[The head inducer Cerberus in a multivalent extracellular inhibitor]

Abstract

The head inducer Cerberus is a multivalent extracellular inhibitor

Cerberus encodes for a secreted protein which when overexpressed ventrally in a Xenopus embryo induces head differentiation without trunk (Bouwmeester et al., 1996). We have recently shown that Cerberus can bind BMP-4 (Bone Morphogenetic Protein-4), Xnr-1 (Xenopus Nodal-related 1) and Xwnt-8 in the extracellular space (Piccolo et al., 1999). We present here studies showing that Cerberus does not have a receptor nor a dedicated transduction pathway but rather acts as an extracellular inhibitor. Our results suggest that the action of Cerberus in head induction can be explained by an inhibitory activity upstream of the Nodal-related and BMP-4 receptors. In addition, using dominant negative receptor mutants which block both the Xnr-1 and BMP-4 transduction pathways, we show that this double inhibition is sufficient for head induction in ventral mesoderm explants.

Fig. 1. Diagramme expliquant l’analyse épistatique de la fonction d’une molécule sécrétée inhibitrice

A) Modéle d’une molécule sécrétée agissant comme un inhibiteur extracellulaire, La molécule se lie à un ligand empêchant l’activation du récepteur, inhibant ainsi la voie de transduction correspondante. B) Modèle d’une molécule sécrétée agissant comme un ligand. La molécule se lie à son récepteur propre, active sa voie de transduction et inhibe ainsi une autre voie de signalisation an niveau intracellulaire. C) Modéle décrivant l’effet de la co-expression d’un récepteur constitutivement actif et d’une molécule inhibitrice sécrétée; remarquer qu’il n’y a pas d’inhibition de la transduction du signal. D) Modéle décrivant l’effect de la co-expression d’un récepteur constitutivement activé et d’une molécule avec une voie de transduction inhibitrice. La voie de transduction activée par le récepteur constitutif cst inhibée.

Fig. 2. Cerberus est un inhibiteur extracellulaire des voies de transductions de Xnr-1 et de BMP-4. Analyses épistatiques montrant que l’ARNm codant pour cerberus fonctionne en amont du récepteur de A) Xnr-1 (ALK4) et B) du récepteur de BMP-4 (BMPR)

A) Des calottes animales injectées avec des ARNm codant pour Xnr-1 (100 pg) ou CA-ALK-4 (500 pg), en présence ou en absence d’ARNm codant pour cerberus (150 pg), sont explantées au stade 8 et traitées par RT-PCR au stade 11. Piste 1, calottes non injectées. Pistes 2-3, Xbra est activé respectivement par Xnr-1 et CA-ALK-4. Piste 4, calottes injectées avec des ARNm codant pour cer. Piste 5, les ARNs codant pour cerberus suppriment l’induction de Xbra par Xnr-1. Piste 6, les ARNm codant pour cerberus ne suppriment pas l’induction de Xbra par CA-ALK-4. Piste 7, Embryon total. B) Des calottes animales injectées avec des ARNm codant pour BMP-4 ou CA-BMPR en présence ou en absence d’ARNm codant pour cerberus sont explantées au stade 8 et traitées pour RT-PCR au stade 27. Piste 1, calottes non injectées comme temoin négatif. Piste 2, injections de BMP-4 (300 pg). Piste 3, injections de CA-BMPR (300 pg). Remarquer que seul, BMP-4 induit le marqueur de mésoderme ventral α-globine indiquant que la dose de BMP-4 utilisée est plus importante que celle de CA-BMPR. Piste 4, des calottes injectées avec des ARNm codant pour cerberus (150 pg), expriment le marqueur neuronal N-CAM. Piste 5, les ARNm codant pour BMP-4 ne réduisent que très légèrement l’induction du marqueur neuronal N-CAM par les ARNm codant pour cerberus. Piste 6, les ARNm codant pour CA-BMPR suppriment complètement l’induction du marqueur neuronal N-CAM par les ARNm codant pour cerberus.

Fig 3. L’induction de structures antérieures par cerberus est mimée par le blocage simultané de deux voies de signalisation

A) Embryon injecté ventralement avec 200 pg d’ARNm codant pour cerberus. B) Embryon injecté ventralement avec 500 pg d’ARNm codant pour une forme tronquée de XAR-1 qui entraîne le blocage simultané de la signalisation par activin/Nodal-related et BMP (Schulte-Merker et al., 1994). C) Explant de zone marginale ventrale non injecté. D) Explant de zone marginale ventrale injecté avec 200 pg d’ARNm codant pour cerberus. Noter la differenciation d’un œil et d’une glande adhésive (g. a.). E) Explant de zone marginale ventrale injecté avec 1.5 ng d’ARNm codant pour t-AKL-4 et avec 600 pg d’ARNm codant pour t-BMPR. Noter la différenciation d’un œil et d’une glande adhésive (g. a.) comme dans le cas de cerberus.

Fig. 4

Cerberus est un triple inhibiteur extracellulaire. Diagramme indiquant la fonction triple de cerberus: inhibition de Xnr-1, Wnt-8 et de BMP-4. II est intéressant de noter que Cerberus possède des sites de liaisons distincts pour chacune de ces trois molécules.