Central nervous system (CNS) представляет собой орган с наивысшей структурной сложностью и клеточным разнообразием, а выяснение механизмов, контролирующих его развитие относится к основной задаче биологии развития. Drosophila является популярной модельной системой для изучения этого механизма. CNS насекомых состоит из ventral nerve cord (VNC) и собственно головного мозга. Так, инициальная ступень развития CNS, нейрогенные в противоположность не-нейрогенным области эктодермы детерминируются с помощью продуктов ранних паттерн-формирующих генов (e.g., St Johnston and Nu"sslein-Volhard,[1992]; Biehs et al.,[1996]). Ventral neurogenic region (vNR) дает VNC и procephalic neurogenic region (pNR), дающуюю головной мозг (о картировании судеб см Hartenstein et al.,[1985]; Technau and Campos-Ortega,[1985]; Fig. 1A). Внутри нейроэктодермы затем отбираются клетки, которые на второй ступени вычленяются в виде клеток предшественников CNS, т. наз. neuroblasts (NBs; Wheeler,[1891]; Poulson,[1950]). С др. стороны, каждый сегмент (наз. полусегмент), стереотипическая популяция NBs вычленяется в соответствии с хорошо детерминированным пространственным и временным паттерном (Fig. 1C). Во-вторых, хотя и значительно меньший набор клеток предшественников CNS происходит из одного ряда мезэктодермальных клеток, расположенных по обеим сторонам между нейроэктодермой и зачатком мезодермы, потомство которых формирует срединную линию CNS midline (Goodman and Doe,[1993]).


Рис.1.  | Early steps during CNS development in Drosophila. A: Fate map of an embryo at the early gastrula stage. The ventral neurogenic region (vNR) covers the ventral half of the truncal ectoderm and gives rise to the ventral nerve cord. The procephalic neurogenic region (pNR) gives rise to the brain. Segmental anlagen of the thoracic vNR are shown in green, those of the abdominal vNR in blue. B: Gene expression along the A/P axis (e.g., wg, wingless; gsb, gooseberry; en, engrailed) and the dorso-ventral axis (vnd, ventral nervous system defective; ind, intermediate neuroblasts defective; msh, muscle segment homeobox; and DER, Drosophila EGF receptor) subdivide the vNR into a grid-like Cartesian coordinate system. This system provides positional information, which specifies the identities of proneural clusters. Each proneural cluster gives rise to one specific NB. For example, NB6-4 delaminates from a proneural cluster that expresses msh and engrailed. Thoracic and abdominal segments show corresponding patterns of gene expression. C: Upon delamination from the vNR, the subectodermal pattern of NBs is identical in thoracic and abdominal segments. NBs born in corresponding quadrants and at the same time acquire the same fate (serial homology). D: Nevertheless, some of these serially homologous NBs produce lineages that differ between thoracic and abdominal segments, like NB6-4, which generates neurons and glial cells in thoracic segments, whereas the abdominal variant generates only glial cells. This difference is achieved by the function of homeotic genes (abd-A or Abd-B), which repress CycE in abdominal segments. CycE itself is necessary and sufficient to determine the neuronal fate in the thoracic lineage.

По сравнению с головным мозгом состав VNC относительно прост, т.к. он состоит из последовательностей довольно униформных сегментных единиц, называемых нейромерами (8 абдоминальных, 3 торакальных и 3 gnathal). После вычленения, NBs обычно делятся асимметрично по типу стволовых клеток, возобновляя самих себя при каждом делении и генерируя цепь более маленьких вторичных клеток предшественников называемых ganglion mother cells (GMCs; Poulson,[1950]). GMCs обычно делятся один раз, чтобы дать две пост-митотические клетки, которые в конечном итоге дифференцируются в нейрон и/или глиальную клетку. В каждом полусегменте туловища около 30 NBs (Doe,[1992]) продуцируют в целом около 350 эмбриональных клеток потомков (около 290 промежуточных нейронов (interneurons), 30 двигательных нейронов и 30 глиальных клеток; Landgraf et al.,[1997]; Ito et al.,[1995]), которые совместно формируют половинку нейромера. Клеточный клон, генерируемый каждым индивидуальным NB практически инвариантен и уникален (Bossing et al.,[1996]; Schmidt et al.,[1997]; Schmid et al.,[1999]). Т.о., каждый NB приобретает специфические качественные особенности, которые предопределяют количество и тип потомков им генерируемых. Спецификация качественных особенностей индивидуальных NBs происходит с помощью позиционной информации внутри нейроэктодермы (rev. Bhat,[1999]; Skeath,[1999]), временных импульсов (Berger et al.[2001]) и комбинации контролирующих развитие генов, которые они экспрессируют (Doe,[1992]; Urbach and Technau,[2003a]). В тораксе и абдомене Cartesian grid-like экспрессия позиционной информации почти идентична в каждом полусегменте (Fig. 1B; Bhat,[1999]; Skeath,[1999]). Соответственно, NBs, развивающиеся из соотв. квадрантов разных сегментов, называемые серийными гомологами, приобретают одну и ту же судьбу. Однако, некоторые из серийных гомологов эмбрионального VNC клона, как было показано, включают субнаборы клеток потомков, которые специфически отличаются между торакальными и абдоминальными нейромерами (Bossing et al.,[1996]; Schmidt et al.,[1997]; Udolph et al.,[1993]). Такие сегмент-специфические отличия наиболее очевидны среди нейромеров головного мозга. Различия становятся еще более выраженными во время постэмбрионального развития и составляют основу для функциональных специализаций различных областей CNS у взрослых мух.

Во время образования нейрогенной области и вычленения NBs у эмбрионов Drosophila наблюдаются характерные морфологические модификации в эктодерме в основном благодаря бросающимся в глаза изменениям клеточной формы (Hartenstein and Campos-Ortega,[1984]). В туловище вычленение NBs из нейроэктодермы происходит последовательно в течение приблизительно 3 ч после гаструляции (Hartenstein and Campos-Ortega,[1984]; Doe,[1992]). Большинство клеток vNR, однако, остается на периферии, чтобы развиваться как epidermoblasts. Т.о., клетки в нейроэктодерме делают выбор между двумя альтернативными путями развития, neurogenesis или epidermogenesis. Механизм, лежащий в основе этого процесса явился предметом интенсивных исследований. Разделение нейральных и эпидермальных клеток предшественников контролируется двумя группами генов, пронейральные гены, кодируют транскрипционные регуляторы семейства bHLH, и нейральные гены, которые составляют сигнальный путь Notch. На первой ступени пронейральные гены обеспечивают компетентность воспринимать нейральную судьбу группой нейроэктодермальных клеток, наз. пронейральными кластерами (e.g., Jimenez and Campos-Ortega,[1990]; Skeath and Carroll,[1992]). Каждый из пронейральных кластеров способен давать определенный тип NB. Т.к. все клетки кластера обладают одной и той же потенцией развития, то они представляют т. наз. эквивалентную группу. На второй ступени одна клетка из каждого пронейрального кластера выбирается, чтобы стать NB, тогда как все остальные клетки кластера получают запрет следовать этой первичной нейральной судьбу и вместо этого они приобретают вторично epidermogenic судьбу. Эта ступень базируется на клеточных взаимодействиях и использует процесс, называемый латеральной игибицией, который обеспечивается с помощью продуктов нейрогенных генов (rev. Artavanis-Tsakonas and Simpson,[1991]; Campos-Ortega,[1995]). Между тем, члены из пронейральных генов и нейрогенных генов распознаются как регуляторы клеточной судьбы действительно в каждой ткани животного ( rev. Artavanis-Tsakonas et al.,[1999]; Schweisguth,[2004]).

NBs выделяются из vNR в ходе элонгации зародышевого диска (ст. 8-11) в хорошо отработанном пространственном и временном паттерне. Получены карты, показавшие, что NBs вычленяются в ходе 5 временных волн (S1-S5), и оккупируют характерные субэктодермальные позиции, которые связаны с их местом и временем вычленения из нейроэктодермы (Hartenstein and Campos-Ortega,[1984]; Doe,[1992]; Bossing et al.,[1996]). Помимо обычного времени и места вычленения, каждый NB характеризуется экспрессией характерного набора молекулярных маркеров (Doe,[1992]; Broadus et al.,[1995]). Наконец, каждый из приблизительно 30 NBs на туловищный полусегмент продуцирует практически инвариантный и уникальный клон клеток, который представлен характерным количеством и типами нейрональных и/или глиальных клеток потомков (Bossing et al.,[1996]; Schmidt et al.,[1997]; Schmid et al.,[1999]). Т.о., кждый NB приобретает уникальную судьбу, которая, по-видимому, предопределяется его позицией и временем образования в нейроэктодерме соотв. полусегмента. В самом деле, эксперименты по удалению у кузнечиков подтверждают, что детерминация NB контролируется с помощью позиционных сигналов в нейроэктодерме (Doe and Goodman,[1985]). Более того, трансплантационные эксперименты показали, что вентральные нейроэктодермальные клетки первоначально предетерминированы к судьбе вентральных NB ещё до начала формирования NB (Udolph et al.,[1995]). Помимо этого имеется огромное количество генетических доказательств, показывающих, что гены, экспрессируемые в эктодермальном пронейральном кластере, специфицируют индивидуальную судьбу NBs, которые развиваются из этих кластеров. Каждый пронейральный кластер экспрессирует уникальную комбинацию генов, в зависимости от своего положения в нейроэктодерме (Fig. 1B). Позиционная информация, создаваемая в каждом полусегменте с помощью активности двух наборов генов, создает Cartesian grid-like систему координат. Гены, формирующие anterior-posterior (A/P) паттерн, т.е. гены сегментной полярности (такие как wingless, engrailed, gooseberry, patched, hedgehog, naked cuticle) подразделяют каждый сегмент на идентичный паттерн из параллельных соседних поперечных рядов (Nu"sslein-Volhard and Wieschaus,[1980]), границы которых соответствуют передне-задним границам пронейральных кластеров, создавая тем самым NB разнообразие вдоль передне-задней оси (e.g., Patel et al.,[1989]; Chu-LaGraff and Doe,[1993]; Skeath et al.,[1995]; Bhat,[1996]; Matsuzaki and Saigo,[1996]; Bhat and Schedl,[1997]; Deshpande et al.,[2001]; for reviews see Bhat,[1999]; Skeath,[1999]). Dorso-ventral (D/V) ось ранней нейроэктодермы подразделяется на три соседних продольных столба с помощью активностей, по крайней мере, 4-х генов: ventral nervous system defective (vnd; медиальный столб), intermediate neuroblasts defective (ind; промежуточный), muscle segment homeobox (msh; латеральный столб), которые кодируют гомеодоменовые транскрипционные факторы и Drosophila EGF receptor ген (DER; медиальный и промежуточный столбы). Эти гены способствуют формированию и/или специфицируют судьбы пронейральных кластеров и NBs влдоль D/V оси (e.g., Skeath et al.,[1994]; Isshiki et al.,[1997]; Chu et al.,[1998]; McDonald et al.,[1998]; Skeath,[1998]; Udolph et al.,[1998]; Weiss et al.,[1998]; Yagi et al.,[1998]). This is clearly the case for the specification of those truncal NBs, which delaminate early (S1 and S2 NBs) from the medial and intermediate columns of the neuroectoderm (for review see Skeath,[1999]). Судьбы развития NBs из латерального столба частично зависят от влияния msh (Isshiki et al.,[1997]), но, по-видимому, зависят и от др. факторов. Гетеротопические трансплантации одиночных нейроэктодермальных клеток вдоль D/V оси показали, что клетки ранних (ст. 7) латеральных столбов все еще не предетерминированы к латеральной судьбе, тогда как клетки из медиального и промежуточного столбов в первую очередь детерминируются в NB с вентральной судьбой (Udolph et al.,[1995]). Остаются еще вопросы, связанные с D/V спецификацией NBs, которые выделяются позже (S3-S5). Гетерохронные трансплантации одиночных клеток с ранней (ст. 7; до S1) в позднюю нейроэктодерму (ст. 10; после S2) и vice versa показали, что спецификация временных субнаборов NBs происходит под контролем клеточно неавтономных, стадио-специфических индуктивных сигналов. действующих в нейроэктодерме (Berger et al.,[2001]). Природа этих сигналов, однако, всё ещё неизвестна.

Итак, внутри каждого туловищного полусегмента, происходит супер-наложение активностей генов сегментной полярности и формирования D/V паттерна, в сочетании с временными сигналами в нейроэктодерме, что может объяснить, как в каждом пронейральном кластере активируются специфические комбинации генов и как каждый возникающий NB приобретает индивидуальную судьбу.

В торакальных и абдоминальных сегментах Cartesian grid-like система координат позиционной информации обеспечивается с помощью A/P и D/V паттерн-формирующих генов, которая почти идентична в каждом полусегменте. Поэтому NBs, развивающиеся в одном и том же нейроэктодермальном квадранте, но в разных сегментах, называются серийными гомологами и д. приобретать одну и ту же судьбу. В самом деле, серийно гомологичные NBs соответствуют один другому по времени образования, комбинации молекулярных маркеров, которые они экспрессируют (Doe,[1992]; Broadus et al.,[1995]), и по клонам, которые они генерируют (Fig. 1). Однако, 7 из 30 серийно гомологичных эмбриональных клонов, как было установлено, включают субнаборы клеток, которые специфически отличаются между торакальными и абдоминальными нейромерами (Udolph et al.,[1993]; Bossing et al,[1996]; Schmidt et al.,[1997]). Напр., торакальный нейробласт NB1-1 продуцирует 2 двигательных нейрона и приблизительно 10 interneurons, тогда как абдоминальный NB1-1 дает 1 двигательный нейрон, приблизительно 6 interneurons и 3 глиальные клетки. Предопределение в отношении сегментной специфичности NB1-1 происходит уже в нейроэктодерме под контролем гомеозисных генов Ultrabithorax (Ubx) и abdominal-A (abd-A), которые необходимы и достаточны для индукции абдоминальной судьбы NB1-1 (Prokop and Technau,[1994]). Раннее предопределение NBs посредством гомеозисных генов поддерживается также во время постэмбриональных стадий, когда сегмент-специфические различия между серийно гомологичными клонами становятся даже более выраженными (Prokop et al.,[1998]).

Дальнейшие серийно гомологичные предшественники, NB6-4, продуцируют 4 из 6 interneurons плюс три глиальные клетки в тораксе, но по две глиальные клетки исключительно в абдомене (Schmidt et al.,[1997]; Fig. 1C,D). Во время первого деления торакального NB6-4 (NB6-4t), детерминант клеточной судьбы Prospero оказывается асимметрично локализованным и отходит преимущественно в дочерние клетки, развивающиеся как предшественники глии; здесь он сохраняет высокие уровни экспрессии глиального детерминанта Glial Cells Missing (GCM). Этот глиальный предшественник д. продуцировать глиальный субклон, тогда как его родственники (sibling), которые не наследуют Prospero, будут давать нейрональный субклон. Абдоминальный NB6-4 (NB6-4a), с др. стороны, делится симметрично, чтобы дать две Prospero-позитивные дочерние клетки, которые воспринимают глиальную судьбу (Bernardoni et al.,[1999]; Akiyama-Oda et al.,[2000]; Freeman and Doe,[2001]). Абдоминальная судьба NB6-4 специфицируется с помощью гомеозисных генов abd-A (в A1-A6) и Abdominal-B (Abd-B; в A7, A8), в то время как торакальная судьба является базовым состоянием и не нуждается во входящих сигналах от какого-либо гомеозисного гена. Потеря функции abd-A или Abd-B приводит к трансформации NB6-4a-в-NB6-4t, в то время как эктопическая экспрессия abd-A или Ubx (которые обычно не экспрессируются в NB6-4) вызывает обратную трансформацию (NB6-4t в NB6-4a) (Berger et al.,[2005]). Более того, было установлено, что влияние гомеозисных генов на судьбу клетки NB6-4 обеспечивается с помощью G1 cyclin, DmCycE (CycE; Fig. 1D). CycE оказывается как необходимым, так и достаточным для спецификации клона NB6-4t. Он экспрессируется в NB6-4t и после его первого деления в нейрональном, но не глиальном предшественнике. Он не выявляется в NB6-4a или его потомстве. Потеря CyclinE вызывает трансформацию NB6-4t-в-NB6-4a, в то время как избыточная экспрессия CyclinE вызывает обратную трансформацию. У CyclinE мутантных эмбрионов, gcm и Prospero теперь экспрессируются в обеих дочерних клетках NB6-4t, которые дифференцируются в глиальные клетки, тогда как NB6-4a клоны не меняются у CyclinE мутантов. После эктопической экспрессии CycE, Prospero сегрегирует асимметрично во время первого деления NB6-4a, который теперь генерирует нейрон и глиальную клетку. В гомеозисно трансформированных NB6-4a клонах у abd-A-мутантных эмбрионов, экспрессия CyclinE дерепрессирует, тогда как избыточная экспрессия Abd-A подавляет экспрессию CyclinE в NB6-4t клоне. Эксперименты по трансплантации одиночных клеток показали, что CycE действует клеточно автономно и что он играет одинаковую роль также в др. серийно гомологичных NB клонах (NB1-1, NB5-4). Тот факт, что ни потеря функции, ни избыточная экспрессия белков, которые обычно действуют совместно с CyclinE, чтобы контролировать клеточный цикл (напр., dacapo, dE2F, Rbf, CycA и string), не оказывают какого-либо эффекта на клеточную судьбу в абдоминальных или торакальных клонах NB6-4 (за исключением количества клеток), подтверждает, что роль CycE в детерминации клеточной судьбы может быть независимой от его роль в регуляции клеточного цикла (Berger et al.,[2005]). Всё это указывает на то, что CyclinE действует как детерминант клеточной судьбы под контролем гомеозисных генов и что сегмент-специфическая манипуляция CyclinE вносит вклад в региональную диверсификацию клеточных клонов в туловищной части CNS.

Интересным свойством во время диверсификации сегментов CNS является регуляция количества клеток. Как упоминалось выше, состав серийно гомологичных NB клонов может отличаться между сегментами не только по типу клеток, но и также по количеству клеток. Количество клеток внутри клонов регулируется путем контроля клеточной пролиферации, с одной стороны, и с помощью элиминации клеток путем апоптоза, с др. стороны. Как было установлено с помощью култур из одиночных клеток и трансплантационных экспериментов, специфическая способность к пролиферации приобретается эмбриональными NBs ещё в нейроэктодерме. NBs экспрессируют эту способность клеточно-автономным способом, и сегментные различия в паттернах пролиферации находятся под контролем гомеозисных генов (Prokop and Technau,[1994]; Prokop et al.,[1998]; Lu"er and Technau,[1992], and unpublished data). Гомеозисные гены, как было показано, модулируют морфологию сегментов, регулируя запрограммированную клеточную гибель (Lohmann et al.,[2002]). В развивающейся CNS, большинство NBs в абдоминальных сегментах подвергаются клеточной гибели в конце эмбриогенеза (Peterson et al.,[2002]), в то время как только небольшая пропорция NBs погибает в торакальных сегментах. Выжившие NBs продолжают пролиферацию во время постэмбриональных стадий (Truman and Bate,[1988]; Prokop and Technau,[1991]). Онтогенетический временной промежуток постэмбрионального апоптоза NB детерминируется с помощью взрывной экспрессии гомеотических белков (Bello et al.,[2003]). Апоптоз обилен также в постмитотических клетках потомках внутри NB клонов, Идентификация таких клеток показывает, что их элиминация происходит инвариантным, клеточно- и сегмент-специфическим способом (Rogulja-Ortmann and Technau, unpublished data). Segment-specific postmitotic cell death has been recently reported by Miguel-Aliaga and Thor ([2004]), чтобы произойти в клонах MP1 (которые возникают из мезодермы и формируют часть срединной линии CNS) и MP2 (которые возникают из вентральной части нейроэктодермы и формируют часть латеральной CNS). Клетки предшественники в обоих случаях дают только два нейрональных потомка. Один из MP2 потомков (dMP2) и оба из MP1 нейронов подвергаются апоптозу во всех туловищных сегментах за исключением с A6 (или A5) до A8. Апоптоз происходит на поздней эмбриональной стадии, спустя определенное время после того как эти клетки выпустят свои аксоны и осуществят свою пионерскую роль по ведению последующих аксонов. Эти сегментные отличия достигаются с помощью постмитотической и клеточно-автономной репрессии (с A5/A6 по A8) активаторов клеточной гибели reaper и grim под контролем гомеозисного гена Abd-B (Miguel-Aliaga and Thor,[2004]).

В то время как торакальные и абдоминальные NBs образуются инвариантно, почти ортогональный субэктодермальный паттерн, более специфический, но всё ещё совершенно сходный паттерн NB формируется в трех сегментах, расположенных кпереди от торакальных сегментов (называемых gnathal сегментами: labial, maxillary, and mandibular segment). Региональное разнообразие, однако, наиболее очевидно и сложно в pregnathal части головы, которая формирует собственно головной мозг (see Fig. 3). Головной мозг традийионно подразделяют (сзади кпереди) на tritocerebrum, deutocerebrum и protocerebrum (Bullock and Horridge,[1965]). Существенные различия существуют в спецификации и дифференцировке структур в головном мозге и VNC, а также между сегментами внутри самого головного мозга. Сегментный паттерн в голове насекомых сильно запутан и о его метамерной организации ведутся интенсивные споры (e.g., Schmidt-Ott et al.,[1994]; Haas et al.,[2001]; Hirth et al.,[1995]; Rempel,[1975]; Rogers and Kaufman,[1996]). У Drosophila, экспрессия engrailed и wingless и фенотип сенсорных структур у мутантов gap генов, предоставляют доказательства, указывающие на то, что pregnathal голова состоит из 4-х сегментов (antennal, intercalary, ocular и labral; Schmidt-Ott and Technau,[1992]; Schmidt-Ott et al.,[1994]). Каждому из этих сегментов соответствует соответствующий нейромер головного мозга, а сегментные границы, были реконструированы, исходя из экспрессии генов сегментной полярности (включая hh и en) и DV паттерн-формирующих генов (vnd, msh; Urbach and Technau,[2003b]). Более того, получены доказательства, что protocerebrum состоит из двух нейромеров, большого ocular нейромера (представленного более чем 60 NBs на каждой из сторон) и маленького labral нейромера (состоящего примерно из 10 NBs на каждой стороне), который, по-видимому, ограничивается задним компартментом. Ортогональная экспрессия генов сегментной полярности и DV паттерн-формирующих генов принципиально законсервированы в задней части pregnathal головной нейроэктодермы и соответствует областям раннего головного мозга, но становится затушеванной в направлении передних сайтов. Tritocerebrum (принадлежащий к intercalary сегменту) ведет себя подобно редуцированному туловищному нейромеру. Его паттерн менее консервативен в deutocerebrum (antennal сегменте), a его сегментные свойства в основном затушеваны в ocular и labral частях protocerebrum (Urbach and Technau,[2003b]). Кроме того, паттерн NBs головного мозга меняет свои очертания благодаря массивным морфогенетическим перемещениям, которые происходят во время гаструляции в головном зачатке, включая pNR (Technau and Campos-Ortega,[1985]; Schmidt-Ott and Technau,[1994]; Younossi-Hartenstein et al.,[1996]). Соответственно ортогональное формирование паттерна NBs в столбы и ряды не проявляется в pre-gnathal голове (see Fig. 3).


Рис.3.  |  NB patterns and putative serial homology of NBs in the brain and VNC. A: Semi-schematic presentation of the right half of a flattened stage-11 embryo (anterior to the top) showing the NB pattern in the neuromeres of the brain (T, tritocerebrum; D, deutocerebrum; P, protocerebrum), the gnathal (Md, mandibular segment; Mx, maxillary segment; La, labial segment), and prothoracic (Pt) segments. NB5-6 in the prothoracic and the gnathal neuromeres is presumed to be serially homologous to NB Td4 in the tritocerebrum, and to NB Dd7 in the deutocerebrum for the following reasons: (1) Position: Each of these NBs exhibits a similar A/P position within the respective neuromere (i.e., develops from wg expressing neuroectodermal domains, and lies anterior adjacent to the En-positive NBs [indicated in red]), and similar D/V position (i.e., develops from the msh-expressing lateral column). (2) Gene expression: these are the only NBs that specifically coexpress the following molecular markers (as indicated in the colour code): ladybird early (lbe; which is generally expressed in only one NB per hemisegment), wingless (wg), gooseberry-distal (gsb-d), sloppy paired 1 (slp1; except in Td4), muscle segment homeobox (msh), castor (cas), seven up (svp; except Td4), and klumpfuss (klu). (3) Progeny cells: some of the first daughter cells of Td4 and NB5-6 coexpress lbe and the glia specific marker reversed polarity. Blue lines indicate neuromere boundaries (the stippled blue line marks the boundary between the ocular and labral part of the protocerebrum). An, antennal segment; Cl, clypeolabrum; Fg, foregut; Ol, optic lobe anlage; vMl, ventral midline. B: Stage-11 flat preparation double stained for Engrailed (en-LacZ; brown) and Lbe (blue) with the focus on the level of NBs (anterior to the top). A Lbe-positive NB (red arrowheads) can be identified in each hemineuromere of the pro- (Pt), mesothoracic (Ms) and gnathal (Md, Mx, La) segments as well as in the trito- (T) and deutocerebrum (D). Two additional Lbe-positive NBs are found in the protocerebrum (black arrowheads; see also Urbach and Technau,[2003a]). Although Lbe is a very specific marker, it remains questionable whether these protocerebral NBs are serially homologous to NB5-6, since they do not coexpress other markers mentioned in A.

Одинаково с vNR, временная последовательность формирования NB из pNR слеудет воспроизводимому паттерну с каждым NB, генерируемым в характерное время между эмбриональными стадиями 8 и поздней 11. Однако, во противоположность VNC, NBs в головном мозге, по-видимому, не сегрегируют волнами, а скорее добавляются постоянно. Кроме того, формирование NBs головного мозга достигается с помощью нескольких различающихся способов (Urbach et al.,[2003]). Одна популяция клеток предшественников не делится в периферической эктодерме и большинство из них выделяется в виде ранних NBs. Это аналогично поведению ранних NBs (S1/S2) в туловище (Fig. 2B; Bossing et al.,[1996]; Schmidt et al.,[1997]). Др. популяция нейроэктодермальных клеток делится параллельно эктодермальной поверхности и обычно выделяется последовательно по одной дочерней клетке в качестве NB. Это сходно с предшественниками поздно вычленяющихся NBs (S3-S5) в туловище, которые делятся однажды в нейроэктодерме, чтобы генерировать один NB и один epidermoblast. Однако, дальнейшая группа клеток предшественников делится перпендикулярно к эктодермальной поверхности, продуцируя NB и epidermoblast. Такое поведение не наблюдается для нейроэктодемальных клеток предшественников в туловище (Fig. 2B; Urbach et al.,[2003]).


Рис.2.  |  Modes of NB formation in the brain and VNC. A: In the vNR (see fate map and blue field on the right side), proneural gene expression defines small groups of cells (proneural clusters; as schematically shown for the pattern of lethal of scute (lsc) expression at stage 7/8, according to Skeath et al.,[1992]). In each of these clusters, only one NB (red cell) becomes singled out by lateral inhibition under the control of the Notch signalling pathway. In the pNR (grey field on the left side), proneural genes are often expressed in large domains. Within the lsc domain shown, a group of neighboring cells assumes the primary NB fate (red cells), presumably due to reduced lateral inhibition. B: NB formation principally follows three different modes: (a) NBs delaminate without having performed a previous division in the neuroectoderm (NE). (b) The neuroectodermal progenitor cell divides, with the plane of division oriented perpendicular to the surface. One of the daughter cells subsequently delaminates as a NB, the other stays in the ectoderm to develop as an epidermoblast (EB). These two modes (a,b) are found in both the pNR (left) and the vNR (right). (c) In addition, a third mode is realized in certain regions within the pNR. The neuroectodermal progenitor cell divides, with the plane of division in parallel to the surface to produce an NB and an EB.

В противоположность туловищу, в котором пронейральные гены Achaete Scute-Complex (AS-C) экспрессируются в небольших сегментно повторяющихся пронейральных кластерах, размер доменов, экспрессирующих AS-C гены в procephalic нейроэктодерме, варьирует и в целом значительно больше (Fig. 2A; Younossi-Hartenstein et al.,[1996]; Urbach et al.,[2003]). Возможно это обусловлено отсутствием экспрессии генов типа pair rule (Ju"rgens and Hartenstein,[1993]), которые в vNR регулируют экспрессию границ генов сегментной полярности, нет указаний на сегментное формирование паттерна пронейральных доменов в procephalon. Паттерны экспрессии proneural генов в pNR указывают на то, что механизмы, с помощью которых детерминировано количество и распределение презумптивных NBs, модифицированы по сравнению с vNR. 4D-анализ формирования NB головного мозга предоставил дальнейшие доказательства этого. В противоположность vNR, где только одиночная клетка вычленяется как NB из каждого пронейрального кластера, определенные популяции NBs головного мозга возникают из соседних нейроэктодермальных клеток предшественников, которые принадлежат к тому же самому proneural кластеру (Fig. 2A; Urbach et al.,[2003]). Это указывает на то, что в частях procephalic нейроэктодермы процесс латеральной ингибиции, который ведет к эпидермальной судьбе менее эффективен или отсутствует. В согласии с этим предположением находятся и экспериментальные данные, показавшие, что соотношение между нейрональными и эктодермальными предшественниками отличается существенно между нейроэктодермой туловища и головы, т.к. значительно большая пропорция нейроэктодермальных клеток воспринимает судьбу NB в procephalon (Technau and Campos-Ortega,[1985]; Schmidt-Ott and Technau,[1994]; Stu"ttem and Campos-Ortega,[1991]). Пониженная латеральная ингибиция в pNR делает возможной поддержание высоких уровней экспрессии пронейральных генов и поэтому соседние клетки развиваются как NBs.

Около 100 NBs головного мозга индивидуально идентифицировано на каждой стороне, на базе экспрессии более чем 40 молекулярных маркеров, представляющих экспрессию 34 различных генов (включая пронейральные гены, gap гены, гены сегментной полярности, DV паттерн-формирующие гены, ранние глазные гены и многие др.). Каждый NB головного мозга экспрессирует специфическую комбинацию этих генов, указывая тем самым, что каждый NB воспринимает индивидуальную судьбу (Urbach and Technau,[2003a]). Сравнение комбинаций маркеров внешнего (exterior) головного мозга (protocerebrum; Urbach and Technau,[2004]). Существование потенциально серийных гомологичных NBs является интригующим, т.к. количества NBs в tritocerebrum и deutocerebrum существенно снижены по сравнению с VNC нейромерами, а время течения нейрогенеза внутри головного мозга и VNC различно (особенно в tritocerebrum развитие NBs существенно задержано; Urbach et al.,[2003]), а сегментация головы и головного мозга, по-видимому, регулируются по-разному (rev. Ju"rgens and Hartenstein,[1993]).

In thoracic and abdominal segments of Drosophila, the patterns of embryonic NBs are almost identical. Specification and development of most of the serially homologous NBs in these regions appear to be controlled by the same genetic mechanisms, as reflected by the expression of corresponding combinations of molecular markers and the production of very similar embryonic cell lineages. Accordingly, thoracic and abdominal CNS neuromeres of the early larva exhibit rather uniform structures (and functions). However, some of the serially homologous lineages include a subset of progeny cells, which specifically differ between thoracic and abdominal neuromeres. These differences create subtle structural (and functional) inter-segmental diversity, which presumably evolved from a basic developmental ground state in segment T2 (Lewis,[1978]). Segment-specific differences are expected to be much more pronounced among serially homologous lineages within the brain and between the brain and VNC. Clarification of this assumption will require a systematic analysis of the lineages of brain NBs. Since all embryonic NBs have been individually identified such an analysis has become feasible. Based on gene expression data, first NBs presumably representing serial homologs in the brain and VNC have been uncovered (Fig. 3). This will facilitate investigations on the molecular mechanisms controlling segmental lineage diversity in the CNS, as it allows for linking gene function to identified cells. Such an approach has been demonstrated to be useful in the attempt to identify and characterize factors (like homeotic genes and Cyclin E) that play a key role in segmental diversification of lineages within the truncal part of the CNS. Thus, detection of serially homologous NBs and modifications within their lineages as well as the detection of non-homologous NBs (having no counterpart in other segments) is a key towards understanding how region-specific patterning evolves in the CNS. Although segmental diversification significantly increases during postembryonic development, it is likely that the principle features of these processes are determined during early embryonic development.