Guinguette Marais Poitevin

VI. Making the Pyloric Sphincter

Studien zur Entwicklung des Pyloric Sphincter haben sich weitgehend auf Mäuse- und Vogelmodelle konzentriert. Der Magen der Maus weist die für Säugetiere typische Vorderdarm-Morphologie auf, bei der der parietalzellhaltige Corpus einem schleimabsondernden Antrum vorgelagert ist. Beim Küken hingegen ist der Proventriculus die vordere Drüsenregion. Ein funktionell einzigartiger Muskelmagen bildet den hinteren Magen, aber er exprimiert viele der gleichen genetischen Marker wie das Antrum bei Säugetieren.82-84 Die Pylorusregion im Küken hat ein einzigartiges Epithel, das sich von dem des umgebenden Magens oder des Darms unterscheidet. Bei der Maus gibt es jedoch keine nennenswerten morphologischen Unterschiede im Epithel, die das Antrum vom Pylorus trennen. Trotz dieser offensichtlichen Unterschiede in der Morphologie des GI-Trakts scheint das genetische Netzwerk der Entwicklung von Pylorus und distalem Magen zwischen den beiden Spezies gut konserviert zu sein.82

Einer der frühesten Marker des Pylorus-Territoriums ist Nkx2-5. Die Expression dieses Homeobox-Gens wird zum ersten Mal in den bilateralen Verdichtungen der splanchnischen mesodermalen Platte bei E9,5 beobachtet.21 Bei E10,5 grenzt die Expression von Nkx2-5 eindeutig einen Ring des Mesoderms direkt distal des Magens ab, an der Stelle des zukünftigen Pylorus. Die Expression von Nkx2-5 an diesem Übergang zwischen Darm und Magen wird bei Vögeln, Mäusen, adulten Fröschen und Kaulquappen beobachtet (trotz der Tatsache, dass Kaulquappen einen schlecht abgegrenzten Magen und keinen Pylorussphinkter haben).82 Obwohl die Domäne der Nkx2-5-Färbung bei Kaulquappen im Vergleich zu adulten Fröschen etwas breiter ist (sie ist leicht nach vorne ausgedehnt), deutet die Tatsache, dass dieser Marker auch in Abwesenheit eines Pylorussphinkters exprimiert wird, darauf hin, dass Nkx2-5 unabhängig von seiner möglichen Rolle bei der Entwicklung des Sphinkters an sich eine strukturierende Rolle spielen könnte. Da Nkx2-5-Null-Mausembryonen sehr früh an Herzfehlern sterben,85 muss die Beteiligung an der Morphogenese des Schließmuskels oder an der Musterung im Allgemeinen mit einem konditionalen Ansatz analysiert werden.

Beim Küken befindet sich die Nkx2-5-Expressionsdomäne am Pylorus und überlappt mit der Domäne für die Bmp-Rezeptoren Bmpr1b und Bmpr1a.83 Bmp4, einer der Liganden für diese Rezeptoren, wird im Muskelmagen und Pylorus nicht exprimiert, wohl aber im angrenzenden Darmmesoderm. Die ektopische Expression von entweder Bmp4 oder seinen Rezeptoren im Muskelmagen erweitert die Domäne der Nkx2-5-Expression83 , während die ektopische Expression von Noggin diese reduziert.83,84 Darüber hinaus aktiviert die Überexpression der Bmp-Rezeptoren Nkx2-5 in einer zellautonomen Weise. Die ektopische Bmp4-Expression verändert auch den Charakter des Magenepithels, so dass es dem der Pylorusregion ähnelt.84 Interessanterweise geschieht dies ohne Veränderungen in der Expression von Magenmarkern (Sox2 und Barx1), Darmmarkern (CdxA und Nkx2.3) oder Markern der gesamten Region (Pdx1). So legten diese frühen Studien nahe, dass Bmp4 (das den Shh-Signalen aus dem Endoderm nachgeschaltet ist) direkt für das Muster der Nkx2-5-Expression am Pylorus verantwortlich ist und dass Nkx2-5 wiederum Signale aktivieren kann, die zum Epithel zurücksprechen, um dessen Charakter zu bestimmen.

Zusätzlich zur Aktivierung von Nkx2-5 aktiviert die Aktivität des BMP-Signalwegs auch die Sox9-Expression im Pylorus-Mesenchym auf zellautonome Weise.83,86 Interessanterweise beeinflusst eine Fehl-Expression von Nkx2-5 nicht die Sox9-Expression (und umgekehrt), was auf unabhängige Wege für die Aktivierung jedes dieser Faktoren durch BMP hinweist.86,87 Das Endoderm des Hühnermagens kann durch Misexpression von dominant-negativen Formen von Nkx2-5 (enrepNkx2-5) oder Sox9 (Sox9DCter) in ein Epithel vom Pylorus-Typ umgewandelt werden, obwohl die epitheliale Umwandlung durch enrepNkx2-5 auf diese Weise unvollständig ist,83,87 was darauf hindeutet, dass Nkx2-5 zur Spezifizierung der Pylorusregion nicht ausreicht. Interessanterweise führt die Misexpression von Gremlin im Magenmesoderm zu einem ähnlichen Epithelphänotyp wie die Misexpression von Bmp4, Bmpr1b, Nkx2-5 oder Sox9, was darauf hindeutet, dass Nkx2-5 und/oder Sox9 das Pylorepithel indirekt durch die Regulation der Gremlin-Expression spezifizieren.87 Zur Unterstützung dieser Hypothese führt die Misexpression von Sox9 oder Sox9DCter im Magenmesoderm zu einer Expansion bzw. Reduktion der Gremlin-Expression. Da Nkx2-5 Sox9 nicht reguliert und die regulatorische Beziehung zwischen Nkx2-5 und Gremlin unklar ist, bleibt der Mechanismus, durch den Nkx2-5 den pylorischen Epithelphänotyp kontrolliert, ungelöst.

Ein weiteres Molekül, von dem bekannt ist, dass es für die Entwicklung des Pylorus wichtig ist, ist Barx1, das oben als Homeobox-Domänenprotein erwähnt wurde, das im Mesenchym unterhalb von Sox2-positiven Läsionen in Cdx2-null-Zellen aktiviert wird. Bei der Maus wird Barx1 im gesamten Magenmesenchym des frühen Embryos exprimiert, fehlt aber im Magen des Neonaten und des Erwachsenen.26,33 In neonatalen Barx1-null-Tieren (die auf einem gemischten Hintergrund generiert werden müssen, um über E12 hinaus zu überleben) ist die Cdx2-Expression nach anterior erweitert, obwohl eine scharfe anteriore Expressionsgrenze der Cdx2-Expression immer noch beobachtet wird.26Pdx1 ist ebenfalls erweitert, so dass seine anteriore Grenze an den Plattenepithelvormagen stößt, als ob der Korpus fehlt oder abgeschnitten ist. Der Pylorus-Schließmuskel fehlt in Barx1-Null-Tieren vollständig, und wie oben diskutiert, wurde die Hypothese aufgestellt, dass dies auf eine erhöhte Wnt-Signalisierung im Magen nach Induktion der Wnt-Inhibitoren Sfrp1 und Sfrp2 zurückzuführen ist.33

Barx1 ist auch für die Morphogenese der Milz erforderlich, aber in diesem Fall beinhaltet seine Rolle nicht den Antagonismus der Wnt-Signalisierung.26 Vielmehr reduziert der Verlust von Barx1 die Wt1-Expression in der Milz. Wt1 wird im Mesothel und im Milzmesenchym exprimiert und sein Verlust führt, wie der Verlust von Barx1, zu einer kleineren Milz, die nicht gut vom Pankreas getrennt ist. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen Situation in Bapx1-null-Mäusen führt diese fortgesetzte Assoziation mit der Bauchspeicheldrüse in Barx1-null-Tieren jedoch nicht zu metaplastischen Wucherungen in der Bauchspeicheldrüse.26 Da diese metaplastischen Läsionen in Wildtyp-Assoziationen von Milz und Pankreas in vitro erzeugt werden können, scheint es unwahrscheinlich, dass sie auf einem einzigartigen Aspekt des Bapx1-null-Phänotyps beruhen und wahrscheinlicher, dass den Barx1-null-Tieren bestimmte Signale fehlen, die die Entwicklung solcher Strukturen ermöglichen.

Wie Barx1 und Nkx2-5 ist Bapx1 (Nkx2-3) ein kritischer Akteur sowohl in der Milz- als auch in der Pylorusmorphogenese. Bapx1 wird etwas später als Barx1 und Nkx2-5 aktiviert und ist im Küken zuerst im linken lateralen Mesoderm und später im präsumptiven Magen zu sehen, wo es sich zunehmend neben dem Pylorus konzentriert.88 Im Kükenembryo hemmt die ektopische Bapx1-Expression die Bmp4- und Wnt5a-Expression im Proventriculus und wandelt das Proventriculusepithel und -mesenchym in eine magenähnliche Morphologie um.88 Es wird daher postuliert, dass Bapx1 im Muskelmagen Bmp4 und Wnt5a in dieser Region unterdrückt, und tatsächlich führt die Expression einer Form von Bapx1, die mit dem engrailed Repressor verbunden ist, zu einer ektopischen Aktivierung von Bmp4 und Wnt5a im Muskelmagen. Eine partielle Umwandlung des Proventriculus in den Gizzard wird auch beobachtet, wenn eine dominant-negative Form von Nkx2-5 im Proventriculus exprimiert wird, aber die Expression von Bmp4 und Wnt5a wird in diesem Fall nicht verändert.83 Darüber hinaus beeinflusst ektopisches Bapx1 nicht die Expression von Nkx2-5, Barx1 oder Pdx1, was darauf hindeutet, dass es nicht stromaufwärts von diesen Faktoren liegt.88

In der Maus wird Bapx1 bei E10,5 im Antrum exprimiert, mit einer scharfen vorderen Grenze an der Verbindung zwischen Antrum und Korpus; später weitet sich seine Expression auf den größten Teil des Magens aus, allerdings auf einem niedrigen Niveau. Die gezielte Unterbrechung von Bapx1 führt zum Verlust der Pylorusverengung (Fehlbildung des Pylorussphinkters) und zur Verkürzung des Antrums,27 stört aber nicht die Nkx2-5-Expression. Verzi und Kollegen untersuchten Mäuse, die doppelt null für Bapx1 und Barx1 waren und stellten fest, dass der Phänotyp dem des Barx1-Null-Tieres ähnelt; der Korpusanteil ist bei Barx1-Null-Tieren stärker verkürzt als bei Bapx1-Null-Tieren. Während die Barx1-Expression in Bapx1-/- Mäusen nicht gestört (oder möglicherweise erhöht) war, war die Bapx1-Expression in Barx1-Null-Tieren stark reduziert, was belegt, dass Barx1 im sich entwickelnden Antrum epistatisch zu Bapx1 ist.27