В большинстве тканей спецификация качественных особенностей клеток во время нейрального развития позвоночных базируется на активности транскрипционных сетей. Они контролируются внеклеточными сигналами, которые действуют, чтобы ограничить и предопределить определенные клеточные судьбы [1,2]. Простейшие модели формирования нейрального паттерна позвоночных базируются на идее, что нервная трубка состоит из двух ортогональных осей: дорсо-вентральной (DV) и передне-задней (AP). Вдоль этих осей предполагаются градиенты сигналов для создания Cartesian-подобных координат путем регуляции транскрипционной сети в нейральных предшественниках, чтобы предопределить характеристики нейрональных подтипов [3]. Однако недавние исследования начали выявлять новые детали этих механизмов, которые осложняют эту простую картину. Частично из-за того, что клетки, которые вносят вклад в предшественники нервной системы, которые формируют спинной мозг, имеют отдельное онтогенетическое происхождение от передних регионов нервной системы [4]. Следовательно, предшественники спинного мозга подвергаются воздействию других наборов сигналов и проходят через отличающийся набор промежуточных транскрипционных состояний по сравнению с предшественниками, возникающими в передней части нервной системы (Figure 1).Мы опишем здесь источник и развитие предшественников спинного мозга к эмбрионов позвоночных.

Embryonic origin of the spinal cord

Процесс нейральной индукции и последующее формирование ЦНС в передний мозг, задний мозг и спинной мозг привлекло существенное внимание [5,6]. Несколько линий доказательств (Box 1) показывают, что клетки, которые вносят вклад в спинной мозг, происходят из др. места по сравнению с регионами, формирующими более передние регионы. Клональный анализ у амниот показал, что многие клетки спинного мозга обнаруживают более тесные клональные взаимоотношения с сомиты формирующей параксиальной мезодермой, чем нейральные предшественники головного мозга [7,8]. Эти исследования выявили, что клетки как спинного мозга, так и параксиальной мезодермы у позвоночных происходят из популяции neuromesodermal progenitors (NMPs), которые расположены в регионе caudal lateral epiblast (CLE) и на границе узелок-полоска развивающегося эмбриона (Figure 2A) [4,7-11]. Эти NMP клетки характеризуются экспрессией мезодерму индуцирующего транскрипционного фактора (TF), Brachyury (T или Bra), вместе с эпибластными и нейральными TFs Sox2, Sox3 [12-14] и Nkx1-2 [15]. Техника генетического мечения демонстрирует, что клетки, которые экспрессируют Bra cвносят вклад в спинной мозг [16,17]. Более того, популяция NMP, по-видимому, эволюционно важна, поскольку сходные популяции были идентифицированы у беспозвоночных [18,19].

Итак, эти исследования подтверждают, что предшественники, формирующие передние и задние регионы нервной системы имеют отличающиеся источники и возникают из клеток с разными профилями транскрипции. Все ли нейральные предшественники в задней части спинного мозга проходят через состояние NMP и временно экспрессируют Bra, ещё предстоит определить. Тем не менее, возникают вопросы о молекулярных механизмах, которые индуцируют нейральные предшественники передней части нервной системы по сравнению со спинным мозгом и действительно ли эти различия влияют на будущее развитие этих клеток в функционально отличающиеся регионы нервной ткани.

The NMP transcriptional network

Несколько сигналов, включая членов семейств Fgf, Wnt и Notch, как известно, играют роль в индукции мезодермальной и нервной ткани [4,20-23]. Эти сигналы также, по-видимому, участвуют в индукции NMP [24,25]. У эмбрионов мыши Fgf8 и Wnt3a важны для спецификации и поддержания клеточных особенностей NMP и, следовательно, для элонгации оси тела [23,26-28]. В соответствии с этим клетки с молекулярными и функциональными свойствами NMPs могут происходить in vitro из мышиных или человеческих эмбриональных стволовых клеток, которые были подвергнуты воздействию передачи сигналов Wnt и Fgf (Figure 2B) [29,30]. Эти клетки могут в дальнейшем дифференцироваться в двигательные нейроны спинного мозга [29,31] (Box 2). Несмотря на это точные молекулярные особенности клеток NMP и детальное понимание того, как

Figure 1. Overview of cell lineage relationships during spinal cord development.During early embryonic development epiblast (Epi) cells choose between an anterior neural ectoderm (NEct), mesendoderm (ME) and neuromesodermal progenitor (NMP) lineages. NMP cells expressing Bra, Sox2, and Nkx1-2 have the potential to become either presomitic mesoderm (PSM), which will express Msgn1 and Tbx6, or preneural tube (PNT) cells that will express Nkx1-2 and Sox2. PNT cells respond to the ventral signal Shh, emanating from the notochord, and dorsal Bmp signals,emanating from the roof plate, to generate floor plate (FP) and neural crest cells (NCCs), respectively. Retinoic acid signaling, emanating from the somites, promotes the transition of preneural tube cells to a neural progenitor (NP) state. Progenitors that form the ventral spinal cord are divided into five distinct progenitor domains (p0-p3, pMN) in response to Shh, whereas the dorsal spinal cord is divided into six interneuron domains (dI1-dI6) in response to Wnt and Bmp signaling.

внешние сигналы регулируют их транскрипционную сеть, остаются неизвестны. Wnt

Figure 2. Progressive differentiation of neuromesodermal progenitors during development of the CNS. (A) Schematic of a wild type embryo, looking down onto the surface of the posterior end of the embryo. The posterior gradients of Wnt and Fgf signals (red), emanating from the caudal lateral epiblast (CLE), oppose the activity of retinoic acid (RA, green) which is produced by the developing somites. Neuromesodermal progenitor (NMP) cells (orange dots) located in the CLE transit either through a preneural tube (PNT) stage (blue dots) to spinal cord progenitors (green dots), or through a presomitic mesoderm stage (PSM) to form the somites (red cells). Green and red arrows show the distinct developmental paths of NMP cells. (B) Timely activation of Wnt/Fgf signaling in mouse and human differentiating ES cells results in the generation of NMP cells expressingBrachyury (Bra) and Sox2 protein [29], equivalent to those found in the CLEregion of the embryo.

Стоящие ниже Wnt3a и Fgf8, некоторые транскрипционные факторы участвуют в спецификации качественных характеристик NMP [4]. Wnt3a и Fgf8 индуцируют Bra [32] и Sox2 [33]. Передача сигналов Wnt

Box 1. The mechanism(s) of neural induction and regionalization

The induction of neural tissue is a defining event in embryogenesis that has long been used as an experimental model of embryonic fate decisions. Seminal studies by Spemann and Mangold using amphibian embryos showed that the generation of a properly patterned nervous system from na??ve ectodermal cells involved an inductive signal from the organizer, located in the dorsal lip of the blastopore [94-96]. Further studies in Xenopus led to the suggestion that, initially, cells fated to become neural acquire an anterior identity (activation), and that over time these cells transform into more-posterior neural fates in response to a gradient of extrinsic 'posteriorizing' signals emitted from the organizer region [97,98]. This has become known as the activation transformation hypothesis [99].

In the search for signals responsible for inducing neural fate, Bmp antagonists were isolated as secreted factors from the organizer and were shown to act as neural fate inducers (reviewed in [5]). However, several other signaling pathways, including Wnt and Fgf, have also been shown to play a role in neural induction. These differ in their capacity to promote anterior versus posterior neural cell identities [21,60], and challenge the notion that neural fate acquisition depends on a single inducing event [5].

One possibility is that the reported differences in the identity of neural-inducing signals might be a consequence of the distinct ontogenies of the anterior and posterior nervous system. Genetic cell labeling studies in mice have demonstrated that the lineage of cells residing in the spinal cord arises in close association with paraxial mesoderm [7,8]. Thus, neural progenitors may arise in more than one way. In this view, distinct mechanisms involving different extrinsic and intrinsic factors could be responsible for anterior and posterior neural induction. Knowledge of the cell intrinsic transcriptional networks, as well as the extrinsic signals that drive neural fate induction, will address this issue.

также необходима для усиления активности Cdx 1, 2 и 4, Nkx1.2 и для индукции задних Hox генов [34-38]. И Bra и Cdx мутантные мыши обнаруживают тяжелые дефекты удлинения оси [36,39,40]. Соответственно, гены Cdx, как полагают, стимулируют транскрипцию Wnt3a (Figure 3) [41]. У Cdx нулевых эмбрионов Wnt3a подавлен, а экспрессия Bra больше не поддерживается [42]. Исследования на рыбках данио далее продемонстрировали, что Bra способствует передаче сигналов Wnt, установив тем самым позитивную петлю обратной связи, важную для удлинения оси [43]. Удивительно, некоторые дефекты элонгации оси у Cdx мутантов устранялись после экспрессии туловищных Hox генов [44]. Более того, индукция Cdx2 удаляла репрессивную хроматиновую метку H3K27me3 из регионов хроматина, кодирующих гены Hox [34], подчеркивая роль генов Cdx в индукции экспрессии задних Hox генов. Итак, эти данные подтверждают, что индукция Cdx генов способствует экспрессии как задних Hox генов и Bra и элонгации оси тела.

Хотя регуляторные связи между внешними сигналами и нижестоящими TFs нуждаются в дальнейшем исследовании, позитивные петли обратной связи между передачей сигналов Cdx, Bra и Wnt/Fgf, скорее всего, играют важную роль в поддержании, а также индукции качественных особенностей NMP (Figure 3). Эти обратные связи должны разрушаться для выхода клеток из состояния NMP и дифференцировке в нервную или мезодермальную ткань. Ретиноевая кислота (RA) участвует в этом процессе. Усиление передачи сигналов RA и ослабление передачи сигналов Wnt и Fgf обеспечиваются, по крайней мере, частично путем индукции задних Hox генов, это связано с прекращением

Box 2. In vitro models of development

The directed differentiation of pluripotent stem cells to specific cell types in vitro shows great promise for providing insight into developmental mechanisms. This approach has been used to generate, for example, endoderm derivatives [100] and neural cells [101] from mouse and human pluripotent stem (PS) cells. In the case of neural cells, significant experimental milestones have been achieved that include the generation of forebrain neurons [102] and motor neurons (MNs) [103] using the carefully controlled addition of specific patterning signals that mimic the in vivo milieu. Forced expression of transcription factors such as Hoxb1 during a specific time-window can direct the differentiation of mouse ES cells to specific hindbrain identity [104]. More recently, similar forced transcription factor expression techniques have been used to directly differentiate neurons from fibroblasts [105]. Each of these in vitro differentiation methods appears to mimic key aspects of normal in vivo development, and this allows close parallels to be drawn between in vitro and in vivo mechanisms.

Until recently, the generation of trunk spinal cord neurons had proved challenging. However, recent studies showed that timely addition of Wnt and Fgf signals to differentiating mouse and human PS cells results in the efficient generation of trunk spinal cord neurons [29,31,34]. Importantly, these methods appear to generate a transient NMP stage during the in vitro differentiation that closely recapitulates the in vivo NMPs produced before the development of trunk MNs. Future work is likely to refine these methods and the precision with which specific subtypes of neurons are produced. This will provide new insight into the molecular mechanism specifying particular cell identities. In addition, the self-organizing properties of differentiating PS cells in 3D culture systems are increasingly being exploited and offer new perspectives on tissue formation [106-108]. These types of approaches are being combined in new and sophisticated ways that complement conventional in vivo molecular and genetic studies investigating basic development and disease processes.

элонгации оси тела [12,45]. На молекулярном уровне транскрипционные эффекторы RA соединяются с регуляторным элементом, связанным с геном Fgf8, чтобы ингибировать его экспрессию [46]. Cdx гены способствуют удлинению оси путем поддержания RA деградирующего энзима Cyp26a1 [44]. Потеря Cyp26a1 у мыши приводит к эктопической передаче сигналов RA в заднем ростовом регионе, вызывая укорочения вдоль задней оси [47]. Сомиты кпереди от NMPs экспрессируют RA синтезирующий энзим Raldh2 [48]. С этого момента, как только клетки мигрируют из CLE, то они, скорее всего, подвергаются воздействию увеличивающихся концентраций RA и уменьшающихся уровней передачи сигналов Wnt и Fgf [12]. Укорочения оси в Araucana rumpless цыплят, которые лишены последнего позвонка и хвоста, предоставляют дальнейшее подтверждение роли RA в этом процессе [49]. В частности, NMPs у Araucana rumpless эмбрионов эктопически экспрессируют гены Irx1 и Irx2 , которые обычно ограничены нейральными предшественниками кпереди от NMPs. Дерепрессия этих двух генов коррелирует с потерей Cyp26a1 в NMPs и, по-видимому, достаточна, чтобы способствовать нейральной дифференцировке [49]. Тем не менее, достаточно ли увеличение передачи сигналов RA или необходимы дополнительные механизмы, чтобы положить конец NMP-поддерживающим петлям обратной связи, остается неясным. Заметим, что NMPs продолжают дифференцироваться у эмбрионов мыши, лишенных Raldh2, и эти эмбрионы продолжают ограничивать удлинение оси тела в отсутствие RA [50].

Regulation of cell fate choice between neural or mesoderm

Клональный анализ [7,8] показывает, что, по крайней мере, NMPs вносят вклад в потомство как нервного, так и мезодермального клона. Как NMPs делают выбор между двумя этими исходами, остается неясно. Клетки, принявшие качественные особенности параксиальной мезодермы, активируют T box транскрипционный фактор Tbx6 [51]. У эмбрионов, лишенных Tbx6, эктопическая нервная ткань формируется на месте сомитов [52,53]. Частично это обусловлено эктопической экспрессией SoxB1 гена Sox2 [54]. Делеция необходимого нейрального энхансера Sox2 супрессирует развитие эктопической нервной ткани у Tbx6 мутантов, хотя качественные особенности мезодермы восстанавливаются не полностью [54]. Напротив, усиленная экспрессия Sox2в каудальной части параксиальной мезодермы, по-видимому, достаточна для превращения презумптивной мезодермы в нервную ткань. Mesogenin 1 (Msgn1) также способствует приобретению качественных особенностей параксиальной мезодермы и индуцирует Tbx6 [55]. Более того, экспрессия Msgn1 у Wnt3a^-/- эмбрионов мыши частично восстанавливает дифференцировку PSM [55]. Это помещает Msgn1 ниже передачи сигналов Wnt3a и выше или параллельно с Tbx6 в регуляторной сети [53]. Вместе с исследованиями генетических взаимодействий [53,56], данные подтверждают модель, согласно которой взаимная репрессия между параксиальной мезодермой и нейральными транскрипционными программами создает триггерный переключатель, приводящий к дифференцировке NMPs, приобретающих нейральные или мезодермальные качественные особенности.

Figure 3. Outline of signals and transcriptional networks that regulate cell state transitions during formation of the posterior neural tube. In neuromesodermal progenitors (NMPs), Wnt and Fgf signals emanating from the caudal lateral epiblast (CLE) region induce the expression of the Brachyury (Bra) [32], Sox2 [33], Nkx1-2 [15], and Cdx genes [35,36]. Cdx [41] and Bra [43] in turn promote Wnt expression, creating positive feedback loops. Activation of Cdx genes results in the induction of posterior Hox genes [34-37]. In the preneural tube (PNT) region, Fgf signaling is necessary for the induction and maintenance of the transcription factor Nkx1-2 [59]. Bra from the CLE region is also implicated in the maintenance of Nkx1-2 expression [15]. In turn, Nkx1-2 inhibits the induction of neural progenitor transcription factor (TF) genes such as Pax6 and Irx3 [64], resulting in the maintenance of PNT identity. Cells transit from the preneural to neural stage under the influence of RA signaling [62,63]. RA represses Fgf [46,62] and Wnt signaling [66], and induces the expression of Pax6 and Irx3 [62]. The combination of RA, Irx3, and Pax6 inhibits Nkx1.2 expression, either directly or indirectly (as indicated by the broken line) [64].

Молекулярные детали переключения между нейральной тканью и мезодермой и как это контролируется, чтобы гарантировать соотв. пропорции каждого типа клеток, остаются неясными. Доказательства дифференцировки in vitro из ES клеток подтверждают, что баланс и продолжительность передачи сигналов Fgf и Wnt влияют на выбор NMP клеток между нервной и мезодермальной судьбой [29]. In vitro, длительное воздействие на NMPs передачи сигналов Fgf и Wnt подавляет Sox2 и приводит к экспрессии Tbx6, тогда как короткое воздействие благоприятствует поддержанию экспрессии Sox2 и нервным характеристикам [29]. Значение этого in vivo предстоит установить. Более того, необходимо исследовать дополнительные сигналы. Передача сигналов Notch оказалась связанной с определением места аксиальных предшественников или на вентральной пластинке нервной трубки или хорды, аксиального нейрального и мезодермального клонов, соотв. [57]. Играет ли Notch сходную роль в NMPs остается неизвестным. Более того, хотя данные по отслеживанию клонов подтверждают, что одиночные NMP могут давать как нервные, так и мезодермальные клетки, но остается неясным, все ли NMPs обладают одинаковой склонностью формировать нервные и мезодермальные производные. Анализ транскриптомов одиночных клеток NMP [30], сопровождаемый исследованием степени, с которой индивидуальные решения испытывают зависимость от внешних сигналов или предетерминированые перед дифференцировкой могут обеспечивать информацию. Понимание того, как клетки NMP превращаются или в нервные или мезодермальные клетки, предоставит свежую информацию об онтогенетических процессах, отвечающих за продукцию многих тканей туловища позвоночных и это в свою очередь может помочь улучшить методы дифференцировки стволовых клеток in vitro.

Neural cells transit through a pre-neural state before acquiring spinal cord progenitor identity

Клетки, покидающие регион NMP, который предназначен, чтобы вносить вклад в спинной мозг, остаются в слое эпибласта эмбриона и вступают в область каудальной части нервной пластинки, которая дублирует preneural tube (PNT) или переходную зону [58]. Этот регион расположен между хвостом эмбриона (который содержит NMPs) и нейральными предшественниками спинного мозга (Figure 2A). Клетки в PNT молекулярно и морфологически отличны от NMPs и нейральных предшественников спиннго мозга. Они формируют хорошо упорядоченный псевдослойный эпителий, который начинает подвергаться морфогенетическим движениям, участвующими в закрытии нервной трубки. Клетки, которые были перемещены в PNT больше не экспрессируют Bra, но подобно NMPs и в отличие от нервных предшественников спинного мозга, они экспрессируют Nkx1-2 (Sax1) [15,59,60]. Передача сигналов Fgf остается активной в PNT [61] и поддерживает состояние PNT, способствуя пролиферации и, блокируя экспрессию некоторых TFs, характерных для нейральных предшественников, включая Pax6 и Irx3 [62]. Передача сигналов Fgf также влияет на AP характеристики нейральных предшественников. Клетки, подвергнутые более длительной экспозиции передачи сигналов Fgf PNT прогрессивно приобретают более задние судьбы, как демонстрируется их временной (temporal) индукцией 5' Hox генов [63]. Эти клетки вносят вклад в более задние регионы спинного мозга, когда они возникают из PNT.

Передача сигналов Fgf в PNT необходима для экспрессии Nkx1-2 [59]. Эктопическая экспрессия Nkx1-2 достаточна для ингибирования Pax6 и Irx3, даже когда передача сигналов Fgf подавлена [64]. Это подтверждает, что Nkx1-2 может быть транскрипционным медиатором для некоторых Fgf функций в PNT. Однако, отсутствие явного фенотипического отклонения у эмбрионов мыши, лишенных Nkx1.2 [65] открывает возможность, что др. факторы могут действовать ниже передачи сигналов Fgf signaling, параллельно с Nkx1.2, чтобы поддерживать состояние PNT (Figure 3).

Когда клетки выходят из PNT и вступают в спинной мозг, то они подвергаются действию повышенных концентраций RA, секретируемой соседними сомитами и это ускоряет переход от пре-нейрального состояния к состоянию нейральных предшественников. RA репрессирует передачу сигналов Fgf и Wnt [62,66], Nkx1-2 подавляется [60,64], и гены TF, ассоциированные с характеристиками нейральных предшественников, включая Pax6 и Irx3, активируются [62]. Хроматин в регионе, соответствующему действию Pax6 и Irx3 подвергается разуплотнению и перемещается в направлении центра ядра, поскольку гены, индуцируют осевые нейральные и мезодермальные клоны, соотв.[67]. Эта реорганизация, по-видимому, зависит от прекращения передачи сигналов Fgf, хотя передача сигналов RA остается существенной для транскрипционной активации Pax6 и Irx3. Передача сигналов Fgf способствует и поддерживает экспрессию histone deacetylase 1 (HDAC1) в PNT клетках, подтверждая связь с механизмами, которые регулируют организацию хроматина [68]. Кроме того, анализ глобального транскриптома [68] выявил обширные альтерации транскрипционной программы во время перехода из NMP в спинной мозг нейральных предшественников, включая изменения клеточного цикла, процессинга РНК и аппарата деградации белка. Т.о., существенные изменения в структуре хроматина и транскриптоме происходят во время дифференцировки NMPs в PNT и нейральные предшественники. Происходят ли сходные реорганизации, сопровождающие мезодермальную дифференцировку NMPs, предстоит определить.

Итак, имеющиеся данные подтверждают, что клетки на пути от эпибласта в спинной мозг проходят через, по крайней мере, три разных транскрипционные состояния - NMP, пренейральное и, наконец, нейральных предшественников (Figures 1 and 3). Сходным образом клетки, предназначенные стать сомитной мезодермой подвергаются переходу от NMP в пресомитную мезодерму в ответ на изменения в RA и Fgf прежде чем воспринять сомитные качественных характеристики [69]. Являются ли время и позиция этих переходов вдоль ростро-каудальной оси сходными в мезодермальных и нервных тканях, предстоит определить. Тем не менее, онтогенетические траектории следования предшественников спинного мозга отличаются от тех, которым следуют клетки, располагающиеся в передней нервной системе, которы зарождаются раньше и,по-видимому, приобретают характеристики нейральных предшественников непосредственно из состояния эпибласта [5,6]. Почему эти различия в переходах клеточных состояний существуют между передними и задними нейральными предшественниками, неясно. Однако, они могут объяснить некоторые различия во времени развития спецификации передней или туловищной нервной ткани и могут повлиять на более поздний онтогенетический потенциал нейральных предшественников дифференцироваться в специфические клеточные судьбы.

Changes in cell state alter the response of cells to DV signals

Как только клетки приобретают характеристики нейральных предшественников, важность сигналов, исходящих от дорсального и вентрального полюсов нервной трубки для формирования её паттерна, становится очевидной [2,70]. На всём протяжении удлинения AP оси нервной системы, двумя ключевыми сигналами являются передача сигналов Bmp в дорсальной части нервной трубки и Sonic Hedgehog (Shh), первоначально исходящих из хорды и мезодермальной ткани, лежащей под вентральным полюсом нервной трубки. Эти два сигнала создают антипараллельные градиенты, которые контролируют экспрессию ряда транскрипционных факторов с гомеодоменом и basic helix-loop-helix. Совместная экспрессия этих TFs подразделяет спинной мозг на ~14 дискретных DV доменов из предшественников, каждый из которых генерирует молекулярно отличающиеся типы клеток [71,72]. Передача сигналов Shh в вентральной части спинного мозга специфицирует предшественники моторных нейронов (MNs) и промежуточных нейронов (V0-V3), также как и клетки не нервной вентральной пластинки (floor plate (FP)). Напротив клетки нервного гребня (NCCs) и предшественники dI1-dI6 промежуточных нейронов генерируются в дорсальной части нервной трубки под действием передачи сигналов Bmp [73] (Figure 4).

Много внимания уделено роли, которую играет градированное распределение сигналов в становлении DV паттерна доменов нейральных предшественников. В случает передачи сигналов Shh семейство транскрипционных эффекторов Gli играет жизненно важную роль [74-76]. Передача сигналов Shh создает динамический градиент активности Gli вдоль DV оси [77-79] и в ответ на этот градиент индуцируется экспрессия специфических вентральных TFs, а дорсальные TFs репрессируются. Многие из этих TFs экспрессируются в нейральных предшественниках и действуют как Groucho/TLE-зависимые репрессоры [80], а пары, экспрессируемые в соседних доменах, по-видимому, действуют как двухпозиционные переключатели за счет перекрестной репрессии экспрессии один другого [71,81]. Комбинация этих перекрестно-репрессивных взаимодействий и внесения градиента активности Gli создает сеть регуляторных генов. Эта сеть устанавливает и поддерживает пространственные паттерны экспрессии генов нейральных предшественников, етерминируя тем самым позицию границ доменов предшественников [77,78,82,83]. Детальный анализ динамики петель связи (subcircuits) этой сети [77,84] и молекулярное вычленение регуляторных элементов, управляющих экспрессией ключевых TFs [78,82,83], предоставит ещё больше информации об операции этой сети. Исследования показывают, что сеть играет жизненно важную роль в становлении DV паттерна в нервной трубке. Сеть также поддерживает этот паттерн с помощью буферизации флюктуаций в градиенте Shh [77,84,85]. Биоинформационный анализ регуляторных элементов генов, экспрессирующихся в нервной ткани, подтвердил, что сеть может быть расширена, чтобы ключить входные сигналы как от передачи сигналов Bmp, так и RA [82]. Итак, эти исследования подтвердили механизм, с помощью которого множественные воздействия от внешних сигналов интерпертируются с помощью транскрипционной сети, чтобы установить молекулярно отличающиеся домены предшественников, располагающихся вдоль DV оси. Т.о., формирование паттерна в нервной трубке зависит от нижестоящей сети, которая его контролирует.

Время действия сигналов Shh и Bmp также вносит вклад в формирование паттерна и разнообразия типов клеток в нервной трубке [64,86,87]. Спецификация как FP, так и NCCs, которые генерируются в большинстве вентральных и дорсальных частей нервной трубки, соотв., нуждается в воздействии паттерн формирующих сигналов в более раннее время развития, чем нейральные предшественники с др. характеристиками [86,88]. В результате клетки, подвергшиеся действию Bmp4/7 в ранней временной точке генерируют NCCs, тогда как более позднее воздействие тех же самых сигналов продуцирует дорсальные промежуточные нейроны. Сходным образом, воздействие Shh в ранний момент развития индуцирует FP, но в более позднее время развития, подвергшиеся действию Shh клетки дифференцируются в p3 предшественники V3 нейронов [64,86,89].

Переключение в ответ на индуктивные сигналы соответствует переходу клеток из PNT в спинной мозг. В соответствии с этим, если передача сигналов Fgf или экспрессия Nkx1.2 клетки сохраняют способность дифференцироваться в FP и NCCs в ответ на Shh и Bmp, соотв. [64]. Напротив, преждевременное ингибирование передачи сигналов Fgf или экспрессии Nkx1.2 приводит к потере потенциала давать FP и NCC и к приобретению качественных особенностей нейральных предшественников. Т.о., этот механизм использует различия между транскрипционным состоянием PNT клеток и состоянием предшественников в спинном мозге, чтобы увеличить разнообразите типов клеток, генерируемых в ответ на одни и те же внешние сигналы, Shh и Bmp. Это предоставляет способ гарантировать правильное пространственно-временное положение этих типов клеток; передача сигналов Shh и Bmp, ограниченная вентральным и дорсальным полюсом на PNT стадиях [68,90], т.о. ограничивает FP и NMPs в этих регионах. Более того, после индукции FP клетки экспрессируют Shh, и этого достаточно, чтобы индуцировать характеристики FP [91]. Т.о., переход PNT клеток в состояние нейральных предшественников, которые не реагируют на передачу сигналов Shh из-за инициации дифференцировки FP, ограничивает спецификацию FP в вентральную срединную линию нервной трубки. v

Figure 4. Developmental landscape of progenitor cells en route to the spinal cord.Along the rostral-caudal axis of an embryo, opposing gradients of RA and Fgf/Wnt signals are important for axis elongation and correct patterning. Fgf and Wnt signaling, emanating from caudal regions of the elongating embryo, induce and maintain a population of neuromesodermal progenitors (NMPs). As cells leave this region they choose between two alternative routes: the presomitic mesoderm (PSM), which forms the somites, and the preneural tube (PNT), which will form the spinal cord. PNT cells are competent to respond to dorsal (Bmp) and ventral (Shh)signals by generating neural crest cells (NCCs) and floor plate (FP), respectively. As axis elongation continues PNT cells are exposed to increasing levels of RA (produced by the somites). This results in a switch in competency, and these cells now adopt a neural progenitor identity and respond to graded BMP and Shh signaling by inducing the generation of progenitors for dorsal (dI1-dI6) and ventral neurons (p0-p3, pMN), respectively.

Остается неясным, как передача сигналов Fgf и/или экспрессия Nkx1-2 наделяют клетки компетентностью отвечать на Shh и Bmp чтобы индуцировать FP и NCCs, соотв. Репрессия генов нейральных предшественников, таких как Pax6 [85] и индукция TFs, включая FoxA2 и Nato3 [64,86,92],по-видимому, важна. Несмотря на это детали лежащей в основе транскрипционной сети ещё предстоит расшифровать.

Perspective

Although many questions remain (Box 3), recent studies provide new insight into the molecular and cellular mechanisms that generate the spinal cord and the neuronal subtypes within it. These studies begin to link the dynamics of embryo morphogenesis with the transcriptional networks that de?ne cell identity. Epiblast cells destined to contribute to the spinal cord appear to pass through a series of discrete transcriptional states before entering the spinal cord and adopting a neural progenitor identity (Figure 1). The transi- tions between these states are driven, at least in part, by changes in extrinsic signals that are, in turn, the conse- quence of the changing position of a cell in the embryo. Thus, the process of axis elongation, which draws cells into the midline and then displaces them rostrally as the tail extends caudally (Figure 2A), directs the transitions in cell state that presage spinal cord formation.

The evidence from the specification of FP and NCC identity suggests that the changes in cell state are exploited to increase the diversity of cell types generated and to ensure their correct positioning. The differences in the developmental trajectory of the cells that form anterior and posterior neural tissue might also provide a mecha- nism to explain differences between the cell types that form along the AP axis of the nervous system. It is notable, for example, that there are molecular and developmental differences between trunk and cranial neural crest cells [73,93]. Whether these result from differences in the de- velopmental origin of these cells remains to be determined. It will be informative to investigate whether there are substantial differences in the molecular mechanism of neural induction and in the transcriptomic and genomic state of neural progenitors between the anterior and pos- terior nervous system. Advances in live imaging and single cell resolution assays may provide additional tools to help resolve these issues. The availability of new molecular and genetic tools, and the ability to mimic developmental processes using the in vitro differentiation of ES cells (Box 2), are also likely to help to answer these questions.

The route to spinal cord cell types: a tale of signals and switches Mina Gouti, Vicki Metzis, and James Briscoe TRENDS in Genetics (http://dx.doi.org/10.1016/j.tig.2015.03.001)

The route to spinal cord cell types: a tale of signals and switches
Mina Gouti, Vicki Metzis, and James Briscoe
TRENDS in Genetics (http://dx.doi.org/10.1016/j.tig.2015.03.001)