Сегментация является фундаментальной ступенью во время развития головного мозга позвоночных. Она использует паттерн, сформированный нервной трубкой на самостоятельные и раздельные поперечные единицы, расположенные серийно вдоль продольной оси [1]. Наиболее важным предварительным условием сегментации являются края между последовательными нейромерами, которые делают возможной индивидуальную регионализацию, рост и приобретение самостоятельных функциональных характеристик. Этому процессу может мешать в эмбриональном головном мозге тот факт, что он быстро увеличивается в размере и сложности. Молекулярные механизмы, лежащие в основе сегментации были изучены во время развития относительно довольно простого региона заднего мозга [2],[3]. Паттерны экспрессии многих регуляторных генов также подтверждают нейромерную организацию эмбрионального переднего мозга [4],[5]. Недавние исследования подтвердили сегментную природу переднего мозга из трех prosomeres (P1-P3) (rev[1]). Базируясь на морфологии и генной экспрессии алярная пластинка диэнцефалона (промежуточного мозга) была подразделена на prethalamus (P3), thalamus (P2) и pretectum (P1). Epithalamus, включая ядра epiphysis и habenular, являются частью P2. Граница между преталямусом и талямусом определяется границами компартментов со вставленной узкой областью, известной как zona limitans intrathalamica (ZLI). Внеклеточные белки клеточной адгезии, такие как Tenascin внутри ZLI, как полагают участвуют в ограничении клонов между ZLI и передним соседним преталямусом и сзади расположенным соседним талямусом [6-8]. Сходным образом, граница diencephalic-mesencephalic border (DMB), на заднем конце pretectum, была идентифицирована как компартментная граница, где в дополнение к Tenascin, механизм, зависимый от Eph-ephrin, как полагают, поддерживает разделение клеток [6],[9],[10]. Недавние исследования по картированию судеб подтвердили, что граница между thalamus и pretectum также может быть линейно ограничена [11]. Однако мало известно о возможном механизме, приводящему к ограничению клеточного клона между этими компартментами. Эмбриональный талямус (P2) оказывается подразделенным на два молекулярно отличающиеся домены: rostral thalamus (rTh), маркированный экспрессией пронейрального гена Ascl1 и caudal thalamus (cTh), который экспрессируeт Neurog1 [12-14]. У тетрапод rTh вносит вклад в большинство GABAергических нейронов в талямусе, включая ventral lateral geniculate (vLGN) и intergeniculate leaflet (IGL), тогда как каудальная часть талямуса дает преимущественно глютаматергические ядра, проецирующиеся в pallium [15-17].
LIM homeobox (Lhx) гены регулируют онтогенетические процессы на многих уровнях, включая формирования паттерна тканей, спецификацию судеб клеток и рост [18]. Эти селекторные гены действуют очень сходные и высоко консервативные паралоги. Они обнаруживают ограниченный паттерн экспрессии в развивающейся каудальной части переднего мозга у лягушек и мышей; Lhx1/Lhx5 маркируют rTh и pretectum, тогда как экспрессия Apterous группы Lhx2/Lhx9 ограничивается cTh [19-22]. У мышей Lhx2 функция необходима для приобретения нейрональных качественных особенностей в разных регионах, таких как telencephalon и носовые плакоды [23],[24]. В кортексе Lhx2 необходим для ограничения соседнего кортикального hem, который экспрессирует BMP, а также канонические Wnts. Оба сигнальных пути регулируют развитие гиппокампа [25],[26]. Это подтверждает, что Lhx2-обеспечиваемый нейрогенез участвует в поддержании целостности кортекса. В диэнцефалоне Lhx2/Lhx9 позитивный cTh также обогащен компонентами сигнального пути Wnt у обезьян [27]. Соответственно эта область располагается рядом с источником канонических Wnt лигандов в mid-diencephalic organizer (MDO), сигнал-генерирующей популяции в ZLI, и в диэнцефалической верхней (roof) пластинке [8],[28]. Хотя расположение этих двух Wnt позитивных организаторов и паттерн экспрессии Lhx2/Lhx9 в соседней воспринимающей Wnt ткани сходен с таковым в коре головного мозга, наши знания об их функции во время развития промежуточного мозга всё ещё отсутствуют. Во время формирования раннего паттерна передача сигналов Wnt, как полагают, оказывает влияние на индукцию талямуса [29-31], но функция Wnts во время регионализации всё ещё остаётся неясной.
После инициального формирования передне-заднего паттерна нервной трулки во время гаструляции, полагают, что сегменты головного мозга развиваются в основном независимо. Здесь мы показали, что Lhx2 и Lhx9 очень необходимы для управления нейрогенезом в талямусе рыбок данио. Более того, мы показали, что дифференцировка нейронов, обеспечиваемая Lhx2/Lhx9 оказывает влияние на поддержание границ талямуса. Lhx2/Lhx9 ограничивает экспрессию фактора клеточной адгезии Pcdh10b талямусом и, следовательно, поддерживает талямус как настоящий онтогенетический компартмент. Т.о., Lhx2/Lhx9 необходимы для собственно развития талямуса, основной ретрансляционной станции головного мозга, и для целостности всей каудальной части переднего мозга.
Discussion
Development of Thalamic Relay Neurons
Молекулярные механизмы, которые контролируют упорядоченные серии онтогенетических ступеней, ведущих к зрелым талямическим нейронам, изучены плохо. Хотя многочисленные транскрипционные факторы специфически экспрессируются в талямусе [14], лишь немногие функционально охарактеризованы, такие как Gbx2, Neurog2 и Her6. Gbx2 нокаутные мыши обнаруживают нарушения дифференцировки талямуса из-за отсутствия специфичных для талямуса постмитотических маркеров Id4 и Lef1, и в последствии из-за отсутствия кортикальной иннервации талямическими аксонами [44]. Хотя Neurog2-нокаутные мыши обнаруживают сходную тяжелую неспособность сообщения нейронов с кортексом, экспрессия Lhx2, Id2 и Gbx2 остается неизменной у этих мышей, указывая тем самым, что в отсутствие Neurog2 талямические нейроны не респецифицируются на молекулярном уровне [54]. Напротив, Her6 регулирует фенотип талямического нейротрансмиттера путем репрессии функции neurog1, а затем глютаматергического клона. Напротив, функция Her6 является обязательным условием развития Ascl1a-позитивных интернейронов в GABAергическом ростаральном талямусе [13].
Мы исследовали функцию законсервированной экспрессии Lhx2 и Lhx9 во время развития талямуса. Lim-HD гены формируют паралоги, такие как Lhx1 и Lhx5, и Lhx2 и Lhx9 [18]. Эти пары участвуют в различных аспектах развития переднего мозга. Lhx1/Lhx5 влияют на активность Wnt, способствуя экспрессии Wnt ингибиторов sFRPs. Это локальное Lhx-обусловленное ингибирование Wnt необходимо во внеэмбриональных тканях для собственно формирования головы [55] и становления prethalamus [31]. Apterous группа, Lhx2 и Lhx9, необходима для множественных ступеней во время развития нейронов. Lhx2 необходим у мышей для поддержания качественных особенностей коры и для ограничения кортикального низа (cortical hem), это делает возможным образование собственно гиппокампа в соседнем pallium [26],[56]. Однако, функция Lhx2 во время развития диэнцефалона всё ещё спорная. Хотя Apterous гены уже присутствуют в нервной системе cephalochordate Amphioxus-т.е., AmphiLhx2/9 [57]-а коэкспрессия Lhx2 и Lhx9 была документирована в диэнцефалоне позвоночных, таких как рыбки данио (здесь), Xenopus [20],[22] и мыши [21], их функция в талямусе остается неясной. Недавние исследования Lhx2 мутантных мышей не выявили альтераций во время регионализации талямических нейронов [58]. Более того, функция Lhx9 не была описана, но паттерны экспрессии подтверждает роль во время развития среднего мозга и возможно в подразделении (parcellation) талямуса [21].
Здесь мы показали, что одиночный нокдаун Lhx2 или Lhx9 не вызывают фенотипических отклонений в диэнцефалоне при анализе маркеров (Figure S2), это сравнимо с Lhx2 нокаутными мышами, но одновременный нокдаун как Lhx2 так и Lhx9 ведет к остановке талямического нейрогенеза на стадии поздних предшественников (Figure 2). Более того, активация одного Lhx2 достаточна для компенсации потери и Lhx2 и Lhx9 (Figure 3). Наши результаты подтверждают, что Lhx2 функционально перекрывается с Lhx9, чтобы гарантировать развитие собственно талямуса. В противоположность др. позвоночных эмбрионы рыбок данио обнаруживают совместную экспрессию Lhx2 и Lhx9 телэнцефалоне вплоть до 48 hpf (Figure 1), это также подтверждает перекрывание [32]. В самом деле, pallium меньше нарушается у lhx2-/- мутантных рыбок по сравнению с потерей неокортекса у lhx2-/- мутантных мышей [39],[59]. Более того, в негативной по Lhx9 носовой плакоде, нокаут Lhx2, как было установлено, ведет к сходному аресту нейронов [24],[60].
В талямусе Lhx2/Lhx9 могут регулировать гены, которые существенны для завершения нейронального развития, так что нейроны не достигают терминальной нейрональной стадии. У Lhx2/Lhx9 морфантных эмбрионов мы нашли, что экспрессия deltaA, neurog1, а также pcdh10b увеличена. Во время нейронального развития у рыбок , Neurog1, как было установлено, активирует delta гены непосредственно путем связывания нескольких E-box мотивов в delta промоторном регионе [40]. Это подтверждает, что у Lhx2/Lhx9 эмбрионов морфантов, развитие нейральных предшественников арестовывается на уровне экспрессии deltaA/neurog1. Соответственно, маркеры терминальных талямических нейронов, такие как Id2a и Lef1 отсутствуют у Lhx2/Lhx9 морфантных эмбрионов. Интересно, что оба этих маркера, как было установлено, активируются передачей сигналов Wnt [61],[62]. Хотя локальная активность Wnt активирована локально у lhx2/lhx9 морфантных эмбрионов, эти гены мишени не транскрибируются, указывая, что дифференцировка Lhx2/Lhx9 талямических нейронов связана со второй фазой компетентности к передаче сигналов Wnt. Также позднее и ограниченное начало экспрессии Lhx2/Lhx9 в талямусе и их необходимость для экспрессии Id2a и Lef1 могут объяснить специфичность талямических нейронов в отношении Wnt мишени lef1. Итак, мы полагаем, что Lhx2/Lhx9 являются существенными детерминантами для достижения клетками поздней стадии развития талямических нейронов.
В спинном мозге Lim HD факторы вместе с βHLH факторами, как было установлено, необходимы для выхода из клеточного цикла [63]. Lim содержащий фактор Isl-1 и Lhx3 вместе с βHLHфакторами Neurog2 и NeuroM действуют комбинаторным образом, чтобы непосредственно запускать дифференцировку двигательных нейронов. В талямусе мы выявили сходный процесс: Lhx2/Lhx9 ингибируют экспрессию маркеров предшественников, таких как pcdh10b и активируют экспрессию маркеров постмитотической дифференцировки, такие как id2a, lef1 и elavl3. Интересно, что собственно дифференцировка талямических нейронов необходима для ограничения MDO и дорсальной верхней пластинки (dorsal roof plate) (Figure 7), эта находка отражает превращение неокортекса у
Lhx2 нокаутных мышей. Здесь,
Gdf7 позитивный кортикальный hem расширяется за счет неокортекса [23]. Это подтверждает предположение, что собственно нейрональная дифференцировка необходима для поддержания компартментов и их границ в головном мозге.
Figure 7. Function of Lhx2/Lhx9 during thalamic neurogenesis and regionalization of the caudal forebrain.
The schematic drawing shows a 3-D view of the left hemisphere of the caudal diencephalon and body axis. In Lhx2/Lhx9-deficient embryos, the ventricular and subventricular zone of the thalamus (blue) expands laterally into the mantle zone (red). Furthermore, the Wnt positive epithalamus (green) expands ventrally into the misspecified MZ. Subsequently, upregulation of Wnt signaling in the mid-diencephalon may lead to intermingling of thalamus and pretectum by altered localization of Pcdh10b (yellow/blue stripes).
doi:10.1371/journal.pbio.1001218.g007
Wnt Signaling, Pcdh10, and Cell Adhesion
В средней части диэнцефалона центральным источником паттерн-формирующих сигналов является MDO. Здесь выявляются три разных сигнальных пути: Shh, Fgf и Wnt [64]. Shh передача сигналов, , как было установлено, индуцирует пронейральные гены, такие как Ascl1 в ростральной части талямуса и Neurog1 в каудальной части талямуса (cTh) [12],[13],[65] и ряд транскрипционных факторов, определяющих специфические свойства клеток развивающегося талямуса [14],[21],[66-68]. Более того, передача сигналов Fgf влияет на развитие rTh [69] и части cTh, области обучения движениям [70]. Интересно, что хотя среднеяя часть диэнцефалона экспрессирует набор канонических и неканонических Wnt лигандов и рецепторов [27],[28], функция передачи сигналов Wnt неясна. Передача сигналов Wnt, по-видимому, необходима для обеспечения талямических характеристик в эксплантах эмбрионов кур [29] , а мутация в Wnt ко-рецепторе Lrp6 ведет к тяжелому уменьшению талямической ткани у мышей [30].
Здесь мы показали, что передача сигналов Wnt из MDO и верхней пластинки (roof plate) влияет на подразделение каудальной части диэнцефалона. Путь канонической передачи сигналов Wnt играет жизненно важную роль в обеспечении слипчивости и ключевого эффектора Wnt пути, β-catenin, первоначально открытого благодаря своей роли в клеточной адгезии [71],[72]: он способствует слипчивости путем связывания трансмембранной, Ca2+-зависимой гомотипической адгезивной молекулы cadherin, и связывает cadherin с внутриклеточным актиновым цитоскелетом. Хотя несколько классов молекул вовлечено в морфогенетические события, cadherins, по-видимому, являются основной группой адгезивных молекул, обеспечивающих образование границ в развивающейся ЦНС [73]. После фазы повсеместной экспрессии cadherins обнаруживают отличающиеся паттерны экспрессии в нервной трубке [74]. В развивающемся диэнцефалоне классические кадерины, такие как Chd2, Chd6b и Chd7, маркируют презумптивные структуры ядер серого вещества внутри развивающихся компартментов [75]. Пока эти исследования неспособны объяснить разные подразделения каудальной части переднего мозга.
Здесь мы описали паттерны экспрессии не формирующего кластеры protocadherin, pcdh10b, в развивающемся диэнцефалоне и показали, что он маркирует вентрикулярную зону талямуса в середине сомитогенеза (Figure S5). Во время сомитогенеза pcdh10b модулирует клеточную адгезию и регулирует перемещения параксиальной мезодермы и tuvtynfwb. сомитов [53]. Мы нашли, что граница экспрессии pcdh10b ко-локализуется с границей между талямусом и pretectum во время регионализации диэнцефалона (Figure 5). Более того, мы смогли связать экспрессию Pcdh10b с канонической передачей сигналов Wnt. У кур некоторые признаки линейного ограничения для границы между талямусом и претектумом были выявлены ещё раньше; напр., vimentin и chondroitin sulfate proteglycans строго концентрируются на этой границе. Сходное анатомическое наблюдение было сделано у рыб (Figure 6j-l), нервная трубка кур обнаруживает морфологический гребень, где прекращаются интеркинетические движения [6]. Однако, имеются противоречивые данные в результате непосредственного анализа клеточных клонов в каудальной части переднего мозга эмбрионов кур относительно границ клеточных компартментов между талямусом и претектумом [6],[76]. Это может быть объяснено анализом разных стадий. У др. модельных позвоночных экспрессия Pcdh10 описывается только на поздних стадиях развития, у цыплят на ст. HH28, а у мышей на ст. E15 [77],[78], это свидетельствует против сравнимой роли у этих модельных организмов. Однако, Pcdh10 вместе с Pcdh8, 12, 17, 18 и 19 принадлежат к структурно родственному подсемейству не дающих кластеров δ2 protocadherins, а некоторые члены, в самом деле, обнаруживают паттерн экспрессии во время сомитогенеза у мышей [79]. Хотя мы не установили в наших экспериментах непосредственного ограничения клонов путем отслеживания небольших клонов клеток на границе, мы предположили, талямическая область перемешивается с претектум, если обе области экспрессируют сходные уровни этой адгезивной молекулы (Figure 7). Наши данные подтверждаются тем фактом, что pcdh10b нокдаун или избыточная экспрессия также ведут к сходному фенотипу в развитии сомитов [53]. Так и у Gbx2 нокаутных мышей клетки талямуса начинают перемешиваться с клетками претектума [11]. Интересно, что эти авторы наблюдали клеточно неавтономную функцию для этого транскрипционного фактора и потребность в механизме ограничения, обеспечиваемого неизвестным фактором клеточной адгезии. Мы подтвердили, что как и для Lhx2/Lhx9, фактор Gbx2 необходим для приобретения свойственных нейрональных характеристик, а отсутствие Gbx2 может приводить к сходной последовательности событий-т.е., к экспансии Wnt-позитивной roof пластинки и изменению экспрессии pcdh10b. Эту гипотезу необходимо протестировать у Gbx2 нокаутных мышей. Отметим, поскольку pcdh10b экспрессируется также в ромбомерах заднего мозга [80] , то его функция д. детерминироваться во время дифференцировки этой хорошо изученной сегментированной части нервной трубки; следовательно, формирование компартментов в каудальной части переднего мозга и в заднем мозге д. использовать сходные молекулярные эффекторы, тем самым д. существовать унифицированный механизм компартментализации нервной оси-и участвовать в генерации одиночных единиц (талямус, претектум) или повторяющихся моделей (ромбомеров).
Т.о., мы полагаем, что Lhx2/Lhx9 необходимы для нейрогенеза внутри талямуса и важны для поддержания сформированного паттерна продольной оси ЦНС на более поздних стадиях. Изменения нейрогенеза в частях головного мозга затрагивают развитие и соседних частей и тем самым ведут к потере целостности компартментных границ.
Сайт создан в системе
uCoz