Посещений:
КРАНИАЛЬНЫЕ ГАНГЛИИ

Роль Neurog1 и Neurog2

Differential contribution of Neurog1 and Neurog2 on the formation of cranial ganglia along the anterior-posterior axis
Masumi Takano-Maruyama, Yiju Chen, Gary O. Gaufo
Developmental Dynamics Volume 241, Issue 2, pages 229–241, February 2012

Background: The neural crest (NC) and placode are transient neurogenic cell populations that give rise to cranial ganglia of the vertebrate head. The formation of the anterior NC- and placode-derived ganglia has been shown to depend on the single activity of either Neurog1 or Neurog2. The requirement of the more posterior cranial ganglia on Neurog1 and Neurog2 is unknown. Results: Here we show that the formation of the NC-derived parasympathetic otic ganglia and placode-derived visceral sensory petrosal and nodose ganglia are dependent on the redundant activities of Neurog1 and Neurog2. Tamoxifen-inducible Cre lineage labeling of Neurog1 and Neurog2 show a dynamic spatiotemporal expression profile in both NC and epibranchial placode that correlates with the phenotypes of the Neurog-mutant embryos. Conclusion: Our data, together with previous studies, suggest that the formation of cranial ganglia along the anterior-posterior axis is dependent on the dynamic spatiotemporal activities of Neurog1 and/or Neurog2 in both NC and epibranchial placode. Developmental Dynamics 241:229–241, 2012. © 2011 Wiley Periodicals, Inc.


Рисунки к статье

Краниальные плакоды и нервный гребень (NC) важны для генерации сложных автономных рефлекторных схем (circuitry) головы и тела позвоночных (Le Douarin et al., 1981; D'Amico-Martel and Noden, 1983; Baker and Bronner-Fraser, 1997, 2001; Schlosser, 2010). В частности, эти две переходные популяции нейрогенных клеток дают краниальные сенсорные и парасимпатические ганглии. Краниальные плакоды являются специализированными фокальными утолщениями эктодермы, расположенной на боковых поверхностях лица и бранхиальных дуг (bas). Они дают краниальные сенсорные ганглии, которые воспринимают информацию о температуре, прикосновениях, балансе, звуках и висцеральных или автономных функциях (Fode et al., 1998; Ma et al., 1998). Расположение этих ганглиев вдоль anterior-posterior (AP) следующее: trigeminal, geniculate, vestibulocochlear, petrosal и nodose ганглии, которые вносят вклад в краниальные нервы V, VII, VIII, IX и X, соотв. Эти ганглии также получают вклад от клеток NC, которые возникают в дорсальной части среднего мозга и специфических ромбомеров rhombomeres (r) заднего мозга.
NC также дает начало postganglionic (PG) нейронам парасимпатических ганглиев, которые функционально взаимно дополняют происходящие из эпибранхиальной плакоды висцеральные сенсорные ганглии, ассоциированные с краниальными нервами VII, IX и X (D'Amico-Martel and Noden, 1983; Enomoto et al., 2000; Yang et al., 2008; Coppola et al., 2010; Takano-Maruyama et al., 2010; Chen et al., 2011). (Отметим, что ресничатый ганглий, ассоциированный с черепным нервом III не входит в состав этой категории, поскольку не ассоциирован с комплементарным происходящим из эпибранхиальной плакоды висцеральным сенсорным ганглием.) Подобно происходящим из NC предшественникам проксимальных ганглиев, происходящие из NC предшественники парасимпатических ганглиев расположены в специфических плакодах вдоль AP оси (Takano-Maruyama et al., 2010). Позиционные взаимоотношения между клетками плакод и NC реципрокные и являются критическими для их соотв. миграции, дифференцировки и ганглиогенеза (Stark et al., 1997; Begbie and Graham, 2001; Shiau et al., 2008; Coppola et al., 2010; Takano-Maruyama et al., 2010). Очевидно, что расположение и последующее взаимодействие между клетками плакод и NC являются критическими для становления функциональной организации периферических взаимоотношений (circuit), соответствующих разным краниальным нервам вдоль AP оси. Это, по-видимому, общее свойство черепно-лицевого морфогенеза (Lumsden and Keynes, 1989; Lumsden et al., 1991; Lumsden and Krumlauf, 1996).
Образование происходящих из NC и плакод ганглиев контролируется с помощью как клеточно автономных, так и не автономных механизмов. bHLH транскрипционные факторы Neurog1 и Neurog2 являются принципиальными клеточно-автономными детерминантами краниальных сенсорных ганглиев (Fode et al., 1998; Ma et al., 1998). Neurog1 необходим для формирования происходящего из NC тройничного и происходящего из плакод вестибуло-кохлеарного ганглиев, а Neurog2 необходим для формирования происходящих из плакод коленообразного (geniculate) ганглия. Эти наблюдения подтверждают модель, согласно которой краниальные ганглии происходят из комплементарной эмбриональной ткани (NC и плакод) в зависимости от активности или Neurog1 или Neurog2. Тройничный ганглий, как было установлено, находится под клеточно не автономным контролем (Stark et al., 1997; Schwarz et al., 2008; Shiau et al., 2008). Ганглиогенез тройничного ганглия нуждается в реципрокном взаимодействии между происходящим из среднего мозга NC и клетками, происходящими глазной плакоды. На молекулярном уровне это взаимодействие, по-видимому, осуществляется между рецептором Robo2, экспрессируемым плакодными клетками и его известным лигандом Slit1, экспрессируемым клетками NC (Shiau et al., 2008).
Подобно тройничному ганглию реципрокное взаимодействие между происходящими из r4 клетками NC и соседними клетками, происходящего из плакоды коленообразного ганглия в ba2 является критическим для парасимпатического и висцерального сенсорного ганглиогенеза. соотв. (Begbie and Graham, 2001; Coppola et al., 2010; Takano-Maruyama et al., 2010). В отсутствие происходящих из r4 клеток NC, соседние клетки, происходящего из плакоды коленообразного ганглия, неспособны мигрировать внутрь и образуют соотв. соединения с задним мозгом (Begbie and Graham, 2001). Напротив, потеря происходящего из плакоды коленообразного ганглия приводит к апоптозу происходящего из r4 NC, предназначенного для создания парасимпатических sphenopalatine и submandibular ганглиев (Coppola et al., 2010; Takano-Maruyama et al., 2010). Реципрокное взаимодействие между происходящими из плакоды клетками и клетками, происходящими из NC , следовательно, вносит вклад в образование общего ганглия (напр., тройничного) или дополнительного функционального ганглия (напр., висцерального сенсорного коленообразного и парасимпатического sphenopalatine/submandibular ганглия), которые вносят вклад в общий автономный нейральный circuit.
Упомянутые выше исследования концентрировались на регуляции передних краниальных ганглиев, тройничном, коленообразном, основно-нёбном и подчелюстном (Fode et al., 1998; Ma et al., 1998; Coppola et al., 2010; Takano-Maruyama et al., 2010). Однако желательно определить, существуют ли молекулярные и клеточные потребности, которые существенны для передних краниальных ганглиев и необходимы также для более задних краниальных ганглиев. Тщательный анализ молекулярных и клеточных потребностей для краниального ганглиогенеза вдоль AP оси может выявить как отличающиеся, так и общие регуляторные принципы, которые управляют этим критическим процессом развития.
Мы исследовали потребность в Neurog для более задних происходящих из плакод висцеральных сенсорных узлов и происходящих из NC парасимпатических отических ганглиев. Мы установили, что в отличие переднего краниального ганглия (Fode et al., 1998; Ma et al., 1998; Coppola et al., 2010; Takano-Maruyama et al., 2010; Chen et al., 2011), более задние краниальные ганглии нуждаются как в Neurog1, так и Neurog2. В дополнение к их известной экспрессии в плакодах и происходящих из плакод висцеральных сенсорных ганглиях (Fode et al., 1998; Ma et al., 1998), мы установили с помощью временного картирования судеб, что Neurog1 и Neurog2 экспрессируются в клетках NC, предназначенных стать парасимпатическим отическим ганглием. В частности, Neurog2 обладает довольно выраженной активностью в клетках NC, предназначенных стать клоном PG, тогда как активность Neurog1 является временной. Это указывает на то, что синергичная активность Neurog1 и Neurog2 скоординирована во времени и пространстве и происходит в узком временном промежутке среди небольших популяций клеток NC. Наши наблюдения указывают на то, что образование краниальных ганглиев вдоль AP оси зависит от динамической и дифференциальной экспрессии Neurog генов как в плакодах, так и NC.

DISCUSSION


В данном исследовании мы установили, что образование краниальных сенсорных и парасимпатических ганглиев нуждается в дифференциальной активности Neurog1 и Neurog2 вдоль AP оси. В передней области головы мы подтвердили, что образование происходящего из NC тройничного ганглия нуждается в Neurog1, а происходящий из плакоды коленообразный (geniculate) ганглий нуждается в Neurog2. Напротив, более задние ганглии нуждаются в Neurog1 и Neurog2. Картирование судеб показало, что динамические пространственно-временные активности Neurog1 и Neurog2 во время образования ганглиев из NC и плакод коррелируют с фенотипами, ассоциированными с мутациями Neurog1 и Neurog2. Наконец, экспрессия Neurog1 и Neurog2 как в плакодах, так и NC указывают на то, что образование краниальных ганглиев может регулироваться с помощью как Neurog-зависимого клеточно автономного, так и не клеточно-автономного механизмов.

Differential Contribution of Neurog1 and Neurog2 in Cranial Gangliogenesis Along the AP Axis


Учитывая предыдущие исследования, выявляется генеральный принцип того, каким образом вносят вклад Neurog1 и Neurog2 в образование ганглиев из NC и плакод вдоль AP оси. Очевидно, что наиболее передние краниальные ганглии зависят от активности по отдельности Neurog генов, тогда как более задние краниальные ганглии зависят от комбинированной активности Neurog1 и Neurog2. Напр., происходящий из NC среднего мозга тройничный ганглий и происходящие из r4 NC sphenopalatine и submandibular ганглии нуждаются или в Neurog1 или Neurog2, соотв. (Ma et al., 1998; Coppola et al., 2010; Takano-Maruyama et al., 2010). Происходящие из плакоды коленообразный и вестибуло-кохлеарный ганглии также зависят от активности одного из генов Neurog2 и Neurog1, соотв. (Fode et al., 1998; Ma et al., 1998). Однако вклад Neurog1 и Neurog2 становится всё более очевидным на задних уровнях головы. Мы установили, что хотя большинство происходящих из NC PG нейронов отического ганглия нуждаются в Neurog2 (Chen et al., 2011), образование небольшой популяции PG нейронов зависит как от Neurog1, так и Neurog2. Это также верно для происходящего из плакоды petrosal ганглия, где большинство нейронов, экспрессирующих Phox2b/Isl1, нуждаются в Neurog2, а небольшая популяция зависит как от Neurog1, так и Neurog2. В противоположность происходящим из плакоды отическому и petrosal ганглиям, образование более заднего происходящего из плакоды nodose ганглия полностью зависит от Neurog1 и Neurog2.
Каково значение в дифференциальной потребности краниальных ганглиев в генах Neurog вдоль AP оси? Потребность в Neurog1 и Neurog2 для образования ганглиев дорсальных корешков (DRG) может предоставить информацию по этому вопросу. В отсутствие Neurog1 и Neurog2, DRG не способны формироваться по всей длине спинного мозга (Ma et al., 1999). Однако потеря или Neurog1 или Neurog2 показывает, что каждый ген необходим для разных волн нейрогенеза, которые соответствуют образованию разных подтипов нейронов в DRG. Ранняя волна нейрогенеза продуцирует trkB+ и trkC+ сенсорные нейроны, которые зависят от Neurog2, тогда как поздняя волна продуцирует trKA+ сенсорные нейроны, которые зависят от Neurog1. Возможно, что этот онтогенетический феномен приложим и к др. ганглиям вдоль AP оси, при этом разные подтипы нейронов формируют паттерны за счет специфического Neurog кода. В данном исследовании, напр., мы наблюдали, что большинство PG нейронов отического ганглия нуждается в Neurog2, а остальная популяция зависит как от Neurog1, так и Neurog2. Дифференциальная потребность и относительное распределение Neurog1 - и Neurog2 -клонов меченных PG нейронов, по-видимому, коррелируют с разными подтипами нейронов в зрелом отическом ганглии. Зрелый отический ганглий содержит преимущественно возбуждающие секрецию холинергические нейроны и небольшую популяцию сосудорасширяющих не холинергических PG нейронов (Izumi, 1995; Khosravani et al., 2006; Proctor and Carpenter, 2007). Возможно, что спецификация более многочисленных холинергических нейронов нуждается в Neurog2, тогда как меньшая не холинергическая популяция зависит от Neurog1 и Neurog2. Исследования по долговременному картированию судеб Neurog1,с эмбриогенеза до взрослой стадии может предоставить информацию для этой гипотезы.
Как описано выше Neurog гены имеют специфические вклады в генез краниальных ганглиев, но наши данные также подтверждают более широкую роль. В случае DRG и отического ганглия Neurog гены, по-видимому, контролируют разные волны нейрогенеза, которые являются критическими для генерации разных подтипов нейронов. В отношении тройничного и коленообразного ганглиев возможно, что Neurog гены контролируют образование всех нейрональных популяций. Это указывает на то, что Neurog гены контролируют более ранние стадии нейрогенеза, которые влияют на последующие волны нейрогенеза, которые и дают разные подтипы нейронов. Вместе с временным картированием судеб с помощью Neurog1 и Neurog2, потребности в разных волнах краниального нейрогенеза (раннего в противовес позднему) для Neurog генов могут быть следствием изменчивости в их динамических пространственно-временных активностях вдоль AP оси.

Non-Cell- and Cell-Autonomous Requirements of Autonomic Cranial Gangliogenesis


Наши находки показали рисунки срезов r6 клона меченных клеток NC, дифференцирующихся в PG предшественники, когда они мигрируют через соседний происходящий из плакоды petrosal ганглий. Это подтвердило мнение, что дифференцировка PG предшественников может регулироваться с помощью клеточно неавтономного механизма, благодаря их взаимодействию с нейронами, происходящими из плакод (Coppola et al., 2010; Takano-Maruyama et al., 2010). Клоны, меченные Neurog1 и Neurog2 подтверждают эту идею. Мы установили, что гены, экспрессируются в предшественниках, которые дают все нейроны происходящего из плакоды petrosal ганглия (data not shown) (Fode et al., 1998; Ma et al., 1998). Однако мы также нашли, что ранняя экспрессия Neurog2 ведет к мечению NC, который дает все PG нейроны отического ганглия. Это нуждается в клеточно автономном механизме, с помощью которого Neurog2 может действовать прямо или клеточно автономно на NC, предназначенные стать PG клоном.
В элегантном исследовании, в котором Phox2b систематически устранялся или из Wnt1-экспрессирующих NC клеток или из Isl1-экспрессирующих плакодных клеток, образование различных парасимпатических ганглиев (sphenopalatine и submandibular) терялось при каждом нокауте, специфичном для клеточного домена (Coppola et al., 2010). Эта находка не только подтвердила идею, что Phox2b необходим клеточно автономно происходящим из NC нейронам PG, но и подтвердила клеточно неавтономный механизм, с помощью которого происходящие из плакод ганглии контролируют образование происходящих из NC PG нейронов. Функция Phox2b также необходима в прародителях и постмитотических предшественниках двигательных нейронов (Coppola et al., 2010). Итак. эти находки подтверждают гипотезу, что Phox2b контролирует образование краниальных автономных рефлекторных петель (reflex circuit) (Pattyn et al., 1999; Dauger et al., 2003; Coppola et al., 2010). Возможно, что Neurog гены вносят вклад в этот Phox2b-зависимый circuit.
Самая ранняя активность Neurog2 среди PG предшественников отического ганглия, которую мы обнаруживали, появлялась ~e6.5. Напротив, самая ранняя детерминация NC в направлении PG клона (т.e., индукция экспрессии Phox2b) возникала значительно позднее ~e9.0. Это указывает на то, что Neurog2 находится значительно выше в генетическом каскаде, ведущем к экспрессии Phox2b в PG предшественниках. Стадия ~e9.0 также соответствует ориентировочно началу экспрессии Neurog2 в petrosal плакоде (Fode et al., 1998; Ma et al., 1998). Всё это указывает, что ранняя активность Neurog2 в клетках NC может быть необходима клеточно автономно для ранней спецификации NC, предназначенного стать PG клоном. Напротив, более поздняя активность Neurog2 в плакоде может нуждаться в клеточной неавтономности для дифференцировки NC в PG нейроны. Активности Neurog генов во время образования периферических автономных circuit, скорее всего, последовательны: сначала в NC, а позднее в плакодах. Устранение Neurog генов зависимым от пространства- и времени способом в нервной трубке, NC, плакодах и в производных плакод ганглиях могут предоставить информацию о генетической иерархии, которая регулирует предшественников краниальных автономных circuit.