色素沉着。热休克方案为:14hpf,39.5°C,20min;3.5 dpf,39.5°C,持续30分钟;4.5 dpf,39.5°C,持续25分钟。使用网收集胚胎和幼虫,并使用预先加热的卵水将其转移到在所需温度下含有最小体积卵水的盘子中。我们使用了以下几行:Tg(Tp1bglob:eGFP)第14个月(Parsons等人,2009年),缩写Tg(Tp1:eGFP);TgBAC(神经:EGFP)nl1(Obholzer等人,2008年),缩写Tg(神经元:EGFP);Tg(-3.5nkx2.2a:GFP)国际原子能机构3(Pauls等人,2007年),缩写Tg(nkx2.2a:GFP);Tg(hsp70l:Gal4)1.5千卡4(Scheer等人,2001年),缩写Tg(hsp:Gal4);Tg(UAS:myc-Notch1a-intra)碳酸钾(Scheer等人,2001年)和mib公司ta52b型(Itoh等人,2003年).

DNA构建和转基因株系

Tg(Tp1bglob:H2Bm樱桃)S939系列,缩写Tg(Tp1:H2Bm樱桃)、和Tg(TP1bglob:静脉PEST)S940系列,缩写Tg(TP1:静脉PEST),是使用pT2KXIGΔ在主链中产生的(Urasaki等人,2006年).Tg(hsp:ZdnSu(H)-myc;hsp:GFP)S941系列通过将ZdnSu(H)-myc放置在含有双向热冲击元件的载体下游而生成(Bajoghli等人,2004年;Row和Kimelman,2009年)在每侧驱动GFP和ZdnSu(H)-myc。使用tol-2系统在AB或TL中产生转基因(Kawakami等人,2004年). 为每个构造建立了多条线;所有实验都使用了一条具有代表性的线。

myc-Notch1a-intra在LY411575号-和经DAPT处理的幼虫

幼虫来自Tg(hsp:Gal4);Tg(UAS:myc-Notch1a-intra)半合子和Tg(Tp1:H2Bm樱桃);Tg(神经元:EGFP)鱼在3.5 dpf下受到热休克,并在DMSO、DAPT或10μM中孵化LY411575号直到6.5 dpf。在3.5 dpf下myc-Notch1a-intra的过度表达诱导了整个幼虫的Notch激活,这可以通过上调Tg(Tp1:H2BmCherry)表达(图2G)热休克24小时后抗myc染色检测到myc-Notch1a-intra几乎无处不在的表达(数据未显示),与之前的研究一致(Scheer等人,2002年). 幼虫未表现出上调Tg(Tp1:H2Bm樱桃)Myc免疫反应呈阴性表达(数据未显示)。

保存图片、插图等的外部文件。对象名称为DEV076000F2.jpg

增加Notch信号下调水平导致NRC内分泌分化增加。(A-D公司')Tg(Tp1:H2Bm樱桃);Tg(神经细胞:EGFP)幼虫被用来标记NRC(红色)和内分泌分化(绿色)。幼虫用(A)DMSO、(B)100μM DAPT、(C)10μMLY411575号和(D)50μMLY411575号从3.5到6.5dpf,在7.5dpf下进行分析。2F11染色标记IPD。(A,A′)根据2F11免疫反应性(箭头)评估,在对照幼虫中,胰腺NRC形成IPD。白色箭头表示IPD沿线的内分泌细胞。(B,B′)在DAPT处理的幼虫中,PI后面的一些NRC分化为内分泌谱系,如以下评估所示Tg(神经:EGFP公司)表达式(箭头)。根据2F11免疫反应性(箭头)评估,大多数NRC保留IPD细胞身份,并且没有经历内分泌分化(箭头)。(C,C′)在用10μMLY411575号根据2F11免疫反应性(箭头)评估,保留IPD细胞身份的NRC数量较少(与B相比)。请注意,大多数Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+分化为内分泌细胞的细胞Tg(神经:EGFP公司)表达。箭头表示内分泌细胞。(D,D′)在50μM处理的幼虫中LY411575号,绝大多数NRC转化为内分泌细胞Tg(神经:EGFP公司)表达并聚集成次级胰岛(箭头)。根据2F11免疫反应评估,IPD网络不存在。(E-G公司')从杂交获得的幼虫Tg(hsp:Gal4);Tg(UAS:myc-Notch1a-intra)半合子和Tg(Tp1:H2BmCherry);Tg(神经元:EGFP)将鱼在3.5dpf下热休克以诱导myc-Notch1in-tra表达,并在DMSO或10μM中孵育LY411575号直到6.5 dpf。(E,E′)二甲基亚砜处理的(myc-Notch1a-intra)幼虫。上箭头,PI;下箭头,IPD。(F,F′)ALY411575号-处理(myc-Notch1a-intra)幼虫有异位的次级胰岛(下箭头)。注意PI的增大尺寸(上箭头;与E相比)。[Tg(神经:EGFP公司)大脑中的表达也增加了(黄色箭头)。](G,G′)A(myc-Notch1a-intra)+幼虫用LY411575号IPD(下箭头)沿线没有次级胰岛,PI的大小也没有增加(上箭头)。请注意Tg(Tp1:H2Bm樱桃)表达。(H-I〃′)Tg(Tp1:H2Bm樱桃)用(H,H′)二甲基亚砜和(I-I〃′)50μM处理的幼虫LY411575号3.5至6.5dpf,在7.5dpf下进行胰高血糖素和胰岛素染色。LY411575号-经过处理的幼虫,NRC在PI后面形成了五个胰岛(箭头所示)。这些胰岛含有NRC衍生的α和β细胞。(I〃,I〃′)两个小岛的几个平面的高放大投影(关于完整堆栈,请参见补充材料电影4)。I〃中的黄色和白色箭头分别指向α和β细胞。所有图像均为侧视图,前面朝向顶部,腹部朝向右侧。2F11层+,Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+Tg(神经:表皮生长因子)+IPD腹侧的细胞是肠细胞。比例尺:A-D′,H-I′中为20μm;E-G中为100μm。

免疫荧光和成像

使用的抗体有:GFP(1:1000,Aves Labs)、c-Myc(1:100,9E10 Santa Cruz)、小鼠单克隆抗体2F11(1:100;Abcam,Cambridge,UK)、Pdx1(1:200,美国田纳西州范德比尔特大学Chris Wright赠送)、胰岛素(1:100)、胰高血糖素(1:300,Sigma)和Alexa二级抗体(1:300;Invitrogen)。幼虫在4°C下放置在4%PFA中过夜。去除皮肤和蛋黄后,幼虫在0.4%PBT(TritonX-100)中渗透,并在4%PBTB(BSA)中封闭。在4℃下过夜进行一级抗体染色,在4℃条件下过夜或在室温下3小时进行二级抗体染色。样品安装在一层1.2%的低熔点琼脂糖中,覆盖Vectashield,并使用蔡司LSM5共焦显微镜成像。除非另有说明,否则图像是堆栈的投影。对于图2E-G补充材料图S1A-F,使用蔡司-卢玛立体显微镜实时采集图像。对于共焦实时成像,用低剂量三嗪麻醉幼虫,将其置于玻璃底培养皿(MatTek)中,培养皿上涂有1.2%的低熔点琼脂糖,并使用40倍的水浸物镜成像。使用ImageJ和斐济处理电影。电影是堆栈的投影,除了补充材料电影2,经历了由于肠道收缩导致的严重样本运动的时间点。为了纠正z-畸变,投射出跨越内分泌细胞的几个平面。由于过度移动,一些时间点被删除;它们的位置在时间刻度上显示。

在所有图像中,使用LSM软件和ImageJ线性均匀地调整亮度和对比度。Photoshop用于添加标签、箭头、比例尺和绘制单元格轮廓。

量化Tg(TP1:静脉PEST)荧光强度

使用斐济在共焦叠加的各个平面上分析荧光强度。Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+教育部+和EdU概述了NRC和平均值Tg(TP1:静脉PEST)每个细胞的强度是通过在包含细胞核的最亮平面上画一个定义区域的圆来计算的。

化学处理

DAPT(565784,EMD Chemicals)和LY411575号在二甲基亚砜中制备。DAPT用于100μM。DAPT和LY411575号在PTU蛋水和二甲基亚砜中稀释至最终浓度为1%的二甲基亚磺酸,并通过涡流进行混合。将10只幼虫置于12孔板中的1ml PTU卵水中。

EdU分析

在以4 dpf开始的EdU细胞周期实验中,为了减少实验可变性,只选择了表现出膀胱膨胀的幼虫。教育部(E10187号将DMSO中的Invitrogen)库存溶解在PTU鸡蛋水中。EdU在7 mM下使用,DMSO最终浓度为1.7%,以获得更好的渗透性。如前所述,EdU染色25分钟(Hesselson等人,2009年)抗体染色后。

统计分析

P(P)-使用未配对的双尾t吨-使用Excel(Microsoft)进行不等方差测试。

结果

胰腺内分泌祖细胞Notch信号的动态调节

利用基于TP1模块(最小启动子前的多个RBP-Jk-结合位点)的Notch报告线,可以对经历Notch信号传导的细胞(包括胰腺NRC)进行可视化(加藤等人,1997年;Kohyama等人,2005年;Parsons等人,2009年). 然而,目前可用的Notch报告基因转基因系使用的荧光蛋白具有相对较长的持续时间(Parsons等人,2009年). 为了跟踪胰腺NRC中Notch信号的动态,我们生成了表达不稳定荧光蛋白(VenusPEST)的双转基因株(Aulehla等人,2008年)TP1元件下具有增强稳定性的荧光蛋白(组蛋白2BmCherry)。PEST降解显著降低了融合蛋白的半衰期(哺乳动物细胞中GFP-PEST的半衰率从23小时降至2小时)(Li等人,1998年)而与组蛋白融合的荧光蛋白具有较长的半衰期(Brennand等人,2007年). 评估Tg(TP1:H2Bm樱桃);Tg(TP1:静脉PEST)组合可用于区分经历过Notch信号但已关闭的NRC和目前经历Notch信号的NRC(图1A),我们治疗了Tg(TP1:H2Bm樱桃);Tg(TP1:静脉PEST)幼虫使用γ-分泌酶抑制剂(GSI)DAPT,以阻断Notch信号。DAPT治疗2天后,胰腺NRCs丢失Tg(TP1:VenusPEST公司)荧光但保持不变Tg(TP1:H2Bm樱桃)高水平标记(补充材料图S1A-C)。此外,与已发布的Tg(TP1:eGFP)线路(Parsons等人,2009年)表明了这一点Tg(TP1:静脉PEST)提供了更灵敏的Notch信号动力学读数(补充材料图S1D,E)。作为对VenusPEST报告者敏感性的进一步测试,我们使用第二代DAPT衍生物诱导Notch信号短暂但强烈的下调(LY411575号)(Fauq et al.,2007),在斑马鱼中,当浓度为DAPT的十分之一时,其效力与DAPT相当(Rothenaigner等人,2011年). 用10μM处理幼虫LY411575号连续12小时(4-4.5 dpf)显示Tg(TP1:静脉PEST)胰腺NRC表达;然而,用50μMLY411575号显示持续下调Tg(TP1:静脉PEST)表达,因为多个NRCTg(Tp1:H2Bm樱桃)+但是Tg(Tp1:静脉害虫)(补充材料图S2)。这些数据表明Tg(TP1:静脉PEST)提供胰腺NRC中Notch信号的灵敏读数。最后,为了评估TP1元件对Notch信号的特异性,我们检测了Tg(TP1:电子GFP)在60个hpf胚胎中的表达精神炸弹(mib公司)突变,消除Notch信号(Itoh等人,2003年). 纯合子mib公司突变抑制TP1模块的活性(补充材料图S1F)。

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Notch信号的不同水平决定了NRC的不同或静止状态。(一个)Tg(Tp1:H2Bm樱桃)驱动H2BmCherry在NRC中的表达,其半衰期很长。Tg(Tp1:病毒有害物)驱动NRC中半衰期短的不稳定VenusPEST荧光蛋白的表达。具有激活Notch信号的细胞是Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+Tg(Tp1:静脉害虫)+。具有激活Notch信号但丢失Notch信号的细胞是Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+但是Tg(Tp1:静脉害虫)(补充材料图S1A-C,图S2)。(B-D公司″)Tg(Tp1:H2Bm樱桃);Tg(Tp1:病毒有害物)将幼虫固定在进行性发育阶段,并对其进行胰岛素染色以显示β细胞。NRC经历细胞形状变化、迁移和增殖以构建IPD。(D-D“)在4.5 dpf时,一对β细胞(白色箭头)沿IPD形成了一个次级胰岛。为了更好地显示这些细胞,在D′,D〃中显示了一个高倍率的单平面,带有单独的通道。两个β-细胞(箭头)是Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+但是Tg(Tp1:静脉害虫),表明它们起源于关闭Notch信号传导的NRC。(E类,E’)Tg(Tp1:H2Bm樱桃);Tg(Tp1:VenusPest)幼虫被固定并在5.5dpf下进行检测。图中显示了穿过IPD的单个平面。根据荧光强度Tg(Tp1:静脉害虫)表达式,NRC为Tg(Tp1:静脉害虫)你好(黄色箭头),Tg(Tp1:静脉害虫)低的(白色箭头)或Tg(Tp1:静脉害虫)(箭头),表示它们经历了不同级别的Notch信号。(F类,F’)实时成像Tg(Tp1:H2Bm樱桃);Tg(神经元:EGFP)幼虫在3.5dpf。Tg(Tp1:H2Bm樱桃)表达式标签NRC(红色)和Tg(神经:EGFP公司)表达标记内分泌细胞及其直接祖细胞(绿色)。白色箭头表示内分泌细胞分化。黄色箭头表示随着时间的推移,单个NRC会上调Tg(神经:EGFP公司)表达,提示内分泌谱系分化开始。由于胰腺的形态发生,细胞的位置会随着时间而改变。(克-克″)Tg(TP1:H2BmCherry);Tg(TP1:静脉PEST)幼虫与EdU孵育4至5 dpf,用于细胞周期分析。黄色箭头表示Tg(TP1:静脉PEST)你好NRC;大多数是EdU而相邻NRC的Tg(TP1:静脉PEST)表达式为EdU+(白色箭头)。(H(H))平均值Tg(TP1:静脉PEST)计算163 EdU的荧光强度和109 EdU+NRC(来自四个幼虫的共聚焦堆栈)。EdU幼虫之间的平均荧光强度值(±s.d.)NRC为148(s.d.=17.4),EdU为+NRC为63.9(标准差=34.2)(P(P)<0.01). 所有图像均为侧视图,前面朝向顶部,腹部朝向右侧。C、D和F中IPD腹侧的NRC是肠细胞。比例尺:20μm。

接下来,我们观察了胰腺NRC中Notch信号动力学(图1B-E). 这些细胞经历细胞形状变化、迁移和增殖以形成IPD(图1B-D)通过IPD标记2F11的联合染色进行评估(Dong等人,2007年) (补充材料图S1G)。在这些阶段,胰腺NRC明显表现出不同水平的Tg(TP1:静脉PEST)表达式(图1E). 在3.5 dpf时,NRC的平均值为6%(s.d.=2%)(每个幼虫29个NRC,s.d.=5个细胞,n个=4只幼虫)在胰腺尾部Tg(TP1:VenusPEST公司)而在5.5 dpf时,它们的数量增加到平均10%(s.d.=3%)(每个幼虫55个NRC,s.d.=3个细胞,n个=4只幼虫)。在此期间,我们还观察到了胰岛素+β细胞沿着IPD种植次级胰岛(图1D). 重要的是,β细胞Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+但是Tg(Tp1:静脉害虫),表明它们来自关闭Notch信号的NRC(图1D′)(四个幼虫有八个细胞)。

为了进一步了解NRC的内分泌分化,我们对转基因幼虫进行了活体成像。为了跟踪内分泌分化,我们使用Tg(神经元:EGFP)标记所有胰腺内分泌细胞及其直接祖细胞(Soyer等人,2010年;Dalgin等人,2011年;Kimmel等人,2011年). 在3.5 dpf时,我们观察到Tg(神经:EGFP公司)单个NRC中的表达(图1F;补充材料电影1),表明内分泌分化的开始。在4.5 dpf时,彼此相邻分化的内分泌细胞结合形成次级小胰岛(补充材料电影2)。有趣的是,在长达12小时的8个内分泌细胞成像中(从3.5和4.5 dpf开始),没有观察到任何细胞分裂,这表明内分泌谱系的分化与细胞周期退出或非常缓慢的增殖有关。此外,我们通过实时成像观察到,未经历内分泌分化的NRC活跃地分化为3.5至4dpf(补充材料电影3)。

为了确定Notch信号水平是否与NRC的细胞周期进展相关,我们通过培养Tg(TP1:H2Bm樱桃);Tg(TP1:静脉PEST)具有复制标记物5-乙炔基-2′-脱氧尿苷(EdU)的幼虫从4到5 dpf(图1G). 我们观察到,EdUNRCs表现出更高的平均荧光强度Tg(TP1:VenusPEST公司)表达(148,s.d.=17.4)比EdU+NRC(63.9,标准差=34.2)(图1H). 这些数据表明,在4至5 dpf之间,NRC的Tg(TP1:静脉PEST)与低水平的NRC相比,表达不太可能在细胞周期中进行,这表明高水平的Notch信号与静止/缓慢循环相关。

大多数NRC的内分泌分化需要Notch信号的强烈下调

如上所述,在幼虫发育期间很少有NRC进入内分泌谱系(图1D、F); 这种低水平的内分泌分化可能是因为只有少数NRC有能力成为内分泌细胞,或者是因为Notch信号下调受到如此严格的调控,以至于极少数NRC在一定程度上失去了与内分泌谱系分化相适应的Notch信号。

为了区分这些可能性,我们诱导了Notch信号的强烈下调,并评估了分化为内分泌细胞的NRC的比例。我们治疗了Tg(Tp1:H2Bm樱桃);Tg(神经元:EGFP)带有DAPT或LY411575号从3.5到6.5 dpf,并在7.5 dpf下进行检查(图2). 作为对照,DMSO处理的幼虫在7.5 dpf的IPD上几乎没有内分泌细胞(图2A),由评估Tg(神经:EGFP公司)表达。经DAPT处理的幼虫表现出增大Tg(神经:EGFP公司)+IPD沿线的内分泌胰岛(图2B). 这些胰岛是通过分化内分泌细胞聚集而形成的(数据未显示)。重要的是,我们发现275个Tg(神经:EGFP公司)+单元格(n个=8只幼虫),99%为Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+表明在Notch信号下调时,所有内分泌细胞都来自NRC。然而,我们在胰腺尾部平均检测到35个NRC(s.d.=18个细胞,n个=12只幼虫),即使在DAPT处理后也没有分化为内分泌细胞。这些细胞保持较高的2F11免疫反应性,并表现出导管形态(图2B). 用10μM处理LY411575号从3.5到6.5 dpf,未经历内分泌分化的胰尾NRC数量显著减少至平均13个细胞(s.d.=8个细胞,n个=11只幼虫)(图2C). 引人注目的是,20只幼虫中有2只用50μMLY411575号胰腺尾部绝大多数NRC转化为内分泌细胞(图2D). 这些观察强烈表明,大多数NRC能够在有效的Notch信号下调后产生内分泌细胞。

为了进一步测试阻断Notch细胞内结构域(NICD)分裂的GSIs诱导的内分泌分化是否特异于Notch通路,我们使用Tg(hsp:Gal4);Tg(UAS:myc-Notch1a-intra)该系统采用3.5dpf的热激幼虫,然后用LY411575号(10μM)和DAPT直到6.5 dpf。LY411575号-处理(myc-Notch1a-intra)幼虫在主胰岛(PI)后面形成50多个内分泌细胞,而(myc-Notch1a-intra)+幼虫用LY411575号PI后面平均有四个内分泌细胞形成(s.d.=3.25细胞,n个=9只幼虫)(图2E-G).

我们还检测了50μM治疗后特定胰腺激素的表达,包括胰岛素和胰高血糖素LY411575号,并观察到NRC衍生的α和β细胞的大量分化(图2H,I;补充材料电影4)。总之,这些数据表明,在Notch信号下调时,NRC分化为各种内分泌细胞类型。

Notch信号的下调诱导内分泌分化前的细胞周期进入

高水平的Notch信号与静止/慢循环相关,而低水平与祖细胞扩增相关(图1G、H); 此外,内分泌分化需要强大的Notch信号下调(图2). 为了进一步描述从NRC向内分泌细胞过渡期间细胞周期进展和内分泌分化是如何相互关联的,我们分析了Notch信号下调时的细胞周期进展与分化。我们孵化了Tg(Tp1:H2Bm樱桃);Tg(神经元:EGFP)10μM的幼虫LY411575号和EdU治疗52小时(4-6 dpf),这样我们就可以识别出在此期间经过S期的所有细胞(图3A-C). 我们发现65%(s.d.=16%,129个细胞计数,n个=7只幼虫)新形成的内分泌细胞为EdU+(图3B,C). 重要的是,在检查未经历内分泌分化的NRC时,我们发现EdU是其两倍+在里面LY411575号-处理过的幼虫(85%EdU+细胞,s.d.=16%,计数140个细胞,n个=7只幼虫),而对照组(43%,s.d.=7%,计140个细胞,n个=7只幼虫)(图3C)表明Notch信号的下调导致大多数NRC进入细胞周期。

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Notch信号下调诱导NRC的细胞周期进程,而Notch信号上调触发NRC的静止。(A-C公司)用DMSO或10μM处理幼虫LY411575号在EdU在场的情况下,从4至6 dpf(52小时)。(A) DMSO处理的对照幼虫。黄色箭头表示EdU+NRC;白色箭头表示沿着IPD的两个内分泌细胞(几个平面的投影)。(B) LY411575号-处理后的幼虫内分泌细胞数量增加。注意,大多数新的内分泌细胞是EdU+(箭头),只有两个内分泌细胞是EdU(箭头)(几个平面的投影)。然而,当内分泌分化时,NRC退出细胞周期(参见补充材料图S3B、C)。(C) 教育程度平均百分比的量化+蓝条:DMSO对照组中平均43%的NRC为EdU+(7只幼虫计140个细胞)。红条:平均85%的NRC在LY411575号-处理过的幼虫为EdU+(7只幼虫计140个细胞)(P(P)<0.001). 绿色条:大多数(65%)新内分泌细胞是EdU+(7只幼虫计129个细胞)。误差条表示s.d(D类,E类)幼虫在4.5 dpf下热休克,诱导(D)ZdnSu(H)-myc或(E)myc-Notch1a-intra的镶嵌表达,并在EdU中孵育24小时(4.5至5.5 dpf)。在转基因阳性或阴性细胞中对EdU掺入进行评分。(D) (ZdnSu(H)-myc)+细胞通过GFP表达鉴定(补充材料图S4A)。黄色箭头表示五个绿色荧光蛋白+NRC,均为EdU+.邻近GFPNRC(白色箭头)随机合并EdU(几个平面的投影)。GFP的81%+NRC是EdU+(52只幼虫中有104个细胞),而GFP的42%NRC是EDU+(9只幼虫中有351个细胞)。(E) Myc染色标记Myc-Notch1a-intra过度表达细胞(红色)和Tg(Nkx2.2a:GFP公司)表达标记IPD细胞(绿色)。Myc公司+IPD单元为EdU(黄色箭头)。EdU公司仅限于邻国Myc-IPD单元(白色箭头)(几个平面的投影)。所有图像均为侧视图,前面朝向顶部,腹部朝向右侧。比例尺:20μm。

大多数内分泌细胞为EdU+可能是因为它们来源于内分泌分化前增殖的NRC,或者是因为它们在分化后增殖。为了区分这些可能性,我们在启动Notch信号下调36小时后分析了细胞周期进展。我们孵化了Tg(Tp1:H2Bm樱桃);Tg(神经元:EGFP)10μM的幼虫LY411575号持续60小时(4至6.5 dpf),并在延迟36小时(5.5至6.5 dpv)后添加EdU。令人惊讶的是,只有8%(s.d.=3.3%,计182个细胞,n个=4只幼虫)的NRC衍生内分泌细胞为EdU+(补充材料图S3B、C)。与内分泌细胞相比,没有经历内分泌分化的NRC中有很大一部分是循环的,通过EdU掺入进行评估(60%EdU+细胞,s.d.=7%,计数140个细胞,n个=7只幼虫)。这一比例远远高于EdU的比例+DMSO对照中的NRCs(11%,s.d.=6.5%,计数100个细胞,n个=5只幼虫)(补充材料图S3A-C)。这些结果表明:(1)Notch信号的下调导致许多胰腺NRC在内分泌分化之前通过细胞周期进行;(2)内分泌分化后NRC退出细胞周期。

缺口信号水平调节扩散或保持沉默的决定

为了测试Notch信号的下调是否自主诱导NRCs细胞的细胞周期进程,我们产生了在合成的双向热休克启动子下表达显性阴性版本的NICD转录辅助因子无毛抑制因子[ZdnSu(H)-myc]的转基因系(Bajoghli等人,2004年). 这种结构允许GFP和ZdnSu(H)-myc在同一细胞中表达,从而可以追踪它们的行为(补充材料图S4A)。的过度表达Tg(热休克蛋白:ZdnSu(H)-我的; hsp(高速):GFP公司)胚胎中Notch信号的激活受损Tg(hsp:ZdnSu(H)-我的; hsp(高速):GFP公司)-在几个器官中表达细胞(补充材料图S4B-D),验证该线路作为一种工具,可以自动下调Notch信号细胞。然后我们触发了Tg(hsp:ZdnSu(H)-我的; hsp(高速):GFP公司)4.5 dpf热休克幼虫,并分析胰腺NRC的细胞周期进展(图3D). 我们检测到0到8 GFP+每只幼虫的NRC(图3D)由于热诱导启动子在该发育阶段具有花叶病活性。104 GFP分析+NRC(核管理委员会)(n个=52只幼虫)表明81%是EdU+,与GFP相比增加了两倍NRC(42%教育+在计数的351个细胞中,n个=9只幼虫)。因此,细胞通过通路的典型分支自主下调Notch活性,导致胰腺NRC增殖增加。

这些数据表明,NRC保持静止或增殖的决定受Notch信号水平的调节。为了进一步验证这个假设,我们使用了Tg(hsp:Gal4); Tg(UAS:myc-Notch1a-intra)幼虫通过热休克过度表达myc-Notch1a-intra(过度激活Notch信号),并在NRC中记录EdU掺入。在4.5dpf下诱导myc-Notch1a-intra的表达,并在1.5小时后加入EdU并维持至5.5dpf。我们观察到,在这种热休克疗法中,在这个发育阶段Tg(无人机:myc-Notch1受体)是镶嵌的,使我们能够直接比较(myc-Notch1a-intra)的细胞周期进展+带有(myc-Notch1a-intra)的细胞单元格(图3E;补充材料图S3E)。为了标记和计数NRC,我们对Pdx1进行染色,以标记胰腺尾部NRC的细胞核(补充材料图S3D)。我们发现2.5%(118人中有3人,n个=9个幼虫)(myc-Notch1a-intra)+NRC是EdU+然而,平均而言,49%(235人中有115人,n个=9个幼虫)(myc-Notch1a-intra)NRC是EdU+。使用Tg(nkx2.2a:GFP)标记IPD细胞(Pauls等人,2007年) (图3E). 总之,Notch信号的下调诱导胰腺NRC中Su(H)依赖的细胞周期进入,而Notch通路的过度激活则诱导其静止。

通过调节Notch信号下调的持续时间和/或程度,可以解除祖细胞扩增和分化的耦合

胰腺NRC中Notch信号的下调引起双重反应:内分泌分化前祖细胞的瞬时扩增。然而,尚不清楚这些事件是否可以解耦。首先,我们根据Notch信号下调的持续时间探讨了NRC的细胞周期进展和内分泌分化是否可以解耦。我们诱导了Notch信号的短期下调,并对NRC的细胞周期进展进行了评分。幼虫用10μMLY411575号12小时(4 dpf至4.5 dpf),然后冲洗掉抑制剂,并添加EdU 24小时(4.5至5.5)。在DMSO控制中,23%的NRC为EdU+(s.d.=13.6%,计480个细胞,n个=12只幼虫),而在LY411575号-经过处理的鱼,平均69%的NRC是EdU+(s.d.=21%,计数480个细胞,n个=12只幼虫)(图4A-C)表明短时间下调Notch信号足以触发大多数NRC的增殖。然后,我们比较了短期或长期下调Notch信号后内分泌分化的程度(图4D-F). 用10μM处理LY411575号在4dpf下持续12小时诱导小部分NRCs在3天后分化为内分泌细胞。平均12个内分泌细胞(图4E)存在于PI之后(s.d.=4个细胞,n个=8只幼虫),转化为胰腺尾部约14%的NRC分化为内分泌谱系。DMSO对照组平均显示一个细胞(s.d.=1个细胞,n个=7只幼虫)。作为比较,用10μMLY411575号连续3天诱导大量内分泌分化(图4F).

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通过调节Notch信号下调的持续时间和/或程度,可以解除祖细胞扩增和分化的耦合。(A-B公司′)Tg(Tp1:H2Bm樱桃)幼虫被用来标记NRC(红色)。用DMSO或10μM处理幼虫LY411575号4至4.5 dpf。在4.5 dpf时,化学物质被冲走,EdU从4.5添加到5.5 dpf以进行细胞周期分析。EdU的位置+NRC用白色轮廓表示。这段短暂的时间LY411575号与对照组相比,治疗足以诱导大多数NRC进入细胞周期。(C类)教育程度平均百分比+A和B中的NRC(±标准差)。四十Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+从胰腺后部开始计算每个幼虫的细胞数(n个=DMSO和n个=12只幼虫LY411575号). 在DMSO控制中,平均23%的NRC为EdU+,而在LY411575号-处理过的幼虫平均69%为EdU+(P(P)<0.001). (D-F型)Tg(Tp1:H2Bm樱桃);Tg(神经元:EGFP)幼虫用(D)二甲基亚砜或(E,F)10μM处理LY411575号(E)用LY411575号4至4.5 dpf。4.5 dpf时,LY411575号被冲走,动物被允许发育到7dpf。平均而言,PI后面有12个内分泌细胞(s.d.=4个细胞,n个=8只幼虫),转化为胰腺尾部约14%的NRC分化为内分泌谱系。DMSO对照组显示平均1个内分泌细胞(s.d.=1个细胞,n个=7只幼虫)。箭头表示NRC衍生的内分泌细胞。箭头表示Tg(神经:EGFP公司)+肠道中的细胞。(F) 幼虫用LY411575号从4到7 dpf。白色箭头表示三个由众多内分泌细胞组成的新胰岛。只有两个NRC没有经历内分泌分化(黄色箭头)。(G-H公司')诱导适度的Notch信号下调,Tg(Tp1:H2Bm樱桃);Tg(神经元:EGFP)用(G)DMSO或(H,H′)1μM处理幼虫LY411575号从4到7 dpf。在每种情况下,每24小时更换一次化学品。用1μM处理幼虫LY411575号(H,H′)的总数显著增加Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+PI后面的细胞(黄色箭头)(118个细胞,n个=20只幼虫)与DMSO对照组(71个细胞,s.d.=19个细胞,n个=18只幼虫)(P(P)<0.0001). NRC衍生的内分泌细胞平均占17%(s.d.=7.26%,n个=19只幼虫)Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+PI后面的细胞(白色箭头)(另请参见补充材料图S5A、B、D为低倍视图和数据量化)。所有图像均为侧视图,前面朝向顶部,腹部朝向右侧。比例尺:20μm。()NRC经历不同水平的Notch信号调节其静止、增殖或分化状态。(J型)Notch信号下调后,NRC(红色)进入细胞周期。在Notch信号持续下调的情况下,它们分化为内分泌细胞并退出细胞周期。一些NRC可以在不进入细胞周期的情况下直接分化;一些NRC即使在短暂和/或中度Notch信号下调后也会分化为内分泌细胞。

我们推断,短暂的GSI治疗脉冲不足以将Notch信号水平降低到大多数NRC内分泌分化所需的关键阈值,但它提供了足以触发细胞周期进展的Notch活性下降。为了进一步测试Notch信号下调的程度是否可以调节增殖或分化结果,我们使用不同浓度的LY411575号通过治疗Tg(Tp1:H2Bm樱桃);Tg(神经元:EGFP)0.1、0.5、1、2、5和10μM的幼虫LY411575号从4到7 dpf。在每种情况下,每24小时更换一次抑制剂。我们观察到随着抑制剂浓度的降低,内分泌分化逐渐下降,在0.1μMLY411575号,与DMSO对照组相比(数据未显示)。为了进一步详细分析,我们选择比较1μM和10μM处理的幼虫LY411575号计算胰腺的数量Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+每个幼虫的细胞数和Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+分化为内分泌细胞的细胞。用1μM处理的幼虫LY411575号NRC衍生内分泌细胞平均占17%(s.d.=7.26%,n个=19只幼虫)Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+PI后面的细胞。重要的是,这些幼虫的总数显著增加Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+PI后面的细胞(118个细胞,s.d.=21个细胞,n个=20只幼虫)与DMSO对照组(71个细胞,s.d.=19个细胞,n个=18只幼虫)(图4G、H;补充材料图S5A、B、D)。用10μM处理的幼虫LY411575号NRC衍生内分泌细胞平均占79%(s.d.=12%,n个=14只幼虫)Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+PI后面的细胞(补充材料图S5C,D)。此外,他们还显示Tg(Tp1:H2Bm樱桃)+PI后面的细胞(101个细胞,s.d.=19.5个细胞,n个=14只幼虫)(补充材料图S5D),与大多数祖细胞的瞬时扩增一致,随后是内分泌分化后的细胞周期退出。为了进一步测试1μMLY411575号与10μM相比,Notch信号的下调更温和LY411575号,我们使用Tg(TP1:H2Bm樱桃);Tg(TP1:静脉PEST)幼虫。用1μM处理的大多数幼虫LY415575号保留4至6 dpfTg(TP1:静脉PEST)胰腺NRCs中的表达,尽管其水平低于DMSO对照,而用10μM抑制剂处理的幼虫显示完全丧失Tg(TP1:静脉PEST)表达式(补充材料图S5E-G)。总之,这些数据表明,适度的Notch信号下调有利于NRC的增殖,同时避免内分泌分化,而强烈的Notch信息下调导致短暂扩增,随后是内分泌分化和细胞周期退出,从而导致祖细胞耗竭。

讨论

在我们研究的阶段中,很少有NRC失去Notch信号并分化为内分泌细胞,而其他NRC则表现出不同水平的Notch信号调节其增殖。低水平Notch信号的NRC更容易增殖,而高水平的NRC通常是缓慢循环的。此外,Notch信号的过度激活触发增殖性NRC进入静止状态,而Notch信号下调导致大多数NRC在内分泌分化之前进入细胞周期。通过调节Notch信号下调的剂量和/或持续时间,我们进一步表明增殖和分化受不同水平的Notch信号调节。此外,NRC的内分泌分化倾向不同,一些NRC即使在短暂或中度Notch信号下调的情况下也能分化,而大多数NRC需要强烈和持续的下调(图4I,J). 总之,与神经干和祖细胞中提出的模型一致(Shimojo等人,2008年;Chapouton等人,2010年),在具有活性Notch信号的细胞群中,单个细胞可以表现出不同的行为,这些行为是由不同剂量的Notch活性引起的。这些分析的一个重要信息是,在处理Notch通路的功能时,不仅需要考虑开关状态,还需要考虑单个细胞水平上Notch信号水平的差异。该方法应用于更好地理解Notch信号(下文讨论)在不同细胞群体中的二分法作用,尤其是在正常发育和病理条件下调节细胞周期进展和分化。

Notch信号的静态与增殖作用

将高Notch信号与慢循环和静止联系起来的机制仍有待阐明;然而,Hes1的持续表达,一个特征明确的Notch靶点,已被证明下调G1细胞周期蛋白的表达(Shimojo等人,2008年). 此外,高水平的Notch信号可诱导CDK抑制剂p21的表达,这种诱导对于Notch介导的上皮细胞生长停滞是必要的(Niimi等人,2007年)而下调Notch信号可以阻止斑马鱼成体神经干细胞中细胞周期抑制剂Ink4b的积累(Chapouton等人,2010年). 此外,在果蝇属鬃毛谱系,Notch信号抵消细胞周期蛋白E并维持细胞周期阻滞(Simon等人,2009年)在发展中的眼睛中,删除槽口该位点抑制G2抑制剂Myt1和Wee1过度表达诱导的表型(普莱斯等人,2002年).

然而,在许多其他情况下,Notch信号传导与细胞周期进展有关,并发挥有丝分裂功能,通常将祖细胞维持在增殖状态(有关综述,请参阅Kageyama等人,2008年;Pierfelice等人,2011年). 如何解释这种两分函数?一个有趣的见解来自对Notch信号对乳腺上皮细胞增殖的影响的分析。在这个系统中,NICD的过度表达引发了二元反应——过度增殖或细胞周期停滞。有趣的是,过度增殖反应与低水平NICD表达有关,而高水平过度表达会触发细胞周期阻滞,并刺激细胞周期抑制剂p21的表达。此外,在较低的活性水平下,Notch信号与JAK/STAT3和EGF相互作用,这两种信号通路是Notch作为有丝分裂原发挥作用所必需的(Mazzone等人,2010年). 因此,比较不同组织中的Notch信号水平非常重要,因为Notch已被证明可以调节静止和增殖,以便评估这些差异是否与Notch信号的不同内源性水平有关。

Notch信号作为有丝分裂原和细胞周期抑制剂的二价作用在胰腺中尤其有趣。例如,在早期哺乳动物胰腺中,Notch信号的整体下调导致胰腺发育不良,这表明Notch信号起着促有丝分裂的作用(Ahnfelt-Ronne等人,2012年). 此外,删除卢比Hes1阳性的着丝粒细胞并不增加其复制(Kopinke等人,2012年)然而,通过GSI的短暂治疗或早老蛋白1和2的缺失下调Notch信号导致细胞周期进展增加(Crash-Meneur等人,2009年). 这些不同的表型可能是由于Notch信号的不同作用取决于其活性水平,或者是由于相互作用途径的活动发生变化(有关综述,请参阅Andersson等人,2011年). 因此,重要的是要确定高Notch信号水平在限制斑马鱼胰腺NRC增殖中的作用是否仅仅是抵消促进胰腺增殖的途径的结果。

斑马鱼胰腺NRC Notch信号下调的最终结果;然而,是细胞周期退出,这种退出与向内分泌谱系的转变有关,我们和其他人已经证明的细胞群体具有不同的细胞周期动力学特征,即缓慢增殖(Desgraz和Herrera,2009年;Hesselson等人,2009年). 指导这种转变的一个可能候选者是NeuroD,其表达是在抑制Notch信号传导时诱导的,并且能够增加CDK抑制剂的表达(Mutoh等人,1998年;Farah等人,2000年;Ochocinska和Hitchcock,2009年)以及作为泛-肾上腺素分化因子(Naya等人,1997年). 然而,NeuroD的活性随后必须进行调节,以允许成年胰腺内分泌细胞的扩张。

Notch信号的剂量依赖性效应——从静止到内分泌分化

重要的是,在检查Notch通路关键成分的低形态状态而不是功能丧失突变时,可能更容易发现Notch信号的剂量依赖性作用。最近对Notch信号的优雅分析果蝇属肠干细胞,使用GDP-甘露糖4,6-脱水酶(Gmd)突变体、Notch信号调节剂以及Notch糖基转移酶的温度敏感性等位基因鲁米,揭示了Notch活性水平在细胞周期退出和分化中的剂量依赖性作用(Perdigoto等人,2011年). 适度下调Notch信号阻止成肠细胞的细胞周期退出;然而,这并不影响它们分化为内分泌细胞或肠细胞的能力,这表明细胞周期退出需要比分化需要更高水平的Notch信号(Perdigoto等人,2011年). 在我们的实验中,我们旨在使用不同浓度的GSI诱导Notch信号的分级下调。最近,使用动态互补传感器进行NICD/Rbpj相互作用的体外实验(Ilagan等人,2011年)结果表明,高浓度GSIs导致Notch信号的逐渐减少,并且在开始药物治疗6小时后出现最大抑制。然而,在较低浓度的GSI处理下,Notch信号以慢得多的速率下调,因此细胞经历了中间Notch信号的延长状态。类似地,我们观察到,在高浓度下,LY411575号导致Notch信号的更快下调(补充材料图S2,图S5E-G),导致增殖短暂增加,随后大多数NRC发生内分泌分化(图3A-C,图4A-C、F). 然而,当抑制剂浓度较低时,Notch信号以较慢的速率衰减,如下所示Tg(TP1:静脉害虫)表达式(补充材料图S5F-G),这样大多数NRC进入细胞周期,但在检查的时间窗口内(4-7 dpf)它们无法分化(图4H;补充材料图S5B)。这些分析使我们提出,Notch信号下调的强度和持续时间决定了不同的细胞周期和分化结果。Notch信号的类似剂量依赖性作用可能调节干细胞群体中的增殖和分化决定,在这些群体中,消除Notch信号已被证明触发退出静止状态,例如在成年小鼠和斑马鱼大脑中(Chapouton等人,2010年;Ehm等人,2010年;Imayoshi等人,2010年)和成人肌肉(Bjornson等人,2012年;Mourikis等人,2012年).

Notch可以通过哪些潜在机制在不同的活动水平上产生特定和不同的结果?细胞周期可能对Notch信号的变化更敏感,因为调节单个细胞周期调节器可能会产生强大的影响,而分化可能需要多个基因调节的稳定变化。例如,内分泌分化对Notch信号持续强烈下调的要求可能反映了NRC染色质组织全球变化的需要。事实上,已知Notch信号与染色质重塑因子共同作用,包括组蛋白脱乙酰化酶和乙酰转移酶(有关综述,请参阅布雷,2006年). 调节这些因子的活性是否可以增强或抑制内分泌分化仍有待探索。在这种情况下,我们的分析中使用的高时间和空间分辨率表明,即使在短暂和/或中等程度的Notch信号下调后,一部分NRC也可以分化为内分泌细胞(图4E、H). 与其他NRC相比,分化能力的增强是否主要是由于这些细胞中的基础Notch活性较弱,或者其他遗传机制,包括表观遗传调控因子,是否具有更高的可塑性,将是一个有趣的研究方向。斑马鱼胰腺中Notch反应祖细胞的内分泌分化构成了一个强大的系统,可用于进一步研究调节细胞可塑性和内分泌新生能力的机制。准确理解这些细胞行为是改善1型糖尿病相关再生策略的重要目标。

补充材料

补充材料:

致谢

我们感谢Ana Ayala和Milagritos Alva提供的专业鱼类援助;Daniel Hesselson、David Staudt和Alethia Villasenor对手稿进行批判性阅读;和Stainier小组的所有成员进行有益的讨论。LY411575是Abdul H.Fauq(美国佛罗里达州杰克逊维尔佛罗里达州梅奥诊所)慷慨赠送的礼物。编码hsp:ZdnSu(H)-myc的cDNA是Tim Simmons和Bruce Appel(美国科罗拉多州丹佛市科罗拉多大学)慷慨捐赠的。特别感谢刘建东心灵炸弹以及Anne-Sophie de Preux Charles和David Staudt(USCF)Tg(hsp70l:Gal4)Tg(UAS:myc-Notch1a-intra)鱼。

脚注

基金

这项工作得到了加拿大糖尿病协会(N.N.)颁发的博士后奖学金以及美国国立卫生研究院的资助[DK075032号]和帕卡德基金会向D.Y.R.S.存入PMC,12个月后发放。

竞争利益声明

作者声明没有竞争性的经济利益。

补充材料

补充材料在线提供http://dev.biologists.org/lookup/suppl/doi:10.1242/dev.076000/-/数据中心1

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文章来自发展(英国剑桥)由以下人员提供生物学家公司