Neurons are highly polarized cells with structurally and functionally distinct processes called axons and dendrites. This polarization underlies the directional flow of information in the central nervous system, so the establishment and maintenance of neuronal polarization is crucial for correct development and function. Great progress in our understanding of how neurons establish their polarity has been made through the use of cultured hippocampal neurons, while recent technological advances have enabled in vivo analysis of axon specification and elongation. This short review and accompanying poster highlight recent advances in this fascinating field, with an emphasis on the signaling mechanisms underlying axon and dendrite specification in vitro and in vivo.
Поляризация клеток является критической для развития и правильного функционирования многих типов клеток, генерации морфологической и функциональной асимметрии в ответ на внутренние и внешние сигналы. Нейроны являются одним из наиболее поляризованных типов клеток, поскольку они обладают структурно и функционально отличающимися отростками, аксонами и дендритами, которые отходят от тела клетки (soma) что передавать поток информации по нервной системе. Аксон - это обычно одиночный крупный отросток, который передает сигналы др. нейронам путем высвобождения нейротрансмиттеров. Дендриты состоят из многих ветвящихся отростков и дендритных шипов, которые содержат рецепторы для нейротрансмиттеров, чтобы воспринимать сигналы от др. нейронов. Формирование и поддержание таких отличающихся клеточных компартментов является критическим для собственно развития и физиологии нервной системы. Как нейроны устанавливают и поддерживают свою полярность? В последнее время достигнут существенный прогресс в понимании молекулярных механизмов, ответственных за поляризацию нейронов млекопитающих, преимущественно благодаря изучению культивируемых нейронов гиппокампа (Arimura and Kaibuchi, 2007; Barnes and Polleux, 2009; Tahirovic and Bradke, 2009). Недавние усилия по выяснению роли внеклеточных и внутриклеточных сигналов и их эффекторов на поляризацию нейронов in vivo, с использованием электропортации и нокаутных и knock-in мышей. Стало ясно, что внеклеточные сигналы и прирожденные механизмы ответственны за становление и поддержание полярности нейронов. Мы суммировали современное понимание того, как поляризация нейронов генерирует функциональные нейроны.
Overview of neuronal polarization in vitro and in vivo
Banker с колл. использовали диссоциированные нейроны гиппокампа грызунов в качестве базовой модельной системы нейрональной полярности (Dotti et al., 1988; Craig and Banker, 1994). Морфологические изменения культивируемых нейронов подразделены на 5 стадий. После изоляции нейроны гиппокампа втягивают свои отростки, так что их развитие in vitro начинается с округлых сфер, которые выпускают филоподии (ст. 1; shortly after plating). Эти нейроны затем образуют несколько минорных нейритов (ст. 2; день 0.5-1.5), которые обнаруживают характерное чередование роста и ретракций. Главное событие поляризации происходит, когда один из этих эквивалентных нейритов начинает быстро расти, чтобы стать аксоном (ст. 3; день 1.5-3). Следующие ступени являются морфологическим развитием остальных коротких минорных нейритов в дендриты (ст. 4; день 4-7) и функциональной поляризации аксонов и дендритов, включая образование дендритных шипов (ст. 5; после 7 дней в культуре).
В противоположность культивируемым нейронам процессы поляризации нейронов in vivo имеют отличительные свойства в зависимости от региона головного мозга и стадии развития. Напр., клетки ретинальных ганглиев позвоночных и ретинальные биполярные клетки наследуют свою полярность (Barnes and Polleux, 2009). Когда они возникают, то обладают морфологией, похожей на нейроэпителий с апикальными и базальными отростками, которые в конечном итоге развиваются в дендрит и аксон, соотв. (Barnes and Polleux, 2009). Напротив, кортикальные и гиппокама пирамидальные нейроны и гранулярные нейроны мозжечка устанавливают свою полярность во время дифференцировки (Noctor et al., 2004; Solecki et al., 2006; Funahashi et al., 2014). Кортикальные пирамидальные нейроны генерируются в вентрикулярной зоне (VZ) и мигрируют через субвентрикулярную зону в направлении промежуточной зоны (IZ) (Miyata et al., 2004; Noctor et al., 2004). Они испускают множественные минорные нейриты и называются multipolar (MP) клетками (Miyata et al., 2004; Noctor et al., 2004). Один из минорных нейритов быстро растет, чтобы стать отростком трейлером (прокладывающим путь), а др. развивается в ведущий отросток, которые в конечном итоге развиваются в аксон и дендрит, соотв. (Miyata et al., 2004; Noctor et al., 2004). Остальные минорные нейриты втягиваются и MP клетки постепенно превращаются в биполярные (BP) клетки в IZ. BP клетки полностью поляризованы и мигрируют в направлении cortical plate (CP). Хотя поляризация нейронов может происходить параллельно с миграцией нейронов, но как эти процессы скоординированы, остается неясным. Поляризация нейронов в коре головного мозга служит в качестве хорошо изученной модели становления полярности in vivo (Funahashi et al., 2014).
Axon versus dendrite initiation in vivo
Переход MP-to-BP является критической ступенью во время поляризации нейронов in vivo. Цейт-траферная съемка культур кортикальных срезов выявила вариабельность в становлении поляризации нейронов в развивающемся нео-кортексе. Почти 60% MP клеток сначала выпускают отросток трейлер (будущий аксон) и затем генерирует ведущий отросток (будущий дендрит), тогда как примерно 30% MP клеток сначала дают ведущий отросток и затем испускают трейлер-отросток (Hatanaka and Yamauchi, 2013; Namba et al., 2014). Остальные 10% MP клеток образуют оба отростка одновременно (Namba et al., 2014). Недавно была предложена новая модель инициации аксона in vivo, наз. 'Touch & Go' модель (Namba et al., 2014;Funahashi et al., 2014). Согласно этой модели, как только минорный нейрит MP клетки 'касается', то зарождается пионерский аксон у рано зародившихся нейронов, он быстро увеличивается ('goes') и превращается в аксон. Молекула клеточной адгезии transient axonal glycoprotein 1 (TAG1; CNTN2 - Mouse Genome Informatics) участвует в этом процессе посредством активации Src family kinase Lyn-induced Rac1. Т.о., сигнальный путь TAG1-Lyn-Rac1 играет роль в спецификации аксонов посредством межклеточных взаимодействий в развивающемся кортексе (Namba et al., 2014).
Однако, молекулярные механизмы, лежащие в основе формирования ведущих отростков у 30% MP клеток, в основном неизвестны. Некоторые сообщения подтвердили, что взаимодействия между клетками радиальной глии и нейронами участвуют не только в миграции нейронов, но и также в образовании ведущего отростка (Kawauchi et al., 2010; Jossin and Cooper, 2011; G?rtner et al., 2012). N-cadherin, как было установлено, регулирует радиальной глией управляемую миграцию нейронов (Kawauchi et al., 2010). В развивающемся кортексе нокдаун или экспрессия доминантно-негативной формы N-cadherin нарушает миграцию нейронов и переход MP-к-BP (Kawauchi et al., 2010; Jossin and Cooper, 2011). Более того, ингибирование N-cadherin с помощью доминантно-негативных мутаций вызывает аномальную морфологию ведущего отростка, тем самым аномальную поляризацию нейронов (G?rtner et al., 2012). Исходя из этих результатов, N-cadherin-обеспечиваемое взаимодействие глии и нейронов может регулировать переход MP-к-BP, в частности, образование ведущего отростка.
Signaling pathways involved in neuronal polarization
Поляризация нейронов точно регулируется с помощью сигналов от окружения во внеклеточном матриксе, такими как TAG1 и секретируемых факторов, таких как нейротрофины [brain-derived neurotrophic factor (BDNF) и neurotrophin 3 (NT3)], transforming growth factor β (TGFβ ), Wnt5A, insulin-like growth factor 1 (IGF1) и semaphorin 3A (Funahashi et al., 2014). Эти секретируемые факторы регулируют спецификацию аксонов в культивируемых нейронах (Nakamuta et al., 2011). В развивающейся коре, TGFβ и нейротрофины, как было установлено, участвуют в поляризации нейронов (Yi et al., 2010; Cheng et al., 2011; Nakamuta et al., 2011).
Кондиционные нокауты по Type II TGFβ receptor (TβR2; Tgfbr2 - Mouse Genome Informatics) мыши дефектны по образованию аксонов in vivo (Yi et al., 2010). TβR2 фосфорилирует в partitioning-defective 6 (Par6) по Ser345, тем самым внося вклад в формирование аксона (Yi et al., 2010). Par6 образует белковый комплекс с Par3 и atypical protein kinase C (aPKC), приводя к образованию аксона посредством активации Rac1 (Nishimura et al., 2005; Arimura and Kaibuchi, 2007). Паттерн экспрессии TGFβ в развивающемся кортексе образует градиент с наивысшим уровнем в VZ, и, как полагают, это отражает направление инициации аксона (Yi et al., 2010). Однако, культуры кортикальных срезов показывают, что MP клетки выпускают свои трейлер-отростки в любом направлении и затем мигрируют в направлении CP, оставляя позади трейлер-отросток и определяя тем самым направление удлинения аксона к VZ (Namba et al., 2014). Следовательно, градиент секретируемых факторов может использоваться для направленной миграции и удлинения аксона скорее, чем для спецификации самого аксона in vivo.
Нейротрофины, такие как brain-derived neurotrophic factor (BDNF) и neurotrophin 3 (NT3) являются основными регуляторами, лежащими в основе поляризации нейронов in vivo (Cheng et al., 2011; Nakamuta et al., 2011). Амплификация уровней BDNF аутокринным или паракринным образом вызывает спецификацию аксонов в культивируемых нейронах (Cheng et al., 2011), тогда как подавление рецепторов нейротрофинов TrkB и TrkC (Ntrk2 и Ntrk3) путем экспрессии доминантно-негативного мутанта или с помощью нокдауна нарушает переход MP-к-BP (Nakamuta et al., 2011). Недавние результаты показали, что локальное воздействие BDNF вызывает накопление p75NTR (Ngfr - Mouse Genome Informatics), рецептора, способного связывать все нейротрофины, в минорных нейритах, приводя тем самым к спецификации и элонгации. Более того, нокаут или нокдаун p75NTR нарушает образование аксона in vivo (Zuccaro et al., 2014). Эти находки подтверждают, что передача сигналов нейротрофинов играет жизненно важную роль в поляризации нейронов.
Intracellular signaling in axon specification
Передача нейротрофных сигналов, которые регулируют поляризацию нейронов, осуществляется посредством 4-х разных путей: путь активации Rac1, Ras-обеспечиваемый путь, cyclic adenosine 3',5'-monophosphate (cAMP)-liver kinase B1 (LKB1; Stk11 - Mouse Genome Informatics) путь и Ca2+/calmodulin-зависимый protein kinase kinase (CaMKK; Camkk1 - Mouse Genome Informatics)-calmodulin-зависимый protein kinase I (CaMKI; Camk1 - Mouse Genome Informatics) путь (Tahirovic and Bradke, 2009; Cheng and Poo, 2012; Funahashi et al., 2014). TrkB фосфорилирует и активирует Tiam1, Rac1 guanine exchange factor (GEF; позитивные регуляторы семейства белков Rho), приводя к спецификации аксона посредством активации Rac1 in vitro (Miyamoto et al., 2006).
Ras, как известно, регулирует спецификацию аксонов в культивируемых нейронах (Arimura and Kaibuchi, 2007). Активация PI3 киназы с помощью Ras вызывает образование phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate (PIP3). PIP3 косвенно активирует Akt, инактивируя тем самым glycogen synthase kinase 3β (GSK3β) путем его фосфорилирования по Ser9. Инактивация GSK3β приводит к спецификации аксона посредством активации microtubule-associated proteins (MAPs), таких как Tau (Mapt - Mouse Genome Informatics) и collapsin response mediator protein 2 (CRMP2; Dpysl2 - Mouse Genome Informatics) (Jiang et al., 2005; Yoshimura et al., 2005). CRMP2 управляет большим кругом клеточных событий, таких как сборка микротрубочек, эндоцитоз адгезивных молекул посредством Numb, реорганизация актиновых филамент посредством Sra1/WAVE1 комплекса и доставка TrkB-содержащих пузырьков во время формирования аксона посредством взаимодействия с Slp1/Rab27/kinesin комплексом (Kawano et al., 2005; Arimura et al., 2009). В культуре, экспрессия CRMP2 вызывает образование множественных аксонов, тогда как подавление CRMP2 нарушает образование аксона (Inagaki et al., 2001). В развивающемся кортексе экспрессия доминантно-негативной мутантной формы или нокдаун CRMP2 нарушают миграцию нейронов и переход MP-к-BP (Sun et al., 2010).
BDNF-индуцированное увеличение cAMP приводит к спецификации аксона посредством protein kinase A (PKA)-зависимого фосфорилирования serine/threonine киназы LKB1 (Guo and Kemphues, 1995). Экспрессия LKB1 индуцирует образование множественных аксонов, тогда как нокдаун LKB1 предупреждает спецификацию аксонаin vitro (Barnes et al., 2007; Shelly et al., 2007). Более того, Lkb1-нокаутные мыши также обнаруживают нарушение образования аксона, тогда как миграция нейронов в кору головного мозга не нарушена (Barnes et al., 2007). Фосфорилирование LKB1 по Ser431 с помощью PKA вызывает его локальную активацию в формирующемся аксоне (Shelly et al., 2007). LKB1 затем фосфорилирует SADA/B киназы (Brsk2/Brsk1 - Mouse Genome Informatics) и microtubule affinity-regulating kinase 2 (MARK2) (Lizcano et al., 2004; Barnes et al., 2007). SADA/B киназы и MARK2 регулируют динамику микротрубочек посредством фосфорилирования Tau. Brsk1/Brsk2 двойные нокаутные нейроны обнаруживают смешанные аксон/дендриты характеристики (Kishi et al., 2005; Barnes et al., 2007), а развивающийся кортекс Brsk1/Brsk2 двойных нокаутных мышей обнаруживает потерю аксонов и аномально ориентированные дендриты (Kishi et al., 2005). Кроме того, подавление MARK2 с помощью shRNA также нарушает переход MP-к-BP (Sapir et al., 2008). cAMP-зависимое фосфорилирование LKB1также участвует в GABAB рецепторами индуцированном росте аксонов и дендритов и в миграции нейронов in vivo (Bony et al., 2013). Однако, LKB1S431A/S431A knock-in мыши не обнаруживают очевидных фенотипических отклонений и сохраняют активность SADA/B (Houde et al., 2014).
NT3 стимулирует inositol-1,4,5-trisphosphate (IP3)-индуцированное высвобождение Ca2+ и тем самым приводит к активации пути CaMKK-CaMKI во время поляризации нейронов в культуре (Nakamuta et al., 2011). Быстрое увеличение уровня Ca2+, индуцированное с помощью NT3 IP3-зависимым образом приводит к местной активации CaMKK на кончике зарождающихся аксонов (Nakamuta et al., 2011). Ингибирование CaMKK ослабляет NT3-индуцированную спецификацию аксона в культивируемых нейронах гиппокампа (Nakamuta et al., 2011). In vivo, развивающиеся кортикальные нейроны, экспрессирующие доминантно-негативную форму CaMKK, обнаруживали нарушения спецификации аксонов, хотя миграция нейронов оставалась неизменной (Nakamuta et al., 2011). CaMKI, который действует ниже CaMKK, как было установлено, регулирует спецификацию и элонгацию аксонов (Wayman et al., 2004; Uboha et al., 2007). Итак, эти 4 пути вместе с др., играют критическую роль в предопределении будущего аксона и тем самым в предопределении полярности нейронов.
Rho family proteins in neuronal polarity
Члены Rho семейства малых GTPases, такие как Rac1, Cdc42 и RhoA, являются основными регуляторами динамики цитоскелета (Hall et al., 1993; Fukata et al., 2003). Rac1 играет жизненно важную роль в спецификации аксонов путем регуляции полимеризации актина. Экспрессия или постоянно активной или доминантно-негативной формы Rac1 вызывает задержку в миграции нейронов, и к потере ведущего и trailing отростка (Kawauchi et al., 2003). Более того, экспрессия Rac-специфичных GEFs, таких как STEF/Tiam1 или P-Rex1, также ингибирует миграцию нейронов, подтверждая, что баланс активности Rac1 необходим для перехода MP-к-BP и миграции in vivo (Kawauchi et al., 2003). Кондиционные Rac1-дефицитные мозжечковые гранулярные нейроны обнаруживают нарушения миграции нейронов и образования аксонов из-за неправильной локализации регулятора актина WAVE на плазматической мембране ростового конуса (Tahirovic et al., 2010).
Малая GTPase Cdc42 является ключевым регулятором многих аспектов развития нейронов, включая филоподиальные выпячивания в ростовом конусе (Schwamborn and Puschel, 2004; Arimura and Kaibuchi, 2007;Witte and Bradke, 2008). Кондиционный нокаут Cdc42 в коре и гиппокампе приводит к уменьшению размера эмбрионального кортекса и к гибели при рождении из-за нарушений образования аксонов (Garvalov et al., 2007). PI3 киназа регулирует активацию Cdc42, а активированный Cdc42 взаимодействует с Par комплексом (Nishimura et al., 2005). Это взаимодействие приводит к активации Rac1 посредством Rac-специфичных GEFs (STEF/Tiam2 и Tiam1) и Rac1 затем далее активирует PI3 киназу (Nishimura et al., 2005). Следовательно, путь PI3 kinase/Cdc42/Par complex/Rac1, по-видимому, представляет собой петлю позитивной обратной связи, которая действует как движущая сила для образования аксона (Arimura and Kaibuchi, 2007).
Малая GTPase RhoA является др. регулятором полярности и модулирует актиновый цитоскелет и базирующуюся на миозине сократимость. Подтверждается, что RhoA является негативным регулятором образования нейритов, включая спецификацию аксонов (Da Silva et al., 2003; Conde et al., 2010). Постоянно активная форма RhoA ингибирует рост минорных отростков нейритов в нейронах гиппокампа (Threadgill et al., 1997; Conde et al., 2010), тогда как инактивация RhoA усиливает удлинение нейритов (Da Silva et al., 2003; Schwamborn and Puschel, 2004). Кондиционный нокаут RhoA в среднем мозге приводит к нарушению апикальных слипчивых соединений, к гиперпролиферации нейрональных предшественников и массивной дисплазии головного мозга (Katayama et al., 2011). Однако, роль RhoA в поляризации нейронов in vivo остается неизвестной. Ингибирование Rho kinase (ROCK), нижестоящего эффекторного белка RhoA, также усиливает удлинение аксонов и вызывает образование множественных аксонов (Da Silva et al., 2003). Rho киназа фосфорилирует и активирует LIM domain-containing protein kinase (LIMK), которая индуцирует инактивацию cofilin (Aizawa et al., 2001). Rho GTPase Rnd2 регулирует переход MP-к-BP in vivo путем супрессии RhoA (Pacary et al., 2011). Следовательно, активность RhoA важна для становления полярности нейронов. Интересно, что активность RhoA выше в ростовых конусах минорных нейритов поляризованных нейронов, чем в растущих аксонах (Gonzalez-Billault et al., 2012). Rho киназа фосфорилирует и инактивирует p190 RhoGAP, члена GTPase-activating proteins (GAPs; негативных регуляторов белков Rho семейства), приводя к устойчивой активации RhoA (Mori et al., 2009). Т.о., непрерывная активация RhoA/Rho киназы может быть необходима не только для спецификации аксонов, но и также для поддержания полярности нейронов путем предупреждения образования множественных аксонов.
Cytoskeletal organization
Поляризация нейронов управляется с помощью организации цитоскелета, первоначально посредством микротрубочек и динамики актина (Arimura and Kaibuchi, 2007; Barnes and Polleux, 2009). Стабилизация микротрубочек является критической для спецификации аксонов in vitro (Bradke and Dotti, 1999; Witte and Bradke, 2008). Стабилизация микротрубочек регулируется с помощью MAPs, таких как Tau и CRMP2. Tau защищает микротрубочки от обслуживающих микротрубочки белков (Witte and Bradke, 2008). Фосфорилирование Tau с помощью GSK3β супрессирует его способность связываться с микротрубочками и тем самым ингибирует стабилизацию микротрубочек (Wagner et al., 1996; Kimura et al., 2014). Фосфорилирование CRMP2 с помощью GSK3β также ингибирует его сродство к αβ-tubulin гетеродимерам (Yoshimura et al., 2005).
В противоположность микротрубочкам актиновые филаменты более нестабильны и динамичны в растущих аксонах, чем в ростовом конусе минорных нейритов in vitro (Bradke and Dotti, 1999; Witte and Bradke, 2008). Дестабилизация актиновых филамент обслуживающими белками, такими как cofilin, позволяет микротрубочкам проникать в ростовой конус, приводя тем самым к спецификации аксона (Bradke and Dotti, 1999; Flynn et al., 2012). Напротив, myosin II и profilin IIa стабилизируют актиновые филаменты в минорных нейритах, предупреждая образование множественных аксонов через столкновение с пенетрирующими микротрубочками (Kollins et al., 2009; Da Silva et al., 2003). Shootin 1 регулирует рост аксонов через динамику актинов в растущем аксоне p21 protein (Cdc42/Rac)-activated kinase 1 (PAK1)-зависимым способом (Toriyama et al., 2013). Т.о., скоординированная регуляция микротрубочек и актиновых филамент играет критическую роль в поляризации нейронов.
Local activation and global inhibition for neuronal polarization
Широко предлагается использование моделей 'local activation and global inhibition' для становления полярности нейронов (Arimura and Kaibuchi, 2007; Inagaki et al., 2011). 'Локальная активация' подразумевает индукцию спецификации аксонов и усиление элонгации аксонов, иногда как 'глобальное ингибирование' подразумевает предупреждение образования множественных аксонов, и предопределение тем самым спецификации дендрита и поддержание полярности. Некоторые молекулы, такие как Rac1, PI3 kinase, PIP3, Cdc42, Par complex и Rac-specific GEFs (STEF/Tiam), действуют как положительные регуляторы спецификации аксонов (Arimura and Kaibuchi, 2007). Эти позитивные регуляторы постоянно активированы в одном минорном нейрите и тем самым индуцируют инициацию аксона посредством множественных нижестоящих путей внутри одного минорного нейрита и тем самым индуцируют инициацию аксона посредством множественных нижестоящих путей, которые влияют на цитоскелет и динамику внутриклеточного трафика (Arimura and Kaibuchi, 2007; Takano et al., 2012).
Однако, молекулярный механизм глобального ингибирования остается загадочным. Одной из основных предложенных моделей предполагается передача дальнодействующих с негативной обратной связью сигналов, которые распространяются от кончиков аксона до тела клетки и/или минорных нейритов и тем самым ингибируют рост минорных нейритов (Arimura and Kaibuchi, 2007). Непрерывная активация RhoA/Rho киназы, по-видимому, участвует в этом процессе. Rho киназа фосфорилирует Par3 и тем самым разрушает Par комплекс, устраняя тем самым активацию Rac1 (Nakayama et al., 2008). Rho киназа также супрессирует STEF-индуцированную активацию Rac1 (Takefuji et al., 2007). Т.о., RhoA/Rho киназа может служить в качестве локального сигнала негативной обратной связи в теле клетки и/или минорных нейритах, благодаря репрессии петли позитивной обратной связи. Однако, передача дальнодействующих с негативной обратной связью сигналов от аксона, которые приводят к активации RhoA/Rho киназы, остается в основном неизвестной. Локальный подъем cAMP в нейрите неполяризованного нейрона также может генерировать передачу дальнодействующих с негативной обратной связью сигналов, которые приводят к снижению cAMP во всех остальных нейритах (Shelly et al., 2010). Недавно предположен глобальный ингибирующих регуляторный механизм: поскольку факторы. способствующие росту, ограничены, то локальное скопление этих факторов в зарождающемся аксоне д. истощать их в др. минорных нейритах без передачи дальнодействующих с негативной обратной связью сигналов (Inagaki et al., 2011).
Согласно этим примерам спецификация дендритов может быть самопроизвольной в отсутствие спецификации аксона в культивируемых нейронах. В развивающейся коре , однако, один из минорных нейритов MP клетки развивается в ведущий отросток. Добавление специфичных для дендритов, вызываемых внешнесредовыми сигналами, отростков может быть необходимо для поляризации нейронов in vivo. Выяснение молекулярных механизмов, вызывающих глобальное ингибирование, чтобы предопределить спецификацию дендритов является критическим в изучении полярности нейронов.
Conclusion
The establishment of neuronal polarization is essential for establishing proper neuronal circuits and functions. A large number of studies both in vitro and in vivo have uncovered a complicated signaling network regulating neuronal polarity (Arimura and Kaibuchi, 2007; Barnes and Polleux, 2009; Tahirovic and Bradke, 2009). However, despite intensive study, it is still unclear how neurons generate only one axon and multiple dendrites. In particular, the molecular mechanisms of global inhibition underlying the maintenance of neuronal polarity remain elusive, and there may be unknown molecular machinery functioning to prevent the formation of multiple axons and in turn to induce dendritic outgrowth. One reason for this major gap in our knowledge is the lack of suitable methodologies for investigating the spatiotemporal regulation of the signaling molecules responsible for negative-feedback signaling. Future challenges will entail exploring these issues using advances in imaging technology, genetic model systems and innovative experimental approaches.
Despite our incomplete understanding, the molecular mechanisms identified thus far seem to be widely used and evolutionarily conserved (Solecki et al., 2006; Doe and Kaibuchi, 2011). Therefore, our understanding of the molecular mechanisms leading to neuronal polarization is likely to provide new insights into the development of brain circuitry.
