Основной вопрос биологии, как клетки реагируют на множественные пути передачи сигналов, чтобы генерировать различающиеся клетки и фенотипические результаты. Формирование нервного паттерна является прекрасным образцом для исследования этого вопроса, т.к. нейроны формируются в определенных местах и определенное время во время развития под действием множественных сигналов. Мы использовали развивающийся средний мозг, чтобы выяснить, как взаимодействия между двумя ключевыми сигнальными системами управляют гед и когда определенный класс нейронов будет сформирован. Ключевой находкой данной работы стало то, что Wnt регулирует, контролируя Sprouty гены и передачу сигналов FGF. Эта находка имеет важное значение для нашего понимания того, как передача сигналов Wnt и FGF может регулировать выбор клетками решения в широком разнообразии биологических ситуаций, в которых эти пути активны.

Наши результаты выявили, что дифференциальная активность FGF в среднем мозге регулирует, где и когда нейральные предшественники будут дифференцированы, благодаря регуляции с помощью FGF активности Her5. По мере уменьшения активности FGF в среднем мозге экспрессия her5 оттягивается кзади в передней дорсальной части среднего мозга и дифференцируются первые нейроны. Эта функция Her5 в регуляции дифференцировки нейронов в среднем мозге рыбок данио сходна с таковой у мышей, у которых экспрессия Hes1 в среднем мозге нуждается в активности FGF, а потеря активности FGF или функции Hes1/Hes3 приводит к преждевременной дифференцировке клеток предшественников вентрикулярной зоны (Hirata et al., 2001; Lahti et al., 2011). Поразительно, мы наблюдали, что уровень функции Her5 предписывает не только количество, но и также позиционирование нейронов вдоль A-P оси, выявляя механизм, с помощью которого активность FGF может управлять пространственным началом дифференцировки нейронов. Мы нашли, то этот FGF-регулируемый домен экспрессии Her5 формообразуется с помощью передачи сигналов Wnt, который обладает би-модальным действием, активируя экспрессию гена FGF в перешейке и ослабляя активность FGF рецептора. Ряд моделей был предложен для объяснения, как Wnt и FGF взаимно регулируют др. др., чтобы сформировать паттерн среднего мозга и затем контролироать нейрогенез (Liu and Joyner, 2001; Rhinn and Brand, 2001; Wurst and Bally-Cuif, 2001). Наши находки показывают, что хотя FGF и Wnt совместно регулируют экспрессию лигандов др. др. в перешейке (и, следовательно, активность), передача сигналов Wnt также действует, чтобы репрессировать активность FGF рецептора. Мы предположили, что это осуществляется принципиально благодаря Wnt регуляции генов Sprouty в перешейке, котрые действуют, чтобы репрессировать активность FGF. Гены Sprouty рассматриваются принципиальными генами мишенями для FGF, а интерпретация функции Sprouty in vivo базируется на этом предположении (Jaszai et al., 2003; Trokovic et al., 2003; Paridaen et al., 2009). Однако, SPRY4 человека имеет законсервированный сайт связывания LEF в своём промоторе (Katoh and Katoh, 2006), а Spry4 активируется с помощью Wnt7a (Tennis et al., 2010), подтверждая, что гены Sprouty также могут регулироваться Wnt. Наши результаты показывают, что spry4 не отвечает одинаково на pea3 и her5, когда передача сигналов FGF или Wnt изменяется, и в отличие от этих чувствительных к FGF генов, spry4 отвечает быстро на изменения в передаче сигналов Wnt. Идентификация нами spry4 в качестве мишени для Wnt в среднем мозге выявляет механизм, с помощью которого передача сигналов Wnt в перешейке может регулировать активность FGF через средний мозг и потенциально управлять, где будут сформированы нейроны. С помощью условного удаления функции Spry1/2 в перешейке мышей, мы показали, что гены Sprouty управляют позиционированием нейронов. Это, скорее всего, осуществляется посредством модуляции активности FGF, т.к. мы наблюдали усиление экспрессии Pea3 вместе со смещением кпереди нейронов у этих мышей, что сравнимо с рыбками данио с избыточной экспрессией Ca-fgfr1 (data not shown). Как гены Sprouty регулируют активность FGF вдоль среднего мозга, неясно. Мы установили, что усиление активности spry4 с помощью Wnt у рыбок данио коррелирует с повышением экспрессии fgf8a в сочетании с репрессией активности FGF, тогда как потеря Spry1/2 in micesitq приводит к потере экспрессии Fgf8 в перешейке (data not shown). Это подтверждает, что белки Sprouty действуют, чтобы способствовать экспрессии fgf8a, но как это приводит к ингибированию активности FGF, неясно.

Регуляция дифференцировки нейронов в головном мозге важна, чтобы гарантировать, что соотв. количества нейронов будут сформированы в соотв. время и в соотв. месте. В дорсальной части среднего мозга, мы показали, что Her5 управляет формированием нейронов и пространственно контролируется уровнем активности FGF, подобно ранее описанной роли генов Hairy в обеспечении сохранения клеток предшественников на границе между средним и задним мозгом у рыбок данио и мышей (Hirata et al., 2001; Geling et al., 2003; Tallafuss and Bally-Cuif, 2003). Т.к. имеется множество клеток нейрональных предшественников, экспрессирующих elavl3, присутствующий вдоль A-P измерения среднего мозга, мы полагаем, что они подвергаются дифференцировке вследствие задней ретрации her5 в направлении перешейка. Это подтверждается отсутствием изменений, мы установили пролиферацию предшественников или нейрогенную детерминацию, когда Wnt, FGF или Her5 были нарушены на этой стадии. Это и др. исследования показали, что активность FGF является критическим регулятором того, где и когда будут сформированы нейроны в среднем мозге. Небольшие флюктуации в активности FGF поперек среднего мозга могут, следовательно, менять, где будут возникать ранние нейроны и потенциально приводить к преждевременной дифференцировке клеток предшественников, которые будут вносить вклад в позднее формирующиеся популяци нейронов. Во время развития среднего мозга такие флюктуации в активности FGF оказываюся забуференными с помощью компенсаторных петель обратной связи между передачей сигналов FGF и Wnt, чтобы гарантировать, что нейроны будут формироваться контролируемым пространственно-временным образом (see model in Fig. 6).

Наша модель имеет значение для понимания основ нарушений, наблюдаемых на границе между средним и задним мозгом у рада пациентов (Barkovich et al., 2009), т.к. мы показали, что Wnt, FGF, Sprouty и Her гены взаимодействуют, чтобы регулировать пространственно-временную дифференцировку нейронов вдоль A-P оси. Учитывая роль, которую мы идентифицировали для Wnt в регуляции активности FGF в перешейке, нарушения функции Wnt, Sprouty, Her или FGF могут потенциально затрагивать дифференцировку нейронов в тектуме и мозжечке. potentially affect the differentiation of neurons in the tectum and cerebellum. Интересно, что позиционирование MTN нейронов вдоль A-P оси головного мозга варьирует между позвоночными (Weinberg, 1928). Наши результаты показывают, как MTN нейроны у рыбок данио и мышей регулируются с помощью активности FGF; небольшие изменения в Wnt-управляемой активности FGF во время эволюции могли поэтому предоставить потенциальный механизм для различающегося позиционирования MTN нейронов у разных позвоночных. Изменения в позиционировании MTN в среденм мозге могли привести к потенциалу формирования новых связей с соседними нейронами и к облегчению приобретения новых сенсорных мишеней MTN у челюстных позвоночных, включая подушки усов, периодонтальные связки и черепные мышцы.