ЦНС позвоночных содержит многие классы нейронов, которые обладают специализированными свойствами. Высветить проблему создания подобного клеточного многообразия, при котором нейроны, которые выглядят одинаково, фактически обладают тонкими различиями, чтобы гарантировать становление и поддержание соответствующих синаптических соединений с др. нейронами. Оценивается около 100 триллионов синапсов в головном мозге наиболее сложных позвоночных и нейробиологи полагают, что природа изобрела множество четких стратегий для руководства развитием и коммуникабельностью нейронов.

Удивительное вторжение в понимание этих стратегий было сделано при изучении развития относительно простой части ЦНС - спинного мозга¹. Особенно значительным оказалось открытие, что эволюционно консервативное семейство Нох генов оперирует в очень сложных перекрестно-регулируемых сетях. чтобы специфицировать индивидуальные подтипы двигательных нейронов, которые предопределены для соединения со специфическими мышцами и ганглиями на периферии животного². В работах, опубликованных в Cell (Dasen et al.)³ и в Neuron (Rousso et al.)⁴ снимается прочь дальнейший слой с онтогенетической луковицы. Обе работы сообщают, что др. транскрипционный фактор, наз. FoxPl, помогает Hox белкам регулировать гены, которые контролируют диверсификацию двигательных нейронов.

Моторные нейроны представляют собой стадию финальных команд в цепи клеток, распространяющихся от головного к спинному мозгу. Они запускают активности в автономной (симпатической) нервной системе, такой как потоотделение в стрессовых условиях и они посылают инструкции мышцам в форме молекул нейротрасмиттера acetylcholine, который заставляет мышцы сокращаться. Координация движений достигается за счет точного пространственного и временного контроля сотен мышц. Соответственно, сложность скелетно-мышечной системы отражается в сходном сложном устройстве двигательных нейронов в спинном мозге.

Во время образования нейронов, двигательные нейроны отращивают аксоны к своим соотв. мышцам на периферии - эквивалентно интернетовским путям к местам своего предназначения. Среди субклассов двигательных нейронов, исследованных Dasen et al.³ и Rousso et al⁴ были нейроны median motor column (MMC) , которые иннервируют осевые мышцы, поддерживающие позу: нейроны hypaxial motor column (HMC), которые иннервируют мышцы стенки тела вокруг

Figure 1; Neuron specification in the spinal cord of embryonic mice3,4, a, In normal mice, Hox genes and Foxpl interact to generate the correct subclass of motor neuron at the brachial, thoracic and lumbar levels of the spinal cord. The cell bodies of the neurons align into longitudinal columns called the LMC, which innervates limbs; MMC, which innervates axial muscles; HMC, which innervates body-wall muscles; and PGC, which innervates ganglia of the sympathetic nervous system, b, Mutations in Foxpl disrupt Hox activity involved in specifying the LMC and PGC. The spinal cord of Foxpl mutant mice defaults to generating motor neurons such as those of more primitive vertebrates, for example the lamprey. (Based on Fig. 1 of ref. 3.)

грудной клетки; нейроны preganglionic motor column (PGC), которые иннервируют периферические ганглии автономной нервной системы; и нейроны lateral motor column (LMC), которые иннервируют мышцы рук и ног. Двигательные нейроны в спинном мозге и мышцы. которые они контролируют обычно находятся в регистре др. с др. (Fig. la). LMC нейроны появляются только в плечевой и поясничной частях спинного мозга, соответствуя рукам и ногам соотв. (крыльям/ногам у птиц и плавникам у рыб), в то время как нейроны HMC расположены на торакальном уровне, где присутствует реберная грудная клетка.

Спинной мозг происходит из недифференцированных клеток, которые представлены эмбриональной нервной трубкой. Генерация специфических субтипов двигательных нейронов инициируется за счет межклеточных взаимодействий, обеспечиваемых с помощью разных секретируемых факторов, которые в сущности создают систему координат x, y, z ^1,3. В целом эти сигналы активируют внутриклеточные пути, которые в конечном итоге достигают высшей степени в транскрипции или репрессии генов, необходимых для специализации признаков каждого типа двигательных нейронов. Множественные слои транскрипционных факторов затем вовлекаются в становление качественных особенностей двигательных нейронов^1,5, с Hox семейством, лежащим в корне схемы (circuitry). Hox гены подверглись нескольким дупликациям у наиболее высоко развитых позвоночных, преимущественно. чтобы расширить свой репертуар функций. У мышей, напр., Hox6 белки вносят вклад в специализацию плечевых LMC моторных нейронов, Hox9 специфицирует PGC нейроны, а Hox10 специфицирует поясничные LMC нейроны.

В некоторых случаях, однако, экспрессия Hox не в точности коррелирует с субтипом двигательных нейронов. Dasen et al. and Rousso et al., попытались понять, почему с момента узнавания Hox белки обычно действуют с кофакторами, такими как Meis, Pbx/Prep, Engrailed и Fox^6,7. Meis и Pbx/Prep не ограничиваются определенными субтипами, а Engrailed не экспрессируется вообще в двигательных нейронах, так что они плохие кандидаты для дальнейшего изучения. Напротив, FoxP 1 выглядит многообещающе, экспрессируясь на низких уровнях в PGC двигательных нейронах и на высоких уровнях в LMC клетках.

Обе группы установили^3,4, что мутация в гене Foxpl мышей не мешает генерации двигательных нейронов, как таковых, но клетки PGC и LMC неспособны к проявлению и двигательные нейроны вместо этого остаются занятыми в своем 'ground state' и напоминают клетки HMC. Из исследований на плодовой мушке Drosophila, мы можем заключить, что Hox белки функционально взаимодействуют с Fox гомологом, названным sloppy paired (Slp)^6,7, который может модифицировать их ДНК-связывающую и/или транскрипционную активность. Несмотря на это Hox белки, по-видимому, также выполняют FoxP 1-независимые функции³ и, следовательно, индивидуальные гены в каждом классе двигательных нейронов д. содержать или Hox-only или Hox-FoxPl комплексы, которые в комбинации могут специфицировать качественные особенности субтипов.

Более того, концентрация FoxP 1 , по-видимому, является существенной: неправильная экспрессия высоких уровней направляет развитие по LMC пути, тогда как низкие уровни запускают спецификацию PGC³. Механистическая основа этого наблюдения остается неизвестной, но одной из возможностей является то, что третичные Hox комплексы образуются с разными количествами FoxP 1 и обладают уникальными активностями. Выяснение этих деталей может помочь понять, как FoxPl действует также в не-нейрональных контекстах, таких как развитие сердечных и кровяных клеток.

Мыши, лишенные Foxpl не жизнеспособны^3,4 и обладают странным типом спинного мозга, который неким образом напоминает спинной мозг более примитивных животных (Fig. lb). Родоначальники позвоночных, такие как миноги и миксины плавают, используя аксиальные и hypaxial мышцы и их спинной мозг, по-видимому, содержит нейроны с характеристиками MMC и HMC, но не PGC и LMC клеток⁸. Появление LMC и PGC нейронов связано с образованием боковых плавников и конечностей и симпатической нервной системы - признаков, которые появляются позднее в эволюции позвоночных. Хотя Hox и Fox гены могут быть отслежены в обратном направлении к беспозвоночным, но эволюционное давление без сомнения эксплуатирует их, чтобы расширить репертуар функций, обеспечиваемых ЦНС. Сравнение промоторов Fox генов и структуры Fox белков от разных животных д. помочь нам понять, как гены могут быть кооптированы из одного контекста и использованы в др. ⁹.

M. M. Reimer, A. Norris, J. Ohnmacht, R. Patani, Z. Zhong, T. B. Dias, V. Kuscha, A. L. Scott, Y.-C. Chen, S. Rozov, S. L. Frazer, C. Wyatt, S.-i. Higashijima, E. E. Patton, P. Panula, S. Chandran, T. Becker, C. G. Becker, Dopamine from the brain promotes spinal motor neuron generation during development and adult regeneration. Dev. Cell 25, 478–491 (2013).

Для собственно контроля двигательной системы с помощью головного мозга, созревающие аксоны, проецирующиеся на дальные расстояния от головного мозга в свои мишени, двигательные нейроны д. быть синхронизироаны в спинном мозге (see J. H. Kong, S. J. Butler, B. G. Novitch, My brain told me to do it. Dev. Cell 25, 436–438 (2013). Reimer et al. установили, что dopamine, высвобождаемый нейронами промежуточного мозга, обеспечивает спецификацию двигательных нейронов за счет промежуточных нейронов во время развития спинного мозга рыбок данио. In situ анализ показал, что аксоны промежуточного мозга были единственным источником dopaminergic иннервации и что предшественники двигательных нейронов были позитивны по D4a dopamine рецептору в эмбриональном спинном мозге. Фармакологические исследования, также как исследования избыточной и недостаточной функции, показали, что dopaminergic передача сигналов посредством D4a рецепторов контролирует баланс двигательных нейронов и специфических типов промежуточных нейронов (V2 interneurons), способствуя пролиферации пула предшественников двигательных нейронов и тем самым дифференцировке в моторные нейроны вместо V2 интернейронов. D4a рецепторы являются Gi-coupled G protein–coupled рецепторами и ингибируют продукцию adenosine 3', 5'-monophosphate (cAMP) и тем самым активность protein kinase A (PKA), это ослабляет передачу сигналов Hedgehog (Hh) . Фармакологические манипуляции с концентрациями cAMP показали, что снижение cAMP вносит вклад в спецификацию двигательных нейронов в спинном мозге, реакция которая опосредуется усилением передачи сигналов Hh (измеряемым по увеличению экспрессии генов мишеней для Hh). Более того, регулятор транскрипции и Hh медиатор Gli2b, который необходим для спецификации двигательных нейронов, ведет к потере двигательных нейронов, что не может быть восстановлено применением агониста dopamine рецептора. Интерес для клиники представляет то, что способность dopamine стимулировать спецификацию двигательных нейронов не ограничивается эмбрионами, а рыбки данио с перерезанным спинным мозгом обнаруживают повреждениями вызванное увеличение транскриптов D4a рецептора на стороне повреждения, соседствующей с головным мозгом (rostral), но не дистальной (caudal) стороне. Ростральная сторона содержит больше вновь сгенерированных двигательных нейронов, чем каудальная сторона, и продукция двигательных нейронов теряется, если dopaminergic аксоны специфически устраняются с помощью токсина. Однако инъекции агониста dopamine рецептора стимулируют увеличение транскриптов D4a рецептора и передачи сигналов Hh в регионе, каудальнее повреждения и увеличение количества двигательных нейронов без изменения ростральной реакции. Т.о., онтогенетический путь может быть реактивирован после повреждения спинного мозга у рыбок данио.