Головной мозг часто рассматривают как одну из наиболее сложных структур. В самом деле, ЦНС позвоночных удивительно замысловата и представлена большой массой клеточных типов, каждый из которых генерируется соотв. времея соотв. месте и в соответствующей пропорции для нормального развития и собственно функционирования. Разнообразие нейронов и глии зрелой ЦНС возникает из мутипотетного нейроэпителия в процессе, наз. нейрогенезом (rev. Goetz and Huttner, 2005; Farkas and Huttner,2008). Во время нейрогенеза пролиферативные клетки предшественники могут делиться одним из тех основных способов: симметричного пролиферативного, асимметричного и симметричного дифференцирующего (Fig 1.). Фундаментальный вопрос, что контролирует способ деления клеток предшественников? Существует слишком много выходов из клеточных циклов, и пул предшественников должен истощаться. Существует слишком мало выходов из клеточных циклов и недостаточно будет сгенерировано рано возникших клеточных типов или, что хуже, онкогенез получит преимущества. Поскольку ясно, что изменения в экспрессии генов в конечном итоге детерминируют выбор клеточных судеб, недавние исследования показали, что базовые клеточные процессы, некоторые со стохастическими элементами, действуют непосредственно перед или во время терминальных митозов, влияя на способ деления нейральных предшественников (Cayouette et al.,2006; Knoblich2008; Jukam and Desplan,2010).

Figure 1. A: Modes of cell division for proliferative neuroepithelial cells (P). Note that differentiated cells (D) may not be of the same differentiated type (purple vs. green). For example differentiated cells may be transit amplifying cells, neurons, glia, or different classes for each of these cell types. B: Examples of neuronal lineages. Lineage modeled from Drosophila neuroblast precursors (left); Lineage modeled from cortical progenitors (center); Lineage modeled from retinal neuroepithelia (right). The classification for the mode of cell division is shown in parentheses. Colors represent distinct types of differentiated cells.

Хотя разные регионы ЦНС представлены уникальными типами нейронов, основные свойства нейрогенеза общие. Патерн-формирующие механизмы, которые управляют и ограничивают качественными особенностями клеток нейроэпителиальных предшественников для специфических регионов и структур были рассмотрены в др. работах (Wilson and Houart,2004; Schulte and Bumsted-O'Brien,2008; O'Leary et al.,2007; Dasen and Jessel,2009; Caviness et al.,2009). В общем позиция клеток предшественников внутри развивающейся нервной системы предопределяет репертуар дифференцированных типов клеток ими генерируемый. Помимо региональных качественных особенностей клетки нейроэпителиальных предшественников обнаруживают также время-специфичные потенциалы. В самом деле, по всей ЦНС позвоночных имеет связь между датой возникновения/последовательностью возникновения и приобретением судьбы клеточного типа (Kao and Lee,2010; Jacob et al.,2008). В развивающейся нервной системе Drosophila взаимоотношения между последовательностью возникновения и приобретением клеткой судьбы в основном неизменны. Для некоторых частей развивающейся ЦНС позвоночных, однако, строгое правило последовательности рождения, наблюдаемое у Drosophila, по-видимому, не существует.

Обзоры литературы показывают, что три генеральных класса клеточного поведения могут играть важные роли в нейрогенезе: асимметричное наследование, кинетика клеточного цикла и interkinetic nuclear migration (INM). Каждое из этих клеточных поведений обладает элементами стохастичности. Недавние данные показали, что в некоторых случаях решения судеб нейрогенных клеток также обнаруживает признаки стохастичности (Slater et al.,2009; Gomes et al.,2011). Стохастичность определяется и используется разными способами, но для целей данного обзора стохастичность не ограничена совершенно случайными процессами, но также включает шанс с пристрастием. Или по аналогии, стохастические влияния сходны с бросанием средневзвешенных кубиков. Относительные влияния стохастических детерминирующих импульсов неизвестны и является предметом споров в этой области (Losick and Desplan,2008; Zernicka-Goetz and Huang,2010; Oates2011). Как каждый из этих клеточных механизмов, независимо от лежащих в основе стохастичности или детерминизма, влияет на клеточную судьбу? Сходным образом, как каждое влияние комбинируется, чтобы удерживать клетку в пролиферативном состоянии или толкать её в направлении постмитотической судьбы? Доказательства подтверждают модель, согласно которой каждое биологическое свойство добавляет взвешенное влияние, сумма которых склоняет, но не ограничивает абсолютно клетки предшественники в направлении выбора определенной судьбы.

STOCHASTICITY AND DETERMINISM IN CELL DIVISION MODE

Помимо влияния на качественные особенности клеточного типа нейроэпителиальные предшественники должны выбрать свой способ клеточного деления. Во время нейрогенеза пролиферативные клетки предшественники могут делиться одним из трех основных способов: симметричным пролиферативным, асимметричны или симметричным дифференцирующим (Fig. 1A.). Для целей данного обзора асимметричное деление определим как деления, дающие дочерние клетки приобретающие разные судьбы. Напр., асимметричные деления могут давать одного предшественника и один нейрон или два нейрона разных классов. Однако асимметричные деления могут также происходить без выхода из клеточного цикла, напр., давая две пролиферативные дочерние клетки с разными клональными ограничениями. В нейробластах Drosophila способ деления, по-видимому, фиксирован, при этом предшественники делятся исключительно само-обновляющим асимметричным способом (Fig. 1B, left; Skeath, 1999; Bossing et al., 1996; Schmid et al., 1999; Matsuzaki,2000). Хотя полные клональные отслеживания более ограничены у позвоночных, анализ показывает, что существует значительная гетерогенность в составе клонального древа. Напр., в сетчатке, задней мозге и частично в переднем мозге как только нейрогенез начинается, все три способа делений имеют место среди предшественников и индивидуальных клонов, обнаруживая сдвиги между симметричным пролиферативным, асимметричным или симметричным дифференцирующим делениями (Cepko and Walsh, 1990; Cai et al., 2002; Cayouette et al.,2006; Byerly and Blackshaw,2009; Fig. 1B, right). Для кортикальных и ретинальных предшественников in vitro, статистический анализ подтвердил стохастические элементы механизмов. лежащих в основе выбора клеточных делений (Slater et al.,2009; Gomes et al.,2011). Сравнение клонов между двумя нейрональными регионами, однако, показывает, что кортикальные предшественники обладают более стереотипическими паттернами, чем таковые в сетчатке (Fig. 1B). Важно, что эти примеры культур равносильны in vivo в клональном разнообразии для соотв. нейрональных регионов в терминах состава судеб клеточных типов и размеров клонов. Стохастические модели подтверждают, что при каждом раунде деления клетка предшественница "выбирает" способ клеточного деления, базируясь на средневзвешенной вероятности. Набор вероятностей вместе с компетентностью выбра судьбы клеточного типа становится определяющим свойством клетки предшественницы. Альтернативно детерминисткие модели, в которых клеточная судьба предопределена автономными программами или внутренними часами, также д. вести вперед (Durand and Raff,2000; Okano and Temple, 2009; Kao and Lee,2010). Кроме того, возможно, что кажущиеся стохастическими события в действительности детерминированы, но лежащие в основе механизмы пока сложны для распознания современными экспериментальными методами. Однако также возможно, что комбинация стохастических и детерминистких влияний взаимодействуют, чтобы повлиять на выбор клеточной судьбы.

THE IMPORTANCE OF CELL POLARITY

Клетки нейроэпителиальных предшественников высоко поляризованы вдоль своей апикобазальной оси и образуют псевдостратифицированные слои (Fig. 2). Апикобазальная полярность клеток является критической для большинства клеточных механизмов, которые регулируют нейрогенез и если нарушена, то нормальное соотношение между само-обновлением и дифференцировкой часто изменено. Нейроэпителиальные предшественники удлинены, имеют биполярный вид с тонкими вкраплениями как к апикальной, так и базальной поверхности и обычно с выступающей массой цитоплазмы, окружающей ядро. Нейроэпителиальные клетки соединены др. с др. в своей апикальной поверхности с помощью слипчивых соединений. Слипчивые соединения также служат в качестве границы между апикальным доменом и базо-латеральным доменом клетки. Компоненты плотных соединений также ассоциированы с апикальными доменами нейроэпителия и могут формировать внеклеточные барьеры для диффузии на более поздних стадиях нейрогенеза (Balselv et al.,1997; Abdelliah-Seyfried,2010). Как в результате компонентов соединений, так и направленной внутриклеточной доставки апикальный домен содержит белки и липиды, которые отличаются таковых в базо-латеральной части мембраны. Выдающимся свойством апикального домена является первичная ресничка. Это базирующееся на микротрубочках выпячивание, как известно, локализует сигнальные компоненты (Han and Alvarez-Buylla,2010; Goetz and Anderson,2010). Эта динамическая структура поддерживается внутри-ресничковым транспортом и разбирается перед появлением митотического веретена (Seeley and Nachury,2010). Во время разборки, по крайней мере, в кортикальной нейроэпителии, первичная ресничка направляет (shed) апикальную мембрану и ассоциированные белки во внеклеточное пространство (Dubreuil et al.,2007). Первичная ресничка обычно возникает повторно во время G1 фазы, будучи закрепленной с помощью наследуемой центриоли. Центриоли или базальные тельца, остаются ассоциированными с апикальным доменом в течение интерфазы и во время удвоения (Norden et al.,2009; Tsai et al.,2010). Область апикальной поверхности интерфазных нейроэпителиальных клеток варьирует в размере, но её пропорция относительно всей плазматической мембраны относительно невелика (1-4%) (Kosodo et al.,2004; Nishizawa et al.,2007). В противовес апикальной поверхности базальные endfeet нейроэпителиальных клеток не связаны др. с др. Вместо этого эти расширения контактируют с базальной ламиной. Поэтому белки, ассоциированные с фокальными адгезиями часто концентрируются с базальным endfeet (Chenn et al.,1998; Li and Sakaguchi,2002; Martinez-Morales2009).

Figure 2. Schematic of polarized, proliferative neuroepithelium. A dark grey cell progresses through interkinetic nuclear migration, in which the nucleus (blue) oscillates with the cell cycle. Apical features of neuroepithelial cells that are modeled include junctional complexes (aqua blue), primary cilia with apical membrane (purple), and centrosomes (green). The basal lamina (orange) is shown at the bottom. The colored cells on each end represent the intrinsic apicobasal gradients of fate-influencing signals.

Становление апикобазальной полярности активно изучалось, механизмы оказались чрезвычайно консервативными среди типов клеток и среди видов (Yamanaka and Ohno,2008; Insolera et al.,2010). В целом апикобазальная клеточная полярность облегчается с помощью белковых комплексов, которые взаимно антагонистичны по своему расположению внутри клетки. Напр., апикальный PAR комплекс (Par6, Par3, and aPKC), апикальный Crumbs комплекс (Crumbs, Pals1 и Patj), базолатеральный Scrib комплекс (Lgl, Scrb, Dlg). Следовательно, пока ключевые белки полярности экспрессируются, многие аспекты апикобазальной клеточной полярности само-организуются (Afonso and Henrique,2006; Tanentzapf and Tepass,2003; Humbert et al.,2008; Bilder,2004). Это можно наблюдать, когда нейроэпителиальные клетки помещаются в культуру и апикобазальная полярность и бипоялрная морфология устанавливаются при воздействии минимальных внешних сигналов (Cayouette et al.,2003; Qian et al.,1998). Прежде всего посредством мутационного анализа на дрозофиле и др. экспериментальных животных было установлено, что разрушение генов, кодирующих компоненты клеточной полярности, часто влияют на пропорцию клеток предшественников, вышедших из клеточного цикла и это может вести к возникновению опухолей lead to tumor formation (Bilder,2004; Dow and Humbert,2007). Мутации, которые нарушают полярность нейроэпителиальных клеток позвоночных, могут приводить к изменениям в плоскости деления клеток, INM, пролиферации и нейрогенезу (Yamaguchi et al.,2010; Sottocornola et al., 2010; Costa et al.,2008; Roberts and Appel,2009; Cappello et al.,2006).

ASYMMETRIC INHERITANCE: BIAS AT BIRTH

Хорошо изученное клеточное поведение, как известно, влияющее на нейрогенез, заключается в подразделении детерминант при цитокинезе (Fig. 3). У беспозвоночных хорошо известно, что когда клетка предшественница нейробласта делится, то она распределяет влияющие на судьбы белки в дочерние клетки (Wodarz2005; Zhong and Chia,2008; Betschinger and Knoblich,2004; Gonczy,2008). Такие детерминанты могут быть распределены поровну или неравномерно между двумя клетками потомками, обеспечиваемое или симметричным или асимметричным делениями, соотв. Для беспозвоночных имеются четкие доказательства того, что ориентация аппарата митотического веретена может влиять на распределение судьбоносных детерминантов, которые были локализованы поляризованным образом внутри клетки. В соответствии со стереотипированными паттернами делений, наблюдаемых у беспозвоночных, ориентация митотического веретена высоко скоординирована, чтобы гарантировать соотв. распределение детерминантов. Для позвоночных роль ориентации плоскости митотического деления в регуляции выбора клеточной судьбы более противоречива. Time-lapse исследования, birth-dating и клональный анализ показали, что горизонтальные деления коррелируют с асимметричными клеточными судьбами (Cai et al., 2002; Mione et al.,1997; Chenn and McConnell,1995; Cayouette et al.,2001; Cayouette and Raff,2003; Miyata et al.,2001). Однако частично противоречия проистекают из того факта, что ориентация плоскости деления у позвоночных менее предсказуема для выбора клеточных судеб, чем для беспозвоночных и довольно небольшое количество горизонтальных делений не может объяснить генерацию нейронов (Silva et al.,2002; Das et al.,2003; Wilcock et al.,2007; Kosodo et al.,2004; Roberts and Appel,2009; Lyons et al., 2003; Morin et al.,2007; Konno et al.,2008; Noctor et al.2008). Более того, у позвоночных некоторые гомологи детерминант судеб беспозвоночных, первоначально исследованные, такие как Prox1 или Lgl, не были явно поляризованы в M-фазе клеток нейроэпителиальных предшественников позвоночных и не обнаруживали асимметричного распределения между дочерними клетками (Dyer,2003; Klezovitch et al.,2004). Это указывает, что Notch, Numb, EGFR и TRIM32 среди прочих белков могут обнаруживать асимметричное распределение в нейральных предшественниках (Chenn and McConnell,1995; Cayouette et al.,2001; Sun et al.,2005; Schwamborn et al.,2009). Эти наблюдения и новые доказательства подтверждают существенную роль асимметричного расхождения судьбоносных детерминантов во время нейрогенеза позвоночных. Далее мы рассмотрим недавние примеры расхождения детерминантов в нейроэпителии позвоночных в дополнение к примерам уже рассмотренным в обзорах (Zhong and Chia,2008; Betschinger and Knoblich,2004; Knoblich2008; Sawa2010).

Figure 3. Examples of asymmetry in cell division. These schematics model segregation of cellular features in mitotic neuroepithelial cells from anaphase (left) through cytokinesis (right) (A) Cell A asymmetrically divides the apical domain (inherited by cell A1) and the basal process (inherited by cell A2). Cell A1 also inherited the mother centrosome (dark green oval) and the associated fate determinants (red dots) (B) Cell B shows a more symmetric division in which the apical domain and basal process are divided equally between the B1 and B2 progeny cells. In this example, the only asymmetry is in the division of the mother and daughter centrioles. Note, however, for Cell B the mother centrosomes do not associate with fate determinants as in Cell A (red dots). Cell B also shows a larger apical domain, which has been hypothesized to be more frequently divided equally between the progeny cells. In each cell, fate-influencing proteins are shown associated with the basal process (light green).

Некоторую ясность в противоречия относительно плоскости деления у позвоночных вносит детальное исследование, проведенное в лаб. Huttner (Kosodo et al.,2004). Они установили, что хотя ориентация плоскости деления плохо предсказуема в смысле способа клеточного деления в кортикальных и среднего мозга предшественников нейроэпителия у мышей, асимметричное расхождение апикального домена коррелирует с генерацией нейронов. Важно, что апикальный домен должен быть дифференциально подразделен, даже если плоскость деления вертикальная и, следовательно, перпендикулярна вентрикулярной поверхности, ориентация ранее считавшаяся как указание на симметричные деления (Kosodo et al.,2004). Это исследование подчеркивает необходимость идентифицировать и проследить специфические клеточные компоненты, в противовес простому мониторингу ориентации анафазного веретена или плоскости деления. Кроме того, это подчеркивает роль апикального домена, как демонстрируется экспрессией Par3 и Prominin-1, потенциально влияющих на способ клеточного деления в нейроэпителии позвоночных. Kosodo с коллегами показали, что при симметричных пролиферативных делениях кортикального нейроэпителия, апикальный домен делится поровну между дочерними клетками в каждом наблюдаемом случае (напр. клетка B на Fig. 3). Для нейрогенных делений, которые почти всегда асимметричны в вентрикулярной зоне развивающейся коры, высокая пропорция обнаруживает неравное разделение апикального домена (напр., клетка A на Fig. 3). Более того, когда нейроэпителиальные клетки переключаются с симметричных пролиферативных на асимметричные дифференцирующие деления, то размер апикальной мембраны уменьшается, по-видимому, благодаря более асимметричным (bypassing) делениям апикального региона (Kosodo et al.,2004). Однако корреляция между наследованием апикальной мембраны и способом клеточного деления варьирует по ходу развития и зависит от того, какой компартмент ЦНС анализируется. Тем не менее эта корреляция была подтверждена и расширена в др. исследованиях (Marthiens and ffrench-Constant,2009; Alexandre et al.,2010). Интересно, какая из дочерних клеток становится нейроном, когда апикальный домен подразделяется неравно и может зависеть от типа клетки предшественницы. Для кортикального нейроэпителия млекопитающих было отмечено, что Prominin-1 окрашивание отсутствует во вновь сгенерированных нейронах, указывая тем самым, что для таких предшественников клетки, которые получают апикальный домен, остаются в клеточном цикле (Kosodo et al.,2004). Получение непосредственных изображений необходимо. чтобы подтвердить эту интерпретацию. Напротив, для нейроэпителия заднего и спинного мозга рыбок данио time-lapse imaging показал, что вследствие асимметричных делений дочерние клетки, которые получают апикальный домен, наиболее часто дифференцируются в нейроны (Alexandre et al.,2010). При таких делениях, др. дочерняя клетка обычно наследует базальный отросток и если это происходит, то клетка всегда остается митотически активной.

NEUROGENESIS AND THE APICAL DOMAIN

Как апикальный домен влияет на нейрогенез? Недавние доказательства показали, что апикальный PAR комплекс прямо взаимодействует с факторами, которые влияют на способ деления клеток. Посредством изучения избытка и потери функции Par3 и Par6 в кортикальном нейроэпителии мышей было установлено, что увеличение количества PAR белков способствует пролиферативным делениям, тогда как истощение этих белков вызывает усиленный выход из клеточного цикла (Costa et al.,2008). Эффекты на пролиферацию были ограничены инициальными стадиями нейрогенеза. Эти временные соображения согласуются с наблюдениями по условной делеции aPKCλ на поздней стадии кортикального развития, которое не выявило изменений в количестве пролиферирующего нейроэпителия (Imai et al.,2006). На более ранних стадиях, когда активность aPKC была истощена в нервной пластинке лягушек, то это способствовало выходу из клеточного цикла и первичному нейрогенезу (Ossipova et al.,2009). Несколько пардоксально для этих находок, когда Par3 или aPKC были истощены в спинном мозге или нейроэпителии сетчатки рыбок данио, то пролиферативные деления получали существенные преимущества (Alexandre et al.,2010; Baye and Link,2007; Roberts and Appel,2009). Сходным образом, когда др. компоненты апикальной полярности были мутантными в нейроэпителии сетчатки рыбок данио, включая N-Cadherin/Cdh2 и Nagie oko/Pals1, то пролиферативные деления увеличивались, а выход из клеточного цикла тормозился (Yamaguchi et al.,2010). Напротив, когда Pals1 бы делетирован в развивающемся кортексе мыши, то нейроэпителий обнаруживал преждевременный выход из клеточного цикла и избыточную генерацию рано возникающих нейронов и затем повышенную клеточную гибель (Kim et al.,2010). Эти эффекты приписываются потере передачи сигналов mTOR. Примирение этих находок может лежать в том, как общая апикобазальная полярность затрагивается каждой из манипуляций, когда во время развития эффекты были измерены, или различия могут просто отражать специфичность клеточного типа. Тем не менее эти данные ясно показывают важность апикального домена в принятии решения между пролиферативными и нейрогенетическими делениями.

Некоторые недавние исследования показали, что белки комплекса Par регулируют и зависят от передачи сигналов Notch во время нейрогенеза, подтверждая механизм, с помощью которого апикальный домен может влиять на клеточные судьбы (Bultje et al.,2009; Smith et al.,2007; Ossipova et al.,2009; Yamaguchi et al.,2010). Напр., в нейроэпителии нервной пластинки лягушек , aPKC, как было установлено, фосфорилирует Par1, собственную протеин киназу, которая экспрессируется базолатеральном домене поляризованных клеток. Phospho-Par1 может затем фосфорилировать Mindbomb, убиквитин лигазу, которая активирует Notch лиганды. Будучи фосфорилированным, Mindbomb дестабилизируется, приводя к репрессии передачи сигналов Notch и снижая дифференцировку нейронов (Ossipova et al.,2009). В этих исследованиях, однако, специфические эффекты Par1 на способы делений не были оценены непосредственно и не исследованы на др. нейроэпителиях, что может быть важным для тестирования в будущих экспериментах. Др. субстраты для aPKC включают Lgl, который влияет на сегрегацию Numb и сам Numb (Klezovitch et al.,2004; Nishimura and Kaibuchi,2007; Smith et al.,2007). Необходимо отметить, однако. что роль Numb и Numb-подобных белков во время нейрогенеза осложнена тем фактом, что эти эндоцитические адапторы могут регулировать доставку компонентов слипчивых соединений и тем самым влиять на полярность, а также непосредственно модулировать передачу сигналов Notch (Rasin et al.,2007). К этому вопросу имеет отношение наблюдение, что когда делетированы alpha-E-catenin или rhoA в кортикальном нейроэпителии мыши, то слипчивые соединения и апикобазальная полярность нарушены, но гены Notch пути не затронуты. Вместо этого, мишени для передачи сигналов Hedgehog оказывались активированы (Lien et al.,2006; Katayama et al.,2011). Путем расширения последнего исследования можно утверждать, что, в самом деле, эффект Numb на активность Notch не зависит от его роли в поддержании клеточной полярности.

CENTROSOME INHERITANCE

Одним из признаков клетки, который четко сегрегирует асиметричным способом во время митозов, это разного возраста центросомы (Delattre and Gonczy,2004; Bettencourt-Dias and Glover,2007). Пара центриолей, которая представляет центросомы, сама по себе асимметрична. Более старая, материнская центриоля содержит дистальный придаток и ассоциирована с определенными белками и pericentriolar material (PCM), которые определяют её зрелость. Более юные центриоли лишены этих специализаций. Во время S-фазы центросомы удваиваются полу-консервативным способом, давая центросомы с материнскими центриолями с разным состоянием зрелости (Fig. 4). Следовательно, во время митозов разного возраста центросомы сегрегируют всегда. Недавние эксперименты продемонстрировали, что это может быть важным отличием между дочернми клетками. Следствия асимметричного наследования центросом впервые были описаны для нейробластов Drosophila и стволовых клеток зародышевой линии самцов (Rusan and Peifer,2007; Yamashita et al.,2007; Yamashita and Fuller,2008). В случае нейробластов, материнская центросома, которая обладает мощной активностью по организации микротрубочек и большим PCM, преимущественно локализуется в апикальной нише. Это создает стереотипированную ориентацию веретена, так что апикальная клетка потомок наследует материнскую центросому и преимущественно базируется в апикальной сигнальной нише, и/или PCM-ассоциированные факторы передают сигналы дифференцировки. Базальная клетка наследует дочернюю центросому и остается пролиферативной нейробластной стволовой клеткой (Januschke and Gonzalez,2010; Conduit and Raff,2010). Для нейральных предшественников млекопитающих влияние асимметрии центросом было исследовано в кортикальном нейроэпителии мыши (Wang et al.,2009). Используя протокол photoconversion для центриолей с birth-date авт. установили, что материнские центросомы обнаруживают склонность (~85% времени) к сегрегации в дочерние клетки, которые остаются в предшественниках вентрикулярной зоны, тогда как те, что наследуют более юные центросомы обычно становятся мигрирующими нейронами. Более того, если созревание центросом ингибируется путем нарушения Ninein, то количество клеток предшественников вентрикулярной зоны истощается, что сопровождается увеличением количества пост-митотических нейронов, это согласуется с критической ролью наследования центросом для выбора судьбы клеткой. Механизмы. лежащие в основе этих эффектов пока не установлены. Одной из возможностей является ассоциация специфических факторов, детерминирующих судьбы, с одной из центросом, таких как специфические регуляторные белки или органеллы (Fuentealba et al.,2008; Figs. 3A and 4, red dots). Др. соблазнительная идея заключается в том, что дочерняя клетка, которая наследует материнскую центросому, может эффективно инициировать образование первичной реснички и, следовательно, стать более восприимчивой к внешним сигналам, таким как Hedgehog и Wnt, которые облегчаются с помощью апикального придатка (Anderson and Stearns,2009).

Figure 4. Schematic of centrosome cycle. The “mother” centrosome, containing the oldest centriole (black with satellite appendages) is shown at M-phase on the left. Note the pericentriolar material and putative fate-influencing factors (red cloud). The younger, “daughter “centrosome is shown in green. Note satellite appendages do not form until late in the cell cycle. Centrioles undergoing synthesis during duplication at S-phase are shown in orange. At cytokinesis, one cell inherits the mother centrosome (left), while the other cell inherits the daughter centrosome (right), creating asymmetries such as efficiency of primary cilium genesis. Centrosome maturation has already begun at G1/G0 (represented as shifts in colors from either green to black or orange to green).

DIFFERENTIAL DEGRADATION

Факторы, которые контролируют деградацию белка, недавно были установлены в качестве др. клеточного свойства, которое асимметрично сегрегирует и которое может регулировать нейрогенез (Stegmuller and Bonni,2010; Tuoc and Stoykova,2010). Это прекрасно продемонстрировано посредством анализа Trim32 в развивающемся кортексе мыши. Trim32 является состоящей из трех частей мотива взаимодействия E3 ubiquitin лигазой (Schwamborn et al.,2009). Подобно Drosophila гомологу Brat, Trim32 может быть асимметрично распределяться в нейроэпителии при цитокинезе. Интересно, что Trim32 не колокализуется с центросомами, апикальным доменом или метафазной пластинкой. Вместо этого, белок концентрируется базально в теле клетки. Соотв., сегрегация Trim32 тесно коррелирует с наследованием базовых процессов (Fig. 3, представлено зеленым). Когда Trim32 избыточно экспрессируется в нейральных предшественниках, индуцируется дифференцировка нейронов. Когда Trim32 делетирован, то обе дочерние клетки остаются пролиферативными предшественниками. Было установлено, что Trim32 убиквитинирует и деградирует cMyc, но также соединяется и активирует пронейральную микроРНК Let-7a. Т.о., Trim32 координирует супрессию самообновления и способствует дифференцировке нейронов. Др. примеры Ubiquitin-обеспечиваемого оборота специфических про- или анти-нейрогенных белков продемонстрированы в целом при регуляции нейрогенеза (Tuoc and Stoykova,2008; Westbrook et al.,2008; Zhao et al.,2008; Zhao et al.,2009; D'Arca et al.,2010).

CELL-CYCLE KINETICS: WINDOWS OF OPPORTUNITY

В дополнение к различиям, выявляемым при цитокинезе, интерфазные нейроэпителиальные клетки также обладают асимметрией или гетерогенностью поведения, которые были изучены в контексте регуляции выбора судьбоносного способа деления. Прежде всего, имеется изменчивость в кинетике клеточного цикла между пролиферативными клетками предшественниками (Salomoni and Calegari,2010; Lange and Calegari,2010). В частности, продолжительность G1 оказалась сцепленной с решением кортикальных клеток предшественников или делиться, чтобы дать пролиферативные дочерние клетки, или дать более дифференцированное потомство (Calegari et al.,2005; Pilaz et al.,2009). Генеральная идея "гипотезы длины клеточного цикла" заключается в том, что факторы, которые регулируют способ клеточных делений, или судьбы др. клеток, ограничены "окном" внутри клеточного цикла, в котором они функционируют (Calegari and Huttner,2003). Напр., если нейроэпителий обладает повышенными реакциями на определенные детерминанты клеточной судьбы во время G1 фазы, то клетки с более короткой G1 фазой должны будут отвечать по разному, чем клетки с более длинной G1 фазой, даже если подвергаются воздействию одинаковых количеств судьбоносных стимулов (Fig. 5). В подтверждение этой идеи имеются давнишние доказательства для коры и сетчатки, что способность клеток предшественников отвечать на внешние сигналы зависит от фазы клеточного цикла (McConnell and Kaznowski,1991; Belliveau and Cepko,1999). Длина G1 фазы или др. частей клеточного цикла может также влиять на прирожденные активности внутри клетки. Напр.. транскрипционная активность, деградация белка или посттрансляционные модификации (acetylation, SUMO-lation, ubiquitination, phosphorylation среди прочих), могут регулироваться в зависимости от фазы клеточного цикла зависимым образом. Тестирование гипотезы продолжительности клеточного цикла трудно доказать, т.к. известны многие факторы, влияющие на кинетику клеточного цикла, которые также участвуют непосредственно в регуляции клеточной судьбы (Budirahardja and Gonczy2009; Bilitou and Ohnuma,2010).

Figure 5. Schematic of the cell-cycle-length hypothesis. Neuroepithelial cells progressing through a critical phase of the cell cycle with either (A) faster kinetics or (B) slower kinetics. In the model, the dark grey neuroepithelial cell is responsive to a fate-influencing factor(s) resulting in progressive transcriptional changes (progression of colors within the nucleus). Because of differences in the duration of the key cell-cycle phase, the upper neuroepithelial cell (orange) advances to a different competency state as compared to the lower neuroepithelial cell (purple). For example, one cell may be biased to divide proliferatively, while the other is primed to divide neurogenically.

Данные недавних экспериментов, проведенных в Calegari Lab, показали, что ограничение нормальной онтогенетической продолжительности G1 фазы в кортикальной нейроэпителии мыши ингибирует нейрогенные деления (Lange et al.,2009). Экспериментальное удлинение G1 фазы обнаруживает противоположные эффекты. Манипуляции с G1 фазой возможны путем изменения уровней комплекса Cdk4/cyclinD1. Во время этих исследований единственной описанной ролью Cdk4/cyclinD1 активного киназного комплекса являются мишени, которые непосредственно контролируют кинетику G1 фазы. Более того, когда изменяют уровни киназного комплекса, то отсутствуют поддающиеся измерению эффекты на ориентацию плоскости делений или др. поведение клеток предшественников. Поэтому был сделан вывод, что клетки кортикальных предшественников с длительной G1 фазой обнаруживают склонность подвергаться нейрогенным клеточным делениям. Сходное взаимоотношение между кинетикой клеточных циклов и нейрогенезом отмечается, когда cyclinD1 был делетирован из нейроэпителиальных клеток сетчатки мыши (Das et al.,2009). Однако недавние исследования выявили дополнительную роль Cdk4/cyclinD1 комплекса в рекрутировании энзимов, модифицирующих гистоны, на промоторы в S-фазе, приводя тем самым или к активации или репрессии генов мишеней (Aggarwal et al.,2010). Эта эктопическая активация комплекса Cdk4/cyclinD1 ассоциирует с раком и вносит вклад в пролиферацию неопластических клеток. Также дополнительные работы с др. ключевыми регуляторами клеточного цикла гарантируют дальнейшую проверку гипотезы длины клеточного цикла. Др. возможность проистекает из недавних наблюдений манипуляций с E2F транскрипционными факторами. У мышей с triple делецией E2F1-3, клетки ретинальных предшественников обнаруживают 6-кратное увеличение G1-фазы, а также др. фаз клеточного цикла, это ведет к массовому замедлению, но не к остановке клеточного цикла (Chen et al.,2009). Т.к. E2Fs 1-3 не обнаруживают влияния на выбор клеточных судеб в нервной системе, то было бы интересно выяснить эффект triple делеции на пропорции генерируемых различных типов клеток.

В согласии с этими наблюдениями и то, что длина клеточного цикла влияет на нейрогенез, так, тонкослойные культуры нейроэпителия спинного мозга подвергали действию Fgf, при этом период клеточного цикла ускорялся, а нейрогенез ингибировался (Wilcock et al.,2007). Напротив, в нейроэпителии сетчатки Xenopus активация передачи сигналов Hedgehog укорачивала как G1, так и G2 фазы и способствовала нейрогенезу (Locker et al.,2006). Т.к. и Fgf и Hedgehog могут влиять на нейрогенез на множественных уровнях, то причинные взаимоотношения между фазой клеточного цикла и способом деления трудны для вычленения. Исходя из предположения, что кинетика клеточного цикла непосредственно регулирует способ клеточных делений, очевидные различия между видами или регионами ЦНС могут быть обусловлены различиями в пролиферативных потенциалах временно амплифицирующихся клеток. Итак, для всех нейральных предшественников более длинная кинетика клеточного цикла может способствовать дифференцирующим делениям, при которых дочерние нейроэпителии или выходят из клеточного цикла или обнаруживают более ограниченные судьбы, как в случае временно амплифицирующихся клеток, которые остаются в митотическом цикле в течение ограниченного времени, но предназначены для генерации специфических типов нейронов.

Настоятельная потребность в гипотезе длины клеточного цикла в том, что продолжительность критической фазы действительно коррелирует с выбором судьбы. Этот феномен был исследован на популяционном уровне в развивающейся коре мышей. Напр., кумулятивное мечение BrdU показало, что в телэнцефалическом нейроэпителии развивающихся мышей популяция клеток нейрогенных предшественников обладает более длинной G1 фазой, чем не нейрогенные клетки (Claregari et al., 2005). Сходным образом при сравнении клеток предшественников из разных областей коры приматов было установлено, что популяция с более высокой скоростью выхода из клеточного цикла обладает более длинным в среднем клеточным циклом и расширенной G1 фазой (Lukaszewicz et al.,2005). В недавнем follow-up исследовании, кумулятивное мечение BrdU было использовано в комбинации с молекулярными маркерами, чтобы охарактеризовать кинетику клеточного цикла у разных типов клеток кортикальных предшественников (Arai et al., 2011). Эти эксперименты выявили, что Tbr2-позитивные клетки базальных предшественников имеют достоверно более длинную G1 фазу, чем Pax6-позитивные апикальные предшественники. Более того, популяция нейрогенных апикальных предшественников может быть отличена от популяции нейрогенных базальных предшественников по длине S-фазы, при этом в среднем клетки базальных предшественников имеют более продолжительную репликацию своей ДНК.

В идеале, поскольку гипотеза длины клеточного цикла исследована и для др. типов нейрогенных предшественников, то кинетика клеточного цикла должна быть исследована на базе индивидуальных клеток и когда клеточные судьбы могут быть отслежены непосредственно. Вместе с этим весь период клеточного цикла был измерен для индивидуальных клеток нейроэпителия сетчатки. Интересно, что длина клеточного цикла в таких клетках предшественниках не коррелирует с нейрогенезом (Baye and Link,2007; Gomes et al.2011). Однако длина специфических фаз клеточного цикла не была исследована. Потенциально, критическая фаза может быть всё ещё связана с выбором судеб, но кинетика ключевой фазы не пропорциональна всему периоду клеточного цикла. В самом деле, в крыловых дисках Drosophila клетки предшественники изменяются по длине одной фазы клеточного цикла, чтобы скомпенсировать изменения др. фазы так, чтобы поддерживался гомеостаз периода клеточного цикла (Reis and Edgar,2004). Приход технологий для прямого мониторинга кинетики фаз клеточного цикла в живых клетках позволит окончательно решить этот важный вопрос взаимоотношения кинетики клеточного цикла и выбора судеб клетками среди множественных типов клеток предшественников (Sakaue-Sawano et al.,2008; Sugiyama et al.,2009).

INTERKINETIC NUCLEAR MIGRATION: LOCATION MATTERS

Interkinetic nuclear migration (INM) является др. поведением интерфазных клеток, которое связано с нейрогенезом (Baye and Link,2008; Taverna and Huttner,2010). INM является процессом, с помощью которого ядра нейроэпителиальных клеток перемещаются одновременно с прохождением через клеточный цикл. M-фазные ядра позиционируются с наиболее апикальном регионе. G1/S-ядра перемещаются в более базальное положение. Во время G2 фазы ядра быстро возвращаются назад к апикальной поверхности, чтобы повторно вступить в M-фазу и снова подвергнуться цитокинезу (Fig 2). Этот феномен законсервирован от млекопитающих до Cnidaria , а доказательства указывают, что течение клеточного цикла нуждается в INM (Baye and Link,2008; Meyer et al.,2011). Как микротубулярные моторы, так и сокращения актомиозина играют роли в перемещениях ядра, хотя относительные влияния, по-видимому, варьируют между видами и/или регионами ЦНС (Del Bene et al.,2008; Norden et al.,2009; Tsai et al.,2010; Meyer et al.,2011; Kosodo et al.,2011). В дополнение к направленной миграции ядер существуют также крупные неавтономные эффекты, когда движения и толчки соседних ядер воздействуют др. на др. (Norden et al.,2009; Kosodo et al.,2011). Движения ядер, следовательно, не полностью стереотипированы и цикл миграции вариабелен в соответствии с нормальным распределением (Baye and Link,2007; Norden et al.,2009; Meyer et al.,2011; Kosodo et al.,2011). Первая информация о возможной роли INM на выбор судеб получены благодаря фармакологическим манипуляциям с цитоскелетом, которые выявили альтерации в INM и нарушения нейрогенеза (Murciano et al.,2002; Frade,2002). Потенциально такие нарушения д. вызывать пертурбации множественных параметров, которые влияют на нейрогенез. Важно однако , что в нейроэпителиальных клетках сетчатки рыбок данио паттерн INM коррелирует с нейрогенезом (Baye and Link,2007). В частности, клетки с ядрами, которые перемещаются более базально во время интерфазы, были более склонны делиться нейрогенетически в следующих митозах. Фактически, чем дальше ядра перемещаются от апикальной поверхности, тем вероятнее, что клетка предшественница будет продуцировать нейроны при следующем делении. Это взаимоотношение между позицией ядра и нейрогенезом, как было установлено, зависит от апикобазальной клеточной полярности, а блокирование нейрогенеза не меняет паттерна миграции ядер (Baye and Link,2007). последующем исследовании INM оценивали у мутантов dynactin/p150, активирующей субъединице цитоплазматического Dynein (Del Bene et al.,2008). Ядра мутантных клеток мигрировали более базально, а нейрогенез ускорялся. Более того, компьютерный анализ изображений поведения нейроэпителиальных клеток сетчатки мышей in vitro что один из параметров, который может быть использован для предсказания способа клеточного деления это перемещения ядра (Cohen et al.,2010). Итак, эти результаты указывают, что позиция ядра во время интерфазы влияет на способ клеточного деления в последующих митозах путем реакции на поляризованные сигналы внутри клетки (Fig. 6). Экспериментальные нарушения развивающейся коры мышей также подтверждают роль INM в воздействии на нейрогенез. Напр., в кортикальных предшественниках, если микротрубочки, связывающие апикальную центросому и ядра, разрушены, то INM ослаблено и пул предшественников истощен из-за избыточного выхода из клеточного цикла. Дополнительные эксперименты, которые затрагивали микротубулярные моторы, взаимодействия моторов с ядром или контракции актомиозина, также изменяли нейрогенез нейральных предшественников мышей (Ge et al.,2010; Schenk et al.,2009; Tsai et al.,2005, 2009; Xie et al.,2007; Zhang et al.,2009). Однако для кортекса мышей time-lapse анализ для теста, коррелирует ли глубина перемещения ядер со способом клеточного деления, отсутствует.

Figure 6. Polarized signals, interkinetic nuclear migration, and cell fate. Schematic of two cells initiating INM (with grey or black nuclei on left). Through the influence of polarized signals within the cells (purple and orange gradients), nuclei that migrate to different apicobasal positions respond differentially to influence the mode of the next cell division (represented by color changes in the nucleus: grey to blue or black to green).

INTRINSIC POLARITY AND LOCALIZED SIGNALING

Как может положение ядра влиять на способ деления клетки? Поскольку нормальное соотношение разных типов клеточных делений, также как и типов клеток, может быть воспроизведено в клональной плотности клеточных культур in vitro, то механизмы, которые облегчают взаимоотношение между положением ядра и нейрогенезом, должны быть прирожденными и/или локально обусловлены (Jensen and Raff,1997; Qian et al.,1998; Cayouette et al.,2003; Shen et al.,2006). Одним из сигналных путей, подтвержденным экспериментальными наблюдениями, является путь Notch. Многие исследования показали, что высокая активность Notch в клетках нейральных предшественников способствует пролиферативным клеточным делениям и повторному вступлению в клеточный цикл. В развивающемся нейроэпителии сетчатки рыб и кур маркеры активности Notch высоко поляризованы вдоль апикобазальной оси (Murciano et. al.,2002; Del Bene et al.,2008; Cisneros et al.,2008). Напр., time-lapse анализ выявил, что ядра приближенные к апикальной поверхности, обнаруживают повышенную активность Notch мишени промотора гена her4 (Del Bene et al.,2008; Yeo et al.,2007). Поскольку иммунолокализация непреобразованного Notch рецептора неосуществима для позвоночных, у Drosophila сигнальный белок сильно обогащен в апикальном домене (Genevet et al.,2009; Maitra et al.,2006; Vaccari and Bilder,2005). Потенциально, множественные сигналы, ассоциированные с апикальным доменом, могут влиять на нейрогенез посредством нескольких механизмов. Сюда входит становление поляризованных сигналов, которые дифференциально могут влиять посредством расположения ядра во время интерфазы, и с помощью асимметричного наследования дочерними клетками при цитокинезе. В базальном endfeet, локальные сигналы, ассоциированные с базальной ламиной или с сосудистыми эндотелиальными клетками, как полагают, модулируют нейрогенез, хотя роль INM в обеспечении наблюдаемых эффектов неизвестна (Shen et al.,2004; Tsuda et al.2010; Siegenthaler et al.,2009).

ROBUSTNESS THROUGH FEEDBACK

Итак. мы обсудили некоторые ключевые клеточно биологические влияния на выбор клетками судьбы в развивающейся нервной системе. Эти признаки гетерогенны в популяции нейральных предшественников, а элементы их поведения, по-видимому, стохастические. Большинство решений по выбору клеточной судьбы в нейроэпителии позвоночных само по себе, по-видимому, избирательно частично благодаря вероятностным механизмам. Однако поскольку клональный размер и состав может широко варьировать среди популяций предшественников, то финальный размер и состав любой определенной области в ЦНС тонко контролируется (Leber et al.,1990; Walsh and Cepko,1992; Ware et al.,1999; Turner and Cepko,1987; Turner et al.,1990). Это, по-видимому, сопровождается частично через обратную связь клеток с системой. Напр., постмитотические клетки могут высвобождать сигналы, которые помогают контролировать количество клеток данного типа, который генерируется. Одним из лучших примеров этого является секреция ганглиолярными клетками сетчатки Hedgehog, который блокирует образование большего количества ганглиолярных клеток в сетчатке (Wang et al.,2005; Locker et al,2006). Устранение ретинальных ганглиолярных клеток снижает количество Hedgehog в окружении и поощряет увеличение продукции дополнительных ретинальных ганглиолярных клеток (Wang et al.,2005; Wang et al.,2002; Poggi et al.,2005). Др. классическим примером обратной связи уровня передачи сигналов активность Notch и латеральное ингибирование (Cau and Blader,2009; Fortini and Bilder,2009; Tien et al.,2009). Обратная связь и гомеостатический контроль также появляются на клеточном биологическом уровне. Во время INM, когда одно клеточное ядро путешествует в направлении апикальной поверхности, соседние ядра вытесняются (Norden et al.,2009; Kosodo et al.,2011). Т.о., неавтономные эффекты от соседних клеток влияют на то, как данное ядро будет путешествовать в направлении базальной поверхности, которые защищают установленные пропорции ядер в "активных" сигнальных зонах и тем самым могут помочь поддерживать корректное соотношение каждого из способов делений или решения по выбору др. судеб клеток. Сходным образом, неавтономные эффекты могут происходить на апикальной поверхности, чтобы контролировать соответственно пропорциональные судьбы. Из-за апикальных соединений, соединяющих клетки в эпителий, когда одна клетка увеличивает размер своей апикальной мембраны, то соседние клетки д. уменьшать размер своего апикального домена. Это д. приводить к изменениям в сигнальной активности, ассоциированной с апикальным доменом, или изменять вероятность асимметричной сегрегации. Т.о., как результат плотной упаковки и поляризации, обратная связь и гомеостаз облегчают и улучшают предсказуемость судеб делений для популяции нейроэпителия как целого.

PARAMETER INTERACTIONS

Итак, экспериментальные наблюдения подтверждают, что множественные биологические сигналы влияют на нейрогенные решения в клетках предшественниках (Fig. 7). Напр., поскольку индивидуальные манипуляции с ориентацией веретена, кинетикой клеточного цикла или INM аждая оказывает влияние на способ клеточного деления во многих типах нейроэпителиальных клеток, эффекты редко бывают абсолютными. Следовательно, пропорции судеб могут быть сдвинуты, но они являются редкими, даже если полностью блокированы. Следовательно, скорее всего, что многие из обсуждаемых параметров кооперируют со склонностью к выбору судьбы, вообще то посредством множественных клеточных циклов. Параметры взаимодействий могут быть антагонистичными, аддитивными, синергичными или могут нуждаться в совпадении. Они могут взаимодействовать одновременно, как в отношении кинетики клеточного цикла, так и позиции ядра или последовательно как в случае асимметричного наследования при цитокинезе и вследствие интерфазных влияний. В качестве гипотетического примера клетка предшественница, подвергающаяся цитокинезу может распределять свой апикальный домен и базальный отросток односторонне. Клетка, которая получает апикальный домен, может также наследовать материнскую центриолю (Fig. 3, cell A). Судьбоносные детерминанты, ассоциированные с этими клеточными признаками, д. инициировать гетерогенность между дочерними клетками. Дальнейшая склонность в выборе судьбы может затем зависеть от набора различий в длине G1 фазы и глубины миграции ядра, всё это комбинируется. чтобы дать определенный способ деления и вообще дифференциальные клеточные судьбы в следующем митозе.

Figure 7. Schematic emphasizing the potential interactions between the various cell biological influences on neuroepithelial cell fate. Apicobasal cell polarity is essential for inputs such as asymmetric segregation and the degree of polarity may act as a fulcrum to bias partitioning of determinants. Asymmetric segregation establishes initial bias, while interphase parameters such as nuclear position through INM or heterogeneity in cell-cycle phase kinetics further influence fate. Feedback and homeostasis act as balancing weights to provide robustness. Ultimately, it is the combination of multiple inputs that drives one fate versus another.

CHALLENGES MOVING FORWARD

Many challenges remain before a more complete picture of vertebrate neurogenesis can emerge. One challenge is addressing the unique qualities of specific neuronal regions or even restricted progenitor cells from a single brain area. Most neuronal progenitors exhibit all of the features discussed here, but important exceptions are exemplified from studies of the developing mammalian cortex (reviewed in Fietz and Huttner,2010). After the onset of neurogenesis, ventricular zone neuroepithelial progenitors (also known as radial glia) primarily divide asymmetrically and generate additional progenitors and neurons or, later, glia cells (Malatesta et al.,2000; Miyata et al.,2001; Noctor et al.,2001). As development progresses, it is now well established that the progenitors do not simply produce more ventricular zone neuroepithelial progenitors, but instead can generate distinct types of progenitors that can be classified based on their polarity and position. Furthermore, there seems to be some variability in morphology and properties of the various progenitors depending on the species. For example, basal progenitors (also known as intermediate progenitors or subventricular zone progenitors) appear not to be polarized, do not undergo INM, and divide symmetrically to generate either two more progenitors or two neurons (Miyata et al.,2004; Noctor et al.,2004; Haubensak et al.,2004; Englund et al.,2005). In addition, another class of progenitor cells has recently been described for the mammalian cortex, termed outer subventricular zone progenitors (and also known as outer radial glia) (Reillo et a.l.,2010; Hansen et al.,2010; Fietz et al.,2010; Wang et al.,2011). In contrast to basal progenitors, outer subventricular zone progenitor cells are polarized and always divide asymmetrically to generate another outer radial glial cell and a neuron. In addition, they lack an apical process and undergo mitotic somal translocation instead of INM. While some of the cellular influences discussed here may still direct cell fate choices in these various progenitors, those cells that lack features such as a defined apical domain or interkinetic nuclear movements, must employ other mechanisms to parse cell fate. Further investigation is required to determine the exact cellular regulatory features and their relative contributions to neurogenic fates for each type of progenitor cell. Overall, the diversity of progenitor types described for the developing mammalian cortex highlights the importance of studying the cell biological inputs on a cell-by-cell basis.

Perhaps paramount among the challenges for developmental neurobiologists is filling in the mechanistic details for how the various cell biological phenomena regulate neurogenesis. For example, what precisely are the fate determinants associated with the apical domain or with mother versus daughter centrosomes? From a molecular perspective, how does the length of G1 phase influence cell-cycle exit? How do polarized signals transit to the nucleus to regulate cell fates? Do developmental timers exist and how do they modulate intrinsic competency states of progenitor cells? While the contribution of stochastic cell biological inputs and deterministic programs for cell fate can currently be best determined on a per cell basis, deeper descriptive characterizations of whole progenitor lineages and sophisticated cell–cell behaviors are also needed, particularly in vivo. This will require novel imaging strategies and technologies, as well as computational methodologies for identifying complex interactions among fate-influencing parameters. In addition, identification of markers for specific progenitor lineages will be required to assay the influence of cell biological inputs on the decisions that regulate different types of division modes and differentiated cell types.

Another challenge arises from the functional pleiotropy of the molecules and signaling pathways that affect the cellular behaviors implicated in neurogenesis. For example, cytoplasmic dynein can affect nuclear position, spindle orientation, and apicobasal cell polarity, among other processes. Many of the other proteins and signaling pathways that underlie the cellular processes discussed here also exhibit significant pleiotropy. Therefore, techniques for disrupting protein functions in a process-dependent fashion, subcellular manner, or with exquisite temporal precision will be required in many instances to accurately parse cause and effect between cellular features and fate. Such challenges will undoubtedly keep developmental and cellular neurobiologists busy for years to come.

Cell biological regulation of division fate in vertebrate neuroepithelial cellsMinde I. Willardsen, Brian A. Link Developmental Dynamics Volume 240, Issue 8, pages 1865–1879, August 2011 | DOI: 10.1002/dvdy.22684

Cell biological regulation of division fate in vertebrate neuroepithelial cells
Minde I. Willardsen, Brian A. Link
Developmental Dynamics Volume 240, Issue 8, pages 1865–1879, August 2011 | DOI: 10.1002/dvdy.22684