Regulation of oligodendrocyte development
T. Kagawa, T. Wada, K. Ikenaka
Microsc. Res. and Techn. 2001. V.52. No 6. P. 740-745
T. Kagawa, T. Wada, K. Ikenaka
Microsc. Res. and Techn. 2001. V.52. No 6. P. 740-745
Олигодендроциты (OL) составляют большой класс глиальных клеток ЦНС, которые формируют миэлин. Предшественники миэлинизирующихся клеток, олигодендроцитов, возникают в ограниченной области вентрикулярной зоны. В спинном мозге грызунов клетки-предшественники (О-2А) происходят из узких билатеральных продольных столбов в вентральной части вентрикулярной зоны и затем мигрируют дорсально. Распределение их вдоль дорсо-вентральной оси контролируется внешними по отношению к ним сигналами, секретируемыми как в вентральной, так и дорсальной части спинного мозга. Комбинированное действие сигнального пути Notch и bHLH класса транскрипционных факторов может модулировать раннюю спецификацию спинальных олигодендроцитов и их дифференцировку.
Рис.2.
){kind=link}
Модель регуляторного механизма развития олигодендроцитов в спинном мозге. A Темно-серая область демонстрирует влияние ингибирующих факторов на развитие олигодендроцитов (OL) из дорсальной части спинного мозга. Светло-серая область демонстрирует эффекты индуцирующих факторов на развитие OL. Sonic hedgehog действует как индуктор развития OL, если секретируется хордой или донной пластинкой. Комбинация ингибирующих и индуцирующих факторов и продуцирует ограниченную область появления OL. B Развитие OL в шейной части спинного мозга м контролироваться с помощью механизма, сходнго с тем, что генерирует разхличия между нейронами вдоль дорсо-вентальной оси. D1A, D1B и D2, дорсальные интернейроны; V0, V1, V2 и V3, вентральные интернейроны; SM, соматические моторные нейроны; VM, висцеральные моторные нейроны. Предшественники олигодендроцитов и соматические моторные нейроны возникают в одной и той же части нейроэпителия нервной трубки.
Рис.3.
Олигодендроциты В Зрительном Нервесмотреть здесь!
Рис.3.
){kind=link}
Контроль развития олигодендроцитов с помощью HLH транскрипционных факторов. Экспрессия HES5 активируется в незрелых олигодендроцитах (OLs) в результате активации Notch рецепторов, ингибирующих созревание OLs. Это указывает на существование др. bHLH транскрипционных факторов в незрелых OLs, которые действуют как позитивные регуляторы созревания клеток. Mash1, bHLH белок, является кандидатом на роль мишени для Hes5. С другой стороны, индукция сывороткой дифференцировки астроцитов усиливает экспрессию семейства генов Id, другого класса HLH транскрипционных факторов. Известно, что предшественники OL (OLPs) м. дифференцироваться в астроциты при высоких концентрациях сыворотки in vitro. Так как белки Id не имеют основного ДНК связывающего домена, то они действуют как доминантные негативные регуляторы bHLH белков, включая Mash1 в OL линии клеток. Предполагается, что Mash1 играет ключевую ролбь в развитии OL. Hes5 интерферирует с Mash1 активностью, ингибируя в результате дифференцировку OL; Ids индуцируют дифференцировку астроцитов из OLPs, ингибируя активность Mash1.
Олигодендроциты В Зрительном Нервесмотреть здесь!
INTERCELLULAR REGULATION OF OL DEVELOPMENT
Region-Specific appearance of OLPs in the Spinal Cord
Установлено, что предшественники олигодендроцитов (OLPs) присутствуют в вентральной половине спинного мозга на Е14 у крыс, маркеры этих клеток (PDGFRα, CNP)обнаруживаются в узких билатеральных продольных столбах вентральной венрикулярной зоны и появляются в дорсальной половине на ст. Е16. Экспрессия Olg генов на ст. Е9 у эмбрионов мыши является первым проявлением OLPs.
Ventralizing and dorsalizing inductive signals for neuronal development
Пространственно ограниченная экспресия транскрипционных факторов, таких как Рах3, Рах6, Рах7 и Nkx2.2 вдоль Д-В оси, указывает, что сначала детерминируются качественные особенности нейронов. Моторные нейроны возникают из нейроэпителиальных клеток в вентральной базальной пластинке, где на низком уровне экспрессируются Рах6 и Nkx6.1. Большинство нейронов спинного мозга являются интернейронами, экспрессирующими En-1 и Evx-1 и возникают отни из Рах6-позитивной области, которая расположена дорсальнее области Nkx2.2+ и вентральнее области Рах3 и Рах7+ в вентикуляной зоне.
Shh является первым секретируемым хордой и аксиальной мезодермой вентрализующим индуктивным сигналом. Высокая концентрация Shh индуцирует дифференцировку клеток донной пластинки, экспрессирующих HNF3β. Затем эта пластинка сама начинает секретировать Shh Устанавливается градированное Д-В распределение Shh, которое и подразделяет вентральную часть нервной трубки на 5 кардинальных доменов предшественников, определяемых экспрессией 5 белков класса I (Shh-репрессируемые) Рах7, Irx3, Dbx1, Dbx2 и Рах6 и двумя белками класса II (Shh-индуцируемые) Nkx6.1, Nkx2.2.
Дорсализующие сигналы обеспечиваются членами семейства ВМР, TGF-β-подобными сигнальыми молекулами, в частности ВМР4 и ВМР7. Они и ВМР5, 6, GDF-7 и DSL-1 экспрессируются в дорсальной части нервной трубки. Гепарин сульфат протеогликаны м. модулировать взаимодействие между лигандами и рецептрами. Noggin, антогонист ВМР2 и 4, секретируется хордой и может контролировать активность ВМР.
Dorsal and ventral signals that induce ventral-specific appearance of OLs
Появление маркера предшественников олигодендроцитов PDGFRα+ обнаружено втой же самой области, где генерируются сомитные моторные нейроны (sMNs), в нижней части Рах6 градиента, вне Nkx2.2-позитивного домена. Эктопическая экспрессия Shh вызывала индукцию моторных нейронов и OL на одном и том же расстоянии от источника Shh. Следовательно, моторные нейроны и Ols имеют общего предшественника, продуцирующего сначала sMNs, а затем OLP.
Установлено также, что дорсальная активность в норме ингибирует ступень созревания 01+ OLP клеток и репрессирует также пролиферацию OLP. Все нейроны в мантийной зоне постмитотические.
Предполагается, что OL клон клеток in vivo возникает непосредственно из нейроэпителиальных стволовых клеток в соответствии с позиционной информацией скорее, чем из специфицированных клеток глиальных предшественников. Они сохраняют митотическую активность даже вне вентрикулярной зоны и трансформируются в миэлинизирующуюся глию.
Regulation of OL differentiation and myelination timing
Время дифференцировки и созревания OL м. контролироваться рецепторными молекулами клеточной поверхности. OLs и OLPs зрительного нерва крыс экспрессируют Notch1 рецепторы, а лиганд Jagged1 экспрессируется вдоль аксонов ганглиолярных клеток сетчатки. Экспрессия Jagged-1 онтогенетически подавляется параллельно с миэлинизацией. Jagged-1 или растворимая форма рекомбинантной Delta 1, строго ингибируют дифференцировку олигодендроцитов. Следовательно, их исчезновение запускает дифференцировку и/или миэлинизацию OL. Подавление экспрессии Jagged1 м.б скоррелировано с нейрональной активностью ретинальных ганглиолярных клеток.
Sulfatide или про-олигодендроцитный антиген РОА м. играть роль в дифференцировке OL. Мыши, дефицитные по UDP-galactose:ceramid galactosyltransferase (CGT), не имеют галактоцереброзида и сульфатида, отражающих раннюю дифференцировку OL. Предполагается существование "лиганда", взаимодействующего с этими галактолипидами. Липид-связывающий лиганд м. инициировать конституитивный ингибирующий сигнал через плазменную мембрану путем взаимодействия с сульфатидом или РОА. Состав "липидных плотиков", липид-протеин детергент-нерастворимых гликолипидных комплексов из головного мозга CGT-нокаутных мышей отличался от нормы. Это подтверждает роль GalC/sulfatide или РОА в регуляции таких протеин-липидных взаимодействий.
INTRACELLULAR REGULATION OF OL DEVELOPMENT
Mash1 may induce OL development
Активация Notch1 рецепторов на OLPs ингибирует созревание OL. Когда Notch1 рецептор активирован, то внутриклеточный домен Notch расщепляется и транслоцируется в ядро клетки и вместе с Su(H)/RBP-J белком индуцирует Hes, bHLH класса транскрипционный фактор. В OL клоне при этом индуцируется Hes5, гомолог млекопитающих Hairy and Enhancer-of-split. Hes м. давать гетеродимеры с пронейрональными bHLH белками, противодействующими его действию. Белки семейства Hes могут связывать последовательности N-box в промоторнойобласти некоторыхь bHLH генов, таких как mash1.
Итак, мишенью для Hes5 м.б. Mash1, играющий важную роль в развитии автономных и обонятельных сенсорных нейронов. Комбинированое действие Hes5 и Ids м. управлять ДНК-связывающей активностью Mash1 и связанной с этим экспрессией белков в OL клоне, контролирующей дифференцировку OL (рис.3)
bHLH transcription factors other than Mash1 expressed in Ol lineage
Предполагается, что у нокаутных Mash1 мышей Neurogenin 1/2 моджет экспрессироваться эктопически и вентральных областях и компенсировать функцию Mash1.
Olig-1/2 bHLH белок специфиески экспрессируется в OL клоне. Эти белки также являются кандидатами на замещение функции Mash1. Эктопиеская экспрессия Olig-1 способствует экспрессии ранних OL маркеров, включая и NG2 протеогликан и Sox10/ Предполагается, что экспрессия Olig-1/2 происходит в ранней и поздней фазе.
Early specification of OLPs by the combination of bHLH and Notch signaling
Итак, развитие OLs регулируется вентральными и дорсальными сигналами. Детерминация OL клона обеспечивается латеральными сигнальными молекулами Notch и его лигандами Delta и Jagged. Экспрессия Delta1 и Jagged1 в вентрикулярной зоне ЦНС выявляет существование комплементарных доменов с неперекрывающимися границами, следовательно, различные Notch-лиганд комбинации м. управлять развитием определенных типов нейральных клеток. 3 полоски Jagged1-экспрессирующих областей выявлены в вентральной вентрикулярной зоне спинного мозга мыши. Одна из этих областей совпадает во времеи и пространственно с фокусом OLPs. Экспрессия Notch, Delta< Jagged тесно связана с bHLH транскрипционными факторами, т.к. на сигнальном пути ниже стоят члены Hes семейства. Показано, что экспрессия ngn-1 и Mash1 связана c Delta-1 и Jagged в ЦНС грызунов. Fringlr, модулятор сахарных цепей на Notch рецепторе, функционирует, трансдуцируя определенные Notch сигналы в клетки путем связывания или с delta или c Jagged. Т.обр., кооперативное действие Notch сигнального пути и bHLH смейства является критическим для развития OLs.
|
The erbB2 gene is required for the development of terminally differenciated spinal cord oligodendrocytes Park S-K, Miller R, Krane I, Vartanian T. J.Cell Biol. V. 154 N 6. P. 1245-1258. 2001 |
Испускаемые аксонами сигналы, по-видимому, необходимы для созревания олигодендроцитов. Одной из таких аксональных сигнальных молекул является neuregulin (NRG)-1. Мутантные О4+ пролигодендробласты с потерей функции NRG-1 полностью неспособны к развитию.
Множественные факторы опосредуют клеточные эффекты NRG, включая специфические лиганды, уровни и репертуар экспрессии рецепторов и клеточный контекст. Большое количество NRG лигандов возникает из 4 известных генов со множественным сплайсингом и вариантами промоторов. Использование рецепторов довольно ограничено для лигандов EGF (erbB1) и для NRG-4 (erbB4), а для NRG-1 (erbB2, erbB3, erbB4). Передача сигналов через erbB рецепторы происходит в результате индуцированной лигандом димеризации рецепторов. ErbB2, по-видимому, является преимущественным партнером в большинстве, если не во всех erbB гетеродимерах. Уникальные и перекрывающиеся docking сайты для адапторных белков и цитозольных энзимов существуют в отдельных erbB, делая их способными трансдуцировать как общие, так и определенные сигналы. Клеточный контекст также важен для взаимодействий NRG с рецептором. В мультипотентных клетках нейрального гребня NRG-1 специфицирует глиальную судьбу, тогда как в Шванновских клетках NRG-1 специфицирует пролиферацию.
В работе продемонстрирована, что предшественники и сами олигодендроциты экспрессируют erbB2, erbB3 и erbB4, и что рецепторы erbB2 несущественны для ранних стадий развития предшественников олигодендроцитов, но важны для пролигодендробластов, чтобы они м. дифференцироваться в GalC+ олигодендроциты. У erbB2-/- олигодендроцитов развитие останавливается на пролигодендробластной стадии с более чем 10-кратным уменьшением GalС+ олигодендроцитов. Он, по-видимому, участвует в трансдукции сигналов финальной диференцировки,т.к. апоптоз не усиливается. Олигодендроциты erbB2-/-, которым удалось дифференцироваться все же неспособны покрывать оболочками нейриты. Следовательно, erbB2 необходим для терминальной дифференцировки и для формирования миэлина.
Нормальное развитие О4+ пролигодендробластов в erbB2-/- эксплантантах указывает на то, что рецепторы NRG другие, чем erbB2 способны передавать сигналы, необходимые для образования этих клеток. Рецепторы же erbB2 участвуют в передаче сигналов, необходимых только для терминальной дифференцировки олигодендроцитов и миэлинизации.
Неспособность LIF усиливать выживаемость erbB2-/- олигодендроцитов м. отражать взаимодействия между erbB2 и LIF рецептором gp130.
Увеличение числа аксонов вызывает параллельное увеличение предшественников олигодендроцитов. Удаление части аксонов у новорожденных существенно снижает число предшествнеников и олигоднедроцитов, хотя некоторые из них развиваются нормально и в отсутсвие аксонов. Два типа молекул м. обеспечивать сигналы, продуцируемые аксонами, которые м. влиять на развитие олигодендроцитов: Jagged1 и NRG. Jagged1 действует через Notch рецепторы на предшественников олигодендроцитов и является мощным ингибитором дифференцировки олигодендроцитов в зрительном нерве. Jagged1 экспрессируется в аксонах и его уровень падет в ходе миэлинизации. Следовательно, возможно, что дефекты терминальной дифференцировки олигодендроцитов в отсутствии erbB2 м.б. следствием активации Jagged1 или родственных лигандов в нейронах спинного мозга.
a | Oligodendrocytes (red) derived in vitro from Shh-null neural tissue. The green cells are neurons. b | PLAP reporter gene expression in brain tissue infected with SHH-expressing virus.
Photographs courtesy of Gord Fishell, Skirball Institute, New York University, USA.
Чтобы определить может ли телэнцефалон продуцировать олигодендроциты в ответ на Shh, авт. использовали вирусный вектор для экспрессии человеческого SHH в этой области у эмбрионов на 9.5 день. После 5 дней, области экспрессии SHH обнаруживают эктопическую активацию ранних маркеров олигодендроцитов Olig2 и PDGFR. Однако, у мышей, достигших взрослого периода, некоторые клетки, экспрессирующие SHH, оказались неспособными экспрессировать маркеры зрелых олигоднедроцитов (напр., myelin basic protein (MBP) и 2',3' cyclic nucleotide 3' phosphodiesterase (CNPase )), особенно в областях, где миэлинирующие олигодендроциты обычно отсутствуют, в таких как серое вещество мозга. Следовательно, хотя Shh и способен давать ранние олигодендроциты на телэнцефалических клетках, однако дополнительные локально продуцируемые сигналы м.б. необходимы для завершения пути дифференцировки. Nery et al. показали, что локальное ингибирование Shh снижает число клеток, вступающих на путь дифференцировки олигодендроцитов. У Nkx2.1 нокаутных эмбрионов, у которых отсутствует экспрессия Shh в медиальном ganglionic eminence, PDGFR и Olig2 маркеры подавляются в телэнцефалоне и вентральной части диэнцефалона. В др. областях телэнцефалона, где экспрессия Shh сохраняется неизменной, включая проспективную amygdala, маркеры ранних олигодендроцитов сохраняются. Это наблюдение очень важно, т.к. amygdala ранее не была замечена в качестве источника олигодендроцитов.
NRG в развивающейся ЦНС локализуется в нейронах и аксонах, а также в структурах донной пластинки. Аксональный NRG является мембран-ассоциированной формой, способной активировать erbB рецепторы, т.е. при прямом контакте аксонов с глией. В ЦНС NRG выполняет множественные и отличные роли в развитии Шванновских клеток. NRG индуцирует глиальную судьбу в предшественниках нейрального гребня. Для Шванновских клеток он служит и фактором выживания, а также оказывает митогенные эффекты на клоны Шванновских клеток. У NRG-1, erbB2, erbB3 мутантов отмечается выраженное снижение числа Шванновских клеток, влияет на их аксональную фасцикуляцию и нахождение мишеней.
Сигнальный белок sonic hedgehog (Shh) важен по многим аспектам для нейрального развития у позвоночных, включая формирование дорсо-вентралього паттерна и спецификацию моторных нейронов и вентральных интернейронов. В спинном мозге Shh специфицирует также олигодендроциты. Nery et al. получили доказательства, что Shh обеспечивает олигодендрогенез в телэнцефалоне млекопитающих.
| ORIGINAL RESEARCH PAPER
Nery, S. et al. Sonic hedgehog contributes to oligodendrocyte specification in the mammalian forebrain. Development 128, 527-540 (2001) | PubMed | ISI | FURTHER READING Rogister, B. et al. From neural stem cells to myelinating oligodendrocytes. Mol. Cell. Neurosci. 14, 287-300 (1999)PubMed | Article | ISI | |
a | Oligodendrocytes (red) derived in vitro from Shh-null neural tissue. The green cells are neurons. b | PLAP reporter gene expression in brain tissue infected with SHH-expressing virus.
Photographs courtesy of Gord Fishell, Skirball Institute, New York University, USA.
Чтобы определить может ли телэнцефалон продуцировать олигодендроциты в ответ на Shh, авт. использовали вирусный вектор для экспрессии человеческого SHH в этой области у эмбрионов на 9.5 день. После 5 дней, области экспрессии SHH обнаруживают эктопическую активацию ранних маркеров олигодендроцитов Olig2 и PDGFR. Однако, у мышей, достигших взрослого периода, некоторые клетки, экспрессирующие SHH, оказались неспособными экспрессировать маркеры зрелых олигоднедроцитов (напр., myelin basic protein (MBP) и 2',3' cyclic nucleotide 3' phosphodiesterase (CNPase )), особенно в областях, где миэлинирующие олигодендроциты обычно отсутствуют, в таких как серое вещество мозга. Следовательно, хотя Shh и способен давать ранние олигодендроциты на телэнцефалических клетках, однако дополнительные локально продуцируемые сигналы м.б. необходимы для завершения пути дифференцировки. Nery et al. показали, что локальное ингибирование Shh снижает число клеток, вступающих на путь дифференцировки олигодендроцитов. У Nkx2.1 нокаутных эмбрионов, у которых отсутствует экспрессия Shh в медиальном ganglionic eminence, PDGFR и Olig2 маркеры подавляются в телэнцефалоне и вентральной части диэнцефалона. В др. областях телэнцефалона, где экспрессия Shh сохраняется неизменной, включая проспективную amygdala, маркеры ранних олигодендроцитов сохраняются. Это наблюдение очень важно, т.к. amygdala ранее не была замечена в качестве источника олигодендроцитов.
Некоторые дополнительные наблюдения говорят против Shh как абсолютно необходимого олигодендроцитам. Во-первых, клетки телэнцефалона могут давать олигодендроциты у Shh нулевых мышей. Nery et al. предполагают, что Shh действует in vivo чтобы преодолеть негативную регуляцию пути дифференцировки олигодендроцитов. Другой механизм, который дает в результате ту же самую потерю гипотетического ингибирующего сигнала, м. оперировать in vitro. Затем у Nkx2.1 мутантов в телэнцефалоне экспрессия PDGFR восстанавливается до нормального уровня к моменту рождения, указывая тем самым на существование компенсаторного Shh-независимого сигнального пути. Однако, происхождение клеток, экспрессирующих PDGFR, не установлено, а др. возможность, что они мигрируют из др. частей головного мозга, где экспрессия Shh не изменена.
Неясно, что является эффектором Shh в спецификации олигодендроцитов и какие дополнительные факторы необходимы для постнатального созревания этих клеток.