Имеются три основных региона в мозжечке: кора, белое вещество и ядра. Кора мозжечка включает несколько типов глютаматергических возбуждающих и GABAergic ингибирующих волокон. Глютаматергические нейроны представлены гранулярными клетками и unipolar brush cells (UBCs), тогда как GABAergic популяция включает клетки Purkinje, Golgi, Lugaro, звездчатые, корзинкообразные (basket) и подсвечникобразные (candelabrum). Cerebellar nuclei (CN) представлены тремя основными типами нейронов: нейроны с крупными глютаматергическими проекциями (CN-Glu neurons), нейроны со среднего размера GABAergic ингибирующими проекциями (CN-GABA-ION neurons) и маленькие GABAergic интернейроны (CN-GABA interneurons). CN-GABA-ION нейроны простирают свои аксоны в нижние ядра олив (inferior olivary nucleus (ION)) (Carletti & Rossi 2008), тогда как CN-Glu нейроны посылают свои аксоны в ядра вне мозжечка, включая красное ядро и талямус. Эти нейроны взаимно регулируют активность др. др., чтобы собственно обеспечить функцию мозжечка.

Во время развития нейроэпителий алярной пластинки ромбомера 1 (r1) генерирует все типы нейронов мозжечка (Millet et al. 1996; Wingate & Hatten 1999; Chizhikov & Millen 2003; Zervas et al. 2004). Наиболее дорсальная часть нейроэпителия, верхняя (roof) пластинка, из r1 не генерирует нейроны, но продуцирует клетки хороидного сплетения (Chizhikov et al. 2006). Нейроэпителий, продуцирующий нейроны мозжечка может быть подразделен на два региона; rhombic lip (RL) и ventricular zone (VZ). Эти два региона могут быть морфологически различены по локализации на их границе notch.

Хотя исследования мозжечка имеют очень длинную историю (Cajal 1909), молекулярный аппарат, посредством которого происходит спецификация подтипов нейронов, всё ещё неясен. В 1997, Ben-Arie et al. сообщили, что basic-helix-loop-helix типа (bHLH) транскрипционный фактор, Atoh1 (также наз. Math1), экспрессируется в ромбической губе и участвует в генерации гранулярных клеток мозжечка (Ben-Arie et al. 1997). В то время верили, что только гранулярные клетки генерируются из ромбической губы, тогда как остальные нейроны продуцируются из VZ мозжечка. Хотя некоторые исследования прояснили способ спецификации гранулярных клеток, как развиваются др. типы нейронов мозжечка остается неясным до сих пор.

Во время генерации некоторых трансгенных мышей, наша группа получила мутантную линию "cerebelless", в которой гомозиготы обладали нескоординированными передвижениями, атактической походкой и тремором. Удивительно, взрослые мыши оказались лишены полностью коры мозжечка. У этих мутантов отсутствовали GABAergic ингибирующие нейроны, продуцируемые обычно зачатком мозжечка. Напротив, популяции glutamatergic нейронов первоначально генерировались, но glutamatergic гранулярные клетки вторично терялись на постнатальных стадиях. В конечном итоге вся кора мозжечка терялась у этих мутантов (Hoshino et al. 2005). Был идентифицирован чувствительный ген, pancreatic transcription factor 1a (Ptf1a), bHLH транскрипционный фактор, известный свои участем в развитии поджелудочной железы. Этот ген экспрессируется в нейроэпителии VZ, но не в RL и его экспрессия теряется у мутантов cerebelless. Анализ отслеживания клонов с помощью Cre-loxP рекомбинации показал, что большинство типов GABAergic нейронов мозжечка (Purkinje, Golgi, basket, stellate клетки и GABAergic нейроны в CN) происходят из нейроэпителиальных клеток, экспрессирующих Ptf1a в VZ, но glutamatergic нейроны, такие как гранулярные клетки и CN-Glu нейроны, нет. Потеря экспрессии Ptf1a у cerebelless также как и у Ptf1a-нокаутных мышей приводила к подавлению продукции GABAergic нейронов в зачатке мозжечка. Более того, эктопическое введение Ptf1a посредством in utero электропортации приводило к аномальной продукции нейронов с GABAergic характеристиками в дорсальной части телэнцефалона: дорсальная часть телэнцефалона продуцирует только glutamatergic нейроны в обычных условиях. Кроме того, Pascual et al. (2007) сообщили, что у Ptf1a-нулевых мутантов судьба нейронов, продуцируемых из VZ, изменяется так, что они становятся гранулярными клетками. Более того, недавнее исследование по генетическому картированию судеб с использованием Ascl1CreER knock-in мышей, показало, что др. GABAergic нейроны мозжечка, такие как клетки Lugaro и candelabrum, также происходят из VZ мозжечка (Sudarov et al. 2011). Эти наблюдения подтвердили, что Ptf1a, экспрессируемый в VZ мозжечка, детерминирует судьбы GABAergic нейронов с мозжечке. PTF1A был также идентифицирован в качестве причинного гена болезни человека, которая характеризуется постоянным диабетом mellitus новорожденных и агенезом мозжечка (Sellick et al. 2004).

Сразу же после нашего сообщения группы Zoghbi's и Fishell's сообщили о молекулярном картировании судеб производных нейроэпителиальных клеток, экспрессирующих Atoh1 в RL мозжечка (Machold & Fishell 2005; Wang et al. 2005). Они показали, что не только гранулярные клетки, но и также, по крайней мере, некоторые DCN нейроны происходят из RL, хотя они не делали различия между типами нейронов в CN. В их исследованиях RL-производные нейроны CN, как было установлено, нарушаются у мутантов Atoh1. Поскольку GABAergic, но не glutamatergic CN нейроны были производными Ptf1a-экспрессирующих нейроэпителиальных клеток в VZ (Hoshino et al. 2005), то это указывает на то, что glutamatergic нейроны мозжечка такие как гранулярные клетки и CN-Glu нейроны происходят из RL. Соотв., однополярные brush клетки, которые являются glutamatergic, также, как было установлено, возникают из RL (Englund et al. 2006).

Итак, эти исследования указывают на присутствие двух молекулярно предопределенных нейроэпителиальных областей в мозжечке, Atoh1-экспрессирующей RL и Ptf1a-экспрессирующей VZ, которые генерируют glutamatergic и GABAergic нейроны, соотв. Определенный bHLH транскрипционный фактор, участвует в продукции соотв. нейронального подтипа в мозжечке. Эти факты подтверждают модель, согласно которой регионализация нейроэпителия мозжечка на два самостоятельных региона, VZ и RL, обеспечивается двумя bHLH транскрипционными факторами, Atoh1 и Ptf1a (Hoshino 2006). Во время эмбрионального развития вентральная часть нейроэпителия мозжечка экспрессирует Ptf1a, наделяя VZ характеристиками мозжечок и способностью генерировать GABAergic нейроны, тогда как дорсальная часть нейроэпителия мозжечка экспрессирует Atoh1 и становится RL мозжечка, продуцируя glutamatergic нейроны. В телэнцефалоне происходит сходная регионализация с помощью bHLH транскрипционных факторов. Glutamatergic нейроны возникают из дорсального нейроэпителия, экспрессирующего Neurogenin 1/2 (Ngn 1/2), а GABAergic нейроны продуцируются из вентрального нейроэпителия, экспрессирующего Ascl1 (также наз. Mash1) (Wilson & Rubenstein 2000).

Как формируются эти области нейроэпителия? В целом roof пластинка может влиять на дорсальные структуры нервной трубки (Lee et al. 2000; Millonig et al. 2000). Chizhikov et al. (2006) установили, что roof пластинка играет важную роль в формировании дорсо-вентрального домена мозжечка путем анализа мутантных мозжечков, которые лишены roof пластинки. Более того, было установлено, что bone morphogenetic proteins (BMPs) , секретируемый roof пластинкой, а также передача сигналов Notch участвуют в формировании RL и VZ (Machold et al. 2007). Исследования in vitro показали, что индуцируемые из ES клеток клетки Пуркинье, которые лишены передачи сигналов sonic hedgehog, могут предоставлять дорсо-вентральную пространственную информацию о VZ мозжечка в нейроэпителий мозжечка, это в конечном счете приводит к экспрессии Ptf1a (Muguruma et al. 2010).

Хот и получены некоторые разъяснения относительно аппарата, управляющего спецификацией подтипов GABAergic и glutamatergic нейронов с помощью транскрипционных факторов, молекулярные механизмы спецификации каждого подтипа GABAergic (e.g. Purkinje, Golgi, basket, stellate cells и CN-ION, CN-interneurons) или glutamatergic (e.g. granule, unipolar brush cells and CN-Glu neurons) нейронов остается неизвестной. Исследования с использованием 3^H-thymidine и BrdU (Chan-Palay et al. 1977; Batini et al. 1992; De Zeeuw & Berrebi 1995; Sultan et al. 2003; Leto et al. 2006) , а также аденовируса (Hashimoto & Mikoshiba 2003) выявили, что каждый тип нейронов генерируется на определенных стадиях онтогенеза.

Относительно GABAergic нейронов, клетки Пуркинье продуцируются рано (embryonic day (E) 10.5-13.5 у мышей), Golgi клетки несколько позднее (E13.5-postonatal day (P) 0) , а stellate/basket клетки в основном перинатально. Новейшие исследования Sudarov et al. показали, что candelabrum клетки генерируются около P0, тогда как GABAergic CN нейроны возникают на ранних стадиях (E10.5-11.5). Относительно glutamatergic нейронов в дополнение к приведенным выше исследованиям базирующимся на молекулах отлеживание клонов (Machold & Fishell 2005; Wang et al. 2005; Englund et al. 2006) прояснило, что CN-Glu нейроны покидают RL мозжечка на ранних стадиях (E10.5-12.5), а гранулярные клетки и однополярные brush клетки в середине поздней стадии (гранулярные клетки; ~ E12.5 - perinatal, ubc: приблизительно E12.5-E18.5). Кроме того, клональный анализ, базирующийся на соматической рекомбинации подтвердил, что Purkinje, Golgi и basket/stellate клетки, а также некоторые CN нейроны (возможно GABAergic) относятся к одному и тому же клону (Mathis et al. 1997; Mathis & Nicolas 2003). Эти данные указывают, что некоторая временная информация в нейроэпителии может быть использована для спецификации типов нейронов в RL и VZ, соотв. Однако лежащие в основе молекулярные механизмы ещё не установлены.

Некоторые ученые предприняли попытки разделить структуру зачатка мозжечка на несколько доменов (Fig. 1). Chizhikov et al. (2006) выявили 4 клеточные популяции (обозначены c1-c4 доменами) в зачатке мозжечка благодаря экспрессии немногих транскрипционных факторов. Домен c1 соответствует Atoh1-экспрессирующей RL, а c2 располагается непосредственно выше Ptf1a-экспрессирующей VZ (обозначен pc2), указывая, что клетки c2 в основном состоят из GABAergic ингибирующих нейронов. Хотя c3 и c4 экспрессируют Lmx1a и Lhx1/5, соотв., их нейрональные подтипы всё ещё неизвестны. Эта доменовая структура нарушается, когда roof пластинка удалена (Chizhikov et al. 2006).Более того, на ранних стадиях нейрогенеза (e.g. E12.5 у мышей), Minaki et al. (2008) подразделили домен c2 на дорсально (c2d) и вентрально (c2v) расположенные субдомены, которые экспрессируют corl2 и Pax2, соотв. В то время как corl2 экспрессируется исключительно в незрелых и зрелых клетках Пуркинье (Minaki et al. 2008), Pax2 экспрессируется в GABAergic интернейронах (e.g. Golgi, stellate, basket, CN-GABA нейронах) в мозжечке (Maricich & Herrup 1999; Weisheit et al. 2006). Они также подразделили Ptf1a-экспрессирующий нейроэпителиальный домен (pc2) на pc2d и pc2v, которые сильно и слабо экспрессируют E-cadherin, соотв. Исходя из позиции нейроэпителия и субдоменов нейронов, они предположили, что pc2d нейроэпителиальный субдомен продуцирует клетки в c2d домен, который дает клетки Пуркинье, тогда как pc2v субдомен генерирует клетки в c2v, которые становятся GABAergic интернейронами (Mizuhara et al. 2010). По ходу развития, pc2d и pc2v субдомены уменьшаются и расширяются, соотв. и на E14.5 у мышей Ptf1a-экспрессирующий pc2 домен представлен только субдоменом pc2v, который слабо экспрессирует E-cadherin. Это коррелирует с тем фактом, что на at E14.5, Ptf1a-экспрессирующий нейроэпителий не продуцирует клетки Пуркинье, а Pax2-позитивные интернейроны (Maricich & Herrup 1999; Hashimoto & Mikoshiba 2003). Экспрессия некоторых др. транскрипционных факторов в VZ мозжечка во время развития также описана. Напр., , Zordan et al. (2008) описали паттерны экспрессии пронейральных bHLH транскрипционных факторов, таких как Ngn1, Ngn2 и Ascl1 в VZ мозжечка, хотя их функция в развитии мозжечка всё ещё неизвестна. Сообщалось, что Pax2-позитивные нейроны, но не клетки Пуркинье, редуцированы в Ascl1-нулевом мозжечке (Grimaldi et al. 2009), тогда как клетки Пуркинье редуцированы у Ngn1-нулевых мышей (Lundell et al. 2009), указывая, что эти bHLH транскрипционные факторы играют разные роли в развитии мозжечка.

Кроме того, несколько транскрипционных факторов было описано, которые участвуют в развитии специфических типов нейронов мозжечка. Двойной нокаут Lhx1 и Lhx5 , а также целенаправленное разрушение их кофактора Ldb1 приводит к отсутствию продукции клеток Пуркинье в мозжечке, хотя Pax2-позитивные промежуточные нейроны, по-видимому, не затронуты. Поскольку Lhx1 и Lhx5 экспрессируются в постмитотических клетках, то это указывает на то, что Lhx1, Lhx5 и Ldb1 участвуют в постмитотической спецификации клеток Пуркинье (Zhao et al. 2007). Кроме того, у cyclin D2 KO мышей пул предшественников GABAergic интернейронов преждевременно растрачивается и количество предшественников существенно редуцируется, приводя к удивительному снижению количества поздно возникающих интернейронов, таких как звездчатые клетки (Huard et al. 1999; Leto et al. 2011).

Из RL генерируется несколько типов glutamatergic нейронов, таких как CN-Glu нейроны, гранулярные клетки и однополярные brush клетки (Machold & Fishell 2005; Wang et al. 2005; Englund et al. 2006). CN-Glu нейроны покидают RL рано во время нейрогенеза. Некоторые транскрипционные факторы, такие как Tbr1, Irx3, Meis2, Lhx2 и Lhx9 экспрессируются в постмитотических предшественниках CN-Glu нейронов, но из роли неясны (Morales & Hatten 2006). Др. молекула, такая как Zic1 (Aruga et al. 1998), как известно, играет важную роль в миграции, созревании и выживании гранулярных клеток, но молекулярные события, лежащие в основе спецификации качественных особенностей гранулярных клеток, неизвестны. Однако однополярные brush клетки строго экспрессируют Tbr2, его функция остается неизвестной.

Исследования гетротопических и гетерохронических трансплантаций также предоставили важные указания для понимания развития мозжечка (Carletti & Rossi 2008). Когда ткани из эмбрионального и постнатального мозжечка перемешивали и трансплантировали в четвертый желудочек взрослых мышей, то клетки постнатального происхождения дифференцировались только в интернейроны, такие как гранулярные, корзинчатые и звездчатые клетки, но не в проекционные нейроны, такие как клетки Пуркинье, тогда как клетки эмбрионального происхождения m,skb способны становиться всеми тапами нейронов мозжечка (Jankovski et al. 1996). Было также установлено, что диссоциированные клетки, взятые из зачатка мозжечка на ранних стадиях нейрогенеза могут дифференцироваться во все основные типы нейронов мозжечка, тогда как те, что происходили из постнатального мозжечка дифференцировались только в Pax2-позитивные интернейроны (Carletti et al. 2002). Эти находки указывают на то. что компетентность к дифференцировке предшественников мозжечка становится ограниченной по ходу развития. Однако молекулярные механизмы, лежащие в основе процесса ограничения судеб неизвестны. Интересно, Leto et al. (2006) предположили, что Pax2-позитивные интернейроны, такие как Golgi, stellate, basket клетки и CN-GABA интернейроны происходят из одного и того же пула предшественников. Leto et al. (2009) также выяснили, что после выхода из VZ, предшественники GABAergic интернейронов продолжают пролиферировать в проспективном белом веществе во время поздней эмбриональной и постнатальной стадии развития. Их трансплантационнные исследования показали, что терминального предопределения не происходит, поскольку предшественники всё ещё пролиферируют, но оно происходит постмитотически в соответствии со специфической для хозяина информацией, указывая на инструктивные сигналы, предоставляемые микроусловиями проспективного белого вещества.