Посещений: 
ЭМБРИОНАЛЬНЫЙ И ВЗРОСЛЫЙ НЕЙРОГЕНЕЗ
Роль Sox11
|
|
Transcription factor Sox11 is essential for both embryonic and adult neurogenesis Yong Wang, Lu Lin, Helen Lai, Luis F. Parada, Lei Lei  Developmental Dynamics
Volume 242, Issue 6, pages 638–653, June 2013 |
Background: Neurogenesis requires neural progenitor cell (NPC) proliferation, neuronal migration, and differentiation. During embryonic development, neurons are generated in specific areas of the developing neuroepithelium and migrate to their appropriate positions. In the adult brain, neurogenesis continues in the subgranular zone (SGZ) of the hippocampal dentate gyrus and the subventricular zone (SVZ) of the lateral ventricle. Although neurogenesis is fundamental to brain development and function, our understanding of the molecular mechanisms that regulate neurogenesis is still limited. Results: In this study, we generated a Sox11 floxed allele and a Sox11 null allele in mice using the Cre-loxP technology. We first analyzed the role of the transcription factor Sox11 in embryonic neurogenesis using Sox11 null embryos. We also examined the role of Sox11 in adult hippocampal neurogenesis using Sox11 conditional knockout mice in which Sox11 is specifically deleted in adult NPCs. Sox11 null embryos developed small and disorganized brains, accompanied by transient proliferation deficits in NPCs. Deletion of Sox11 in adult NPCs blunted proliferation in the SGZ. Using functional genomics, we identified potential downstream target genes of Sox11. Conclusions: Taken together, our work provides evidence that Sox11 is required for both embryonic and adult neurogenesis, and identifies potential downstream target genes. Developmental Dynamics 242:638–653, 2013.
Рисунки к статье
|
Передний мозг млекопитающих содержит три принципиальных типа клеток: нейроны, олигодендроциты и астроциты. Во время эмбриогенеза эти клетки генерируются в разных волнах из клеток предшественников, расположенных в разных зародышевых зонах телэнцефалического пузырька (Ross et al., 2003; Temple, 2001). Процесс нейрогенеза нуждается в пролиферации NPC, выборе нейральной судьбы, миграции и дифференцировке. Этот деликатный процесс регулируется с помощью внеклеточных сигналов, включая факторы роста, морфогены и молекулы наведения, которые действуют посредством рецепторов клеточной поверхности, чтобы регулировать присущие клеткам программы с участием транскрипционных факторов (Anderson, 2001; Edlund and Jessell, 1999; Guillemot, 2007; McConnell, 1995; Ross et al., 2003). В переднем мозге взрослых нейрогенез продолжается в SVZ боковых желудочков и в SGZ dentate gyrus, поддерживая granular нейроны к обонятельным луковицам и dentate gyrus, соотв. (Alvarez-Buylla and Lim, 2004; Ming and Song, 2005; Zhao et al., 2008).
Гены Sry-related box (Sox) кодируют семейство транскрипционных факторов с high mobility group (HMG)-типа доменом связывания ДНК (Bowles et al., 2000; Kamachi et al., 2000; Schepers et al., 2002). Геном мыши и человека содержит 20 пар ортологов Sox генов и эти 20 генов подразделены на 8 подгрупп на базе сходства последовательностей и геномной организации (Bowles et al., 2000; Schepers et al., 2002). Sox белки соединяются с типичной последовательностью 5'-(A/T)(A/T)CAA(A/T)G-3' в минорной борозде ДНК и могут функционировать или как транскрипционные активаторы или репрессоры (Bowles et al., 2000; Harley et al., 1994; Wegner, 1999). Многие Sox гены, как было установлено, выполняют главные роли в спецификации судеб и дифференцировке клеток. Напр., Sry и Sox9 специфицируют судьбу и дифференцировку мужских клеток Сертоли (Sekido and Lovell-Badge, 2009); Sox2 обеспечивает качественные особенности эмбриональных стволовых клеток вместе с c-Myc, Klf4 и OCT4 (Takahashi and Yamanaka, 2006); Sox1, Sox2, Sox3 и Sox21 выполняют критические роли в регуляции качественных особенностей NPC и дифференцировке нейронов (Bylund et al., 2003; Graham et al., 2003; Sandberg et al., 2005); Sox8, Sox9 и Sox10 являются важными регуляторами развития клеток нервного гребня (Cheung and Briscoe, 2003; Kim et al., 2003); Sox5, Sox6 и Sox9 специфицируют судьбу и дифференцировку хондроцитов (Lefebvre and Smits, 2005); а Sox18 специфицирует димфатические эндотелиальные клетки (Francois et al., 2010).
Sox11, Sox4 и Sox12 составляют SoxC подгруппу. Они обладают сходными, но не идентичными паттернами экспрессии в развивающемся эмбрионе (Cheung et al., 2000; Dy et al., 2008; Hargrave et al., 1997; Hoser et al., 2008; Schepers et al., 2002). Функциональные исследования показали, что Sox4(-/-) мыши погибают на ст. (E) 14 от сердечно-сосудистых дефектов (Schilham et al., 1996). Sox11(-/-) мыши погибают вскоре после рождения с дефектами во многих органах (Sock et al., 2004). Sox11 важен для развития сенсорных нейронов, симпатических нейронов и спинного мозга помимо многих др. не нервных тканей (Lin et al., 2011; Potzner et al., 2010; Thein et al., 2010). Sox12(-/-) мыши жизнеспособны, плодовиты и не обнаруживают явных дефектов (Hoser et al., 2008). Анализ компаундных мутантов SoxC генов продемонстрировал, что SoxC выполняют перекрывающиеся роли в жизнеспособности нервных и мезенхимных предшественников во время раннего эмбрионального развития (Bhattaram et al., 2010). Sox11 и Sox4 также контролируют качественные особенности и соединения кортикальных спинальных нейронов (Shim et al., 2012).
У мышей, Sox11 выявляется в NPCs в ходе всего развития нейроэпителия начиная с E8.5, перед началом нейрогенеза (Hargrave et al., 1997; Kuhlbrodt et al., 1998). Во время более поздних стадий развития головного мозга Sox11 is постоянно экспрессируется в NPCs и некоторых дифференцированных нейронах, особенно переднего мозга (Kuhlbrodt et al., 1998). В головном мозге взрослых, Sox11 и Sox4 специфически экспрессируются в нейрогенных нишах, включая SVZ боковых желудочков и SGZ dentate gyrus гиппокампа (Haslinger et al., 2009; Mu et al., 2012). В нейрогенных клонах взрослого гиппокампа Sox11 и Sox4 совместно экспрессируются в пролиферирующих предшественниках и незрелых нейронах, но подавляются в зрелых нейронах (Mu et al., 2012). Используя ретровирусы, мы продемонстрировали, что устранение Sox11 и Sox4 подавляет in vitro и in vivo нейрогенез взрослых NPCs (Mu et al., 2012).
Мы исследовали функцию Sox11 во время эмбрионального и взрослого нейрогенеза, используя Sox11 нулевых эмбрионов и Sox11 кондиционных нокаутных мышей. Во время эмбриогенеза устранение Sox11 нарушает пролиферацию NPC, миграцию и дифференцировку нейронов. В головном мозге взрослых потеря Sox11 особенно в NPCs нарушает нейрогенез в гиппокампе. Используя функциональный геномный подход, мы идентифицировали потенциальные гены мишени для Sox11. Наши данные показали, что Sox11 является критическим регулятором как эмбрионального, так и взрослого нейрогенеза.
DISCUSSION
Sox11 обнаруживается в развивающемся нейроэпителии со ст. E8.5 и продолжает экспрессироваться во взрослых NPCs (Hargrave et al., 1997; Haslinger et al., 2009; Kuhlbrodt et al., 1998). В клоне взрослого гиппокампа Sox11 экспрессируется в пролиферирующих предшественниках и незрелых нейронах, но подавляется в зрелых нейронах (Mu et al., 2012). Мы подтвердили экспрессию Sox11 в развивающемся нейроэпителии с помощью гибридизации in situ РНК. Однако специфическое распределение белка Sox11 в стволовых клетках и клетках предшественниках во время эмбрионального развития остается неясным.
Предыдущие исследования показали, что устранение и Sox11 и Sox4 из зародышевой линии мышей вызывает значительное увеличение апоптоза нервных и мезенхимных предшественников, тогда как устранение как Sox11, так и Sox4 из взрослых NPCs ингибирует нейрогенез в гиппокампе, подтверждая, что Sox11 и Sox4 играют перекрывающиеся роли в этих процессах (Bhattaram et al., 2010; Mu et al., 2012). Наше исследование выявило, что устранение только Sox11 затрагивает как эмбриональный, так и взрослый нейрогенез. Sox11(-/-) эмбрионы имеют меньшего размера и дезорганизованный головной мозг, напоминающий микроцефалию и лиссэнцефалию у людей. Кроме того, устранение Sox11 особенно из взрослых NPCs ингибирует нейрогенез в гиппокампе in vivo.
Sox11 Regulates NPC Proliferation
Инициальные фазы кортикального рразвития нуждаются в быстрой экспансии NPCs за счет симметричных делений, при которых одна клетки генерирует две идентичные пролиферирующие дочерние клетки. Во время нейрогенеза субнабор NPCs оказывается ограниченным нейрональным клоном. Такое ограничение, скорее всего, связано с асимметричными делениями, в результате которых одна дочерняя клетка сохраняется как мультипотентный предшественник, тогда как др. предназначается для дифференцировки в нейрон (Ayala et al., 2007; Zhong, 2003). Чтобы поддержать кортекс соотв. количеством нейронов, важно, чтобы кортикальные клетки предшественники пролиферировали достаточно до дифференцировки. Следовательно, поддержание NPCs в пролиферативном состоянии и своевременная их дифференцировка тонко контролировались in vivo. Используя Sox11(-/-) эмбрионов мы продемонстрировали дефицит пролиферации in vivo в нейроэпителии на ст. E11.5. Наши эксперименты по культивированию нейросфер показали снижение пролиферации и повышение генерации нейронов in vitro в отсутствии Sox11. Однако мы пока не установили прямые доказательства in vivo преждевременной дифференцировки нейронов в отсутствие Sox11 (data not shown).
Исследования эктопической экспрессии в нервной трубке эмбрионов кур подтверждают, что Sox11 и Sox4 играют перекрывающиеся роли, способствуя в созревающих нейронах нижестоящим пронейральным bHLH белкам (Bergsland et al., 2006). Кроме того, геномные исследования продемонстрировали обогащение Sox11 на генах, специфичных для нейронов, в нейронах, происходящих из эмбриональных стволовых клеток (Bergsland et al., 2011). Наш анализ мышей, мутантных по Ngn1, Ngn2 и Mash1 продемонстрировал, что Sox11 вряд ли является нижестоящий мишенью для пронейральных bHLH белков в развивающемся мышином нейроэпителии. Соотв. анализ спинного мозга от мышиных эмбрионов, дефицитных по Sox11 и Sox4, показал, что абсолютная необходимость в Sox11 и Sox4 для созревания нейронов, невероятна (Thein et al., 2010). Поскольку роль Sox11 в дифференцировке нейронов возможна, то наши данные свидетельствуют в пользу дополнительной роли Sox11 в обеспечении пролиферации и самообновления NPC.
Nmyc играет важную роль в регуляции пролиферации клеток предшественников и кортикального развития (Knoepfler et al., 2002). Устранение Nmyc из NPCs ведет к снижению пролиферации и аберрантной дифференцировке нейронов, сходных с дефектами, наблюдаемыми у Sox11(-/-) мышей. Мы продемонстрировали, что экспрессия Nmyc подавляется в отсутствии Sox11. Мы также продемонстрировали, что TAK1 усиливает свою активность, приводя к повышению уровня P-Erk, это, скорее всего, вносит вклад в аномальную дифференцировку нейронов Sox11(-/-) из кортикальных предшественников. Следовательно, возможно, что Sox11 поддерживает качественные характеристики кортикальных предшественников, частично стимулируя пролиферацию NPC за счет усиления активности Nmyc и за счет ингибирования аномальной дифференцировки нейронов за счет подавления экспрессии TAK1. В дальнейшем анализ промотора и эксперименты по chromatin immunoprecipitation (ChIP) смогут подтвердить, действительно ли Nmyc и TAK1 являются непосредственными транскрипционными мишенями для Sox11 in vivo.
Sox11 Regulates Hippocampal Neuronal Migration
Одним из наиболее интересных наблюдений Sox11(-/-) эмбрионов было дезорганизация гиппокампа, наиболее заметная в CA2/3 регионе. Это указывает, что Sox11 важен для миграции нейронов гиппокампа in vivo. Недавно сообщалось, что специфичное для кортекса удаление как Sox11, так и Sox4 ведет к инверсии кортикальных слоев, сходной с таковой у reelerмутантных мышей (Caviness and Sidman, 1973; Shim et al., 2012). Следовательно, Sox11 и Sox4 играют дополнительные или взаимно усиливающие роли в регуляции миграции кортикальных нейронов.
Наши данные демонстрируют, что потеря Sox11 вызывает аномальную экспрессию Lis1, который играет важную роль в миграции кортикальных нейронов (Ayala et al., 2007; Bix and Clark, 1998; Kholmanskikh et al., 2003, 2006; Marin and Rubenstein, 2003; Sapir et al., 1997). Гетерозиготные мутации или делеции Lis1 у человека ассоциированы с типом I lissencephaly, наиболее тяжелым нарушением развития головного мозга, возникающего в результате аномальной миграции нейронов. Поскольку Lis1(-/-) мыши являются эмбриональными леталями вскоре после имплантации, то Lis1(+/-) обнаруживают дезорганизацию коры, гиппокампа и обонятельных луковиц, которые возникают в результате задержки миграции нейронов по клеточно-автономным путям (Hirotsune et al., 1998). Более того, генетические и биохимические взаимодействия между Lis1 и reelin сигнальным путем, как полагают, регулируют миграцию нейронов (Assadi et al., 2003). Мы продемонстрировали, что Lis1 усиливает свою активность в Sox11(-/-) коре, подтверждая, что уровень Lis1 белка in vivo является критическим для собственно миграции нейронов. В будущем анализ промоторов и ChIP эксперименты подтвердят, является ли Lis1 непосредственной транскрипционной мишенью для Sox11.
Sox11 Regulates Adult Hippocampal Neurogenesis
Нейрогенез во взрослом гиппокампе является уникальным типом нейрональной пластичности, которая ведет к генерации новых нейронов в dentate gyrus гиппокампа в течение всей жизни и участвует в поддержании памяти, депрессии, нейрональных нарушениях и в функциональном восстановлении после травматических повреждений головного мозга (Abrous et al., 2005; Blaiss et al., 2011; Deng et al., 2010; Imayoshi et al., 2008; Li et al., 2008; Ming and Song, 2005; Sahay and Hen, 2007; Sahay et al., 2011; Zhao et al., 2008). Хотя достигнут существенный прогресс в нашем понимании зависимой от активности внешней регуляции нейрогенеза у взрослых, наши знания прирожденных клеточных программ, включая транскрипционную регуляцию нейрогенеза у взрослых, всё ещё ограниченного (Ma et al., 2009, 2010). Ранее сообщалось, что Sox11 и Sox4 совместно экспрессируются во взрослых нейрогенных нишах, а устранение обоих генов существенно ингибирует нейрогенез во взрослом гиппокампе (Haslinger et al., 2009; Mu et al., 2012). Было предположено, что Sox11 и Sox4 играют перекрывающиеся роли во взрослом нейрогенезе. В данном исследовании мы продемонстрировали, что устранение только Sox11 из взрослых NPCs вызывает существенное снижение пролиферации в SGZ и ведет к уменьшению количества DCX(+) и NeuroD(+) незрелых нейронов in vivo. Остается неясным, какие популяции предшественников взрослого гиппокампа затрагиваются специфически потерей Sox11, и является ли снижение пролиферации и генерации нейронов следствием медленной пролиферации Sox11-/- стволовых клеток, чтобы достичь стадии высокой пролиферации предшественников.
|