Посещений:
ОБРАЗОВАНИЕ ГЛИИ

Спецификация Астроцитов и Олигодендроцитов

Developmental genetics of vertebrate glial–cell specification
David H. Rowitch & Arnold R. Kriegstein
Nature 468, 214–222 (11 November 2010) doi:10.1038/nature09611

Oligodendrocytes and astrocytes are macroglial cells of the vertebrate central nervous system. These cells have diverse roles in the maintenance of neurological function. In the embryo, the genetic mechanisms that underlie the specification of macroglial precursors in vivo appear strikingly similar to those that regulate the development of the diverse neuron types. The switch from producing neuronal to glial subtype-specific precursors can be modelled as an interplay between region-restricted components and temporal regulators that determine neurogenic or gliogenic phases of development, contributing to glial diversity. Gaining insight into the developmental genetics of macroglia has great potential to improve our understanding of a variety of neurological disorders in humans.


Рис.1.  |  Patterns of gliogenesis in embryonic and adult progenitor zones..


Рис.2.  |  Patterning of the neural tube generates unique domains for neuronal and glial progenitors.


Рис.3.  |  Multiple waves of oligodendrocyte production in the mammalian CNS.

Глия составляет 10-20% клеток нервной системы Drosophila и по меньшей мере 50% клеток головного мозга человека. Эти находки указывают на то, что функция глиальных клеток важна для повышения сложности нейрологических функций, которые появляются во время эволюции. Принципиальные типы макроглиальных клеток - астроциты и олигодендроциты - возникают из нейроэпителия и обнаруживаются во всей зрелой ЦНС. Напротив. др. группа глии - микроглия - мезодермального (точнее говоря, гематопоэтического) происхождения.
Астроциты обеспечивают структурную поддержку, регулируют баланс воды и распределение ионов и поддерживают гематоэнцефалический барьер. Они также участвуют в передаче межклеточных сигналов путем регуляции тока кальция, высвобождения D-serine, продукции нейропептидов и модулирования синаптической передачи. В ЦНС миэлин обеспечивает изоляцию аксонов нейронов и делает возможным скачкообразное проведение благодаря образованию узелков Ранвье (Ranvier). Некоторые беспозвоночные обладают создающей оболочку глией, которая продуцирует компоненты myelin1 и даже цитоплазматические выпячивания и подобные узелкам Ранвье структуры2, но олигодендроциты, способные формировать компактный миэлин, присутствуют у всех челюстных позвоночных. Более того, oligodendrocyte precursor cells (OPCs) в головном мозге млекопитающих образуют синапсы с нейронами, указывая даже на более высокую степень сложности взаимодействий между нейронами и олигодендроглией3.
Разные типы клеток макроглии может различать как по их морфологическим характеристикам, так и по экспрессии ими различных маркеров (Fig. 1). Зрелые олигодендроциты белого вещества мозга экспрессируют разные маркеры миэлина, включая базовый белок миэлина proteolipid protein 1 (PLP1) и adenomatous polyposis coli (APC) белок. OPCs, напротив, экспрессируют platelet-derived growth-factor receptor-a, транскрипционный фактор SOX 10 и протеогликан NG2 (также известный как CSPG4). Эти клетки сохраняют компетентность к пролиферации и миграции во время развития и у взрослых, и являются ранними ответчиками на повреждения (Fig. 1). Зрелые астроциты могут быть подразделены на две категории: фибриллообразующие (fibrous) астроциты и протоплазматические астроциты. Фиброзные астроциты занимают белое вещество и обычно имеют звездообразный вид с плотными глиальными филаментами, которые могут быть окрашены маркером промежуточных филамент glial fibrillary acidic protein (GFAP). Протоплазматические астроциты обнаруживаются в сером веществе, имеют более нерегулярные 'кустистые' отростки, по сравнению с фиброзными астроцитами и обычно имеют мало глиальных филамент. Эти клетки приходят в контакт с и покрывают оболочкой синапсы за счет удлиненных тысяч тонких отростков, некоторые из них контактируют с кровеносными сосудами.

Overview of stem-cell precursors for macroglia


Все нейроны и макроглия в развивающейся ЦНС происходят из нейроэпителиальных клеток, которые выстилают желудочки мозга и канал спинного мозга. Приблизительно на эмбриональный день (E) 9-10 у мышей возникает распространяющаяся волна нейрогенеза в каудальных регионах спинного мозга и перемещается рострально, а также вдоль вентро-дорсального и латерально-медиального градиентов головного мозга. Клетки радиальной глии являются первичными клетками предшественницами на эмбриональных стадиях нейрогенеза4-6 и подобно нейроэпителиальным клеткам, из которых они происходят, они выстилают желудочки переднего мозга и канал спинного мозга, поддерживают апикально-базальную полярность и подвергаются интеркинетической миграции ядер в соответствии с ходом клеточного цикла.
Радиальная глия дифференцируется в нейроны и макроглию, это было продемонстрировано слежением за клетками с использованием Cre-hxP картирования судеб с Cre, экспрессирующимся под контролем промотора гена brain lipid-binding protein (Blbp)7. Time-lapse съёмка радиальной глии показала, что её клетки часто подвергаются асимметричным самообновляющимся делениям, чтобы продуцировать нейроны или промежуточные клетки предшественницы8-11. Предшественники олигодендроцитов и эпендимные клетки также происходят из клеток радиальной глии, но неясно, участвуют ли промежуточные предшественники. Промежуточные предшественники являются основными пролиферативными клетками субвентрикулярных зон эмбрионального конечного мозга (telencephalon)8,10 и, по-видимому, ограничиваются продукцией нейронов и глии (Fig. 1).
Потенциал нейроэпителиальных клеток и радиальной глии in vivo оказывается регионально ограниченным благодаря действию организующих сигналов, таких как sonic hedgehog (SHH), fibroblast growth factors (FGFs), WNTs и bone morphogenetic proteins (BMPs), передача сигналов каждого предоставляет позиционную информацию посредством градиентов морфогенов вдоль дорсо-вентральной, передне-задней и медиально-латеральной оси (см. ниже).

Embryonic pattern formation and gliogenesis


Фундаментальным вопросом нейробиологии развития является, как относительно простой и недифференцированный нейроэпителий эмбриона может давать удивительное клеточное разнообразие и специализацию зрелой ЦНС. Сегодня ясно, что оперируют как пространственный, так и временной механизмы, чтобы создать разнообразные нейроны и типы глиальных клеток. Формирование паттерна вдоль нейральной оси ведет к сегментации нейроэпителия на домены предшественников (обозначаемые p0, p1 p2, p3 и pMN) для разных типов нейронов. На базе недавних исследований эта модель была расширена за счет макроглии, но остаются важными вопросы о роли окончательного окружения для дальнейшего приобретения ключевых характеристик макроглии. Как же устанавливаются домены для предшественников нейронов и глии в эмбрионе.

Embryonic spinal cord


Необходимы организующие сигналы для формирования паттерна в эмбриональной нервной трубке. SHH является секретируемым белком, который важен для активности организующих структур вентральной срединной линии, таких как хорда и донная (floor) пластинка. Полной длины SHH подвергается аутопротеолизу и липидным модификациям, которые являются критическими для его свойств дальнодействующей передачи сигналов в нервной трубке. Вентральной SHH-обеспечиваемой передаче сигналов противодействуют patched, GLI3, HIP1 и дорсальная BMP- и WNT-обеспечиваемая передача сигналов12,13. Совместно эти молекулы устанавливают градиент морфогенетической активности, который обеспечивает позиционные качественные особенности вдоль дорсо-вентральной оси, приводя к генерации разнообразных нейронов.
Важной функцией SHH-обеспечиваемой передачи сигналов является регуляция экспрессии транскрипционных факторов, которые отграничивают уникальные регионы предшественников в вентральной части нервной трубки12 (Fig. 2a). Последующее увеличение резкости и поддержание границ доменов зависит от перекрестно-регуляторных взаимодействий: напр., репрессия экспрессии гомеобоксного белка IRX3 с помощью oligodendrocyte transcription factor 2 (OLIG2), и реципрокная репрессия NKX2.2-PAX6 (Fig. 2b). Комбинаторные взаимодействия внутри данного домена предшественников регулируют его качественные особенности и, следовательно, спецификацию и дальнейшую диверсификацию типа нейронов12.
SHH-обеспечиваемая передача сигналов необходима и достаточна для продукции олигодендроцитов в спинном мозге, другая параллель с развитием моторных нейронов14. Как концентрация, так и время воздействия SHH важны для становления клеточных судеб13. В самом деле, Orentas et al.14 установили, что активность SHH необходима вплоть до момента спецификации OPC на стадии 24 у эмбрионов кур (примерно E12.5 у мыши). Напротив, более поздние стадии созревания OPC независимы от SHH14,16, это согласуется с обычной последовательностью миграции OPC прочь от источника SHH в вентральной срединной линии (Fig. 3).
Функциональный анализ генов, кодирующих транскрипционные факторы, предоставил информацию о разных глиогенных доменах для олигодендроцитов и астроцитов в вентральной части нервной трубки. 0%i/2 нулевые мутантные мыши обнаруживают неспособность развития двигательных нейронов и OPCs в спинном мозге, а также всех олигодендроцитов в головном мозге17,18. Данные, указывающие на то, что белки OLIG функционируют в качестве репрессоров транскрипции, показывают, что транскрипционные мишени белков OLIG сами могут служить антагонистами развития двигательных нейронов или олигодендроцитов, так что белки OLIG способствуют приобретению судьбы нейронов или глиальных клеток путем репрессии репрессоров этой судьбы19. Эта механистическая параллель между развитием двигательных нейронов и развитием OPC, однако, не указывает на то, что эти клетки возникают из общего бипотентного предшественника. В самом деле, несколько линий доказательств показывают, что pMN домен (где образуются двигательные нейроны) представлен независимо сегрегирующими нейробластами и глиобластами, которые последовательно специфицируются (Box 1).
Развитие астроцитов усиливается у Olig1/2 мутантов, на что указывает множество клеток, экспрессирующих GFAP. Такие Olig1/2 двойные мутанты и Olig2 одиночные мутанты лишены домена pMN и вместо него развивается вентрально расширяющийся p2 домен и обнаруживается большое количество промежуточных нейронов класса V2 и большое количество астроцитов. Др. словами, астроциты развиваются, несмотря на генетическую делецию, которая элиминирует популяцию окончательных предшественников для OPCs, находка, которая несовместима с моделью развития бипотентных ограниченных глиальными клетками предшественников (Box 1).
Принимая во внимание эти находки, астроциты и олигодендроциты вентральной части нервной трубки, по-видимому, развиваются по взаимно исключающим путям, но каковы лежащие в основе этого молекулярные механизмы? Одна из возможностей, что OLIG2 репрессирует приобретение судьбы астроцитов, способствуя приобретению альтернативной судьбы. Напротив, OLIG2 может репрессировать программу транскрипции, способствующую астроцитам, в соседнем домене предшественников. В подтверждение последней модели базовый helix-loop-helix (bHLH) код действует в нервной трубке и это необходимо дифференцировки астроцитов в p2 домене20. В то время как делеция Olig2 расширяет домен p2 в вентральную сторону, генерируя астроциты вместо олигодендроцитов18, делеция p2-ассоциированного Scl (также известного как Tall) приводит к дорсализации экспрессии OLIG2, усиливая продукцию олигодендроцитов за счет астроцитов. Эти данные показывают, что перекрестно-репрессивные взаимодействия между bHLH транскрипционными факторами SCL и OLIG2 необходимы для поддержания генерации астроцитов, подтверждая тем самым модель, согласно которой возникновение астроцитов может в целом иметь место в ограниченных регионах нервной трубки.
Эта идея сегментной модели спецификации типов глиальных клеток подтверждена также в работе Hochstim et al.21, которые показали, что комбинационная экспрессия PAX6 и NKX6.1 специфицирует три молекулярно различных субтипа вентральных астроцитов (названных VA1, VA2 и VA3), которые были идентифицированы на основании экспрессии ими Slitl и Reelin, которые кодируют факторы миграции аксонов и нейронов. Эти субтипы астроцитов обнаруживают дорсо-вентральные позиционные качественные особенности в белом веществе, это отражает расположение предшественников в p1, p2 и p3 доменах. NKX2.2, по-видимому, необходим для экспрессии SLIT 1 в предшественниках вентральных астроцитов, независимо от их функции репрессировать PAX6 из домена р322.

BOX1
Investigating the potential of glial precursors

Here we consider proposed models for glial-cell lineage progression, ; caveats to these models and new directions that might better explain i the nature of glial precursor cells in vivo.

Are there bipotent precursors for glial-cell types in vivo?


Онтогенетический потенциал клеток нейральных предшественников, которые дают астроциты и олигодендроциты, остается предметом интенсивных споров84. Плодотворное исследование Raff с сотр. идентифицировало два типа предшественников астроцитов in vitro (type 1 и type 2 астроциты) и показало, что типа 2 астроциты и олигодендроциты развиваются из общего '0-2A' предшественника85. Затем др. сообщили о клетках glial-restricted precursor (GRP), которые, как было установлено, способны генерировать все три типа глиальных клеток на базе анализа in vitro культивируемых клеток и их потенциала после трансплантации and their potential after transplantation86,87.
Исследования in vivo однако не подтвердили строго нормального развития посредством таких бипотентных GRP клеток олигодендроцитов-астроцитов (O-A). Рассматриваемые глиальные предшественники in vivo (rev. 88) при ретровирусном картировании судеб (подход, который нацелен на пролиферирующие клетки) показали, что смешанные клоны астроцитов и дендроцитов редки или никогда не наблюдаются у эмбрионов. Эти находки сходны с данными по Olig2-нокаутным животным и по животным, у которых был устранен домен pMN, у которых отсутствовали полностью эмбриональные OPCs, но сохранялась неизменной продукция астроцитов89. Этот результат указывает на то, что OPCs и астроциты развиваются в разных регионах нервной трубки за счет независимых механизмов (see Fig. 2b). Напротив, группы Goldman90 и Parnavelas91 показали, что бипотентные O-A клоны могут быть мечены ретровирусом в переднем мозге новорожденных. Однако такие клетки представляют лишь 10-15% от предшественников, генерирующих глию. Итак, эти данные показывают, что бипотентные O-A GRP является лишь минорным путем глиогенеза на переходной неонатальной стадии развития головного мозга. Общий бипотентный O-A предшественник может выполнять большую роль в заживлении повреждений92-93.
Была предложена также альтернативная модель. Отсутствие двигательных нейронов и OPCs у Olig2-нулевых животных может быть объяснено за счет существования ограниченных бипотентных клеток предшественников для двигательных нейронов и OPC. Однако некоторые находки показывают вместо этого, что pMN домен представлен независимо сегрегирующими нейробластами и глиобластами скорее, чем бипотентными клетками предшественниками27. Итак, представленные выше исследования говорят против развития глиальных клеток путем ограничения потенции бипотентных O-A или нейрон-олигодендроциты предшественников.

Restriction of neuron versus glial precursor potential


В системах позвоночных многие линии доказательств согласуются с моделью генерального ограничения клеток предшественников ЦНС для продукции нейронов на ранних стадиях, сопровождаемой более поздней фазой продукции глиальных клеток (см. 'The switch from neuron to glial-cell production'). Поэтому предшественники в фазе продукции глиальных клеток могут быть названы 'glial-restricted', в том смысле, что они не могут обычно продуцировать нейроны. Действие сигнальных путей (напр., передача сигналов Delta-!ike-NOTCH) и 'pro-glial-cell' транскрипционных факторов (напр., S0X9 и nuclear factor I (NFI) белков) обычно необходимо во всех дорсо-вентральных доменах нервной трубки для перехода к продукции глиальных клеток. Такие общие механизмы д. работать вместе с регион-специфическими факторами, чтобы устанавливать разные типы глиальных клеток (олигодендроциты или астроциты) в специфических доменах (Fig. 2). Наконец, в дополнение к таким 'активным' программам спецификации типов глиальных клеток, д. быть стандартный механизм, с помощью которого радиальная глия д. становиться астроцитами (Fig. 1), чтобы вносить вклад астроцитов во все домены.
Фазы продукции нейронов и глиальных клеток могут чередоваться. У беспозвоночных продукция нейробластов и глиобластов из общих предшественников может переключаться взад и вперед34. Типа B клетки из субвентрикулярной зоны взрослых грызунов могут давать нейроны и/или олигодендроциты94 в разное время в ответ на средовые сигналы95; однако необходимы дальнейшие исследования, чтобы установить, осуществляется это посредством общего бипотентного предшественника или отражает сегрегацию независимых нейрон- и глия-предназначенных типа B клеток.
Итак, опубликованные исследования указывают на то, что классические бипотентные ограниченные глией предшественники, выявленные в исследованиях in vitro вряд ли являются родоначальниками большей части глии in vivo. Задачей для генетики развития является идентифицировать точные механизмы, которые объяснят спецификацию типа астроцитов и клональное их размножение.

New genetic tools for investigating the astrocyte lineage


Более новые подходы по картированию судеб могут помочь разрешить вопрос о клональной прогрессии глиальных клеток. Эти подходы включают конституитивные и индуцибельные рекомбиназные технологии (Flp и 031)96, в комбинации со специализированными репортерными системами, такими как мозаичный анализ с двойными маркерами (MADM)97 и Brainbow98. Эти технологии делают возможными более точное нахождение популяций предшественников, напр., используя два типа recombinase под контролем разных всё же перекрывающихся энхансеров, или использовании репортеров, которые могут быть активированы в очень немногих клетках, позволяя оценить клональные источники in vivo. Однако основным техническим барьером является идентификация регуляторных последовательностей, которые должны управлять экспрессией рекомбиназы специфически в астроцитах и их промежуточных клетках предшественниках. Хотя регуляторные последовательности GFAP человека и были широко использованы у трансгенных мышей, GFAP экспрессировался гетерогенной группой клеток в ЦНС. Поэтому, тщательным вниманием необходимо заплатить за точные характеристики экспрессии доступных трансгенных мышей, которые используют GFAP энхансер в такой системе. Др. маркеры астроцитов и/или их предшественников также описаны, включая FGF receptor 3 (ref. 99), GLAST (также известен как SLC1 A3)100, fatty-acid-binding protein 7 (ref. 101), brain lipid-binding protein (BLBP)7, S0X9 (ref. 102) и NFIA и NFIB36. Однако некоторые из этих маркеров (напр., BLBP) экспрессируются также во время нейрогенной стадии и поэтому не являются исключительной меткой клеток вентрикулярной зоны, детерминированных в клон астроцитов. Др. маркеры также экспрессируются в не-астроцитарных клонах (напр., FGFR3 в олигодендроцитах). Недавно профилирование генной экспрессии очищенных популяций астроцитов103,104 открыло несколько потенциальных новых маркеров, таких как ген, кодирующий folate метаболизирующий энзим ALDH1 LI (refs 103,105). Ясно, что приоритетным в этой области является идентификация маркеров, которые специфичны для ключевых стадий развития астроцитов по всей ЦНС, а также возможно для гетерогенных предшественников астроцитов и зрелых астроцитов.
Итак, ясно, что разнообразные астроциты и олигодендроциты из вентральной части нервной трубки генерируются в соответствии с доменовой организацией нервной системы. Остается посмотреть, регулируется ли функциональная гетерогенность астроцитов сходным образом и приложима ли эта сегментная модель к глиогенезу в дорсальных регионах спинного мозга и ростральной части ЦНС.

Neuroepithelium of the forebrain


Как показано на Рис. 2d, возбуждающие пирамидальные клетки переднего мозга возникают в дорсальной части телэнцефалона, тогда как ингибирующие промежуточные нейроны возникают в вентральной части телэнцефалона. Более того, разные классы промежуточных нейронов происходят из специфических доменов предшественников внутри вентральной части конечного мозга. Как достигается подобное разнообразие? Подобно спинному мозгу центры формирования паттерна располагаются в ключевых точках вдоль осевой части ЦНС, индуцируя градированную экспрессию транскрипционных факторов вдоль ростро-каудальной и дорсо-вентральной осей, приводя к преобразованию нейроэпителия в домены предшественников, это ведет к пространственно ограниченному возникновению большинства типов нейронов23.
Как и в спинном мозге паттерн-формирующие молекулы устанавливают пространственные домены экспрессии пронейральных и гомеодоменовых белков внутри клеток предшественников переднего мозга. Пронейральные белки являются bHLH транскрипционными факторами - напр., ASCL1 (также известен как MASH1), neurogenin 1 (NGN1), NGN2 и NGN3, и ATOH1 (также известен как MATH1) - которые инициируют нейрогенез (rev. ref. 24). Детерминация предшественников к нейрональной судьбе связана не только с содействием нейрогенезу, но и также с координированным ингибированием самообновления и с супрессией глиогенных программ23,26.

The switch from neuron to glial-cell production


Глиогенез в целом следует нейрогенезу в развивающейся ЦНС млекопитающих с теми же самыми доменами предшественников, переключающими онтогенетические программы с продукции нейронов в основном на продукцию олигодендроцитов или астроцитов. В вентральной части спинного мозга, напр., существует онтогенетическое переключение с продукции нейронов на олигодендроциты внутри того же самого домена предшественников. (Необходимо иметь ввиду, что радиальная глия во всех доменах ЦНС, как полагают, трансформируется в астроциты, которые д. давать небольшую пропорцию астроцитов и эпендимных клеток, даже в доменах, которые преимущественно продуцируют олигодендроциты, таких как pMN домен 2.)

The spinal-cord pMN domain


Домен pMN вентральной части спинного мозга с его хорошо известной продукцией двигательных нейронов и олигодендроцитов, является подходящей моделью для изучения, как регулируются последовательные волны продукции нейронов и потомства глиальных клеток из дискретной популяции предшественников. Действие SHH и OLIGs постоянно необходимо в ходе всего процесса формирования паттерна и спецификации моторных нейронов и олигодендроцитов, но некоторые линии доказательств указывают на то, что 'tone' как SHH-обеспечиваемой передачи сигналов, так и уровни OLIG2 белков являются критическими для поддержания клеточной судьбы и решения продуцировать дифференцированные двигательные нейроны первой волны или, позднее, глии28. Однако,как показано ниже, многие др. факторы должны должны быть приняты во внимание.
Пронейральные факторы являются репрессорами глиогенеза. NGN2 экспрессируется в субнаборе OLIG2-экспрессирующих клеток в pMN домене во время продукции двигательных нейронов и этот паттерна законсервирован между видами18,19,29. Продукции OPC предшествует подавление Ngn2 (ref. 28), это позволяет предположить, что подавление Ngn2 является детерминантом переключения продукции с нейронов на глиальные клетки. Активность NGN и переключение нейрон-глия также модулируются в pMN домене с помощью факторов, участвующих формировании паттерна. В противоположность ранней эмбриональной экспрессии NGN2 в вентральной части нервной трубки, ASCL1 экспрессируется с E16 во время глиогенной фазы, где он необходим для развития олигодендроцитов30.
NOTCH белки также участвуют в глиогенезе. Эти белки один раз пронизывающие гетеродимерные трансмембранные рецепторы, которые соединяются со своими трансмембранными лигандами (напр., Delta-like белками) на поверхности соседних клеток. Связывание лиганда ведет к отщеплению внутриклеточного домена рецептора, который затем транслоцируется в ядро и рекрутирует комплекс. который включает транскрипционный эффектор RBP-J. Форсированная экспрессия активированного NOTCH 1 способствует образованию радиальной глии в головном мозге31. Анализ у рыбок данио29 и мышей32 показал. что олигодендроциты неспособны формироваться в эмбрионах, лишенных передачи сигналов NOTCH. Предшественники в домене pMN вносят вклад исключительно в продукцию двигательных нейронов у мутантов NOTCH, в то время как усиленная экспрессия активированного NOTCH 1 блокирует нейрогенез и ведет к избытку OPCs33. Эти исследования показывают, что генеральная роль передачи сигналов NOTCH дозволяющая (permissive) скорее, чем инструктивная для приобретения клетками глиальной судьбы.
'Pro-glial-cell' транскрипционные факторы также необходимы для перехода нейроны-глиальные клетки. Исследования рассмотренные в предыдущем разделе согласуются с широким набором данных, которые иллюстрируют важность программы пронейральный белок-NOTCH в регуляции решения продуцировать нейроны или глию в головном мозге. Однако необходимы дополнительные 'pro-glial-cell' транскрипционные программы.
Анализ мутаций потери функции Sox9 у мышей предоставил доказательства, что глиогенная стадиоспецифическая транскрипционная программа необходима для генерации олигодендроцитов и астроцитов в нервной трубке позвоночных34. Sox9 мутанты обнаруживают дефекты в спецификации олигодендроцитов в домене pMN, а также в продукции явно дефицитных астроцитов в домене p2. Такие животные также имеют больше двигательных нейронов и V2 интернейронов, указывая тем самым, что SOX9 является генеральным молекулярным компонентом переключения нейрон-глия в развивающемся спинном мозге. Последние исследования показывают, что SOX9 также играет роль в выборе судеб клетками заднего мозга 35.
Инициация глиогенеза в спинном мозге эмбрионов и дифференцировка астроцитов позднее во время глиогенеза, контролируется генами nuclear factor I (NFI), которые кодируют семейство транскрипционных факторов, которые связывают CAATT последовательности. Манипуляции с избыточностью функции еа спинном мозге эмбрионов кур показали, что экспрессия NFIA достаточна для глиогенеза, тогда как потеря экспрессии NFIA ведет к потере глиальных предшественников и к одновременному увеличению нейрогенеза в результате потери активности NOTCH36. NFI белки, по-видимому, выполняют инструктивную роль с помощью NOTCH, чтобы способствовать глиогенезу. Более того, нокаут Nfia или Nfib снижает экспрессию GFAP37,38, что согласуется с исследованиями, показывающими, что NFI гены непосредственно регулируют экспрессию этого гена39,40.
Итак, изучение домена pMN показало, что переключение продукции нейроны-глиальные клетки регулируется сложным способом, который нуждается в следующем: продолжении (вообще-то модулированной) активности SHH и OLIG2, подавлении экспрессии Ngn2, передаче сигналов Delta-like-NOTCH , чтобы оберегать предшественников для продукции домен-специфического потомства второй волны и активации способствующей глиогенезу фазоспецифической программы с участием транскрипционных факторов SOX9 и NFI.

The neuron to glial-cell switch in the forebrain


Домены предшественников генерируют разного типа нейроны время-специфическим способом. Напр., в дорсальных pallium, laminar-специфических субтипах нейронов, которые, как полагают, возникают из общих клеток предшественников, последовательно продуцируется (сначала нейроны глубокого слоя, а позднее нейроны верхнего слоя). Эта онтогенетическая программа в основном внутренне присуща клеткам, поскольку, культивируемые нейральные предшественники происходят из эмбриональной ЦНС, а также из нейральных предшественников, происходящих из эмбриональных стволовых клеток, генерируют субтипы нейронов в точной временной и ламинарной последовательности41-43, но могут быть также затронуты сигналами от локального окружения44. В передней entopeduncular области гомеобоксные белки DLXl и DLX2 регулируют выбор клеточной судьбы интернейронов в противоположность олигодендроцитам43.
В раннем развитии переднего мозга промоторы GFAP and S100B метилированы, а развитие астроцитов репрессировано. На этих ранних стадиях нейроэпителиальные клетки нечувствительны к цитокинам46,47. Однако радиальная глия становится компетентной отвечать посредством деметилирования промоторов генов астроцитов, возможно с помощью эпигенетической регуляции48. Когда мультипотентные клетки предшественники становятся компетентными генерировать астроциты, то они находятся под контролем внешних сигналов, которые подавляют глиогенез. Напр., стимуляция с помощью FGF2 заставляет nuclear receptor co-repressor (NCOR) действовать непосредственно на проксимальный Gfap промотор, тем самым репрессируя его транскрипцию49. Нейрогенезу также способствует neuregulin 1, который активирует presenilin-зависимый ядерный путь передачи сигналов с вовлечением ERBB4, члена семейства рецепторов epidermal growth-factor. Этот путь противодействует влиянию сигналов, способствующих образованию астроцитов, таких как ciliary neurotrophic factor (CNTF)50 посредством механизма. который использует NCOR49. Интересно, что онтогенетическое снижение экспрессии ERBB2 происходит в конце нейрогенеза, когда радиальная глия трансформируется в астроциты31, а внесение ERBB2 во взрослые астроциты может восстанавливать их нейрогенный потенциал52. Недавние доказательства подчеркнули роль эпигенетических событий при выборе судьбы нейронов или глиальных клеток за счет индукции молчания генов с помощью метилирования и деацетилирования. Напр., комплекс Polycomb группы супрессирует гены, кодирующие пронейральные bHLH факторы, способствующие переключению судеб нейрон-астроцит в нейральных клетках предшественниках53.
Передача сигналов NOTCH участвует в переключении на образование астроцитов31. Предназначенные стать нейронами промежуточные предшественники и молодые нейроны экспрессируют NOTCH лиганды jagged 1 и Delta-like 1 (refs 54-56), которые активируют передачу сигналов NOTCH в радиальной глие, способствуя образованию астроцитов. NOTCH способствует этому частично посредством HES белков, которые ингибируют нейрогенные bHLH факторы, но также способствуя cytokine-обеспечиваемой активации пути JAK-STAT, приводя к деметилированию и активации специфичных для астроцитов генов57. Т.о., повышая активацию NOTCH, вновь сформированные нейроны могут дать начало мультипотентным предшественникам в ответ на глиогенные цитокины54.
Глиогенез может также регулироваться др. нейрональным механизмом обратной связи: цитокины. секретируемые нейронами, как полагают, способствуют глиогенезу58. Нейроны, секретирующие глиогенные цитокины - в особенности члены семейства interleukin 6 (IL-6), включая leukaemia inhibitory factor (LIF), CNTF и cardiotrophin 1 (CT1; также известный как CTF1) - которые соединяются с рецепторным комплексом, содержащим α-субъединицу LIF receptor (LIFR) и gp130, активируя gp130-JAK-STAT путь в кортикальных клетках предшественниках и способствуя глиогенезу58-60. Т.о., мыши, лишенные LIFR или gp130 обнаруживают дефицит образования астроцитов61-63, а нокдаун экспрессии gp130 в кортикальных предшественниках снижает образование астроцитов in vitro и in vivo58. Во время развития коры, CT1, в частности, как было установлено, способствует переключению с нейронов на глиальные клетки в мультипотентных предшественниках in vivo, а также in vitro58, подтверждая концепцию, что нейрональная обратная связь может помогать регулировать онтогенетическое переключение на глиогенез.
BMPs выполняют двойную роль в таком переключении в зависимости от уровней определенных факторов роста, которые презентируют BMPs, способствуя нейрогенезу во время нейрогенного периода и образованию астроцитов во время глиогенного периода64. Поддержка BMP2 вместе с глиогенными цитокинами способствует образованию SMAD-p300-CREB-binding-protein-STAT комплекса, который трансактивирует ассоциированные с астроцитами гены63. В то же самое время, BMPs также вызывают скоординированый антагонизм пронейральным bHLH факторам, супрессируя нейрогенез65 и вообще глиогенез. BMPs супрессируют развитие олигодендроцитов и способствуют развитию астроцитов. Кроме того, пронейральный bHLH фактор ASCL1 выполняет роль по поддержанию развития олигодендроцитов в телэнцефалоне в сотрудничестве с OLIG2 (ref. 24) и поддержанию функции продукции нейронов и олигодендроцитов в постнатальном головном мозге66.
В противоположность роли OLIG2 в репрессии образования астроцитов в эмбриональном спинном мозге (см. выше), OLIG2, как полагают, поддерживает детерминацию клеточной судьбы астроцитов в переднем мозге. Спустя 7 дней после рождения в субвентрикулярной зоне головного мозга мыши OLIG2 обнаруживается в глиогенных предшественниках, которые продуцируют как астроцита. так и олигодендроциты, а изучение принудительной экспрессии показывает, что OLIG2 репрессирует дифференцировку в нейроны и способствует приобретению судьбы глиальных клеток67. Однако уловное устранение Olig2 из астроцитов, экспрессирующих GFAP, и их предшественников, снижает пролиферацию реактивных астроцитов, указывая тем самым, что функции OLIG2 в астроцитах могут быть связаны с ролью в продвижении клеточного цикла.

Temporally distinct waves of gliogenesis


До сих пор мы концентрировались на инициальных фазах спецификации глиальных клеток. Теперь обратимся к более поздним стадиям глиогенеза.

Oligodendrocytes are produced in several distinct spatiotemporal waves in the spinal cord and brain


Хотя OPCs происходят из вентрального pMN домена эмбрионального спинного мозга, существуют дополнительные источники OPCs, которые появляются во время плодного развития в дорсальной части ЦНС16,68. такие плодные OPCs обладают молекулярным фенотипом, отличным от такового их эмбриональных аналогов, с мимолетной экспрессией маркеров дорсальных предшественников PAX7 и GSX1 и GSX2, но не выявлено функциональных различий между этими клетками. Используя подход по картированию судеб, Fogarty and colleagues68 предоставили дополнительную линию доказательств, что OPCs развиваются из предшественников вентрикулярной зоны дорсальной части спинного мозга. Вместе эти исследования подтверждают, что вклад в ранний постнатальный спинной мозг вентральных OPCs относительно дорсальных OPCs приблизительно 4:1. Однако предстоит ещё определить, возрастает ли с возрастом вклад дорсальных OPCs, это бы прояснило функциональное значение этих клеток.
В вентральных доменах как спинного, так и переднего мозга SHH необходим для продукции OPC14,69. Дополнительные OPCs возникают SHH-независимым способом в дорсальных доменах переднего мозга на поздних стадиях развития69. Точное происхождение OPCs в переднем мозге было изучено с использованием Cre-loxP картирования судеб у трансгенных мышей70. Начиная приблизительно с E11.5, OPCs обнаруживались в медиальном ганглионарном возвышении и передней entopeduncular области. На ст. E14.5, они обнаруживались по всему телэнцефалону, включая кору. С течением времени продуцировались промежуточные и дорсальные OPCs и замещали или растворяли OPCs ранней волны. В самом деле, рано появившиеся OPCs, происходящие медиального ганглиолярного возвышения и передней entopeduncular области, в основном исчезали спустя 10 дней после рождения. Т.о., возникает три волны OPCs, чтобы заполнить передний мозг и это происходит в виде вентрально-дорсальной временной прогрессии (Fig. 3).
Авт. этого исследования70 также использовали Cre-loxP стратегию, чтобы специфически устранить OPCs ранней волны, путем элиминирования клеток, экспрессирующих трансген Sox10 благодаря экспрессии дифтирийный токсин кодирующего трансгена. Хотя не было выявлено достоверных нейрологических последствий, необходимы дальнейшие исследования, чтобы понять в точности онтогенетические, фенотипические и функциональные различия между эмбриональными и плодными OPCs. Эти находки будут иметь важное значение для устранения повреждений ЦНС. Напр., разные популяции OPCs могут вносить преимущественный вклад в ремиэлинизацию и/или окажутся лучшими мишенями для терапевтических манипуляций.

Spatial and temporal patterns of astrogenesis


Эксперименты с мечением тимидином, которые обнаруживают пролиферирующие клетки, показали, что в то время как кортикальный нейрогенез начинается приблизительно на ст. E12, формирование олигодендроцитов начинается приблизительно к моменту рождения. Однако в этих исследованиях время спецификации клона глиальных клеток было, по-видимому, оценено неправильно, поскольку клетки метились после выхода из клеточного цикла. Пул детерминированных предшественников, который пролиферировал ранее и дифференцировался позднее, должен был избегать мечения. В самом деле, как отмечалось выше, спецификация олигодендроцитов переднего мозга происходит у эмбрионов. Образование астроцитов у эмбрионов связано с терминальной фазой функционирования радиальной глии (Fig. 1). Точное время остается неясным, однако из-за отсутствия четких маркеров для предшественников астроцитов (как отличающихся от радиальной глии), которые могли бы быть использованы для отслеживания их появления и пролиферации во время ранних стадий развития. В противоположность OPCs, которые пролиферируют в головном мозге млекопитающих в течение всей жизни, зрелые астроциты в целом, как полагают, пассивны, но пролиферируют после повреждения. Однако необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить время пролиферации предшественников астроцитов.
После того как происходит спецификация астроцитов, предшественники астроцитов мигрируют в свои финальные позиции, где они начинают процесс терминальной дифференцировки. Понимание природы и степени миграции предшественников астроцитов важно для установления взаимоотношений между зрелыми астроцитами, если таковые существуют, и расположением их источника в нервной трубке.
Всё ещё неясно, мигрируют астроциты в эмбриональной ЦНС радиально, тангенциально или в обоих направлениях. Большинство исследований базируется на трансплантациях культивируемых астроцитов или кортикальных эксплантах перинатальным животным in vivo или в культуры кортикальных срезов in vitro. Эти исследования в целом согласуются с тем. что астроциты сначала мигрируют тангенциально вдоль трактов белого вещества и затем расслаиваются и движутся в радиальном направлении в серое вещество72,73. Некоторые регионы головного мозга, по-видимому, оказывают сильное хемоаттрактивное влияние на астроциты; Напр., substantia nigra привлекает все астроциты, которые были трансплантированы близи среднего мозга74. Однако, предостережением для таких исследований служит то, что ex vivo культура и трансплантационные условия могут выбираться для субтипов астроцитов такие, которые не репрезентативны для условий, присутствующих у эмбриона. В др. исследованиях, редкое ретровирусное мечение пролиферирующих мультипотентных предшественников указывает на то, что большинство клонально родственных клеток (включая астроциты) обнаруживается в радиальных колонках, также как и тангенциально вдоль трактов волокон75. Возможно, что способ миграции астроцитов варьирует в разных регионах нервной системы. Всесторонний анализ миграции астроцитов - с использованием улучшенных маркеров, которые будут доступен, инструментов наблюдения (напр., time-lapse микроскопия) и изощренных техник картирования судеб (Box 1) - смогут помочь в решении этих вопросов.

Future directions and challenges


Astrocytes are a heterogeneous group of cells, both functionally and morphologically. In recent years, researchers have made impressive progress in understanding which cell-intrinsic'factors regulate OPC maturation. This has, however, highlighted a large gap in the knowledge of many fundamental aspects of astrocyte developmental biology.
Analysis of vertebrate embryos has improved the understanding of the mechanisms that underlie the specification of macroglia. As a departure from the classical models of glial-cell development through a bipotent glial-cell-restricted precursor, recent studies indicate that oligodendrocyte and astrocyte precursors in vz'vo develop separately and in mutually exclusive domains of the ventral neural tube. Broader implications of this segmental model of gliogenesis, however, remain Jo he-defined. For example, could the region-restricted production of astrocytes help to establish the molecular and functional diversity of this population? In the case of the adult subventricular zone, one study indicates that the dorsal-ventral patterning of type B cells is reflected in permanent restrictions on their potential to produce different types of interneuron76.
To answer such questions, regulatory factors that are specific for astrocytes and their precursors will probably need to be identified, and new genetic tools for exploring the complex functions of glia will be needed (Box 1). In addition, the role of invertebrate model systems in uncovering new pathways of gliogenesis cannot be underestimated. Indeed, researchers are making rapid progress using such approaches, which form an exciting area of research77.
It is clear that macroglia are crucial for maintaining neurological function, as has been shown in studies of human diseases. In individuals with Pelizaeus-Merzbacher disease, a congenital leukodystrophy, mutation of PLP1 renders OPCs defective and incapable of myelin production. An understanding of OPC development has contributed to the rationale for cell-based therapies for this disorder s. Oligodendrocytes are also targets in individuals with the autoimmune disease multiple sclerosis and in newborns with injuries to the white matter that are associated with cerebral palsy. Mutation of GFAP in humans is the aetiological factor in the congenital disorder Alexander disease, which typically has an adult onset. The list of astrocyte-based diseases is expanding to include amyotrophic lateral sclerosis79, epilepsy80 and Parkinson's disease81. The availability of robust and specific markers for the developmental progression of the glial-cell lineage will facilitate the assessment of the contributions of glia and their precursors to a range of human neurological disorders. For example, in multiple sclerosis and periventricular leukomalacia, markers (such as OLIG2) identified in developmental studies have been examined in neuropathological studies, showing that OPCs are blocked in their differentiation and fail to carry out normal repair functions after white-matter injury82,83. These findings suggest that regulation — rather than replacement — of endogenous progenitors is a promising therapeutic approach. Further progress in studying the developmental genetics of macroglia will undoubtedly improve our understanding of a range of human neurological disorders.
Сайт создан в системе uCoz