Сигнальный путь YAP/TAZ при моделировании развития кожи человека с использованием индуцированных плюрипотентных клеток

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Многие молекулярные аспекты морфогенеза кожи лицевой части черепа человека остаются не изучены, в частности, роль сигнального каскада YAP/TAZ в этом процессе. При помощи направленной дифференцировки плюрипотентных клеток человека можно моделировать морфогенез кожи in vitro. В данной работе в результате направленной трехмерной дифференцировки индуцированных плюрипотетных клеток человека мы получили кожные органоиды, содержащие волосяные фолликулы, ороговевающий эпидермис и ряд других производных кожи. В результате анализа экспрессии генов были выявлены закономерности в динамике экспрессии и паттерны коэкспрессии компонентов сигнального пути YAP/TAZ как на модели трехмерной дифференцировки, так и в ходе анализа данных дифференцировки нейральных стволовых прогениторных клеток в мезенхимном направлении в двумерных условиях. На основании полученных результатов мы предполагаем, что YAP совместно с TEAD3 регулирует образование многослойного эпидермиса и волосяных фолликулов, в то время как TAZ преимущественно задействован в развитии мезенхимы и дермы, а TEAD2 участвует в дифференцировке нервного гребня на ранних стадиях. Сигнальный каскад YAP/TAZ вовлечен в эпителио-мезенхимные взаимодействия в развивающейся коже человека, поскольку активность этого каскада была выявлена как в эпидермисе, так и в дерме. Таким образом, в ходе данной работы впервые был охарактеризован паттерн экспрессии и коэкспрессии членов сигнального каскада YAP/TAZ при моделировании морфогенеза кожи лицевой части головы человека1.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. Д. Панкратова

Институт биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: masha.pankratova25@bk.ru
Россия, Москва

А. А. Рябинин

Институт биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН

Email: andrey951233@mail.ru
Россия, Москва

Е. П. Калабушева

Институт биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН

Email: masha.pankratova25@bk.ru
Россия, Москва

З. Р. Стариннов

Институт биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН

Email: masha.pankratova25@bk.ru
Россия, Москва

Е. А. Воротеляк

Институт биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН

Email: masha.pankratova25@bk.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Афанасьев Ю.И., Кузнецова С.Л., Юрина Н.А. Гистология, цитология и эмбриология. Москва: Медицина, 2004. 768 P.
  2. Chen D., Jarrell A., Guo C., Lang R., Atit R. Dermal β-catenin activity in response to epidermal Wnt ligands is required for fibroblast proliferation and hair follicle initiation // Development (Cambridge, England). 2012. V. 139. № 8. P. 1522–1533.
  3. Akiyama M., Smith L.T., Yoneda K., Holbrook K.A., Hohl D., Shimizu H. Periderm cells form cornified cell envelope in their regression process during human epidermal development // Journal of Investigative Dermatology. 1999. V. 112. № 6. P. 903–909.
  4. Andl T., Reddy S.T., Gaddapara T., Millar S.E. WNT signals are required for the initiation of hair follicle development // Developmental cell. 2002. V. 2. № 5. P. 643–653.
  5. Ascensión A.M., Fuertes-Álvarez S., Ibañez-Solé O., Izeta A., Araúzo-Bravo M.J. Human dermal fibroblast subpopulations are conserved across single-cell RNA sequencing studies // Journal of Investigative Dermatology. 2021. V. 141. № 7. P. 1735–1744.e35.
  6. Beverdam A., Claxton C., Zhang X., James G., Harvey K.F., Key B. Yap controls stem/progenitor cell proliferation in the mouse postnatal epidermis // The Journal of investigative dermatology. 2013. V. 133. № 6. P. 1497–1505.
  7. Botchkarev V.A., Flores E.R. p53/p63/p73 in the Epidermis in Health and Disease // Cold Spring Harbor Laboratory Press. 2014. V. 4. № 8. P. a015248.
  8. Cadau S., Rosignoli C., Rhetore S., Voegel J., Parenteau-Bareil R., Berthod F. Early stages of hair follicle development: a step by step microarray identity. // European journal of dermatology : EJD. 2013. № April.
  9. Driskell R.R., Giangreco A., Jensen K.B., Mulder K.W., Watt F.M. Sox2-positive dermal papilla cells specify hair follicle type in mammalian epidermis // Development. 2009. V. 136. № 16. P. 2815–2823.
  10. Driskell R.R., Watt F.M. Understanding fibroblast heterogeneity in the skin // Trends in Cell Biology. 2015. V. 25. № 2. P. 92–99.
  11. Elbediwy A., Vincent-Mistiaen Z.I., Spencer-Dene B. et al. Integrin signalling regulates YAP and TAZ to control skin homeostasis // Development (Cambridge, England). 2016. V. 143. № 10. P. 1674-1687.
  12. Fuchs E. Scratching the surface of skin development. Embryonic origins of skin epithelium // Nature. 2007. V. 445. P. 834–42.
  13. Goodnough L.H., Dinuoscio G.J., Atit R.P. Twist1 contributes to cranial bone initiation and dermal condensation by maintaining wnt signaling responsiveness // Developmental Dynamics. 2016. V. 245. № 2. P. 144–156.
  14. He L., Yuan L., Sun Y., et al. Glucocorticoid receptor signaling activates TEAD4 to promote breast cancer progression // Cancer Research. 2019. V. 79. № 17. P. 4399–4411.
  15. Hindley C.J., Condurat A.L., Menon V., Thomas R., Azmitia L.M., Davis J.A., Pruszak J. The Hippo pathway member YAP enhances human neural crest cell fate and migration // Scientific Reports. 2016. V. 6. № March. P. 1–9.
  16. Huh S.H., Närhi K., Lindfors P.H., Häärä O., Yang L., Ornitz D.M., Mikkola M.L. Fgf20 governs formation of primary and secondary dermal condensations in developing hair follicles // Genes & development. 2013. V. 27. № 4. P. 450–458.
  17. Kalabusheva E.P., Shtompel A.S., Rippa A.L., Ulianov S.V., Razin S.V., Vorotelyak E.A. A Kaleidoscope of keratin gene expression and the mosaic of its regulatory mechanisms // International Journal of Molecular Sciences. 2023. V. 24. № 6. P. 5603
  18. Karlsson L., Bondjers C., Betsholtz C. Roles for PDGF-A and sonic hedgehog in development of mesenchymal components of the hair follicle // Development (Cambridge, England). 1999. V. 126. № 12. P. 2611–2621.
  19. Kumar D., Nitzan E., Kalcheim C. YAP promotes neural crest emigration through interactions with BMP and Wnt activities // Cell Communication and Signaling. 2019. V. 17. № 1. P. 1–17.
  20. Kypriotou M., Huber M., Hohl D. The human epidermal differentiation complex: Cornified envelope precursors, S100 proteins and the “fused genes” family // Experimental Dermatology. 2012. V. 21. № 9. P. 643–649.
  21. Lee J., Rabbani C.C., Gao H. et al. Hair-bearing human skin generated entirely from pluripotent stem cells // Nature. 2020. V. 582. № 7812. P. 399–404.
  22. Liu C.Y., Zha Z.Y., Zhou X. et al. The hippo tumor pathway promotes TAZ degradation by phosphorylating a phosphodegron and recruiting the SCFβ-TrCP E3 ligase // Journal of Biological Chemistry. 2010. V. 285. № 48. P. 37159–37169.
  23. Liu F., Lagares D., Choi K.M. et al. Translational research in acute lung injury and pulmonary fibrosis: mechanosignaling through YAP and TAZ drives fibroblast activation and fibrosis // American Journal of Physiology — Lung Cellular and Molecular Physiology. 2015. V. 308. № 4. P. L344.
  24. Liu Y., Wang G., Yang Y., Mei Z., Liang Z., Cui A., Wu T., Liu C.Y., Cui L. Increased TEAD4 expression and nuclear localization in colorectal cancer promote epithelial-mesenchymal transition and metastasis in a YAP-independent manner // Oncogene. 2016. V. 35. № 21. P. 2789–2800.
  25. Mendoza-Reinoso V., Beverdam A. Epidermal YAP activity drives canonical WNT16/β-catenin signaling to promote keratinocyte proliferation in vitro and in the murine skin // Stem Cell Research. 2018. V. 29. P. 15–23.
  26. Moya I.M., Halder G. Hippo–YAP/TAZ signalling in organ regeneration and regenerative medicine // Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2019. V. 20. № 4. P. 211–226.
  27. Myung P., Andl T., Atit R. The origins of skin diversity: lessons from dermal fibroblasts // Development (Cambridge). 2022. V. 149. № 23. P. dev200298.
  28. Pankratova M.D., Riabinin A.A., Butova E.A., Selivanovskiy A.V., Morgun E.I., Ulianov S.V., Vorotelyak E.A., Kalabusheva E.P. YAP/TAZ Signalling Controls Epidermal Keratinocyte Fate // International Journal of Molecular Sciences. 2024. V. 25. № 23. P. 12903.
  29. Park S. Hair Follicle Morphogenesis During Embryogenesis, Neogenesis, and Organogenesis // Frontiers in Cell and Developmental Biology. 2022. V. 10. № July. P. 1–8.
  30. Piccolo S., Dupont S., Cordenonsi M. The biology of YAP/TAZ: Hippo signaling and beyond // Physiological Reviews. 2014. V. 94. № 4. P. 1287–1312.
  31. Plouffe S.W., Lin K.C., Moore J.L., Tan F.E., Ma S., Ye Z., Qiu Y., Ren B., Guan K.L. The Hippo pathway effector proteins YAP and TAZ have both distinct and overlapping functions in the cell // Journal of Biological Chemistry. 2018. V. 293. № 28. P. 11230–11240.
  32. Pocaterra A., Romani P., Dupont S. YAP/TAZ functions and their regulation at a glance // Journal of Cell Science. 2020. V. 133. № 2. P. 1–9.
  33. Qin Z., He T., Guo C., Quan T. Age-related downregulation of CCN2 is regulated by cell size in a YAP/TAZ-dependent manner in human dermal fibroblasts: impact on dermal aging // JID innovations : skin science from molecules to population health. 2022. V. 2. № 3. P. 100111.
  34. Quan T., Shao Y., He T., Voorhees J.J., Fisher G.J. Reduced Expression of connective tissue growth factor (CTGF/CCN2) mediates collagen loss in chronologically aged human skin // The Journal of investigative dermatology. 2010. V. 130. № 2. P. 415.
  35. Ramovs V., Janssen H., Fuentes I., et al. Characterization of the epidermal-dermal junction in hiPSC-derived skin organoids // Stem Cell Reports. 2022. V. 17. № 6. P. 1279–1288.
  36. Ren C., Liu Q., Ma Y., Wang A., Yang Y., Wang D. TEAD4 transcriptional regulates SERPINB3/4 and affect crosstalk between keratinocytes and T cells in psoriasis // Immunobiology. 2020. V. 225. № 5. Р. 15206.
  37. Riabinin A., Kalabusheva E., Khrustaleva A. et al. Trajectory of hiPSCs derived neural progenitor cells differentiation into dermal papilla-like cells and their characteristics // Scientific Reports. 2023. V. 13. № 1. P. 1–12.
  38. Rishikaysh P., Dev K., Diaz D., Shaikh Qureshi W.M., Filip S., Mokry J. Signaling involved in hair follicle morphogenesis and development // International Journal of Molecular Sciences. 2014. V. 15. № 1. P. 1647–1670.
  39. Rognoni E., Walko G. The roles of YAP/TAZ and the hippo pathway in healthy and diseased skin // Cells. 2019. V. 8. № 5. Р. 411.
  40. Saint-Jeannet J.-P. Neural Crest induction and differentiation. New York: Springer Science & Business Media, 2006. 248 P.
  41. Schlegelmilch K., Mohseni M., Kirak O. et al. Yap1 acts downstream of α-catenin to control epidermal proliferation // Cell. 2011. V. 144. № 5. P. 782.
  42. Shafiee A., Sun J., Ahmed I.A. et al. Development of physiologically relevant skin organoids from human induced pluripotent stem cells // Small. 2023. V. 2304879. P. 1–15.
  43. Silvis M.R., Kreger B.T., Lien W.H. et al. α-Catenin is a tumor suppressor that controls cell accumulation by regulating the localization and activity of the transcriptional coactivator Yap1 // Science Signaling. 2011. V. 4. № 174. P. ra33.
  44. Soldatov R., Kaucka M., Kastriti M.E. et al. Spatiotemporal structure of cell fate decisions in murine neural crest // Science. 2019. V. 364. № 6444. Р. eaas9536.
  45. Totaro A., Castellan M., Battilana G., Zanconato F., Azzolin L., Giulitti S., Cordenonsi M., Piccolo S. YAP/TAZ link cell mechanics to Notch signalling to control epidermal stem cell fate // Nature Communications. 2017. V. 8. Р. 15206.
  46. Totaro A., Panciera T., Piccolo S. YAP/TAZ upstream signals and downstream responses // Nature Cell Biology. 2019. V. 20. № 8. P. 888–899.
  47. Vincent-Mistiaen Z., Elbediwy A., Vanyai H. et al. YAP drives cutaneous squamous cell carcinoma formation and progression // eLife. 2018. V. 7. P. 1–14.
  48. Walko G., Woodhouse S., Pisco A.O. et al. A genome-wide screen identifies YAP/WBP2 interplay conferring growth advantage on human epidermal stem cells // Nature Communications. 2017. V. 8. P. 14744.
  49. Wang J., Xiao Y., Hsu C.W. et al. Yap and taz play a crucial role in neural crest-derived craniofacial development // Development (Cambridge). 2016. V. 143. № 3. P. 504–515.
  50. Woo J., Suh W. Hair growth regulation by fibroblast growth factor 12 (FGF12) // International Journal of Molecular Sciences. 2022. V. 23. № 16. P. 9467.
  51. Zhang H., Pasolli H.A., Fuchs E. Yes-associated protein (YAP) transcriptional coactivator functions in balancing growth and differentiation in skin // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2011. V. 108. № 6. P. 2270–2275.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Дополнительные материалы
Скачать (668KB)
3. Рис. 1. Схема эксперимента.

Скачать (412KB)
4. Рис. 2. Морфология развивающихся органоидов кожи на разных стадиях в процессе индуцированной дифференцировки. Стрелки указывают на формирующиеся зачатки ВФ. Масштабные отрезки даны на каждом изображении (100 и 200 мкм). Фазово-контрастная микроскопия.

Скачать (510KB)
5. Рис. 3. Иммуногистохимическое выявление в органоидах кожи р63, Epcam на 6-й день (а) и виментина (Vim), K18, коллагена IV и Sox2 на 15-й день дифференцировки (б). Масштабные отрезки даны на каждом изображении (200 мкм и 400 мкм). Ядра окрашены DAPI. Флуоресцентная микроскопия.

Скачать (583KB)
6. Рис. 4. Иммуногистохимическое выявление в органоидах кожи виментина (Vim), К1 и K14 на 29-й день (а), Twist1, Sox2 на 60-й день (б) и Sox2 на 72-й день дифференцировки (в). ДК — дермальный конденсат, ДП — дермальная папилла. Масштабные отрезки даны на каждом изображении (200 и 400 мкм). Ядра окрашены DAPI. Флуоресцентная микроскопия.

Скачать (564KB)
7. Рис. 5. Иммуногистохимическое выявление в органоидах кожи К15, К10, виментина (Vim), K71, AE13, и лорикрина на 110 день дифференцировки. ДС — дифференцированные слои, БС — базальный слой, СВ — стержень волоса, ВКВ — внутренне корневое влагалище. Масштабные отрезки даны на каждом изображении (100 и 400 мкм). Ядра окрашены DAPI. Флуоресцентная микроскопия.

8. Рис. 6. Результаты идентификации различных популяций клеток в составе органоидов кожи на основе пространственного анализа транскриптома 29, 60, 72, 90 и 110-й дни дифференцировки. Сверху — распределение кластеров клеточных популяций в плоскости среза, снизу — кластеры в двухмерном пространстве t-SNE. Масштабный отрезок 250 мкм.

Скачать (469KB)
9. Рис. 7. Графики Violin plots, демонстрирующие экспрессию YAP1 (а), TAZ (б), CYR61 (в) и CTGF (г) в выделенных популяциях клеток в составе органоидов кожи на пяти временны́х точках дифференцировки (29, 60, 72, 90 и 110-й дни). Высота графика отражает уровень экспрессии гена, ширина — процент клеток в популяции, экспрессирующих ген на данном уровне.

Скачать (323KB)
10. Рис. 8. Графики Violin plots, демонстрирующие экспрессию TEAD1 (а), TEAD2 (б), TEAD3 (в), TEAD4 (г) в выделенных популяциях клеток в составе органоидов кожи на пяти временных точках дифференцировки (29, 60, 72, 90 и 110-й дни). Высота графика отражает уровень экспрессии гена, ширина — процент клеток в популяции, экспрессирующих ген на данном уровне.

Скачать (274KB)
11. Рис. 9. Иммуногистохимическое выявление р63 и YAP в органоидах кожи на 6, 29, 60, 72 и 110-й дни дифференцировки. Ядра окрашены DAPI. Флуоресцентная микроскопия. Масштабные отрезки даны на каждом изображении (50, 200 и 500 мкм).

Скачать (824KB)
12. Рис. 10. Иммуногистохимическое выявление р63 и TAZ в органоидах кожи на 6, 29, 60, 72 и 110-й дни дифференцировки. Ядра окрашены DAPI. Флуоресцентная микроскопия. Масштабные отрезки даны на каждом изображении (50, 200 и 500 мкм).

Скачать (790KB)
13. Рис. 11. Иммуногистохимическое выявление коллагена III, Twist1 и YAP (а) совместно с TAZ (б) в органоидах кожи на 60-й и 110-й дни дифференцировки органоидов. Ядра окрашены DAPI. Флуоресцентная микроскопия. Масштабные отрезки даны на каждом изображении (100 и 500 мкм).

14. Рис. 12. Тепловая карта, иллюстрирующая коэкспрессию основных генов — участников каскада YAP/TAZ в одних и тех же точках захвата транскриптов в эпидермальном, мезенхимном, дермальном и нейроглиальном кластерах составе органоидов на 6, 29, 60, 72, 90 и 110-й дни развития. Уровень коэкспрессии приведен в десятичных долях от 1, где 1 — это 100%-ная колокализация.

Скачать (674KB)
15. Рис. 13. Тепловая карта, иллюстрирующая экспрессию основных генов — участников каскада YAP/TAZ для всех образцов (чИПСК-НСПК [отрицательный контроль], чИПСК-ДП после 2, 4, 6 и 8 недель дифференцировки и чДП [положительный контроль]).

Скачать (257KB)
16. Рис. 14. В эпидермальной группе клеток активная форма YAP локализуется в ядрах на поздних стадиях дифференцировки, где формирует комплекс с TEAD3 и участвует в развитии эпидермиса и эпителиальной части ВФ. В дермальной группе на поздних сроках TAZ локализуется в ядрах фибробластов, образуя комплекс с различными TEAD и участвуя в морфогенезе дермы. В нейроглиальной группе клеток в составе органоидов и на разных точках дифференцировки чИПСК-НСПК в чИПСК-ДП в YAP/TAZ сигналлинге задействован транскрипционный фактор YAP/TAZ-TEAD2.

Скачать (471KB)

Примечание

1 Дополнительные материалы доступны в электронном виде по DOI статьи: 10.31857/S0475145025020018


© Российская академия наук, 2025