Региональная молекулярная спецификация ЦНС и передних экодермальных плакод эволюционно законсервирована у мух и млекопитающих (de Velasco et al., 2007; Wang et al., 2007; Lichtneckert and Reichert, 2008). Нейроэндокринная система головы возникает в основном из передних эктодермальных плакод (Kawamura et al., 2002; Markakis, 2002; Whitlock, 2005), но детали механизмов спецификации с разрешением на уровне клетки неизвестны. В данном исследовании Drosophila insulin-producing cells (IPCs), которые экспрессируют некоторые Drosophila insulin-like peptides (Dilps), представляют прекрасную модель спецификации нейроэндокринной системы головного мозга их нейроэпителия плакод.
Механизмы спецификации, которые порождают многообразие типов нейронов и глии во время развития ЦНС, вносят свой вклад в их чрезвычайно сложную архитектуру и функциональность. У позвоночных и беспозвоночных этот процесс использует нейроэпителий, которые специфицирует нейральные стволовые клетки или нейробласты (neuroblasts (NBs)), обладающие разными характеристиками (Broadus et al., 1995; Qian et al., 1998). В хорошо изученной модели эмбрионального нейрогенеза дрозофилы спецификация качественных особенностей NB в вентральной нейроэктодерме (ventral neuroectoderm (vNE)) зависит от систем формирования дорсовентрального и передне-заднего паттерна, чтобы генерировать высоко регионализованную vNE, которая бывает увязана с Картезианской системой координат (for reviews, see Skeath, 1999; Skeath and Thor, 2003). В начале нейрогенеза vNE соседние нейроэпителиальные клетки, обладающие одинаковыми региональными, адресом на карте, начинают экспрессировать пронейральные гены achaete-scute complex (as-c) (Martin-Bermudo et al., 1991; Skeath and Carroll, 1992) и тем самым включают в себя эквивалентные группы из 5-7 клеток, компетентных формировать NBs. Как только клетки оказываются компетентными, латеральные сигналы, обеспечиваемые Notch рецептором и его лигандом Delta действуют посредством семейства генов пронейральных репрессоров Enhancer of split [E(spl)] , это делает возможным вычленение одиночных NB, специфицируя оставшиеся компетентные клетки как эпидермис (Lehmann et al., 1983; Technau and Campos-Ortega, 1987; Skeath and Carroll, 1992). Идентифицированные NBs приобретают свои характерные клональные свойства с помощью факторов, которые они наследуют от регионализованной vNE (for reviews, see Bhat, 1999; Technau et al., 2006). Этот способ спецификации NB распространяется на ~100 идентифицированных процефалических NBs, происходящих из процефалической нейроэктодермы (procephalic neuroectoderm (pNE)), которая формирует большую часть головного мозга (Urbach and Technau, 2003; Urbach et al., 2006; Urbach and Technau, 2008).
В противоположность парадигме с Картезианским координатами для спецификации характеристик NB в слое NE, дополнительные NBs головного мозга, включая те, что генерируют IPCs, происходят из плакод в головной по срединной линии дорсомедиальной procephalic (Pdm) нейроэктодерме, где нейроэпителий теряет свою слоистую морфологию, предшествующую нейрогенезу. Плакодная Pdm NE образует инвагинирующие пузырьки из нейрогенных клеток, характеризующихся конденсацией апикальных мембран и экспрессией пронейральных факторов. В отличие от большинства NE, инвагинирующий Pdm нейроэпителий является нейрогенным, так что все соседние компетентные клетки становятся NBs, а не эпидермисом (Younossi-Hartenstein et al., 1996; de Velasco et al., 2007), картина, которая очень напоминает таковую в нейрогенезе ЦНС позвоночных. Некоторые регионы pNE являются нейрогенными, но не формируют центров инвагинации (Urbach et al., 2003).
Pdm нейроэктодерма содержит NB с разными клональными характеристиками, включая Type I NBs, которые делятся асимметричным способом стволовых клеток, генерируя нейральные предшественники, наз. ganglion mother cells (GMCs), которые в свою очередь делятся симметрично, генерируя нейроны (Boone and Doe, 2008). Характеристики Pdm Type I NB обнаруживаются в NBs для клонов brain neurosecretory cell (NSC), таких как IPCs (Wang et al., 2007) и NBs для клонов холинергических нейронов (de Velasco et al., 2007; Wang et al., 2007). Pdm также содержит Type II NBs, также известные как posterior Asense-negative (PAN) NBs, которые продуцируют временно амплифицирующиеся GMCs. Эти клоны NB могут превышать 400 клеток и содержат как нейроны. так и глию (Pereanu and Hartenstein, 2006; Sprecher et al., 2007; Bello et al., 2008; Boone and Doe, 2008; Bowman et al., 2008; Izergina et al., 2009). Хотя некоторые гены (tailless, giant, lethal of scute) известны как критические для спецификации pars intercerebralis (PI) (Younossi-Hartenstein et al., 1996; Younossi-Hartenstein et al., 1997; de Velasco et al., 2006) , а активность Epidermal growth factor receptor (Egfr) существенна для выживания клеток Pdm (de Velasco et al., 2007), неясно, как эти разнообразные характеристики NB специфицируются внутри нейрогенных Pdm плакод.
В данном исследовании мы изучали роль передачи сигналов Notch и Egfr в спецификации IPC NB и NB с др. характеристиками из молекулярно идентифицируемой 8-клеточной Pdm плакоды, соответствующей медиальному зачатку (medial PI primordium (pPIm)). Эмбрион продуцирует только один IPC NB на полушарие головного мозга (Wang et al., 2007). Мы установили, что 8-клеточный pPIm продуцирует NB с разными характеристиками, включая IPC NB, несколько Type I NBs для малых холинергических нейронов и одиночный Type II/PAN NB, которые образуются в такой последовательности. В отсуствие передачи сигналов Notch все pPIm клетки вычленяются как IPC NBs, указывая тем самым, что pPIm начинает нейрогенез с эквивалентной судьбы для группы, приобретая качественные особенности IPC NB . В отсутствие передачи сигналов Egfr все клетки из pPIm, за исключением IPC NB, теряются за счет апоптоза, указывая тем самым, что активность Egfr поддерживает жизнеспособность клеток в оставшихся клетках плакоды, это способствует спецификации поздно специфицируемых характеристик NB. Напротив в отсутствие активности и Notch и Egfr все pPIm клетки выживают, но они приобретают судьбу IPC NB, указывая тем самым, что характеристики IPC NB или судьба NB в целом освобождает клетки от необходимости в активности Egfr для жизнеспособности.
DISCUSSION
Key steps of placode development
Наши наблюдения составляют основу для понимания нескольких ключевых свойств плакодного нейрогенеза в Pdm; ступени в развитии плакод суммированы следующим образом, представленным на Рис. 6. NE плакода представлена приблизительно 8 клетками, с лежащей в её основе сетью регуляторных генов, по-видимому, высоко специализирована к серийной спецификации ряда отличающихся характеристик нейральных стволовых клеток, начиная с инициального состояния эквивалентного потенциала развития. В случае pPIm, инициальное состояние компетентности это к образованию IPC NBs. Первым указанием на то, что pPIm обладает приобретенными препаттерн характеристиками, является раунд синхронизованных клеточных делений, наблюдаемый перед морфогенезом плакоды на 4-клеточной стадии pPIm. После достижения стадии 8-х клеток, клетки вступают в стадию ареста клеточного цикла и формируют нейрогенную плакоду; pPIm затем инициирует длительный период пронейральной компетентности, поскольку продуцируются NB с разными характеристиками. Анализ мутантов и температурного сдвига передачи сигналов Notch показал, что окно компетентности для судьбы IPC NB существует с момента расширения pPIm до 8 клеток, а приобретение пронейральной компетентности вплоть до момента, когда приобретение судьбы IPC NB обычно специфицируется (время которое становится Dac
+). Приблизительно в этот момент pPIm становится зависимой от активности Spi/Egfr, способствующей выживанию NE клеток, еще не специфицированных как NBs. Этот период Egfr-зависимой спецификации затем распространяется вплоть до ст. 15, время, когда специфицируются альтернативные характеристики NB. Нейрогенез затем заканчивается спецификацией судьбы одиночного Type II NB. A summary of all phenotypes is shown in Fig. S8 in the supplementary material.
Fig. 6.
Model for serial specification of NB identities from the Drosophila pPIm. Temporal progression of major developmental events in the pPIm is displayed from left to right, with corresponding stages indicated (see Discussion for details). The various cell types are color coded. The blue bar designates the extended period of proneural competence seen in the Pdm NE. The purple bar designates the period during which pPIm cells are competent to adopt the IPC NB fate. The green arrow designates the period following IPC NB specification during which the pPIm NE is dependent on Egfr activity for survival.
Parallels with photoreceptor R8 specification
Среди хорошо изученных примеров нейрогенеза дрозофилы, наиболее интригующими параллелями являются серийная спецификация судеб в плакодной pPIm и развитие фасеток сетчатки дрозофилы, в частности между спецификацией IPC NB и фоторецептора R8 внутри каждого развивающегося омматидия. R8 фоторецептор является первым в серии фоторецепторов и приобретения судьбы конической клеткой, специфицируемый прогрессивным привлечением кластера апикально суженных двенадцати клеток (Wolff and Ready, 1993). Каждая R8 клетка, основательница омматидия, специфицируется из группы клеток с эквивалентной пронейральной R8 судьбой, генерируемой за счет активности bHLH фактора Atonal (Ato) (Jarman et al., 1994), и оказывается единственной благодаря Notch-обусловленной латеральной ингибиции (Cagan and Ready, 1989). Однако, нет параллели в отношении спецификации пронейральной судьбы из группы с эквивалентной судьбой, pPIm NE нуждается в активности AS-C для спецификации IPC NB, в то время как Ato не важен (data not shown). Напротив спецификация R8 из пронейральной группы, фоторецепторов R1-7 и судеб конусных клеток, локально рекрутируется в омматидии благодаря индуктивной и серийной передаче сигналов Notch и Egfr/receptor tyrosine kinase (RTK) от R8 (Dickson and Hafen, 1993). Аналогично спецификации pPIm и IPC NB активность Egfr несущественна для собственно пронейральной компетентности и спецификации R8, но важна для жизнеспособности всех предшественников фоторецепторов за исключением R8 (Dominguez et al., 1998). Egfr-обеспечиваемая клеточная жизнеспособность в развивающейся сетчатке нуждается, чтобы путь активировал MAPK за счет фосфорилирования и чтобы pMAPK в свою очередь фосфорилировала проапоптический фактор Head involution defective (Hid; Wrinkled - FlyBase) (Bergmann et al., 1998). При нормальной передаче сигналов Egfr, фосфорилированный Hid направляется на деградацию, это способствует выживанию развивающегося омматидия (Bergmann et al., 1998; Kurada and White, 1998); жизнеспособности клеток также способствует активность Pnt1/2, который репрессирует экспрессию Hid (Kurada and White, 1998; Yang and Baker, 2003). Ранее сообщалось, что hid мРНК накапливается в виде pan-placodal Pdm NE паттерна на ст. 12-13 эмбриогенеза (Grether et al., 1995; Tomancak et al., 2002), кроме того мы установили, что Pnt1/2 не обязательно важен для жизнеспособности к ст. 14 (see Fig. S5F in the supplementary material). Это указывает на то, что, в противоположность сетчатке, большая часть антиапоптической активности передачи сигналов Egfr относительно независима от Pnt1/2; , следовательно, она может участвовать ,прежде всего, посредством действия pMAPK в обороте Hid. Эта гипотеза нуждается в подтверждении.
Notch and Egfr function in the pPIm placode
Хотя имеется множество примеров систем, в которых активности Notch и Egfr взаимно антагонистичны или кооперируют, способствуя выбору клетками судьбы (for reviews, see Sundaram, 2005; Doroquez and Rebay, 2006), мы не нашли доказательств взаимной зависимости между состояниями активности Notch и Egfr; каждый из путей оказывается активным в отсутствие др. Исходя из наших экспериментов мы не могут определённо исключить все перекрестные взаимодействия между этими двумя путями. Напротив, др. примеры нейрогенеза у дрозофилы, такие как зрительная доля (Yasugi et al., 2010) и макрохеты нотума (Culi et al., 2001; Escudero et al., 2005), зависят от активности Egfr, чтобы способствовать нейрогенезу путем активации as-c генов. В этих случаях Egfr-зависимому пронейральному состоянию противодействует активность Notch. В пронейральном регионе pPIm остается неясным, исходя из наших экспериментов, является ли важным Egfr для нейрогенеза после спецификации IPC NB, т.к. pPIm клетки теряются с потерей активности Egfr. В самом деле, существует потенциальная параллель с нейрогенезом абдоминальных chordotonal предшественников, которые образуются в отсутствие активности Egfr, но затем сигнал передается обратно в эпителий посредством Spi, чтобы активировать ato и обширный нейрогенез, рекрутируя при этом дополнительные хордотональные предшественники (Lage et al., 1997; zur Lage and Jarman, 1999; zur Lage et al., 2004).
Итак, в параллелях между серийной спецификации нейральной судьбы в Pdm плакоде и развитием глаз возникает интересная возможность, что некоторые аспекты двух лежащих в основе сетей регуляторных генов имеют точки перекрывания. Если это так, то интересно представить, обладают ли разные регионы пронейрального эпителия, которые экспрессируют плакодные гены, такие как sine oculis, Optix, Six4 и eya, произошли в эволюции из общего родоначального циркуита формирования нейроэпителиального паттерна, который был способен к серийной спецификации. Если это имело место, то его значение было бы таково, что этот способ спецификации судеб, при котором генерируются разнообразные качественные особенности нейрональных или нейрональных стволовых клеток посредством локальных взаимодействий в prepatterned группе клеток, распространен более широко, чем предполагалось в филогении животных и видах позвоночных.
Сайт создан в системе
uCoz 
