Forebrain Precursors: Signalling

Передний мозг

Spatiotemporal selectivity of response to Notch1 signals in mammalian forebrain precursors

C. B. Chambers  , Y. Peng  , H. Nguyen , N. Gaiano , G. Fishell  and J. S. Nye 
Development V.128, 689-702 (2001)


Telencephalon дает  cerebral neocortex, archicortex,обонятельные луковицы (olfactory bulbs (OBs)) и subpallial структуры. Из общего пула сегрегировавшие предшественники дают отдельные зоны для этих структур. Затем предшественники дают нейроны различных типов и глию, которые различны в каждой структуре, возникающей в результате пространственно временного или нейрогенетического градиента дифференцировки  (for a review see Jacobson, 1991). Множественный потенциал ограничивается в ходе развития  (Brock et al., 1998; McConnell, 1988), но не исчезает полностью, так постнатальные клетки гиппокампа сохраняют способность давать клетки  OB  (Suhonen et al., 1996), а некоторые линии нейральных клеток  могут дифференцироваться в различные типы зрелых кортикальных клеток  (Renfranz et al., 1991; Shihabuddin et al., 1995; Snyder et al., 1992).Растворимые факторы, такие как fibroblast growth factor (FGF), platelet-derived growth factor (PDGF) и cilliary neurotrophic factor(CNTF) могут регулировать решение, какой тип клеток генерировать  (Ghosh and Greenberg, 1995; Johe et al., 1996; Qian et al., 1997) из мультипотентных предшественников.  The Notch/lin12/glp1 (Notch) семейство участвует во многих решениях судеб клеток в качестве сигналов, которые супрессируют дифференцировку (Artavanis-Tsakonas et al., 1995).
Artavanis-Tsakonas, S., Matsuno, K. and Fortini, M. E. (1995). Notch signaling. Science 268, 225-232. Bao, Z. Z. and Cepko, C. L. (1997). The expression and function of Notch pathway genes in the developing rat eye. J. Neurosci. 17, 1425-1434. Bayer, S. A. (1980). Development of the hippocampal region in the rat. I. Neurogenesis examined with 3H-thymidine autoradiography. J. Comp.Neurol. 190, 87-114. Boulder Committee. (1970). Embryonic vertebrate central nervous system: revised terminology. The Boulder Committee. Anat. Rec. 166, 257-261. Brock, S. C., Bonsall, J. and Luskin, M. B. (1998). The neuronal progenitorcells of the forebrain subventricular zone: intrinsic properties in vitro and following transplantation. Methods, 268-281. Brunjes, P. C. and Armstrong, A. M. (1996). Apoptosis in the rostral migratory stream of the developing rat. Brain Res. Dev. Brain Res. 92, 219-222. Cagan, R. L. and Ready, D. F. (1989). Notch is required for successive cell decisions in the developing Drosophila retina. Genes Dev. 3, 1099-1112. Caviness, V. S. (1982). Neocortical histogenesis in normal and reeler mice. Dev. Brain Res. 4, 293-302. Cepko, C., Ryder, E. F., Austin, C. P., Walsh, C. and Fekete, D. M. (1995). Lineage analysis using retrovirus vectors. Methods Enzymol. 254, 387-419. Chitnis, A., Henrique, D., Lewis, J., Ish-Horowicz, D. and Kintner, C. (1995). Primary neurogenesis in Xenopus embryos regulated by a homologue of the Drosophila neurogenic gene Delta. Nature 375, 761-766. Coffman, C. R., Skoglund, P., Harris, W. A. and Kintner, C. R. (1993). Expression of an extracellular deletion of Xotch diverts cell fate in Xenopus embryos. Cell 73, 659-671. Doetsch, F., Caille, I., Lim, D. A., Garcia-Verdugo, J. M. and Alvarez-Buylla, A. (1999). Subventricular zone astrocytes are neural stem cells in the adult mammalian brain. Cell 97, 703-716. Dorsky, R. I., Chang, W. S., Rapaport, D. H. and Harris, W. A. (1997). Regulation of neuronal diversity in the Xenopus retina by Delta signalling. Nature 385, 67-70. Franklin, J. L., Berechid, B. E., Cutting, F. B., Presente, A., Chambers, C. B., Foltz, D. R., Ferreira, A. and Nye, J. S. (1999). Autonomous and non-autonomous regulation of neurite development by Notch1 and Delta1. Curr.Biol. 9, 1448-1457. Furukawa, T., Mukherjee, S., Bao, Z. Z., Morrow, E. M. and Cepko, C. L. (2000). rax, Hes1, and notch1 promote the formation of Muller glia by postnatal retinal progenitor cells. Neuron 26, 383-394. Gaiano, N., Kohtz, J. D., Turnbull, D. H. and Fishell, G. (1999). A method for rapid gain-of-function studies in the mouse embryonic nervous system. Nat. Neurosci. 2, 812-819. Gaiano, N., Nye, J. S. and Fishell, G. (2000). Radial glial identity is promoted by Notch1 signaling in the murine forebrain. Neuron 26, 395-404. Ghosh, A. and Greenberg, M. E. (1995). Distinct roles for bFGF and NT-3 in the regulation of cortical neurogenesis. Neuron 15, 89-103. Gong, Q. and Shipley, M. T. (1995). Evidence that pioneer olfactory axons regulate telencephalon cell cycle kinetics to induce the formation of the olfactory bulb. Neuron 14, 91-101. Hartenstein, V. and Posakony, J. W. (1990). A dual function of the Notch gene in Drosophila sensillum development. Dev. Biol. 142, 13-30. Henrique, D., Hirsinger, E., Adam, J., Le Roux, I., Pourquie, O., Ish-Horowicz, D. and Lewis, J. (1997). Maintenance of neuroepithelial progenitor cells by Delta-Notch signalling in the embryonic chick retina. Curr. Biol. 7, 661-670. Jacobson, M. (1991). Developmental Neurobiology. New York: Plenum Press. Jan, Y.-N. and Jan, L.-Y. (1990). Genes required for specifying cell fates in Drosophila embryonic sensory nervous system. Trends in Neurosci. 13, 493- 498. Johe, K. K., Hazel, T. G., Muller, T., Dugich-Djordjevic, M. M. and McKay, R. D. (1996). Single factors direct the differentiation of stem cells from the fetal and adult central nervous system. Genes Dev. 10, 3129-3140. Levison, S. W. and Goldman, J. E. (1993). Both oligodendrocytes and astrocytes develop from progenitors in the subventricular zone of postnatal rat forebrain. Neuron 10, 201-212. Levison, S. W., Chuang, C., Abramson, B. J. and Goldman, J. E. (1993). The migrational patterns and developmental fates of glial precursors in the rat subventricular zone are temporally regulated. Development 119, 611-622. Lewis, J. (1996). Neurogenic genes and vertebrate neurogenesis. Curr. Opin.Neurobiol. 6, 3-10. Lillien, L. (1995). Changes in retinal cell fate induced by overexpression of EGF receptor. Nature 376, 158-162. Lindsell, C. E., Boulter, J., diSibio, G., Gossler, A. and Weinmaster, G. (1996). Expression patterns of Jagged, Delta1, Notch1, Notch2, and Notch3 genes identify ligand-receptor pairs that may function in neural development. Mol. Cell. Neurosci. 8, 14-27. Luskin, M. B. (1993). Restricted proliferation and migration of postnatally generated neurons derived from the forebrain subventricular zone. Neuron 11, 173-189. Marin-Padilla, M. (1978). Dual origin of the mammalian neocortex and evolution of the cortical plate. Anat. Embryol. 152, 109-126. McConnell, S. K. (1988). Fates of visual cortical neurons in the ferret after isochronic and heterochronic transplantation. J. Neurosci. 8, 945-974. Mombaerts, P., Wang, F., Dulac, C., Chao, S. K., Nemes, A., Mendelsohn, M., Edmondson, J. and Axel, R. (1996). Visualizing an olfactory sensory map. Cell 87, 675-686. Morrison, S. J., Perez, S. E., Qiao, Z., Verdi, J. M., Hicks, C., Weinmaster, G. and Anderson, D. J. (2000). Transient Notch activation initiates an irreversible switch from neurogenesis to gliogenesis by neural crest stem cells. Cell 101, 499-510. Morshead, C. M. and van der Kooy, D. (1992). Postmitotic death is the fate of constitutively proliferating cells in the subependymal layer of the adult mouse brain. J. Neurosci. 12, 249-256. Morshead, C. M., Reynolds, B. A., Craig, C. G., McBurney, M. W., Staines, W. A., Morassutti, D., Weiss, S. and van der Kooy, D. (1994). Neural stem cells in the adult mammalian forebrain: a relatively quiescent subpopulation of subependymal cells. Neuron 13, 1071-1082. Morshead, C. M., Craig, C. G. and van der Kooy, D. (1998). In vivo clonal analyses reveal the properties of endogenous neural stem cell proliferation in the adult mammalian forebrain. Development 125, 2251-2261. Nye, J. S. and Kopan, R. (1995). Developmental signaling. Vertebrate ligands for Notch. Curr. Biol. 5, 966-969. Nye, J. S., Kopan, R. and Axel, R. (1994). An activated Notch suppresses neurogenesis and myogenesis but not gliogenesis in mammalian cells. Development 120, 2421-2430. Paterson, J. A., Privat, A., Ling, E. A. and Leblond, C. P. (1973). Investigation of glial cells in semithin sections. 3. Transformation of subependymal cells into glial cells, as shown by radioautography after 3 H-thymidine injection into the lateral ventricle of the brain of young rats. J. Comp. Neurol. 149, 83-102. Qian, X., Davis, A. A., Goderie, S. K. and Temple, S. (1997). FGF2 concentration regulates the generation of neurons and glia from multipotent cortical stem cells. Neuron 18, 81-93. Renfranz, P. J., Cunningham, M. G. and McKay, R. D. (1991). Region-specific differentiation of the hippocampal stem cell line HiB5 upon implantation into the developing mammalian brain. Cell 66, 713-729. Reynolds, B. A. and Weiss, S. (1992). Generation of neurons and astrocytes from isolated cells of the adult mammalian central nervous system. Science 255, 1707-1710. Sestan, N., Artavanis-Tsakonas, S. and Rakic, P. (1999). Contact-dependent inhibition of cortical neurite growth mediated by notch signaling. Science 286, 741-746. Shellenbarger, D. L. and Mohler, J. D. (1978). Temperature sensitive periods and autonomy of pleiotropc effects of I(1)Nts1, a conditional lethal Notch in Drosophila. Dev. Biol. 62, 432-446. Shihabuddin, L. S., Hertz, J. A., Holets, V. R. and Whittemore, S. R. (1995). The adult CNS retains the potential to direct region-specific differentiation of a transplanted neuronal precursor cell line. J. Neurosci. 15, 6666-6678. Simpson, P. and Carteret, C. (1990). Proneural clusters: equivalence groups in the epithelium of Drosophila. Development 110, 927-932. Smith, C. M. and Luskin, M. B. (1998). Cell cycle length of olfactory bulb neuronal progenitors in the rostral migratory stream. Dev. Dyn. 213, 220- 227. Snyder, E. Y., Deitcher, D. L., Walsh, C., Arnold-Aldea, S., Hartwieg, E. A. and Cepko, C. L. (1992). Multipotent neural cell lines can engraft and participate in development of mouse cerebellum. Cell 68, 33-51. Suhonen, J. O., Peterson, D. A., Ray, J. and Gage, F. H. (1996). Differentiation of adult hippocampus-derived progenitors into olfactory neurons in vivo. Nature 383, 624-627. Wakamatsu, Y., Maynard, T. M., Jones, S. U. and Weston, J. A. (1999). NUMB localizes in the basal cortex of mitotic avian neuroepithelial cells and modulates neuronal differentiation by binding to NOTCH-1. Neuron 23, 71-81. Zhong, W. M., Jiang, M. M., Weinmaster, G., Jan, L. Y. and Jan, Y. N. (1997). Differential expression of mammalian Numb, numb-like and Notch1 suggests distinct roles during mouse cortical neurogenesis. Development 124, 1887-1897. Zhu, G., Mehler, M. F., Zhao, J., Yu Yung, S. and Kessler, J. A. (1999). Sonic hedgehog and BMP2 exert opposing actions on proliferation and differentiation of embryonic neural progenitor cells. Dev. Biol. 215, 118-129.
Генерация нейральных предшественников ограничивается Notch signaling (Coffman et al., 1993; Lewis, 1996; Nye et al., 1994). Лигандами для  Notch является  DSL семейство, Delta, Serrate and Lag2 (for a review see Nye and Kopan, 1995). Взаимодействие  Notch с лигандами ведет к продукции двух различных типов клеток из идентичныъх предшественников (Simpson and Carteret,1990). Notch1, Notch3 и Delta1 (a Notch ligand) экспресируются в эмбриональном  telencephalon  (Lindsell et al., 1996). Активированный ретровирусом Notch1 ингибирует генерацию нейронов во всех областях и усиливает генерацию глии, экспрессирующей glial fibrillary acidic protein (GFAP), в кортикальных регионах. Активированный Notch1 подавляет генерацию ОВ клеток, тогда как он усиливает генерацию клеток subventricular zone (SVZ) . Постнатальные инъекции в переднюю часть  SVZ выявляют, что активированный Notch1 трансформирует предшественики OB в покоящиеся, немигратоные клетки, напоминающие стволовые (Nye et al., 1994).

Результаты

Изучали последствия избытка сигнала Notch1  in vivo в клетках и регионах предшественников телэнцефалона , используя  двухцистронный не способный к репликации ретровирус. После вентрикулярных инъекций в средине нейрогенеза(E14.5),активированный ретровирусом  Notch1 заметно ингибировалась генерация нейронов из предшественников телэнцефалона, задерживалось появление клеток из SVZ и усиливалась продукция глиального потомства в  neo- и archicortex. Однако, активированный  Notch1 оказывал другой эффекты на предшественников ОВ, заметно редуцируя число клеток любого типа, которые здесь мигрируют. Анализировали коротко- и долго-временные культуры  E14.5 telencephalic предшественников.
Установлено, что активированный  Notch1 вызывает прекращение пролиферации, которое совпадает и ингибированием генерации нейронов. Позднее, во время глиогенеза, активированный Notch1 запускает быструю пролиферацию клеток с существенным увеличением числа клеток, экспрессирующих GFAP.  Stereotaxic инъекции в раннюю постнатальную переднюю  SVZa позволили наблюдать, что предшественники ОВ отвечают на сигналы  Notch signals тем, что остаются  quiescent и неспособны давать дифференцированное потомство какго-либо типа в отличие от кортикальных клеток-предшественников, кодорые дают глию вместо нейронов. Следовательно, Notch сигналы влияют на состав областей переднего мозга , модулируя скорость пролиферации клеток нейральных предшественников.



Fig. 8.
Продукция quiescent нейральных предшественников с помощью  Notch1IC ретровирусов в кратковременных культурах. Иммунофлюоресценция двойной метки на щелочную фосфатазу и  BrdU. Большинство предшествеников, инфицированных контрольным вирусом, было позитивно как в отношении щелочной фосфатазы, так и  BrdU (стрелки), тогда как популяция предшествеников, инфицированных Notch1IC вирусом было позитивно в отношении щелочной фосфатазы, но  BrdU негативно (головки стрелок). Эти клетки были типично большими и плоскими. Кроме того видна клетка с нерональной морфологией (звездочка). Во вставке представлена другая типичная  alkaline phosphatase positive/BrdU negative клетка.


Fig. 9.
Усиление пролиферации с помощью Notch1IC ретровируса на 16-й день телэнцефалической культуры. То же двойное мечение. Тогда как большинство контрольных инфицированных предшественников  BrdU негативно (стрелка), субпопуляция, инфицированная  Notch1IC, была позитивной как в отношении щелочной фосфатазы, так и  BrdU (головки стрелок).


Fig. 12.
Эффект ретровирусного   Notch1IC на клетки передней части  SVZ , вступающие в rostral migratory stream (RMS). Control (A,B) или Notch1IC-IAP (D,E) вирусы в эквивалентных титрах стереотактически инъецированы в  SVZa P2 крыси срезы головного мозга окрашены X-phos реагентами. Сагитальный срез контрольного инъецированного мозга (A) на ст. P7 выявляет многочисленные меченные клетки в  SVZa,RMS и OB. Сходный сагитальный срез головного мозга, инъецированный  Notch1IC  (D) на P7 обнаруживает очень мало меченных клеток в тех же самых областях. Клетки внутри  RMS контрольно инъецированных животных  (B) обнаруживают типичную миграторную морфологию с ведущим отростком (головка стрелки), отходящим от тела клетки (стрелка) в направлении цели миграции  ( OB расположены слева). Эти клетки мигрируют к ОВ, где они дифференцируются в слой гранулярных клеток (не показаны) и перигломерулярные интернейроны.. Тогда как Notch1IC ретровирус дает намного меньше меченных клеток в  SVZa Notch1IC-инъецированных животных  (E, стрелки). У них отсутствуют ведущие отростки и другие признаки дифференцировки. 
После экспрессии активрованного  Notch1 в средине беременности пролиферирующие клетки  neo- и archicortex временно персистируют как  SVZ предшественники, а затем генерируют  первичную глию в больших количествах. Notch активация первоначально обусловливает затухание пролиферации без дифференцировки  во время фазы генерации нейронов, а когда генерируется глия, Notch активация ускоряет скорость ее пролиферации(Furukawa et al., 2000; Gaiano et al., 2000; Morrison et al.,2000),включая neo- archicortex (this study), Notch сигналы управляют предшественниками в ранних постнатальных ОВ, так что они теряют способность становиться зрелыми клетками и остаются немиграторными и quiescent. Различия в ответе на   Notch сигналы указывают на то, они зависят от компетенции клеток 

Notch signals and neural fates in cortical regions
Кортикальные предшественники генерируют множественные слои нейрональных клеток последовательно во времени, что сопровождается образованием кортикальной глии. Кортикальный нейрогенез у млекопитающих называется вторичным, т. к. он накладывается  на первичные нейрональные структуры (scaffold), характерные для низших позвоночных (Marin-Padilla,1978). Телэнцефалон использует Notch сигналы для ограничения продукции их нейрональной популяции, как это имеет место при первичном нейрогенезе (Chitnis et al., 1995;Coffman et al., 1993; Lewis, 1996). В отличие от первичного нейрогенеза, однако, негативная регуляция, по-видимому, необходима в слоистых кортикальных структурах для поддержания предшественников для последующих ступеней их онтогенетического пути, когда генерируются дополнительные типы нейронов (Dorsky et al., 1997; Lewis, 1996).  Передача сигналов Notch-Delta регулирует формирование различных типов клеток в многослойной сетчатке  (Dorsky et al., 1997; Henrique et al., 1997). Сходная роль Notch наблюдается и в развитии  Drosophila (Cagan and Ready, 1989; Hartenstein and Posakony, 1990;Shellenbarger and Mohler, 1978).Мы наблюдали, что  Notch1IC задерживает созревание SVZ клеток в neo- archicortex в то время. когда преимущественно генерируются нейроны. В результате задержки дифференцировки  персистирут клетки предшественники в  SVZ , которые фенотипически малы и образуют большие кластеры. Мы обнаружили, что эти клетки постепенно уменьшаются в числе от постнатального дня P9 к P21. Напротив количество глии в результате активирования  Notch1 увеличивается с возрастом, которая формируется из клеток предшественников SVZ. Глиальный кластер также увеличивается за счет пролиферации глиии или глиальных предшественников.    Наблюдение, что нейральные предшественники, в которых активирован Notch, не подвергаются апоптозу, указывает на то, что Notch сигналы не запускают программу гибели нейральных предшественников, чтобы ограничить нейрогенез.  Уменьшение неокортикальных нейронов, инфицированных Notch1IC вирусом с ~15% до ~1% с P9 до P21 м.б. следствием усиления пролиферации других клеток. Однако нейроны, которые дают аномальные отростки  при избытке Notch сигналов, не выживают(Franklin et al., 1999; Sestan et al., 1999). Поэтому нельзя исключить возможность, что гибель клеток играет роль в изменении количества клеток.  То что  Notch сигналы в телэнцефалоне способствуют дифференцировке глии согласуется с данными, что  Notch помогает дифференцировке  радиальной глии и ретинальной (Muller) глии (Furukawa et al., 2000; Gaiano et al.,2000; Morrison et al., 2000). Переключение на продукцию глии наблюдали и в ПНС Drosophila  (Hartenstein and Posakony, 1990; Jan andJan, 1990). В данной работы установлено, что этот эффект осуществляется в два этапа в клетках, компетентных генерировать глию.Во-первых,  Notch индуцирует фазу, во время которой quiescent нейрональные предшественники м.б. респецифицированы в предшественники глии. Затем глия или глиальные предшественники приобретают высокуд скорость пролиферации. Известно, что кластеры радиальной глии или быстро пролиферирующие или покоящиеся в ответ на  Notch активацию(Gaiano et al., 2000). Предполагается, что Notch сигналы действуют скорее инструктивно (Morrison et al., 2000).  Однако имеется много примеров того, что мультипотентные нейралные предшественникине отвечают на сигналы   Notch глиогенезом (Cagan and Ready,1989; Dorsky et al., 1997; Henrique et al., 1997). В согласии с этим и наблюдение данной работы, что постнатальные SVZa клетки отвечают на  Notch  quiescence скорее, чем глиогенезом. Поэтому сигналы Notch играют скорее пермиссивную, чем инструктивныю роль во многих случаях.    Notch1, Notch 3 и Delta1 экспресируются в телэнцефалоне в средине нейрогенеза  у грызунов (Lindsell et al., 1996; Zhong et al., 1997),  и что Numb играет роль по модуляции сигналов  Notch в кортикальном развитии у кур (Wakamatsu et al., 1999). 
Olfactory neurogenesis and Notch signals

Клетки, предназначенные для ОВ происходят из передней области дорсального телэнцефалона под действием сигналов, иницируемых первичными обонятельными аксонами (Gong and Shipley, 1995), и этот нейрогенез продолжается и у взрослых  (Bayer, 1980). Нами выявлены различия в реакции на сигналы  Notch обонятельных и кортикальных предшественников после специализации предшественников ОВ.  Постнатальные  SVZa представляют собой очищенную зону с чрезвычайно быстрой скоростью пролиферации (Smith and Luskin, 1998) , которая дает только нейроны по сравнению с соседними SVZ, которая генерирует  постнатально глию  (Levison and Goldman, 1993) и сохраняет способность давать нейроны  in vitro (Reynolds and Weiss,1992). Более того, SVZa клетки сохраняют свое предназначение пролиферировать и мигрировать независимо от радиальной глии (Brock et al., 1998).
Мы наблюдали прекращение созревания в мигрирующие клетки для ОВ в ответ на активирование Notch1; этот эффект был более заметен при постнатальных инъекциях. Кроме того предшественники ОВ обнаруживают сдвиг в своей реакции на сигналы Notch, т.к. они созревают из нейрон- и глия-генерирующих клеток только в нейрональные предшественники в постнатальной  SVZa.     Quiescence, по-видимому, перманентная реакция на сигналы  Notch. Интересно, что во взрослых  SVZ, кинетика и клональные характеристики указывают на то. что обчень большие клоны генерируются из покоящихся (quiescent) stem-like клеток, некоторые из которых экспрессируют  GFAP (Doetsch et al., 1999; Morshead et al., 1994; Morshead et al., 1998). Очевидно  Notch сигналы обеспечивают поддержание специфических предшественников в недифференцированном  stem-like состоянии.
Сайт создан в системе uCoz