Посещений:
SPINAL CORD: DEVELOPMENT
РАЗВИТИЕ СПИННОГО МОЗГА



PATTERNING CELL TYPES IN THE DORSAL SPINAL CORD: WHAT THE MOUSE MUTANTS SAY Tamara Caspary & Kathryn V. Anderson
Nature Reviews Neuroscience V.4, № 4. Р. 289 -297 (2003)
Перевод И.Г. Лильп


Организованное расположение нейронов в зрелом спинном мозге является результатом паттернирования клеточных типов, заложенных в эмбриональной нервной трубке. Исследования молекулярных механизмов, лежащих в основе такого клеточного разнообразия ранее были сфокусированы на детерминации клеточных типов вентрального спинного мозга. Но не так давно появились работы, касающиеся детерминации клеточных типов в дорсальной части нервной трубки. Генетический анализ методом loss-of-function у мышей дал важные результаты о функциях нескольких генов, предопределяющих судьбу нервных клеток. И сейчас мы начинаем понимать, каким образом происходит организация и нервных клеток в спинном мозге и как устанавливаются связи между этими нейронами


(Рис.1.)  |  Organization of the spinal cord.


(Рис.2.)  |  Migratory paths of neurons from the dorsal neural tube.


(Рис.3.)  |  A combinatorial code of transcription factors directs the cell type specification in the neural tube.


(Рис.4.)  |  Dorsal cell specification is disrupted in Gdf7-DTA, dreher and Gdf7 mutant mice.


(Рис.5.)  |  Dorsal cell specification is altered in Wnt1;Wnt3a double mutant mice.

Активность нейронов в спинном мозге дает возможность животным воспринимать и реагировать на стимулы, поступающие из внутренних органов и наружных сенсорных структур. Широко распространено мнение, что нейроны в вентральной половине спинного мозга регулируют моторные выходы (output), а нейроны дорсальной половины опосредуют и интегрируют сенсорные входы (input). Организация зрелого спинного мозга зависит от дорсо-вентрального паттерна клеточных типов, которые детерминируются на ранних стадиях развития нервной трубки.
В дорсальном роге зрелого спинного мозга имеется пять параллельных слоев, и каждый специфический слой получает вход из различных сенсорных modalities через дорсальные корешковые ганглии. Установление во время развития правильных связей между сенсорными нейронами и нейронами спинного мозга зависит от предшествующей детерминации различающихся слоев как полей-мишеней для входящих аксонов.
Генная экспрессия четырех неперекрывающихся проневральных доменов определяет клеточный тип предшественников в дорсальной нервной трубке, которая генерирует шесть типов дорсальных интернейронов (dI1-dI6). Интернейроны происходят из Mash-1-экспрессирующих предшественников, способствуя появлению глубоких и поверхностных слоев, а Math-1-экспрессирующие клетки мигрируют исключительно в глубокие слои. Гомеодоменные транскрипционные факторы (Homeodomain transcription factors) определяют регион-специфичную невральную идентичность в нервной трубке.
Поверхностная эктодерма и нотохорда детерминируют два вторичных сигнальных центра на уровне вентральной и дорсальной средней линии ранней нервной трубки -- основание пластинки и крышу пластинки (the floor plate and the roof plate), которые продуцируют сигналы, паттернирующие нервную трубку. Sonic hedgehog (Shh) сигналы их нотохорды индуцируют образование floor plate, а последующая Shh экспрессия в floor plate генерирует Shh градиент, который способствует детерминации серии вентральных клеточных типов.
The roof plate может обеспечивать сигналы для детерминации дорсальных клеточных типов нервной трубки - например, у мышей, у которых удалена the roof plate, dI1-dI6 не детерминируются. У класическоой мышинаой мутации dreher также отсутствует the roof plate и число рано рожденных dI1 клеток у этих мышей снижено.
Эксперименты на куриных эмбрионах указывают, что bone morphogenetic protein (BMP) 6 и BMP7 из крыши пластинки, вероятно, импортируется для детерминации невральной дорсальной «судьбы». Для проверки роли BMP в паттернировании дорсального спинного мозга у мышей, необходимо создание мутаций, у которых ген Bmp инактивирован только в крыше пластинки. Указывалось и на определенную роль Wnt сигналов в паттернировании дорсальной нервной трубки.
Эксперименты по удалению определенных участков указывают, что dI1-dI3 детерминируются посредством сигналов из the roof plate, но неизвестно, какие сигналы определяют развитие dI4-dI6 клеток, возникающих из более вентральных областей. Однако эксперименты на мышах и куриных эмбрионах указывают, что экспрессия гомеобоксного Lbx1 гена в норме предотвращает клетки dI4-dI6 от приобретения ими «судьбы» клеток dI2-dI4.
Мышиные мутанты не обеспечивают простую морфогенетическую модель (такую как Shh модель для вентральной нервной трубки) для формирования паттерна дорсальной части нервной трубки. Однако, последний генетические исследования указывают, что в вентральном паттернировании участвует фактор, отличный от Shh. Поэтому сходные стратегии, хотя и отличающиеся от тех, которые были предложены изначально, могут быть использованы для вентрального и дорсального паттернирования.

Neuronal specification in the spinal cord: inductive signals and transcriptional codes
T.M. Jessel
Nature Rev. Genet. 2000. V.1. N 1. P. 20-29

Нейроны и циркуиты, которые собирают сенсорную информацию от кожи, концентрируются в дорсальной части спинного мозга, тогда как циркуиты, участвующие в проприоцепции и в контроле двигательной активности, в основном ограничены вентралной частью спинного мозга. Передача сигналов вдоль рострокаудальной оси нервной трубки обусловливает основное подразделение ЦНС на передний, средний, задний и спинной мозг. Система передачи дорсовентральных сигналов играет важную роль в становлении различий клеточных типов внутри каждого ростро-каудального подразделения.
Меньше всего известно о механизмах, отвечающих за ростро-каудальные отличия клеток разных сегментных уровней в спинном мозге. Члены Нох-с и Hox-d кластеров экспрессируются на разных ростро-каудальных уровнях спинного мозга.
Mathis, L. et al. FGF receptor signaling is required for the maintenance of neural progenitors during Hensen's node progression. Nature Cell Biol. 3, 559-566 (2001) | Article | PubMed |
FURTHER READING Stern, C. D. Initial patterning of the central nervous system: how many organizers? Nature Rev. Neurosci. 2, 92-98 (2001)


Mathis et al. предполагают существование разной, но одинаково важной функции передачи сигналов FGF в развитии не только головного, но и спинного мозга.
Авт. показали, что у кур клетки-предшественники спинного мозга ра полагаются в области эпибласта, соседней с организатором или Гензеновским узелком. Во время развития, потомки этих клеток обычно диспергируют вдоль всей длины спинного мозга по мере того как узелок прогрессирует каудально. Однако, если передача сигналов FGF блокирована в субнаборе клеток предшественников с помощью dominant-negative FGF receptor (dnFGFr), то клетки, экспрессирующие этот рецептор, способны распространяться к каудальному концу нервной трубки, вообще указывая тем самым, что они покидают узел преждевременно. Это, по-видимому, клеточно-автономный эффект, т.к. клетки в том же самом эмбрионе, которые экспрессируют только рецепторы дикого типа, все еще диспергируют нормально к кончику хвостовой почки. Mathis et al. полагают, что сигналы FGF поддерживают стволовую зону предшественников спинного мозга в области, окружающей Гензеновский узелок. В соответствии с их модлью, клетки делятся симметрично и половина клеток, продуцируемых при каждом раунде деления, выводится в нейральную пластинку. Это, по-видимому, стохастический процесс, причем клетки, расположенные более рострально, покидают узелок первыми.
Это указывает на важность точной координации клеточных движений и роста во время развития. Хотя предполагаемый 'posteriorizing signal' все еще неизвестен, тем не менее очень важно знание о роли передачи сигналов FGF во время развития спинного мозга.
Приобретение признаков спинного мозга
Клетки спинного мозга первоначально экспресируют ростральные (forebrain-like) характеристики. Каудальные признаки нервные клетки обнаруживают вскоре после нейральной индукции, благодаря репрограммированию судьбы клеток. Многие классы секретируемых факторов участвуют в этом: FGFs, ретиноиды, ВМР, Wnts и Paraxial Mesoderm Caudalizing (PMC) активность. Эти сигналы исходят от клеток первичной полоски на стадии гаструлы или от задней части параксиальной мезодермы.
Воздействие на проспективные нервные клетки FGFs из первичной полоски и РМС активности делает возможным приобретение каудальных нейральных характеристик. Спецификация нервной ткани срелднео и заднего мозга также , по-видимому, частично зависит от концентрации РМС активности. Дифференцировка клеток фспинного мозга нуждается кроме того в действии ретиноид-опосредованных сигналов, обеспечиваемых проспективной каудальной параксиальной мезродермой, которая экспрессирует ключевой энзим retinfldehyde dehydrogenase-2 (RALDH-2). Ограничиваемый RALDH-2 синтез ретиноидов каудальными частями параксиальной мезодермы, по-видимому, является критическим звеном в становлении ранних отличий между задним и спинным мозгом. Тем не менее ретиноиды безусловно позднее играют важную роль в формировании ростро-каудальной оси заднего мозга.
Спецификация клеток вдоль дорсо-вентральной оси
На ранних стадиях развития вентральной части нервной трубки возникают 3 основных класса клеток: floor plate (донной пластинки) клетки - специализированный класс глиальных клеток - дифференцирующийся по вентральной средней линии вскоре после образования нервной пластинки (Рис. 1 a, b), тогда как моторные нейроны и интернейроны генерируются в более дорсальных позициях.
Дифференцировка этих клеток запускается сигналами сначала от клеток аксиальной мезодермы, хорды, а позднее самими клетками донной пластинки (Рис 1 d). Донная пластинка начинает действовать как вторичный источних вентральных индуктивных сигналов и генерируется раньше всех остальных нейрональных типов клеток. Предполагается, что ее индукция обеспечивается сигналами от хорды. Согласно другому мнению донная пластинка внедряется в нервную пластинку в виде группы клеток предшествеников, возникших в аксиальной мезодерме еще до образования нервной пластинки.
Сигнальная активность хорды и донной пластинки связана с секретируемым белком, Sonic hedgehog (Shh) (рис.2а, и).
Градированная передача сигналов Shh
Прогрессивные 2-3-кратные изменения в концентрации Shh генерируют 56 молекулярно отличных класса вентральных нейронов из клеток нейральных предшественников in vitro. Положение каждого из этих классов нейронов in vivo предопределяется концентрацией Shh. Нейроны, генерируемые во все более вентральных частях нервной трубки нуждаются во все более высоких концентрациях Shh для своей индукции (Рис.2 с).
Как интерпретируются градированные сигналы Shh. Получены указания на то, что группа гомеодоменовых белков действуют как промежуточные факторы, для интерпретации градированных сигналов. Эти белки м.б. подразделены на 2 класса. Экспрессия каждого белка класса I репрессируется разными пороговыми концентрациями Shh. Тем самым вентральные границы их экспрессии вычленяют границы доменов предшественников. Напротив экспрессия каждого белка класса II нуждается в сигналах Shh и обеспечивается разными пороговыми концентрациями Shh. Их дорсальные границы вычленяют домены предшественников. Комбинация профилей экспрессии этих двух классов гомеодоменовых белков и предопредляет 5 кардинальных домена клеток предшественников в вентральной части нервной трубки (Рис. 3а-с).
Интерпретация сигналов обеспечивается избирательными кросс-репрессивными взаимодействиями между комплементарными парами гомеодоменовых беков двух классов, которые предопределяют одни и те же границы доменов (Рис. 3b). Эти взаимодействия,во-первых, устанавливают инициальные дорсо-вентральные домены экспрессии белков I и II классов, во-вторых, они поддерживают существование четких границ между доменами и , в-третьих, они помогают, чтобы облегчить клеткам предшественникам исполнить потребность в получении сигналов Shh, в консолидации швутешен доменов предшественников.
Центральная роль перекрестной репрессии между транскрипционными факторами имеет параллели и в других местах.Так в головном мозге перекрестно-репрессивные взаимодействия между гомеодоменовыми белками Рах6 и Рах2 помогает вычленить границу между диэнцефалоном и средним мозгом, а взаимодействия между Otx2 и Gbx2 определяют границу между средним и задним мозгом. Сходный механизм действует в регионализации эмбриональной мезодермы и гипофиза.
Гомеодоменовые белки и нейрональная судьба
Как, напр., моторные нейроны получают свои отличительные особенности (Рис. 4). Комбинаторное действие 3- гомеодоменовых белков - Nkx6.1, Nkx2.2 и Irx3 - ограничивает генерацию моторных нейронов одиночным (pMN) доменом предшествеников. Внутри этого домена активность Nkx6.1 управляет домен-ограниченной экспрессией нижестоящих факторов, таких как гомеодоменовые белки MNR2. MNR2 впервые экспрессируется во время финального цикла деления предшественников моторных нейронов и функционирует как детерминант качественных отличий моторных нейронов. Однажды индуцированный MNR2 позитивно регулирует свою собственную экспрессию, консолидируя дальнешую прогрессию клеток предшественников в моторные нейроны.
Отсутствие сцеплений в нейрональной передаче сигналов Shh
Неизвестны пути, с помощью которых градированные сигналы Shh инициального регулируют гомеодоменовые белки I и II классов. Идея, что различные уровнеи активности Gli репрессируют или активируют различные гомеодоменовые белки классов I и II, привлекательна. Однако вентральрный паттерн нейронов остается почти неизменным у мышей с мутациями Gli1 и Gli2 генов, указывая тем самым, что Gli3 имеет выдающуюся роль в вентральном нейрональном паттернировании как это имеет место и в формировании паттерна конечностей. Другая возможность, что другие регулируемые Shh транскроипционные факторы, такие как COUP-TFII, могут участвовать в инициальной интерпретации градированных Shh сигналов вентральными клетками предшественниками. Во-вторых, т.к. комплементарные классы I и II белковых пар, которые формируют границы доменов, являются мощными репрессорами экспрессии друг друга, то остается неясным сигналы Shh инициально репрессируют ли белки класса I или активируют белки класса II. В третьих, неясно могут ли эти гомеодоменовые белки предшественников устанавливать границы доменов благодарая своему действию в качестве прямых репрессоров или косвенно через индукцию экспрессии набора промежутоных репрессорных белков.
Неясно также как осуществляется дальнодействие сигналов Shh. Установлено, что активный Т-терминальный фрагмент Shh (Shh-N) переностися на расстояние во много клеточных диаметров. Во-вторых, ген Patched (Ptc), который кодирует лиганд, связывающий субъединицу Shh рецептора, экспрессируется в виде довольно гладкого вентро-дорсального градиента в вентральной части нервной трубки. Уровень Ptc экспрессии, по-видимому, отражает интенсивность передачи сигналов Shh следовательно градиент Ptc соответствует градиенту Shh активности. В-третьих, эктопическая экспресиия активированной формы smoothened (Smo), гена, кодирующего сигнальную трансдуцирующую субъединицу рецептора Ырр, по-видимому, индуцирует вентральные типы клетоек клеточно-автономным образом, что согласуется с предположением, что Shh действует непосредственно на клетки мишени, специфицируя судьбу вентральных клеток.
Участвуют дополнительные факторы, которые модулируют пути передачи Shh сигналов. В частности сигналы ВМР, по-видимому, участвуют в становлении вентро-дорсального градиента Shh сигнальной активности в вентральной части нервной трубки, а также в формировании паттерна дорсальной части нервной трубки. Shh индуцирует вентральную нейральную экспрессию Hedgehog-interacting protein (Hhip), поверхностного мембранного белка, который связывается с Shh и осбабляет его сигнальную активность. Shh кроме того индуцирует вентральную нейральную экспрессию витронектина, внеклеточного матричнго белка, который м. связывать Shh и действует как облигатный ко-фактор в передаче нейральных сигналов Shh. У позвоночных и насекомых в регуляции нейрогенеза участвует Notch и его лиганд, а многие bHLH белки экспрессируются в дискретных доменах вдоль дорсо-вентральной оси вентральной части спинного мозга и в некоторых областях ЦНС bHLH влияют на идентификацию нейрональных субтипов.
Вне сигнального пути Shh
Все спинальные моторные нейроны происходят из одиночного вентрального домена предшественников, но они становятся разными суютипами. У высших позвоночных один уровень организации проявляется в расположении моторных нейронов с общими проекциями к мишеням, в виде продольных столбов. Эти столбы оккупирут определенные прерывистые домены вдоль ростро-каудальной оси спинного мозга. Напр., моторные нейроны lateral motor column (LMC), которые иннервируют мышцы-мишени в конечностях генерируются только на уровне конечностей. На втором уровне организации, нейроны внутри основного моторного столба сегерегируют на медиальные и латеральные подразделения и проецируют аксоны вдоль вдоль разных траекторий. Внутри LMC, напр., моторные нейроны в медиальном и латеральном подразделах проецируются в вентральные и дорсальные мышцы конечностей, соотвественно (Рис. 6и) На третьем уровне, дискретные пулы моторных нейронов, существующие внутри каждого подраздела ДЬС , иннервируют специфические мышцы конечностей. У низших позвоночных, таких как рыбки данио, имеются также доказательства внутрисегментальной специфичности субтипов моторных нейронов. 3 основных типа "первичных" моторных нейронов м.б. идентифицированы по их ростро-каудальной позиции внтури одиночного сегмента нервной трубки и по их избирательным проекциям к различным аксиальным мышечным доменам на периферии.
Анатомически отличающиеся субклассы моторных нейронов отличаются и на транскрипционном уровне. Первичные моторые нейроны м.б. определены по комбинаторной экспрессиии LIM гомеодоменовых белков, а индивидуальные пулы моторных нейронов внутри LMC м.б. определены по экспрессии членов ETS и forkheaf классов транскрипционных факторов (Рис. 5).
Прогрессивные ступени в спецификации LMC нейронов зависят, по-видимому, от 3-х различных мезодермальных сигналах. Аксиальные мезодермальные клетки хорды испускают сигналы (Shh), которые специфицируют родовую принадлежнось к двигательным нейронам. Сигналы от параксиальной мезодермы помогают специфицировать качественные особенности LMC и полоюжение и последний сигнал от латеральной пластинки мезодермы необходим для предопределения некоторых отличительных особенностей индивидуальных моторных пулов.
Контроль качественных особенностей стволов двигательных нейронов
Сегментные особенности двигательных нейровнов вдоль ростро-каудальной оси зависят от позиционно-ограниченных сигналов , исходящих из параксиальной мезодермы. Эти особенности определяются экспрессией LIM гомеодоменовых белков. Эти белки необходимы для предопределения как родовой, так и сегментной принадлежности. Isl1 функция необходима первоначально для генерации всех двигательных нейронов, тогда как Lhx3 (Lim3) и Lhx4 (Gsh4), по-видимоу, играют более избирательную роль в спецификации сегментной принадлежности стволов двигательных нейронов. Lhx3 и Lhx4, по-видимому, действуют рано, выполняя роль по спецификации особенностей спинальных, но не черепно-мозговых двигательных нейронов. Кроме того эктопическая экспрессия Lhx3 во всех спинальных моторных нейронах превращает LMC и преганглиолярные аутономные двигательные нейроны в нейроны с ММС-подобными характеристиками, аксоны которых перенаправляются в направлени аксиальных мышц - обычных мишеней для медиальных ММС нейронов (Рис.7а, в).
Подразделение двгательных нейронов внутри стволов
Оба набора LMC нейронов генерируются из клеток предшественников, занимающих одно и то же дорсовентральное и ростро-каудальное положение в спинном мозге. Моторные нейроны, предназначенные сформировать медиальную часть LMC выходят из клеточного цикла раньше латеральных нейронов LMC. По-видимому, рано-возникшие LMC нейроны помогают специфицировать судьбу позднее-появившихся латеральных LMC нейронов. Показано участие в этом подражделении ретиноидов. LMC нейроны селективно экспрессируют RALDH-2 и м. синтезировать биологически активные ретинориды. Более того ретиноиды, продуцируемые рано появившимися LMC нейронами м. функционировать неавтономно, индуцируя экспрессию определенных маркеров, определяющих качественные отличия латеральных LMC нейронов, напр., Lim1 (Рис.8).
У мышей с отсутствием функции Lim1 спецификация латеральных LMC осуществляется нормально, но аксоны латеральных LMC нейронов проецируются в дорсаьную и вентраьную половины мезенхимы конечностей, выбирая, по-видимому, траектории случайно (Рис. 7а,b).
Нижестоящие мишени LIM гомеодоменовых белков, которые обеспечивают наведение моторных аксонов, пока не идентифицированы. Наиболее вероятными кандидатами м.б. член сигнальной системы Ephrin-Eph, некоторые из которых дифференциально экспресируются в субнаборах моторных нейронов. EphA4, в частности, экспрессируется преимущественно аксонами латеральных нейронов ДЬС, а также проксимальной группой мезенхимных клеток дорсальной части конечности. Более того, мыши с отсутствием EphA4 функции обнаруживают нарушения в дорсальных проекциях латералных LMC аксонов внутри конечности.
Контроль идентичности моторных пулов
Начало экспрессии ETS генов индивидуальными пулами моторных нейронов происходит сравнительно поздно и совпадает с поступлением двигательных аксонов в основание конечности. Установлено, что конечности испускают сигналы, необходимые для экспрессии ETS генов. Тем не менее эти сигналы скорее всего функционируют пермиссивным способом скорее, чем обеспечивая точный паттерн экспрессии ETS генов индивидуальными пулами двигательных нейронов. Качественные особенности моторного пула м.б. респецифицированы. Сигналы от параксиальной мезодермы, по-видимому, влияют на предопределение как пула, так и ствола двигательных нейронов. Нейроны индивидуальных моторных пулов возникают сочетанно (coherent), очевидно время их возникновени я является важным для организации пула и его предопределения внутри LCM.
Специфичность проекций двигательных аксонов в мишени-мышцы не меняется при инактивации мышиного ETS гена Er81, однако проприоцептивные афферентные врастания в вентральную часть спинного мозга блокированы. Остается открытой возможность, что эти гены контролируют паттерн иннервации моторных пулов с помощью функционально сходных проприоцептивных афферентных волокон. Мыши с отсутствием forkhead гена TWH обнаруживают нарушение развития LMC, а мутации некоторых Hox-c и Ноx-d классов генов обусловливают дефекты в развитии LMC нейронов.
Сайт создан в системе uCoz