Dissecando a base molecular do órgão de Corti

Aluna de Mestrado: Carolina Costa CardosoOrientador: Prof. Dr. Fayez Bahmad JrSistemas Sensoriais2012

Bernd Fritzsch, Israt Jahan, Ning Pan, Jennifer Kersigo, Jeremy Duncan, and BenjaminKopecky- Department of Biology, University of Iowa, Iowa City, Iowa, USA

Hearing Research. 2011 Jun;276(1-2):16-26

Introdução•Revisão sobre avanços recentes em

nossa compreensão das bases moleculares da cóclea e embriologia da cóclea•Organização das células ciliadas•Desenvolvimento do orgão de Corti•Genes envolvidos nessas etapas

Desenvolvimento do Orgão de Corti

“Quadrúpedes" “Mamíferos- Monotremes"

Implica a perda da lagena, transformando o recesso lagenar em

um ducto coclear e extensão do órgão de Corti para

formar a cóclea em espiral

Crescimento do Ducto Coclear• Genes específicos são necessários para o crescimento e

desenvolvimento do órgão de Corti. • Alguns genes e vários micro-RNAs são conhecidos por afetar

o crescimento e a padronização no ducto coclear e órgão de Corti como Sox2 , Jag1 , GATA3 , EYA1 , Lmx1a, Nr2f1 , FGFR1 , Foxg1 , Bmp4 , Rac1.

• Estes genes desempenham papéis na especificação da posição do ducto coclear, assegurando o seu crescimento e definindo a competência que permite a formação de células ciliadas apenas no órgão de Corti. Como esses fatores interagem nesses processos ainda não está claro.

• Shh e FGF são genes importante para o desenvolvimento da cóclea.

• No sistema vestibular, a formação de epitélio sensorial governa o desenvolvimento dos canais. Mutações em genes tais como FGF10 , E Otx1 , Foxg1 , BMP4, Jag1 afetam principalmente o desenvolvimento da crista, mas também a formação dos canais.

• A formação inicial de uma crista como um caminho pro- sensorial expressando genes múltiplos é necessária para induzir a supra regulação de genes necessários para o crescimento do canal.

• Este processo garante o crescimento do canal adequado levando ao fluxo de endolinfa durante a rotação da cabeça, permitindo adequada aceleração angular mediada por estimulação de cristas do canal.

• O ducto coclear parece crescer por dois processos: a proliferação de células e intercalação de células existentes (extensão convergente) para estender a conduta para as duas ou mais voltas como encontrado em mamíferos.

• Tal como no sistema vestibular, o crescimento do ducto coclear é regulado pelo crescimento do órgão de Corti, o que aparentemente requer movimentos de extensão convergentes de desenvolvimento das células ciliadas.

• Perturbações de vários genes que afetam o alinhamento adequado das células ciliadas resultam em um órgão de Corti encurtado e mais largo, por exemplo, a perda de Foxg1 encurta a cóclea para uma meia volta e expande as linhas de células ciliadas no ápice a cerca de 10 ou mais.

• Ausência do gene Foxg1 resultados no E18.5 (A, B, C) em desorganização celular do órgão de Corti.

• Várias linhas de células ciliadas externas e internas formam no ápice (B, B ') com a organização normal, junto da base (A, A').

• Apesar da presença de várias linhas de células ciliadas, a sua inervação é gravemente afetada com fibras de ultrapassagem no sentido da parede lateral da cóclea (A, B).

• A secção transversal através do ápice e da base da cóclea mostra o gene Foxg1 nulo perto da orientação normal de células ciliadas externas e internas na base (A '), e no ápice exibe dez linhas de células ciliadas externas com múltiplas células de suporte (B ").

•Mutações EYA1 e PAX2 e Jag1, Sox2 e GATA3 aparentemente perturbam a competência sensorial, resultando na formação limitada de células ciliadas no ducto coclear. •Isto implica que as proteínas produzidas por estes genes são necessários para o desenvolvimento sensorial no ducto coclear e fazê-lo através de um refinamento passo a passo e à restrição de especificação sensorial e competência para especificar o órgão de Corti .•Eles também interagir com outros fatores expressa adjacente a ou dentro do órgão de Corti desenvolvimento, tais como Bmp4 , FGF10 , Lmx1a , Prox1 , Fgf8, Fgf20 ... Juntos, estes genes fornecem o contexto para permitir que as células sensoriais, após a saída do ciclo celular, demonstrem respostas adequadas à expressão Atoh1 e diferencie como células ciliadas.

Desenvolvimento molecular e diferenciação em células ciliadas e células de suporte• Claramente, um único gene é incapaz de especificar a

multiplicidade de células ciliadas e células de suporte. Dados recentes mostram vários genes proneural e genes bHLH no desenvolvimento do ouvido.

• Atoh1 - proteína regula diretamente, ou através de intermediários desconhecidos, outros genes cruciais para o desenvolvimento de células ciliadas e manutenção, como POU4F3 (anteriormente Brn3c), Gfi1 (um homólogo do gene da mosca sem sentido) e Barhl1.

• Outros genes bHLH proneural que afetam o desenvolvimento de células ciliadas da cóclea são: Neurog1 e Neurod1

Ausência dos resultados bHLH gene Atoh1 em agenesia de células ciliadas.

•No entanto, utilizando marcador BDNF (A, B) ou LacZ no Atoh1 (C) revela a expressão destes marcadores sugerindo um certo grau de cílios, especificação precursora de células em ratinhos sem Atoh1 (B, C). •Ratinhos do tipo selvagem mostram alta regulação de BDNF em todas as células ciliadas ao longo da cóclea (A, A ', A "). Em contraste, não há expressão do BDNF no base da cóclea (B), enquanto que ele é expandido no ápice sem quaisquer linhas reconhecíveis de células ciliadas externas e internas (B, B '). Secções mostram a distribuição do marcador BDNF ao longo de todas as células no órgão de Corti indiferenciado (B ')•O LacZ inserido para substituir a moldura de codificação do gene Atoh1 mostra a expressão ao longo de todo o comprimento do órgão de Corti (C). No entanto, esta expressão é reduzida a 1-2 linhas irregulares de células na base (C ') e muito mais ampla no ápice (C).

Secções radiais através do órgão de Corti mostram o produto da reação β-galactosidase em toda a altura do órgão de Corti (C "). Ocasionalmente, as células da topologia correta das células ciliadas externas podem ser encontrados (as setas em C)

• Um estudo de acompanhamento mostrou que a ausência de Neurog1 não só elimina a formação de neurônios no ouvido, mas também tem efeitos enormes no desenvolvimento das células ciliadas.

• Células ciliadas saculares quase desaparecem completamente em Neurog1 em camundongos nulos e as da cóclea são significativamente reduzidas com várias linhas de células ciliadas externas e internas no ápice.

• Dados indicam que as interações Neurog1/Neurod1/Atoh1 na cóclea são profundas, mas ainda não compreendidas mecanicamente.

- Ausência de Neurog1 e Neurod1 conduz a truncagem do alongamento coclear.- Supressão de Neurog1 (A), os resultados em várias linhas de células ciliadas externas e internas próximas ao ápice (A ') e a formação de células ciliadas nas regiões de GER e canal (A', A "). -A ponta apical é caracterizada por 1-2 linhas de células ciliadas e ausência completa de células ciliadas externas (A). Observe a perda quase completa das células ciliadas saculares (S em A “)

-Floxed knockout Neurod1 condicional (CKO) usando PAX2-CRE também resulta em uma cóclea mais curta (B) e na formação de duas filas de células ciliadas internas e quatro ou mais linhas de células ciliadas externas em meio apical do órgão de Corti (C, D) . -Algumas células Deiter mostram células pilar como diferenciação (C '). Tal como acontece com Neurog1 camundongos nulos (A), os camundongos Neurod1 CKO mostram apenas as células ciliadas internas em uma linha irregular na ponta apical (E, E ') que recebem um padrão incomum de inervação dos neurônios espirais muito diminuído (E). DR, ducto regiões; OC, órgão de Corti; S, sáculo, U, utrículo.

• GATA3 é ainda um outro gene que é envolvido na formação da cóclea e tem sido sugerido para desempenhar o papel de um regulador a montante da especificação neurossensorial precoce .

• Ausência de GATA3 impede o desenvolvimento da orelha , mas um autor mostra em trabalho mais recente que algum grau de crescimento coclear sem desenvolvimento sensorial ou neuronal é possível, na ausência de GATA3 .

• Alguns estudos parecem indicar que GATA3 proteína é necessária para o desenvolvimento neurossensorial .

• A falta de Neurod1 resulta na formação de células ciliadas no gânglio restante.

• Camundongos com deleção condicional de Neurod1 (PAX2-cre :: Neurod1 f / f; A-C) têm uma redução na inervação, como mostrado com anti-tubulina (A, verde), mas também mostram uma distribuição anormal de células MYO7A positivas no gânglios restantes em adição às células ciliadas do epitélio sensorial.

• Estas células persistem em animais adultos e como forma de cílios que se estendem em várias vesículas grandes e pequenas que se forma no interior do gânglio (C, D).

AC, crista anterior; HC, horizontal crista; U, utrículo, V, vesícula intraganglionar; Vgl vestibular.

• PAX2-CRE- Rosa 26 expressão de lacZ (B, C ') mostra que os neurónios e células ciliadas têm núcleos principalmente galactosidase β positivo. Este nível de co-localização sugere que as células capilares e neurónios de gânglios derivam da otocyst, e que as células ciliadas podem derivar a partir de precursores neuronais que alteram o seu destino, na ausência de Neurod1 .

AC, crista anterior; HC, horizontal crista; U, utrículo, V, vesícula intraganglionar; Vgl vestibular.

Tempo de saída do ciclo celular e alguns dos fatores de transcrição conhecidos ou suspeitos de

desempenhar um papel no órgão de Corti e desenvolvimento das células ciliadas.

• Sox2 e GATA3 são expressos por todo o órgão de Corti, antes, durante e depois da saída do ciclo celular.

• Com efeito, a expressão de genes bHLH atinge as células ciliadas antes de saírem do ciclo celular em ápice em torno E12.5 .

• Este atraso indica que Atoh1 (e outros fatores de transcrição bHLH) não desempenham qualquer papel na saída do ciclo celular, mas atuam como fatores de diferenciação no órgão de Corti.

• Alguns fatores (Neurod1) têm expressão no início, em geral, seguido mais tarde por expressões específicas.

Conclusão• O progresso tem sido feito para entender como o órgão de

Corti cresce e é molecularmente especificado e diferenciado mas até mesmo mais perguntas sobre interações genéticas abundam.

• Nos próximos anos se faz necessário ir além , apreciar a complexidade das interações moleculares e ter como objetivo estabelecer os aspectos quantitativos dessas interações usando ferramentas recentemente desenvolvidas, tais como sequenciamento de próxima geração. Isto irá estabelecer alterações de expressão do perfil de todos os genes compreendidos linhas mutantes, a fim de gerar modelos testáveis de redes de genes .

Conclusão• Dada a complexidade emergente de interações moleculares

durante o desenvolvimento, e a interação de genes de uma dada célula, é possível que as nossas abordagens atuais para verificar as funções de genes críticos um ou dois de cada vez não irá permitir a elucidação de tais interações complexas.

• Uma melhor compreensão das interações de fatores de transcrição durante o desenvolvimento é necessário para reconstituir um órgão de Corti que perdeu todas as células ciliadas e se transformou em um "epitélio flat 'com pouca ou nenhuma diferenciação celular.

• Claramente, tais epitélios perderam a capacidade de responder a Atoh1, um fator de transcrição poderoso que impulsiona a diferenciação das células ciliadas durante o desenvolvimento e regeneração.