Spinal Cord Development. Neurogenesis
Развитие спинного мозга. Нейрогенез.

Neuronal Subtype Identity Regulation Eva Reissmann и Ali H. Brivanlou Encyclopedia of Life Sciences Перевод И.Г. Лильп (lilp@mail.ru)
В настоящее время достигнут значительный прогресс в понимании формирования нервной системы позвоночных. Сочетание генетических, экспериментально-эмбриологических исследований и исследований эктопичной генной экспрессии позволило идентифицировать сигнальные пути в развитии нервной системы у многих организмов. Оказалось, что многие сигналы, контролирующие полярность нервной пластинки и нервной трубки, идентичны у многих видов позвоночных и множество одинаковых генов индуцируются в ответ на эти сигналы. Это свидетельствует о высококонсервативном механизме паттернирования спинного мозга. Использование мышей и полосатых данио в генетических исследованиях, эмбрионов птиц и амфибий в экспериментально-эмбриологических опытах, позволит расширить наши знания о молекулярных механизмах клеточной детерминации в нервной трубке. (Рис.1.) \| Stages of spinal cord differentiation. The neural plate, which overlies the notochord, already shows specific regions of diverse neurons (a). Following the development, the neural plate starts to sink beneath the surface, forming the neural tube by folding (b). Thus, midline structures become ventral, whereas the border of the neural plate becomes the dorsal region of the neural tube (c). The adjacent ectoderm overlays the neural tube as epidermis. Neural crest cells originating from the line of fusion of the neural plate borders migrate away from the neural tube and form, among nonneuronal derivatives, sensory neurons in the dorsal root ganglia and autonomic neurons of the peripheral nervous system (not shown). The position of several neuronal subtypes in the mature spinal cord is illustrated in (d). C, commissural neuron; DRG, dorsal root ganglion; Ect, ectoderm; F, floorplate; I, interneuron; M, motor neurons; N, notochord; NC, neural crest; R, roofplate; S, somite. (Рис.2.) \| Generation of neuroblasts by asymmetrical divisions. Schematic section through a neural tube showing different positions of the nucleus during the cell cycle ending in symmetrical or asymmetrical cell divisions. The division of stem cells in a symmetrical manner gives rise to two identical cells which continue to divide in the epithelium, whereas the asymmetrical division generates one proliferative cell, which stays in contact with the ventricular zone (next to the lumen of neural tube) and one neuroblast, which undergoes terminal mitosis and migrates to its final position, where it differentiates. (Рис.3.) \| Neuronal precursors are specified by lateral inhibition. Neuronal precursors in the neural plate initially express Neurogenin, Delta and Notch. The interaction of Delta (ligand)–Notch (receptor) between two adjacent cells inhibits expression of the gene for Neurogenin, a proneural gene (a). As soon as one cell starts to express more Delta than its neighbours, the expression of Delta in neighbouring cells is inhibited and the cell begins to express neuronal identity genes, including NeuroD (b). (Рис.4.) \| Patterning of the neural tube by dorsal and ventral signals. Inductive signalling from nonneuronal structures to neuronal cells involves bone morphogenetic proteins (BMPs) and Sonic hedgehog (Shh). BMP-4 and BMP-7 originate in the epidermal ectoderm flanking the neural plate, whereas Shh is initially expressed in the notochord (a). At the neural-fold stage (b), both signals start to be expressed also in adjacent neural tube regions, BMPs in the roofplate and Shh in the floorplate. The expression of both signals is maintained in these structures after neural tube closure (c); in addition to BMPs, other members of the transforming growth factor ? family such as Dorsalin-1 (DSL-1) and BMP-5 are expressed in the dorsal neural tube. BMP-4 becomes restricted later to the roofplate and are lost in the epidermis (d). Thus, at the time of neuronal differentiation a variety of signals generates the patterning of the spinal cord. (Рис.5.) \| Stepwise specification of floorplate (a) and motor neurons (b) in the spinal cord. (a) High concentrations of Sonic hedgehog (Shh) induce the differentiation of floorplate cells in the neural tube, as reflected by the expression of the transcription factor hepatocyte nuclear factor (HNF)-3β. (b) Lower concentrations of Shh induce neuronal precursors in the undifferentiated ventral neural tube (1) by initiating the transcription factor Pax-6 (2). These ventral neuronal precursors remain dependent on Shh until they undergo their last mitosis and start to express MNR-2 (3), indicating their determination as motor neurons. Early postmitotic motor neurons initially express islet-1 (4), a member of the LIM family of transcription factors; during their further specification, differential expression of additional LIM transcription factors is found (5). Motor neurons expressing different subsets of LIMs project to different targets (6) and are observed at different anteroposterior levels of the spinal cord (7). Originally published: August 1999 Further Reading Cowan WM, Jessell TM and Zipursky SL (1997) Molecular and Cellular Approaches to Neural Development. Oxford: Oxford University Press. Edlund T and Jessell TM (1999) Progression from extrinisic to intrinsic signaling in cell fate specification: A view from the nervous system. Cell 96: 211–224.	Нервная система позвоночных развивается из клеток эктодермы, становящихся клетками нейроэктодермы под воздействием сигналов из специализированных мезодермальных клеток, названных организатором Шпеманна (Spemann organizer) у амфибий, щитком (shield) у рыб и узелком (node) у куриного эмбриона и мышей. Этот организатор позже дает начало нотохорде и другим осевым структурам. Индуцированная нейроэктодерма утолщается, и образует нервную пластинку, которая позже становится нервной трубкой после закрытия её дорсальной части (Рис.1). Нервная пластинка содержит недифференцированные митотически активные клетки, которые, в конце концов, выходят из митотического цикла и становятся нейронами. Этот процесс называется нейрогенезом. Карта судьбы клеток нервной пластинки, установленная с помощью инъекций красителей, показала, что образование нейронов происходит как по антеро-постериальной (AP) (передне-задней), так и по медио-латеральной (срединно-боковой) осям. Вдоль AP оси из нервной пластинки, в конце концов, образуются головной и спинной мозг, а нейроны срединно-боковой оси дают начало дорсо-вентральному (DV) паттерну нервной системы после закрытия нервной трубки. В соответствии с картой судьбы вдоль обеих осей нервной пластинки обнаружены особые генные домены. Во время АР паттернирования происходит экспрессия специфических генов - otx-2 в переднем мозге, engrailed-2 в областях среднего и заднего мозга, Krox-20 в двух разных регионах заднего мозга и Hox генов в линейной последовательности из заднего мозга в спинной мозг. Однако АР паттернирование спинного мозга происходи позже, примерно в то время, когда удлиняются аксоны нейронов, иннервирующие свои мишени. Вслед за формированием нервной системы, во всей нервной пластинке обнаруживается экспрессия невральных маркеров молекул адгезии нервных клеток (neural cell adhesion molecule - NCAM), за исключением области срединной линии, дающей начало floorplate (дну пластинки). Использование β-тубулина, другого хорошо охарактеризованного маркера нервных клеток, дало возможность выявить три ряда нейронов на ранней стадии развития эмбриона Xenopus. Двигательные нейроны развиваются почти вслед за floorplate. Интернейроны формируются в интермедиальной области, а сенсорные нейроны, включая нейроны Rohon-Beard появляются в наиболее латеральной части нервной пластинки - будущей дорсальной нервной трубке (Рис.1а). Rohon-Beard нейроны встречаются только у амфибий и рыб и позже их функции берут на себя сенсорные дорсальные корешковые ганглии. И, наконец, участки, прилегающие к латеральным границам нервной пластинки, формируют позже нервные валики, дающие начало клеткам нервного гребня и дорсальной крыше (roof) после закрытия нервной трубки. Таким образом, ко времени дорсального закрытия нервной пластинки, общий план паттернирования нервной трубки уже определен. Данные о молекулярных процессах формирования спинного мозга получены из экспериментальной эмбриологии, главным образом, при исследованиях на амфибиях и птицах, а также в результате генетических исследований мышей и полосатых данио (zebrafish). Интересно, что эти, казалось бы, столь разные системы, часто имеют высококонсервативные механизмы развития нервной системы. Во время формирования нервной трубки сигналы от двух неневральных тканей - нотохорды и эпидермиса, определяют DV полярность нервной трубки. Трансформация этих сигналов во внутриклеточные свойства выражается, в основном, экспрессией транскрипционных факторов и ведет к рождению нейронов, которые у взрослого организма различаются по морфологии, характеру распределения отростков (иннервационных мишеней) и трансмиттерному фенотипу. И хотя наши знания об этих процессах пока ограниченны, в последнее время достигнуты значительные успехи в понимании механизмов, лежащих в основе образования подтипов нервных клеток в спинном мозге. Specification of Neuronal Precursors in the Developing Spinal Cord: Neurogenesis Нервная трубка дает начало многообразию нейронов, как в головном, так и в спинном мозге. У млекопитающих все эти нейроны происходят из пролиферирующего эпителиального слоя, ограниченного просветом нервной трубки и называемого вентрикулярной зоной. Клетки этой зоны могут делиться в двух разных плоскостях, в соответствие с их пролиферативным состоянием. До тех пор, пока клетки делятся симметрично (или вертикально по отношению к просвету нервной трубки) на идентичные дочерние клетки, они остаются недетерминированными и сохраняют пролиферацию. Невральная детерминация встречается, когда клетки начинают делится асимметрично (или горизонтально по отношению просвету нервной трубки), что дает начало одной пролиферирующей невральной стволовой клетке (остающейся в контакте с вентрикулярной зоной), и одной клетке, дифференцирующейся как нейрон (нейробласт). Как только невральный предшественник (нейробласт) сформирован, он претерпевает последний митоз, покидает пролиферативную зону и мигрирует на свое окончательное месторасположения в регионы, расположенные вне нервной трубки. Переход от вертикального к горизонтальному делению сопровождается асимметричным распределением белков, таких, например, как Notch (Рис.2). Как было сказано выше, нейроны позвоночных зарождаются в определенных участках нервной пластинки, но пока неясно, каким образом определяется их точное положение. Скорее всего, рождение нейронов позвоночных имеет такой же механизм, как и рождение нейронов у беспозвоночных, например, у плодовой мушки Drosophila, у которой в селекцию невральных клеток в отдельных регионах вовлечено латеральное ингибирование. Ключевую роль в этом процессе играет внеклеточное взаимодействие Notch (рецептора) и Delta (лиганда), которые вычленяют невральные предшественники из групп недетерминированных клеток посредством репрессии проневрального гена Neurogenin в соседних клетках. В начале все клетки способны к экспрессии этих трех белков (Delta, Notch и Neurogenin) в равной степени. Со временем какие-то клетки начинают усиливать экспрессию Delta по сравнению с соседними клетками. Соседние клетки, соответственно, уже экспрессируют меньше Delta и клетки начинают экспрессировать проневральные гены. Экспрессия Delta ограничивается нейронами, Notch экспрессируется в нервной пластинке (Рис.3) Generation of Cell Diversity in the Ventral Neural Tube Во время процесса образования нервной трубки неневральное дно пластинки (floorplate) в серединной части может быть идентифицированно первым. Соседние со срединной линией структурные участки невральных предшественников, расположенные более вентро-латерально, во время развития превращаются в моторные нейроны и интернейроны (Рис.1). Развитие, как дна пластинки, так и вентральных нейронов инициируется непосредственно расположенной ниже нотохордой. Notochord-derived signals induce ventral fates Трансплантационные эксперименты у лягушек и куриных эмбрионов впервые указали на роль хорды в детерминации вентральной невральной судьбы. У амфибий вторичная нервная трубка, индуцированная трансплантированным организатором, имела четкую DV полярность. Это означало, что пересаженные участки ткани не только индуцировали нервную ткань, но и паттернировали её. Эксперименты на куриных эмбрионах впервые подтвердили, что именно хорда играет центральную роль в установлении DV полярности в нервной трубке. Удаление хорды приводило к утрате дна пластинки, а эктопические (т.е. в нетипичное для нее место) пересадки хорды на латеральную или дорсальную стороны нервной трубки индуцировали эктопию (смещение) дна пластинки и моторных нейронов. Эти данные дают возможность предполагать, что для спецификации вентрального фенотипа необходимо и достаточно сигналов от хорды. В то же время у некоторых мутантных мышей и рыб, у которых отсутствовала дифференцированная хорда, развитие нервной системы на ранних стадиях протекало нормально, в том числе развитие дна пластинки. Вероятно, это обусловлено присутствием клеток-предшественников хорды, которые впоследствие не сохраняются. Следовательно, ограниченная экспрессия факторов хорды, может быть достаточной для инициации вентрального нейрального паттернирования. The molecular nature of notochord signals. Показано, что хорда секретирует несколько ростовых факторов, принимающих участие в определении судьбы нервной трубки. Придерживаясь хронологического порядка открытия этих факторов, сфокусируем сначала внимание на Sonic hedgehog (Shh), чья роль в посреднических паттернирующих свойствах хорошо установлена. После этого представим данные по роли Noggin, Chordin и Follistatin, являющиеся по своим функциям антогонистами скелетным морфогенетическим белкам (BMPs), играющим ключевую роль в дорсальном паттернировании нервной трубки. Секретируемый белок Shh экспрессируется в нотохорде, а позже также в области дна пластинки (floorplate) у всех изученных к настоящему времени позвоночных (Рис.4). Ошибочная экспрессия Shh в нервной трубке мимикрирует индуцирующую активность нотохорды, приводя к эктопической (смещенной) индукции дна пластинки и дифференцировке моторных нейронов. Мутации в Shh ведут к утрате всех вентральных срединных структур, включая дно пластинки и моторные нейроны. Интересно, что в результате аутопротеолитической активности Shh появляется функциональный пептид, который, вероятно, прикрепляется к клеточной поверхности. Это может способствовать созданию градиента концентрации посредством ограниченной диффузии. И, в самом деле, обработка нервной пластинки эксплантантами с Shh индуцирует образование дна пластинки при высоких концентрациях и двигательные нейроны при низких концентрациях (Рис.5). Таким образом, Shh может действовать как морфоген. Биохимический анализ показывает, что Shh действует через seven-transmembrane receptor Smoothened (smo), и что его активность может быть блокирована еще одним рецепторным компонентом - tumour suppressor protein Patched (ptc). Ингибирование smo посредством ptc ослабляется дополнительным Shh. Исследования in vitro подтвердили эти данные, так как таргетированная мутация ptc у мышей приводит к усиленному росту и "вентрализации" нервной трубки, т. е. полностью оппозитному фенотипу Shh нокаутных мышей. Shh сигнализация опосредуется внутриклеточно транскрипционными факторами Gli family of zinc finger. Известно, что у позвоночных три гомолога (Gli-1-3) экспрессируются по-разному в нервной трубке. Gli-1 экспрессируется в клетках вентральной срединной линии и опосредует эффекты Shh в индукции дифференцировки дна пластинки. Gli-2 найден во всей нервной пластинке, за исключением области вентральной средней линии. Он также участвует в вентральной дифференцировке. А Gli-3 -наиболее дорсально экспрессируемый член этого семейства подавляет вентральную дифференцировку. Таким образом, комбинаторные функции Gli могут определять позиционную информацию и дифференцировку клеточных типов нижелележащих Shh на ранних стадиях развития нервной трубки. Кроме Shh в нотохорде экспрессируются антагонисты BMP-Noggin, Chordin и Follistatin. Из них только Noggin экспрессируется в области дна пластинки, что свидетельствует о его непосредственной роли в формировании нервной трубки. У мышей с null-мутацией по Noggin, как и у Shh-/- мышей, не развиваются моторные нейроны и вентральные интернейроны, хотя экспрессия Shh у них нормальна. Более того, пересадки Shh-экспрессирующих клеток в неневральные области куриного эмбриона приводит к эктопичной экспрессии Noggin в окружающих тканях. Таким образом, в неневральных тканях Noggin может работать как нижележащий (downstream) фактор по отношению к Shh, и остается доказать, может ли Shh индуцировать экспрессию Noggin в нервной трубке. Intracellular characteristics of ventral fates В соответствиии с ролью Shh в индукции и поддержании идентичности вентральных клеток на ранних этапах развития нервной трубки, Shh сигнал вызывает особые транскрипционные реакции как в области дна пластинки, так и в популяции моторных нейронов, которые проявляются, главным образом, экспрессией транскрипционных факторов (Рис.5). Floorplate Важным участником в дифференцировке дна пластинки является hepatocyte nuclear factor-3β (HNF-3β), транскрипционный фактор, относящийся к классу winged-helix. Показано, что высокие концентрации Shh могут индуцировать экспрессию HNF-3β как в нотохорде, так и в области дна пластинки. Нарушения экспрессии HNF-3β в мозге мышей достаточно для индукции эктопичного дна пластинки, а так как нотохорда никогда не формируется у эмбрионов HNF-3β мутантных мышей, вся популяция клеток дна пластинки, зависящая от индуктивных сигналов из нотохорды, также отсутствует. Т.о. HNF-3β необходим и достаточен для развития дна пластинки. >Motor neurons Экспрессия гомеодоменных транскрипционных факторов Pax-6 и Nkx2.2 на стадиях митотически делящихся клеток во время неврального вентрального развития и их зависимость от Shh, также указывают на их роль в патернировании. Их точные функции в трункальной (туловищной) области нервной трубки неясны. Однако эти гены могут реагировать на разные пороговые значения Shh для установления специфической невральной идентичности и ограничивать экспрессию генов невральной идентичности особыми невральными популяциями. Индукция предшественников моторных нейронов в ответ на низкую концентрацию Shh ассоциируется с экспрессией гомеодоменного белка motor neuron restricted protein-2 (MNR-2).(Рис.5) Аналогично функциям HNF-3β при дифференцировке дна пластинки, сверхэкспрессии MNR-2 достаточно для превращения невральных клеток-предшественников в моторные клетки. Экспрессия MNR-2 в предшественниках вентральных моторных нейронов обнаруживается во время последнего клеточного деления, т.е. в то время, когда клетки-предшественники спинного мозга обретают свою судьбу и перестают зависеть от сигналов Shh. Эктопичная экспрессия MNR-2 в дорсальной нервной трубке куриного эмбриона может индуцировать экспрессию маркеров двигательных нейронов - таких как islet-1, -2 и LIM-3. Однако тот факт, что MNR-2 не способен индуцировать маркеры моторных нейронов в неневральных митотически активных клетках указывает на то, что эта молекула может функционировать только во время нормального развития нервной системы. Ранние постмитотические моторные нейроны позвоночных могут быть сначала идентифицированы по экспрессии islet-1, принадлежащему к LIM семейству гомеодоменных транскрипционных факторов. У null-мутантных по islet-1 мышей полностью отсутствуют моторные нейроны, что свидетельствует о важной роли этого гена в дифференцировки моторных нейронов. Однако islet-1 не способен индуцировать дифференцировку нейронов. Позже, во время распространения аксонов, разной степени экспрессию LIM белков наблюдали в разных подтипах моторных нейронов. Эти белки действительно "руководят" направлением роста аксонов, так как нарушения экспрессии LIM-3 у Drosophila изменяет проекции моторных нейронов. Интересно то, что подтипы транскрипционных факторов LIM, экспрессируемые моторными нейронами хорошо коррелируют с их сегментарным положением на AP оси и с проекционными паттернами на периферии (Рис.5). В пределах области, иннервирующей конечности, медиальные моторные нейроны проецируются на вентральные мышцы, а более латеральные моторные нейроны проецируются на мышцы, происходящие из дорсального мышечного скопления (muscle mass). Моторные нейроны также приобретают региональную идентичность вдоль AP оси, потому что трансплантация участка спинного мозга, соседствующего с конечностями в область торакального уровня, ведет к экспрессии LIM генов в соответствии с новой локализацией. Считают, что сигналы, детерминирующие их экспрессию, исходят из прилегающей мезодермы. Таким образом, довольно длинный каскад событий приводит к образования разных подтипов моторных нейронов. Ventral interneurons Несколько классов интернейронов генерируются в вентральной нервной трубке, которую можно отличить по экспрессии гомеобоксных транскрипционных факторов [таких как engrailed-1 (en-1)] и разных LIM генов. Эксперименты in vitro и in vivo показали, что моторные нейроны, но не Shh, способны индуцировать en-1+ интернейроны, подтверждая гипотезу о том, что каскад индуктивных взаимодействий ведет к дальнейшей дифференцировке отдельных клеточных типов в спинном мозге. Generation of Cell Diversity in the Dorsal Neural Tube У всех позвоночных дорсальные участки нервной трубки состоят из roofplate (крыши пластинки) и временной популяции клеток нервного гребня, которые формируют невральные и неневральные производные после их миграции в места своего конечного назначения, а также из разных типов дорсальных интернейронов (Рис.1). Расположенная рядом неневральная эктодерма инициирует появление этих разных по своей судьбе клеток. Ectodermal signals induce dorsal cell fates Имеются доказательства, что развитие дорсальной нервной трубки может быть частично обусловлено вентральной репрессией, потому что пересадка нотохорды в дорсальные области формирующейся нервной трубки подавляет экспрессию некоторых "дорсальных" генов, например, pax-3 и dorsalin-1. Пересаженная в закрывающуюся нервную трубку нотохорда не подавляет образование нервного гребня или дорсальных коммиссуральных нейронов, что свидетельствует о том, что некоторые сигналы, участвующие в индукции судьбы дорсальных клеток, не зависят от вентральных сигналов, но для этого им могут потребоваться сигналы из смежных тканей. Хорошо установлено (in vitro и in vivo), что неневральная эктодерма, расположенная по краям нервной пластинки и позже покрывающая нервную трубку как эпидермис, является источником "дорсальных" сигналов, индуцирующих дифференцировку крыши пластинки и клеток нервного гребня. Molecular nature of factors involved in dorsal cell fate specification Ранняя "дорсализирующая" активность эпидермальной эктодермы может быть мимикрирована некоторыми членами трансформирующих ростовых факторов β суперсемейства (transforming growth factor (TGF) β superfamily) (Рис.4). BMP-4 и BMP-7 могут заменять эктодерму, направляя клетки по определенному "дорсальному" пути развития, например, клетки нервного гребня и крыши пластинки. У куриного эмбриона, к примеру, экспрессия этих факторов сначала определяется в неневральной эктодерме, а позже в формирующейся крыше пластинки. Следовательно, сходные по индуктивному эффекту с Shh из нотохорды в дно пластинки, некоторые члены суперсемейства TGFβ (BMP-4, -7, -5, Dorsalin-1) индуцируются в клетках дорсальной средней линии и принимают участие в дифференцировке нервной трубки, экспрессируя эктодермальные факторы. Регуляция BMP необходима, о чем свидетельствует экспрессия ингибитора BMP -Noggin, обнаруженная в дорсальной нервной трубке. Таким образом, концентрация BMP сигнала может быть решающим фактором в паттернировании дорсальной судьбы. Исследования in vitro у куриного эмбриона показали, что дифференцирование всех трех "судеб" - крыши пластинки, нервного гребня и дорсальных интернейронов достигается при одних и тех же пороговых концентрациях BMP. Более того, мыши с null- мутацией по Noggin сначала имеют нормальное дорсальное развитие. То есть, специфическая роль Noggin в дорсальной нервной трубке пока неясна. Кроме BMP пути, вероятно, и другие факторы вовлечены в формирование клеток нервного гребня. Хорошим кандидатами для кооперативной активности с BMP в индукции нервного гребня являются члены wnt суперсемейства ростовых факторов (wnt superfamily of growth factors), экспрессирующиеся в дорсальной нервной трубке многих позвоночных. У куриного эмбриона эпидермальная эктодерма может индуцировать wnt-1 и wnt-3a, указывая на то, что wnt могут быть нижележащими факторами по отношению к эктодермально экспрессируемому BMP и что оба фактора могут индуцировать образование нервного гребня in vitro. Сверхэкспрессия wnt-1 и wnt-3 in vivo увеличивает популяцию клеток нервного гребня. Кроме того, у мышей - двойных нокаутов по wnt-1/3 обнаружено значительное снижение популяции клеток нервного гребня. А недавние исследованеия полосатых данио показали, что при инъекциях wnt-1/3 в клетки нервного гребня, клетки из невральных превращались в пигментные. То есть, wnt играют важную роль в индукции, распространении и детерминации судьбы клеток нервного гребня. Наконец, факторы роста фибробластов (FGFs) также участвуют в спецификации клеток нервного гребня, так как сверхэкспрессия FGF рецептора блокирует индукцию нервного гребня in vivo. Эффектов wnt/FGF на другие типы дорсальных клеток и взаимодействия с BMPs/wnts не обнаружено. Intracellular characteristics of dorsal tube fates В клетках дорсальной нервной трубки обнаружена экспрессия нескольких семейств транскрипционных факторов. Но их регуляция и роль в спецификации дорсальной детерминации понята плохо. Тем не менее, ниже будут представлены некоторые их этих факторов, которые, возможно, помогут понять, как происходит спецификация клеточной детерминации в дорсальной нервной трубке. Roofplate В отличие от HNF-3β в области дна пластинки, никаких транскрипционных факторов, экспрессирующихся исключительно в области крыши пластинки не выявлено. Но в соответствие с ролью BMP при дорсальном паттернировании, выявлена экспрессия BMP-responsive transcription factor msx-1, который экспрессируеься и в других тканях. Neural crest Нервный гребень может быть идентифицирован на ранних стадиях экспрессией двух близкородственных транскрипционных факторов - slug и snail. И если функции snail еще не описаны, то подавление активности slug (у куриного эмбриона) с помощью антисмысловых олигонуклеотидов, изменяет расслоение премиграторных клеток нервного гребня, что указывает на роль этого белка в развитии нервного гребня. Однако slug -/- нокаутные мыши не обнаружили никакого эффекта на индукцию, дифференцировку или миграцию клеток нервного гребня. Поэтому вопрос о роли этого транскрипционного фактора остается открытым. У всех позвоночных спаренные гомеобоксные транскрипционные факторы pax-3 и pax-7 экспрессируются в дорсальной части нервной трубки на ранних стадиях её формирования. Мутации обоих генов у мышей ассоциируются с дефектами нервной трубки и нарушениями дифференцировки клеток трункального (туловищного) отдела нервного гребня. Интересно, что мышиная open-brain мутация имеет идентичный фенотип, хотя молекулярные основы этого дефекта не определены. Более того, экспрессия паттерна Zic транскрипционного фактора, принадлежащего к семейству Gli, в нервной трубке также подтверждает важную роль этих генов в формировании дорсального паттерна. Исследования у Xenopus установили важную роль Zic-2 в нервной пластинке, а Zic-3 - в регуляции развития нервного гребня. Zic гены могут подвергаться регуляции, т.к. сообщалось об индукции Zic-1 ингибированием BMP. Dorsal interneurons Известно больше пяти разных типов интернейронов, различающихся по морфологии, но их генерирование на молекулярном уровне пока не понято. Известно, что roofplate-derived factors (факторы, происходящие из крыши пластинки) играют важную роль в программе их дифференцировки, которая начинается на более поздних стадиях, но факторы, ответственные за спецификацию невральных подтипов пока изучены плохо. Но growth differentiation factor-7 (GDF-7), член TGFβ семейства принимает участие в генерации отдельных подклассов интернейронов, для которых характерна экспрессия LIM гомеодоменных протеинов LH-2A/B. Таким образом, интернейроны в дорсальной нервной трубке, как и развитие вентральных интернейронов, не связаны прямо с индуктивными неневральными сигналами. Evolutionary Aspects of Neural Tube Development Недавние исследования DV паттернирования в нервной системе примитивных хордовых животных в значительной степени способствовали пониманию эволюции формирования спинного мозга. Общей характерной чертой всех хордовых (позвоночных, головохордовых и оболочников) является, кроме наличия дорсальной нервной системы, присутствие хорды. Наиболее примитивные из них - ведущие сидячий образ жизни оболочники (урохордовые) - имеют хорду только на ранних стадиях развития, т.е. на стадии плавающего личиночного головастика, хотя нервная система у них присутствует и у взрослых животных. Считают, что эти личинки являются прототипом хордовых. На поперечных срезах личинок асцидий Ciona intestinalis видна примитивная структура нервной трубки, состоящая из четырех эпендимных клеток, окружающих центральный канал. Исследование паттерна экспрессии HNF-3β и snail гомологов у этих личинок обнаружили присутствие floorplate-подобных структур и структур, сходных с нервным гребнем. Более того, сверхэкспрессия Ciona Pax-3/7, который в норме экспрессируется в клетках дорсальной нервной трубки во время её закрытия, вызывает эктопичную вентральную экспрессию тирозиназы (tyrosinase), гена, в норме экспрессирующегося в примордиальных пигментных клетках дорсальной части нервной трубки. Экспрессия двух гомологов асцидий - BMP-4/-2 и BMP-5-8 в развивающейся нервной системе на латеральных границах нервной пластинки и после закрытия нервной трубки в покрывающей её эктодерме, подтверждает консервативность этих белков и их роль в дорсальной детерминации у всех хордовых. У головохордового Amphioxus нервный тяж имеет небольшое расширение в передней части, мозговые пузыри и отсутствие миграторного нервного гребня. Тем не менее, Distal-less orthologue AmphiDll экспрессируется в двух латеральных кластерах, которые позже формируют дорсальную часть нервной трубки. Эта экспрессия аналогична Distal-less генам позвоночных, экспрессирующихся в мигрирующих и дифференцирующихся клетках нервного гребня. Поэтому можно предположить, что нейроэктодермальные клетки головохордовых могут быть предками структур, сходных с нервным гребнем. Присутствие обоих гомологов Shh и HNF-3β в нотохорде и вентральной нервной трубке и идентификация snail гомологов, указывает на высококонсервативный механизм формирования нервной трубки в отношении ее DV паттернирования в ходе эволюции.

Нервная система позвоночных развивается из клеток эктодермы, становящихся клетками нейроэктодермы под воздействием сигналов из специализированных мезодермальных клеток, названных организатором Шпеманна (Spemann organizer) у амфибий, щитком (shield) у рыб и узелком (node) у куриного эмбриона и мышей. Этот организатор позже дает начало нотохорде и другим осевым структурам. Индуцированная нейроэктодерма утолщается, и образует нервную пластинку, которая позже становится нервной трубкой после закрытия её дорсальной части (Рис.1). Нервная пластинка содержит недифференцированные митотически активные клетки, которые, в конце концов, выходят из митотического цикла и становятся нейронами. Этот процесс называется нейрогенезом.

Карта судьбы клеток нервной пластинки, установленная с помощью инъекций красителей, показала, что образование нейронов происходит как по антеро-постериальной (AP) (передне-задней), так и по медио-латеральной (срединно-боковой) осям. Вдоль AP оси из нервной пластинки, в конце концов, образуются головной и спинной мозг, а нейроны срединно-боковой оси дают начало дорсо-вентральному (DV) паттерну нервной системы после закрытия нервной трубки. В соответствии с картой судьбы вдоль обеих осей нервной пластинки обнаружены особые генные домены. Во время АР паттернирования происходит экспрессия специфических генов - otx-2 в переднем мозге, engrailed-2 в областях среднего и заднего мозга, Krox-20 в двух разных регионах заднего мозга и Hox генов в линейной последовательности из заднего мозга в спинной мозг. Однако АР паттернирование спинного мозга происходи позже, примерно в то время, когда удлиняются аксоны нейронов, иннервирующие свои мишени.

Вслед за формированием нервной системы, во всей нервной пластинке обнаруживается экспрессия невральных маркеров молекул адгезии нервных клеток (neural cell adhesion molecule - NCAM), за исключением области срединной линии, дающей начало floorplate (дну пластинки). Использование β-тубулина, другого хорошо охарактеризованного маркера нервных клеток, дало возможность выявить три ряда нейронов на ранней стадии развития эмбриона Xenopus. Двигательные нейроны развиваются почти вслед за floorplate. Интернейроны формируются в интермедиальной области, а сенсорные нейроны, включая нейроны Rohon-Beard появляются в наиболее латеральной части нервной пластинки - будущей дорсальной нервной трубке (Рис.1а). Rohon-Beard нейроны встречаются только у амфибий и рыб и позже их функции берут на себя сенсорные дорсальные корешковые ганглии. И, наконец, участки, прилегающие к латеральным границам нервной пластинки, формируют позже нервные валики, дающие начало клеткам нервного гребня и дорсальной крыше (roof) после закрытия нервной трубки. Таким образом, ко времени дорсального закрытия нервной пластинки, общий план паттернирования нервной трубки уже определен.

Данные о молекулярных процессах формирования спинного мозга получены из экспериментальной эмбриологии, главным образом, при исследованиях на амфибиях и птицах, а также в результате генетических исследований мышей и полосатых данио (zebrafish). Интересно, что эти, казалось бы, столь разные системы, часто имеют высококонсервативные механизмы развития нервной системы. Во время формирования нервной трубки сигналы от двух неневральных тканей - нотохорды и эпидермиса, определяют DV полярность нервной трубки. Трансформация этих сигналов во внутриклеточные свойства выражается, в основном, экспрессией транскрипционных факторов и ведет к рождению нейронов, которые у взрослого организма различаются по морфологии, характеру распределения отростков (иннервационных мишеней) и трансмиттерному фенотипу. И хотя наши знания об этих процессах пока ограниченны, в последнее время достигнуты значительные успехи в понимании механизмов, лежащих в основе образования подтипов нервных клеток в спинном мозге.

Specification of Neuronal Precursors in the Developing Spinal Cord: Neurogenesis

Нервная трубка дает начало многообразию нейронов, как в головном, так и в спинном мозге. У млекопитающих все эти нейроны происходят из пролиферирующего эпителиального слоя, ограниченного просветом нервной трубки и называемого вентрикулярной зоной. Клетки этой зоны могут делиться в двух разных плоскостях, в соответствие с их пролиферативным состоянием. До тех пор, пока клетки делятся симметрично (или вертикально по отношению к просвету нервной трубки) на идентичные дочерние клетки, они остаются недетерминированными и сохраняют пролиферацию. Невральная детерминация встречается, когда клетки начинают делится асимметрично (или горизонтально по отношению просвету нервной трубки), что дает начало одной пролиферирующей невральной стволовой клетке (остающейся в контакте с вентрикулярной зоной), и одной клетке, дифференцирующейся как нейрон (нейробласт). Как только невральный предшественник (нейробласт) сформирован, он претерпевает последний митоз, покидает пролиферативную зону и мигрирует на свое окончательное месторасположения в регионы, расположенные вне нервной трубки. Переход от вертикального к горизонтальному делению сопровождается асимметричным распределением белков, таких, например, как Notch (Рис.2).

Как было сказано выше, нейроны позвоночных зарождаются в определенных участках нервной пластинки, но пока неясно, каким образом определяется их точное положение. Скорее всего, рождение нейронов позвоночных имеет такой же механизм, как и рождение нейронов у беспозвоночных, например, у плодовой мушки Drosophila, у которой в селекцию невральных клеток в отдельных регионах вовлечено латеральное ингибирование. Ключевую роль в этом процессе играет внеклеточное взаимодействие Notch (рецептора) и Delta (лиганда), которые вычленяют невральные предшественники из групп недетерминированных клеток посредством репрессии проневрального гена Neurogenin в соседних клетках. В начале все клетки способны к экспрессии этих трех белков (Delta, Notch и Neurogenin) в равной степени. Со временем какие-то клетки начинают усиливать экспрессию Delta по сравнению с соседними клетками. Соседние клетки, соответственно, уже экспрессируют меньше Delta и клетки начинают экспрессировать проневральные гены. Экспрессия Delta ограничивается нейронами, Notch экспрессируется в нервной пластинке (Рис.3)

Generation of Cell Diversity in the Ventral Neural Tube

Во время процесса образования нервной трубки неневральное дно пластинки (floorplate) в серединной части может быть идентифицированно первым. Соседние со срединной линией структурные участки невральных предшественников, расположенные более вентро-латерально, во время развития превращаются в моторные нейроны и интернейроны (Рис.1). Развитие, как дна пластинки, так и вентральных нейронов инициируется непосредственно расположенной ниже нотохордой.

Notochord-derived signals induce ventral fates

Трансплантационные эксперименты у лягушек и куриных эмбрионов впервые указали на роль хорды в детерминации вентральной невральной судьбы. У амфибий вторичная нервная трубка, индуцированная трансплантированным организатором, имела четкую DV полярность. Это означало, что пересаженные участки ткани не только индуцировали нервную ткань, но и паттернировали её. Эксперименты на куриных эмбрионах впервые подтвердили, что именно хорда играет центральную роль в установлении DV полярности в нервной трубке. Удаление хорды приводило к утрате дна пластинки, а эктопические (т.е. в нетипичное для нее место) пересадки хорды на латеральную или дорсальную стороны нервной трубки индуцировали эктопию (смещение) дна пластинки и моторных нейронов. Эти данные дают возможность предполагать, что для спецификации вентрального фенотипа необходимо и достаточно сигналов от хорды. В то же время у некоторых мутантных мышей и рыб, у которых отсутствовала дифференцированная хорда, развитие нервной системы на ранних стадиях протекало нормально, в том числе развитие дна пластинки. Вероятно, это обусловлено присутствием клеток-предшественников хорды, которые впоследствие не сохраняются. Следовательно, ограниченная экспрессия факторов хорды, может быть достаточной для инициации вентрального нейрального паттернирования.

The molecular nature of notochord signals.

Показано, что хорда секретирует несколько ростовых факторов, принимающих участие в определении судьбы нервной трубки. Придерживаясь хронологического порядка открытия этих факторов, сфокусируем сначала внимание на Sonic hedgehog (Shh), чья роль в посреднических паттернирующих свойствах хорошо установлена. После этого представим данные по роли Noggin, Chordin и Follistatin, являющиеся по своим функциям антогонистами скелетным морфогенетическим белкам (BMPs), играющим ключевую роль в дорсальном паттернировании нервной трубки.

Секретируемый белок Shh экспрессируется в нотохорде, а позже также в области дна пластинки (floorplate) у всех изученных к настоящему времени позвоночных (Рис.4). Ошибочная экспрессия Shh в нервной трубке мимикрирует индуцирующую активность нотохорды, приводя к эктопической (смещенной) индукции дна пластинки и дифференцировке моторных нейронов. Мутации в Shh ведут к утрате всех вентральных срединных структур, включая дно пластинки и моторные нейроны. Интересно, что в результате аутопротеолитической активности Shh появляется функциональный пептид, который, вероятно, прикрепляется к клеточной поверхности. Это может способствовать созданию градиента концентрации посредством ограниченной диффузии. И, в самом деле, обработка нервной пластинки эксплантантами с Shh индуцирует образование дна пластинки при высоких концентрациях и двигательные нейроны при низких концентрациях (Рис.5). Таким образом, Shh может действовать как морфоген.

Биохимический анализ показывает, что Shh действует через seven-transmembrane receptor Smoothened (smo), и что его активность может быть блокирована еще одним рецепторным компонентом - tumour suppressor protein Patched (ptc). Ингибирование smo посредством ptc ослабляется дополнительным Shh. Исследования in vitro подтвердили эти данные, так как таргетированная мутация ptc у мышей приводит к усиленному росту и "вентрализации" нервной трубки, т. е. полностью оппозитному фенотипу Shh нокаутных мышей. Shh сигнализация опосредуется внутриклеточно транскрипционными факторами Gli family of zinc finger. Известно, что у позвоночных три гомолога (Gli-1-3) экспрессируются по-разному в нервной трубке. Gli-1 экспрессируется в клетках вентральной срединной линии и опосредует эффекты Shh в индукции дифференцировки дна пластинки. Gli-2 найден во всей нервной пластинке, за исключением области вентральной средней линии. Он также участвует в вентральной дифференцировке. А Gli-3 -наиболее дорсально экспрессируемый член этого семейства подавляет вентральную дифференцировку. Таким образом, комбинаторные функции Gli могут определять позиционную информацию и дифференцировку клеточных типов нижелележащих Shh на ранних стадиях развития нервной трубки.

Кроме Shh в нотохорде экспрессируются антагонисты BMP-Noggin, Chordin и Follistatin. Из них только Noggin экспрессируется в области дна пластинки, что свидетельствует о его непосредственной роли в формировании нервной трубки. У мышей с null-мутацией по Noggin, как и у Shh-/- мышей, не развиваются моторные нейроны и вентральные интернейроны, хотя экспрессия Shh у них нормальна. Более того, пересадки Shh-экспрессирующих клеток в неневральные области куриного эмбриона приводит к эктопичной экспрессии Noggin в окружающих тканях. Таким образом, в неневральных тканях Noggin может работать как нижележащий (downstream) фактор по отношению к Shh, и остается доказать, может ли Shh индуцировать экспрессию Noggin в нервной трубке.

Intracellular characteristics of ventral fates

В соответствиии с ролью Shh в индукции и поддержании идентичности вентральных клеток на ранних этапах развития нервной трубки, Shh сигнал вызывает особые транскрипционные реакции как в области дна пластинки, так и в популяции моторных нейронов, которые проявляются, главным образом, экспрессией транскрипционных факторов (Рис.5).

Floorplate

Важным участником в дифференцировке дна пластинки является hepatocyte nuclear factor-3β (HNF-3β), транскрипционный фактор, относящийся к классу winged-helix. Показано, что высокие концентрации Shh могут индуцировать экспрессию HNF-3β как в нотохорде, так и в области дна пластинки. Нарушения экспрессии HNF-3β в мозге мышей достаточно для индукции эктопичного дна пластинки, а так как нотохорда никогда не формируется у эмбрионов HNF-3β мутантных мышей, вся популяция клеток дна пластинки, зависящая от индуктивных сигналов из нотохорды, также отсутствует. Т.о. HNF-3β необходим и достаточен для развития дна пластинки.

>Motor neurons

Экспрессия гомеодоменных транскрипционных факторов Pax-6 и Nkx2.2 на стадиях митотически делящихся клеток во время неврального вентрального развития и их зависимость от Shh, также указывают на их роль в патернировании. Их точные функции в трункальной (туловищной) области нервной трубки неясны. Однако эти гены могут реагировать на разные пороговые значения Shh для установления специфической невральной идентичности и ограничивать экспрессию генов невральной идентичности особыми невральными популяциями.

Индукция предшественников моторных нейронов в ответ на низкую концентрацию Shh ассоциируется с экспрессией гомеодоменного белка motor neuron restricted protein-2 (MNR-2).(Рис.5) Аналогично функциям HNF-3β при дифференцировке дна пластинки, сверхэкспрессии MNR-2 достаточно для превращения невральных клеток-предшественников в моторные клетки. Экспрессия MNR-2 в предшественниках вентральных моторных нейронов обнаруживается во время последнего клеточного деления, т.е. в то время, когда клетки-предшественники спинного мозга обретают свою судьбу и перестают зависеть от сигналов Shh. Эктопичная экспрессия MNR-2 в дорсальной нервной трубке куриного эмбриона может индуцировать экспрессию маркеров двигательных нейронов - таких как islet-1, -2 и LIM-3. Однако тот факт, что MNR-2 не способен индуцировать маркеры моторных нейронов в неневральных митотически активных клетках указывает на то, что эта молекула может функционировать только во время нормального развития нервной системы.

Ранние постмитотические моторные нейроны позвоночных могут быть сначала идентифицированы по экспрессии islet-1, принадлежащему к LIM семейству гомеодоменных транскрипционных факторов. У null-мутантных по islet-1 мышей полностью отсутствуют моторные нейроны, что свидетельствует о важной роли этого гена в дифференцировки моторных нейронов. Однако islet-1 не способен индуцировать дифференцировку нейронов. Позже, во время распространения аксонов, разной степени экспрессию LIM белков наблюдали в разных подтипах моторных нейронов. Эти белки действительно "руководят" направлением роста аксонов, так как нарушения экспрессии LIM-3 у Drosophila изменяет проекции моторных нейронов. Интересно то, что подтипы транскрипционных факторов LIM, экспрессируемые моторными нейронами хорошо коррелируют с их сегментарным положением на AP оси и с проекционными паттернами на периферии (Рис.5). В пределах области, иннервирующей конечности, медиальные моторные нейроны проецируются на вентральные мышцы, а более латеральные моторные нейроны проецируются на мышцы, происходящие из дорсального мышечного скопления (muscle mass). Моторные нейроны также приобретают региональную идентичность вдоль AP оси, потому что трансплантация участка спинного мозга, соседствующего с конечностями в область торакального уровня, ведет к экспрессии LIM генов в соответствии с новой локализацией. Считают, что сигналы, детерминирующие их экспрессию, исходят из прилегающей мезодермы. Таким образом, довольно длинный каскад событий приводит к образования разных подтипов моторных нейронов.

Ventral interneurons

Несколько классов интернейронов генерируются в вентральной нервной трубке, которую можно отличить по экспрессии гомеобоксных транскрипционных факторов [таких как engrailed-1 (en-1)] и разных LIM генов. Эксперименты in vitro и in vivo показали, что моторные нейроны, но не Shh, способны индуцировать en-1+ интернейроны, подтверждая гипотезу о том, что каскад индуктивных взаимодействий ведет к дальнейшей дифференцировке отдельных клеточных типов в спинном мозге.

Generation of Cell Diversity in the Dorsal Neural Tube

У всех позвоночных дорсальные участки нервной трубки состоят из roofplate (крыши пластинки) и временной популяции клеток нервного гребня, которые формируют невральные и неневральные производные после их миграции в места своего конечного назначения, а также из разных типов дорсальных интернейронов (Рис.1). Расположенная рядом неневральная эктодерма инициирует появление этих разных по своей судьбе клеток.

Ectodermal signals induce dorsal cell fates

Имеются доказательства, что развитие дорсальной нервной трубки может быть частично обусловлено вентральной репрессией, потому что пересадка нотохорды в дорсальные области формирующейся нервной трубки подавляет экспрессию некоторых "дорсальных" генов, например, pax-3 и dorsalin-1. Пересаженная в закрывающуюся нервную трубку нотохорда не подавляет образование нервного гребня или дорсальных коммиссуральных нейронов, что свидетельствует о том, что некоторые сигналы, участвующие в индукции судьбы дорсальных клеток, не зависят от вентральных сигналов, но для этого им могут потребоваться сигналы из смежных тканей. Хорошо установлено (in vitro и in vivo), что неневральная эктодерма, расположенная по краям нервной пластинки и позже покрывающая нервную трубку как эпидермис, является источником "дорсальных" сигналов, индуцирующих дифференцировку крыши пластинки и клеток нервного гребня.

Molecular nature of factors involved in dorsal cell fate specification

Ранняя "дорсализирующая" активность эпидермальной эктодермы может быть мимикрирована некоторыми членами трансформирующих ростовых факторов β суперсемейства (transforming growth factor (TGF) β superfamily) (Рис.4). BMP-4 и BMP-7 могут заменять эктодерму, направляя клетки по определенному "дорсальному" пути развития, например, клетки нервного гребня и крыши пластинки. У куриного эмбриона, к примеру, экспрессия этих факторов сначала определяется в неневральной эктодерме, а позже в формирующейся крыше пластинки. Следовательно, сходные по индуктивному эффекту с Shh из нотохорды в дно пластинки, некоторые члены суперсемейства TGFβ (BMP-4, -7, -5, Dorsalin-1) индуцируются в клетках дорсальной средней линии и принимают участие в дифференцировке нервной трубки, экспрессируя эктодермальные факторы.

Регуляция BMP необходима, о чем свидетельствует экспрессия ингибитора BMP -Noggin, обнаруженная в дорсальной нервной трубке. Таким образом, концентрация BMP сигнала может быть решающим фактором в паттернировании дорсальной судьбы. Исследования in vitro у куриного эмбриона показали, что дифференцирование всех трех "судеб" - крыши пластинки, нервного гребня и дорсальных интернейронов достигается при одних и тех же пороговых концентрациях BMP. Более того, мыши с null- мутацией по Noggin сначала имеют нормальное дорсальное развитие. То есть, специфическая роль Noggin в дорсальной нервной трубке пока неясна.

Кроме BMP пути, вероятно, и другие факторы вовлечены в формирование клеток нервного гребня. Хорошим кандидатами для кооперативной активности с BMP в индукции нервного гребня являются члены wnt суперсемейства ростовых факторов (wnt superfamily of growth factors), экспрессирующиеся в дорсальной нервной трубке многих позвоночных. У куриного эмбриона эпидермальная эктодерма может индуцировать wnt-1 и wnt-3a, указывая на то, что wnt могут быть нижележащими факторами по отношению к эктодермально экспрессируемому BMP и что оба фактора могут индуцировать образование нервного гребня in vitro. Сверхэкспрессия wnt-1 и wnt-3 in vivo увеличивает популяцию клеток нервного гребня. Кроме того, у мышей - двойных нокаутов по wnt-1/3 обнаружено значительное снижение популяции клеток нервного гребня. А недавние исследованеия полосатых данио показали, что при инъекциях wnt-1/3 в клетки нервного гребня, клетки из невральных превращались в пигментные. То есть, wnt играют важную роль в индукции, распространении и детерминации судьбы клеток нервного гребня. Наконец, факторы роста фибробластов (FGFs) также участвуют в спецификации клеток нервного гребня, так как сверхэкспрессия FGF рецептора блокирует индукцию нервного гребня in vivo. Эффектов wnt/FGF на другие типы дорсальных клеток и взаимодействия с BMPs/wnts не обнаружено.

Intracellular characteristics of dorsal tube fates

В клетках дорсальной нервной трубки обнаружена экспрессия нескольких семейств транскрипционных факторов. Но их регуляция и роль в спецификации дорсальной детерминации понята плохо. Тем не менее, ниже будут представлены некоторые их этих факторов, которые, возможно, помогут понять, как происходит спецификация клеточной детерминации в дорсальной нервной трубке.

Roofplate

В отличие от HNF-3β в области дна пластинки, никаких транскрипционных факторов, экспрессирующихся исключительно в области крыши пластинки не выявлено. Но в соответствие с ролью BMP при дорсальном паттернировании, выявлена экспрессия BMP-responsive transcription factor msx-1, который экспрессируеься и в других тканях.

Neural crest

Нервный гребень может быть идентифицирован на ранних стадиях экспрессией двух близкородственных транскрипционных факторов - slug и snail. И если функции snail еще не описаны, то подавление активности slug (у куриного эмбриона) с помощью антисмысловых олигонуклеотидов, изменяет расслоение премиграторных клеток нервного гребня, что указывает на роль этого белка в развитии нервного гребня. Однако slug -/- нокаутные мыши не обнаружили никакого эффекта на индукцию, дифференцировку или миграцию клеток нервного гребня. Поэтому вопрос о роли этого транскрипционного фактора остается открытым.

У всех позвоночных спаренные гомеобоксные транскрипционные факторы pax-3 и pax-7 экспрессируются в дорсальной части нервной трубки на ранних стадиях её формирования. Мутации обоих генов у мышей ассоциируются с дефектами нервной трубки и нарушениями дифференцировки клеток трункального (туловищного) отдела нервного гребня. Интересно, что мышиная open-brain мутация имеет идентичный фенотип, хотя молекулярные основы этого дефекта не определены.

Более того, экспрессия паттерна Zic транскрипционного фактора, принадлежащего к семейству Gli, в нервной трубке также подтверждает важную роль этих генов в формировании дорсального паттерна. Исследования у Xenopus установили важную роль Zic-2 в нервной пластинке, а Zic-3 - в регуляции развития нервного гребня. Zic гены могут подвергаться регуляции, т.к. сообщалось об индукции Zic-1 ингибированием BMP.

Dorsal interneurons

Известно больше пяти разных типов интернейронов, различающихся по морфологии, но их генерирование на молекулярном уровне пока не понято. Известно, что roofplate-derived factors (факторы, происходящие из крыши пластинки) играют важную роль в программе их дифференцировки, которая начинается на более поздних стадиях, но факторы, ответственные за спецификацию невральных подтипов пока изучены плохо. Но growth differentiation factor-7 (GDF-7), член TGFβ семейства принимает участие в генерации отдельных подклассов интернейронов, для которых характерна экспрессия LIM гомеодоменных протеинов LH-2A/B. Таким образом, интернейроны в дорсальной нервной трубке, как и развитие вентральных интернейронов, не связаны прямо с индуктивными неневральными сигналами.

Evolutionary Aspects of Neural Tube Development

Недавние исследования DV паттернирования в нервной системе примитивных хордовых животных в значительной степени способствовали пониманию эволюции формирования спинного мозга. Общей характерной чертой всех хордовых (позвоночных, головохордовых и оболочников) является, кроме наличия дорсальной нервной системы, присутствие хорды. Наиболее примитивные из них - ведущие сидячий образ жизни оболочники (урохордовые) - имеют хорду только на ранних стадиях развития, т.е. на стадии плавающего личиночного головастика, хотя нервная система у них присутствует и у взрослых животных. Считают, что эти личинки являются прототипом хордовых. На поперечных срезах личинок асцидий Ciona intestinalis видна примитивная структура нервной трубки, состоящая из четырех эпендимных клеток, окружающих центральный канал. Исследование паттерна экспрессии HNF-3β и snail гомологов у этих личинок обнаружили присутствие floorplate-подобных структур и структур, сходных с нервным гребнем. Более того, сверхэкспрессия Ciona Pax-3/7, который в норме экспрессируется в клетках дорсальной нервной трубки во время её закрытия, вызывает эктопичную вентральную экспрессию тирозиназы (tyrosinase), гена, в норме экспрессирующегося в примордиальных пигментных клетках дорсальной части нервной трубки. Экспрессия двух гомологов асцидий - BMP-4/-2 и BMP-5-8 в развивающейся нервной системе на латеральных границах нервной пластинки и после закрытия нервной трубки в покрывающей её эктодерме, подтверждает консервативность этих белков и их роль в дорсальной детерминации у всех хордовых.

У головохордового Amphioxus нервный тяж имеет небольшое расширение в передней части, мозговые пузыри и отсутствие миграторного нервного гребня. Тем не менее, Distal-less orthologue AmphiDll экспрессируется в двух латеральных кластерах, которые позже формируют дорсальную часть нервной трубки. Эта экспрессия аналогична Distal-less генам позвоночных, экспрессирующихся в мигрирующих и дифференцирующихся клетках нервного гребня. Поэтому можно предположить, что нейроэктодермальные клетки головохордовых могут быть предками структур, сходных с нервным гребнем. Присутствие обоих гомологов Shh и HNF-3β в нотохорде и вентральной нервной трубке и идентификация snail гомологов, указывает на высококонсервативный механизм формирования нервной трубки в отношении ее DV паттернирования в ходе эволюции.

Spinal Cord Development. Neurogenesis Развитие спинного мозга. Нейрогенез.

Neuronal Subtype Identity Regulation Eva Reissmann и Ali H. Brivanlou Encyclopedia of Life Sciences

Spinal Cord Development. Neurogenesis
Развитие спинного мозга. Нейрогенез.

Neuronal Subtype Identity Regulation
Eva Reissmann и Ali H. Brivanlou
Encyclopedia of Life Sciences