文摘
在神经系统中,有各种各样的神经元细胞形态,生理和结构不同的特征。这些不同类型的神经元可分为两组:兴奋和抑制性神经元。两种类型的活动的精心平衡是非常重要的引起更高的大脑功能,因为它的不平衡可能会导致神经系统疾病,如癫痫和痛觉过敏。在中枢神经系统,抑制性神经元主要由gaba ergic glycinergic等的一些例外。虽然机械指定gaba ergic神经元在端脑的首次研究,识别关键的分子,如胰腺转录因子1 (Ptf1a),以及最近开发基因lineage-tracing gaba ergic规范的方法导致更好的理解在其他大脑区域,如脊髓小脑,耳蜗神经核。
1。介绍
哺乳动物的大脑是一个复杂的,高度有组织的结构,有各种各样的形态和生理上不同的神经元细胞类型和不同类型的神经胶质。更高的大脑功能主要是通过神经电路的组装与特定的模式不同的神经细胞之间的突触连接。这个基本过程始于细胞命运的决心,祖细胞在心室区退出细胞周期和分化成不同的细胞类型与特定的神经元的身份,其次是神经细胞迁移到适当的大脑区域,和轴突引导延伸和诠释了他们的目标。有两大类型的神经元,神经元兴奋性和抑制性神经元。中枢神经系统的兴奋性神经元主要glutamatergic神经元之间传递信息的不同的大脑区域,而抑制性神经元主要由gaba ergic和glycinergic神经元,使本地连接,被认为作为细胞兴奋性活动元素协调和平衡。的确,先前的研究已经显示gaba ergic抑制系统的严重损害造成的赤字的基因调节gaba ergic中间神经元的发展(例如,转录因子ARX [1]和Nkx2-1 [2])或gaba ergic神经传递的函数(例如,渠道和转运蛋白(3)会导致病态兴奋过度,会导致严重的癫痫(4]。中枢神经系统在其他区域,其他类型的神经递质,如组胺、氨基乙磺酸从下丘脑释放抑制性中间神经元,也产生抑制性行为(5- - - - - -7]。此外,神经递质表型的gaba ergic优势转移到主要glycinergic(或coreleased单突触终端)神经传递发生在某些神经元,如中间神经元投射到脊髓运动神经元和横向优质橄榄听觉脑干神经元传递抑制系统[产后成熟过程8- - - - - -10]。成熟的gaba ergic神经传递的障碍在脊髓和脑干运动神经元被认为引起的神经功能障碍,如hyperekplexia和肌萎缩性脊髓侧索硬化症(8]。除了校长GABA在成熟神经元的抑制作用在成人中,GABA在未成熟神经元的兴奋性影响了中枢神经系统的广泛区域(8,9,11,12]。在大脑发育的早期阶段,GABA展览去极化行为由于射流的氯离子通过GABA介导一个在未成熟神经元受体,由于相对较高的细胞内和细胞外的氯离子浓度。GABA-dependent的神经元激发大脑发展中起着根本性的作用,营养因素通过影响多个发育进程包括神经突生长,细胞迁移,细胞存活率以及有益的行动在中枢神经系统(神经回路的建设11,13- - - - - -17]。综上所述,gaba ergic神经元的功能障碍,如不平衡代glutamatergic和gaba ergic神经元视作造成各种神经发育障碍包括癫痫、痛觉过敏,和异常性疼痛以及癫痫发作的不成熟的大脑11,18- - - - - -22]。
之间的选择祖细胞的兴奋性和抑制性细胞的命运是由严格控制遗传程序。说明控制特定的神经细胞命运的机制基本了解中枢神经系统的功能。在过去的十年里,已经取得了相当大的进展在定义的分子机制控制兴奋和抑制性神经元细胞命运的平衡通过最近开发的老鼠基因lineage-tracing方法除了基因转移技术。定义机制进展皮质gaba ergic中间神经元的发展已经被总结在最近的一些评论23- - - - - -25]。
在本文中,我们关注的分子机制指定gaba ergic中枢神经系统神经元细胞命运的尾部分地区包括脊髓小脑,耳蜗神经核,尤其是从转录网络监管的角度homeodomain-type和颈板基本helix-loop-helix——转录因子(bHLH)类型。
2。规范的gaba ergic背侧脊髓中间神经元
在背侧脊髓、协会和继电器背侧脊髓神经元发挥重要作用在整合传入的感觉信息,包括疼痛,温度,和mechanoception,这些为运动神经元信号转导或更高的大脑中心。功能,gaba ergic背侧脊髓神经元参与调节的力量感觉输入的脊髓突触前抑制的主要感觉传入纤维(26]。
在早期发展中在胚胎神经管天10 - 11.5 (e10汽油- 11.5),六个不同的类深背中间神经元(dI1-6)来自六个不同的祖域(dP1-6),紧随其后的是一代的两个late-born神经元亚型的表面薄层,迪勒一个和迪勒B,从一个共同的背祖域在E11-13(图1)[27,28]。虽然postmitotic背中间神经元可以区分的特征组合表达式homeodomain (HD)转录因子如腹侧中间神经元下面描述(29日,30.),颈板bHLH转录因子的主要作用与几乎补充和建立其先祖域不重叠的模式在脊髓27,28,31日,32]。
gaba ergic背侧脊髓神经元由early-born dI4和dI6 late-born迪勒一个神经元。这三个类的postmitotic中间神经元表达高清转录因子Lbx1,我们和Lhx1/529日,30.]。bHLH转录因子Ptf1a扮演核心角色规范这些gaba ergic抑制背中间神经元,抑制兴奋性的生成glutamatergic中间神经元(33,34]。老鼠缺乏Ptf1a显示附近完成dI4和迪勒的损失一个gaba ergic中间神经元而兴奋dI5包含数字的增加和迪勒B中间神经元。相比之下,Ptf1a Tlx3抑制了高清因素,这是一个重要的行列式postmitotic背glutamatergic中间神经元(35,36]。过度的Ptf1a小鸡神经管能诱发异位Pax2-positive抑制性神经元的Tlx3-positive glutamatergic兴奋性神经元dI5和迪勒B(33,34]。Ascl1另一个bHLH转录因子也参与这些神经元的规范以更复杂的方式。Ascl1和HD因素Gsh1 Gsh2协调激活Tlx3表达促进代dI5 glutamatergic中间神经元在早期发展阶段37,38]。在late-born迪勒的人群,然而,Ascl1函数来对抗Gsh1和Gsh2上调Ptf1a表达式,因此迪勒的规范是必要的一个gaba ergic中间神经元的背角[38,39]。此外,non-cell-autonomous Ascl1同时激活Notch信号方式促进迪勒B迪勒glutamatergic细胞命运一个细胞的命运。我们也是一个至关重要的监管机构对gaba ergic抑制性神经元的分化,证明了我们突变小鼠中gaba ergic标记背角是大大降低(35]。虽然Lhx1和Lhx5不是所需的初始规范gaba ergic神经元,这些因素保持处于Pax2表达以及抑制性神经传递物的表达基因等发育后期的Gad1 [40]。虽然我们和Lhx1/5似乎函数Ptf1a下游,还有待确定这些因素是否直接或间接下游Ptf1a的目标。最近的研究表明,另一个bHLH转录因子Neurog2 Ptf1a直接下游目标(41]。
3所示。规范的gaba ergic腹侧脊髓中间神经元
在腹侧脊髓运动神经元和几种类型的中间神经元组装成本地网络导致的生成有节奏的运动所需的输出(42]。神经管的发展早期,一个外在因素嘘释放脊索和底板的诱发模式的五个不同腹祖域(中性粒细胞p0, p1, p2, p3)浓度的方式(43]。四项基本类的中间神经元(V0, V1、V2和V3)和运动神经元产生可以区分从每个祖域组合转录因子表达(图1)[43- - - - - -45]。
运动神经元(基本上是胆碱能46]。兴奋性glutamatergic中间神经元包括V3和V2和V0人口中间神经元的一个子集而抑制性中间神经元(gaba ergic和glycinergic神经元)生成p0, p1和p2祖域(42,47]。
V0人群时,定义的表达式Evx1/2,连合中间神经元,轴突延伸侧和吻侧2 - 4脊髓段,V1中间神经元,以Engrailed-1 En1和Foxd3表达式,项目是抑制性神经元,轴突侧和喙的48- - - - - -53]。V1生成中间神经元最初作为均匀gaba ergic中间神经原人口发展中神经管(51),但随后分化成一系列抑制性中间神经元的细胞类型,包括Renshaw细胞(RCs)和假定的互惠Ia抑制性中间神经元(52,54,55]。
V0人群中间神经元构成异构神经递质表型。大多数V0中间神经元来自腹p0域(称为V0的一半D中间神经元)表达水泡抑制性氨基酸转运体(VIAAT)和代表和gaba ergic glycinergic神经元而V0中间神经元的三分之一来自背p0祖域(V0V中间神经元)显示一个兴奋性神经元表达VGLUT2表型,glutamatergic标记的中间神经元(49,50,56]。他们定义的缺失或高清因素Evx1表达式,分别为(56]。
两半祖细胞和V1的组合表达Pax6和Dbx257]。然而,Dbx1独特表达V0祖细胞,被认为是一个重要因素V0中间神经元的规范50]。在老鼠身上缺乏Dbx1V0中间神经元丢失,以及V0并存D和半V中间神经元respecified成Lbx1-positive dI6背中间神经元和En1-positive V1中间神经元,分别。
相比之下,Nkx6.2表达在V1祖细胞和V1的规范需要神经元命运,也压制V0中间神经元的生成(58]。Nkx6.2突变小鼠显示Dbx1域扩大到腹侧区域就注定是V1祖领域,其次是V1中间神经元的损失和相应增加V0中间神经元。因此,Dbx1 Nkx6.2发挥重要作用在分子开关定义为半祖域和V1中间神经原亚型。
V2中间神经元产生同质p2祖域分为两个截然不同的中间神经元亚型:兴奋性V2a glutamatergic中间神经元,以高清的表达因素Lhx3 Chx10,和抑制性V2b gaba ergic中间神经元,特点是GATA2/3的表达和bHLH转录因子sci (59- - - - - -65年]。V2a的不对称和V2b中间神经原的命运是由Notch-Delta信号在不成熟的postmitotic V2祖细胞(63年,66年,67年]。切口受体配体Dll4-expressing祖细胞产生V2a中间神经元,而压抑GATA2维护Lhx3表达式。这些细胞同时激活转录的Notch信号通路下游的规范V2b中间神经原Notch-expressing祖细胞的命运。Forkhead转录因子Foxn4充当关键调节器V2b规范[中间神经元66年,68年]。Foxn4突变小鼠显示损失Dll4的表达和随后的细胞命运改变V2b V2a。下游Notch信号的因素,GATA2和sci巩固转录途径获得V2b亚型身份(60,62年,69年]。被迫表达GATA2 V2b小鸡神经管诱发异位形成的中间神经元,而抑制其他神经元的生成包括V2a中间神经元。老鼠缺乏sciGATA2和差别表现出对这些缺乏V2b中间神经元,伴随着生产过剩的V2a中间神经元。LIM-only蛋白质LMO4函数作为成核因子通过与GATA2组装LIM复杂,sci, NLI基础,辅因子和转录复杂促进gaba ergic V2b中间神经原身份(70年]。
4所示。gaba ergic小脑神经元规范
有三个主要地区小脑:皮层,白质和核。小脑皮质包括几种类型的兴奋和gaba ergic glutamatergic抑制性神经元。Glutamatergic神经元组成的颗粒细胞和单极刷细胞(哥伦比亚大学),而gaba ergic人口包括浦肯野,高尔基,Lugaro,星状,篮子,枝状大烛台细胞。小脑核(CN)的神经元组成的三个主要类型:大型glutamatergic投射神经元(CN-Glu神经元),中型gaba ergic投射神经元抑制(CN-GABA-ION神经元),和小gaba ergic中间神经元(CN-GABA中间神经元)。CN-GABA-ION神经元轴突扩展至下橄榄核(离子)71年),而CN-Glu小脑神经元把轴突外核,包括红核、丘脑。这些神经元相互调节的活动来实现适当的小脑的功能。
在开发期间,翼板的神经上皮rhombomere 1 (r1)生成所有类型的小脑神经元(72年- - - - - -75年]。dorsal-most神经上皮的一部分,r1不生成神经元的屋顶板,但细胞生成的脉络丛76年]。可以分为两个区域:小脑neuron-producing神经上皮的菱形唇(RL)和心室区(VZ)。这两个区域可以通过切口位于形态歧视他们的边界。
1997年,Ben-Arie等人报道,bHLH类型转录因子,Atoh1,表达的菱形唇和参与小脑颗粒细胞生成(77年]。相比之下,我们的Cre-loxP recombination-based血统跟踪研究表明,一种bHLH转录因子,Ptf1a,小脑VZ表达,产生的大部分小脑gaba ergic包括浦肯野神经元,高尔基,篮子,星状细胞,CN-GABA-ION神经元,CN-GABA中间神经元(78年]。Ptf1a gaba ergic神经元生产所需,gaba ergic神经元没有生成cerebellessPtf1a功能丧失,突变体以及Ptf1a-knockout老鼠。此外,异位表达Ptf1a通过在子宫内电穿孔引起异位生产的gaba ergic神经元背端脑的神经上皮。此外,帕斯卡等人报道说Ptf1a零突变体,从VZ神经元产生的命运改变的颗粒细胞(79年]。此外,最近的一个基因命运映射研究使用Ascl1克里尔钉入小鼠显示小小脑gaba ergic神经元,如Lugaro和枝状大烛台细胞,也源自于小脑VZ [80年]。这些观察表明,Ptf1a小脑VZ表示,决定了gaba ergic小脑的神经元的命运。PTF1A也确定为人类疾病的致病基因,展品永久性新生儿糖尿病和小脑发育不全81年]。
另一方面,Zoghbi Fishell和团体报道分子命运映射的衍生品Atoh1神经上皮细胞表达小脑RL (82年,83年]。他们不仅表明,颗粒细胞,但也有些CN神经元来自RL,尽管他们并没有区分神经元类型CN。在他们的研究中,开发RL-derived CN神经元的中断Atoh1突变体。gaba ergic但不是glutamatergic CN神经元被发现是来自Ptf1a-expressing VZ神经上皮的细胞(78年等),这表明小脑神经元glutamatergic颗粒细胞和神经元CN-Glu来自RL。因此,单极刷细胞,glutamatergic,也显示摆脱RL (84年]。
综合来看,这些研究都表明定义的两个分子小脑的神经上皮的地区,在Atoh1-expressing RL Ptf1a-expressing VZ,分别生成glutamatergic和gaba ergic神经元。每个bHLH转录因子参与指定相应的神经元亚型在小脑85年]。
尽管一些澄清的机械调节gaba ergic神经元亚型规范提供了通过Ptf1a,分子机制指定每个gaba ergic亚型(例如,浦肯野、高尔基体、篮、星状细胞和CN-ION CN-interneurons)尚不清楚。生日研究使用3H-thymidine和BrdU86年- - - - - -90年)以及腺病毒(91年)表明,每种类型的神经元生成在不同的发展阶段。
对gaba ergic神经元,浦肯野细胞产生早期(老鼠E10.5 ~ 13.5),高尔基细胞稍后(E13.5 ~产后一天P(0)对小鼠),细胞和星状/篮主要位围产期(86年- - - - - -91年]。最新Sudarov等人的研究表明,枝状大烛台P0周围细胞生成,而gaba ergic CN神经元出现在早期阶段(E10.5 ~ 11.5) [80年]。此外,体细胞recombination-based克隆分析表明,浦肯野,高尔基体和篮子/星状细胞以及一些CN神经元(可能是gaba ergic)属于同一血统(92年,93年]。这些数据表明,一些时间信息的神经上皮可能参与规范VZ的神经类型。然而,潜在的分子机制尚未阐明。
一些科学家试图把小脑原基的结构分为几个领域(图2)。Chizhikov等人定义四个细胞的数量(表示c1-c4域)的小脑通过一些转录因子的表达[原基76年]。c1对应Atoh1-expressing RL, c2位于Ptf1a-expressing VZ上方(表示pc2),表明c2 gaba ergic抑制性神经元的细胞主要包括。虽然c3和c4表达Lmx1a Lhx1/5,分别神经元亚型仍然未知。这个域结构屋面板时中断删除(76年]。此外,在神经发生早期阶段(例如,老鼠E12.5) Minaki等人c2域细分成背(c2d)和罕见(式c2v)子域表达corl2(也称为Skor2)和我们分别(94年]。虽然corl2专门表达未成熟和成熟的浦肯野细胞94年gaba ergic中间神经元),我们表示(如高尔基,星状、篮子和CN-GABA神经元)在小脑95年,96年]。他们还细分Ptf1a-expressing神经上皮的域(pc2) pc2d pc2v、强和弱表达钙粘蛋白,分别。从神经上皮和神经子域的位置,他们建议pc2d神经上皮的c2d域,子域产生细胞产生浦肯野细胞,而pc2v子域生成细胞式c2v成为gaba ergic中间神经元(97年]。开发收益、pc2d和pc2v子域合同和扩大,分别E14.5在老鼠身上,这个Ptf1a-expressing pc2域包含只有pc2v子域名,钙粘蛋白表达弱。这与这一事实有关,E14.5 Ptf1a-expressing神经上皮不产生浦肯野细胞但Pax2-positive中间神经元(91年,95年]。其他转录因子的表达在小脑VZ在开发过程中也被报道。例如,Zordan等人描述颈板bHLH转录因子的表达模式,如Ngn1 Ngn2, Ascl1,小脑VZ [98年]。它也被报道,Pax2-positive神经元,但并非浦肯野细胞,都是减少的Ascl1零小脑(99年),而浦肯野细胞减少Ngn1空鼠(One hundred.),这表明这些bHLH转录因子在小脑发展扮演不同的角色。
另外,报导了几个转录因子,参与小脑神经元的特定类型的发展。双基因敲除的Lhx1和Lhx5以及有针对性的代数余子式的破坏Ldb1导致缺乏小脑浦肯野细胞生产虽然Pax2-positive中间神经元似乎并没有受到影响。因为Lhx1 Lhx5 postmitotic细胞中表达,这表明Lhx1, Lhx5, Ldb1 postmitotically参与浦肯野细胞规范(101年]。是最近建议corl2参与浦肯野细胞成熟的分析功能丧失的突变体corl2 [102年]。此外,在细胞周期蛋白D2KO小鼠,gaba ergic中间神经元的祖池是早熟地精疲力尽,祖数量大幅减少,导致数量显著减少late-born中间神经元,如星状细胞(103年,104年]。
异位和heterochronic移植研究也提供了重要的线索理解小脑发展(71年]。当从胚胎组织和产后小脑涨跌互现,移植到成年小鼠第四脑室,postnatal-derived细胞分化成中间神经元,如颗粒,篮子,和星状细胞,但不是投射神经元,如浦肯野细胞,而embryonic-derived细胞能够成为所有类型的小脑神经元(105年]。它也表明,游离细胞取自小脑普利摩顿神经发生早期阶段可以分化成所有主要类型的小脑神经元,而从产后小脑分化只Pax2-positive中间神经元(106年]。这些发现表明,小脑祖细胞的分化能力成为限制发展收益。然而,这种命运限制过程分子机制尚未阐明。有趣的是,莱托等人建议Pax2-positive中间神经元,如高尔基,星状,细胞,篮子和CN-GABA中间神经元,来自同一个祖池(89年]。勒托等人也澄清,在离开之后,gaba ergic中间神经元的祖细胞继续增殖晚期胚胎在未来的白质和产后发展(107年]。嫁接研究显示终端的承诺不会发生前兆仍激增但发生postmitotically根据寄主专一性的信息,建议提供了有益的线索提供的微环境的潜在白质。
5。gaba ergic耳蜗神经核神经元规范
声音在耳朵的听觉神经的耳蜗核(CoN)哺乳动物的后脑,听觉信息的正确处理和传送到大脑。欺诈是一个非常复杂的细胞组装可分为两个亚区,腹侧和背侧耳蜗核(VCoN和深度常数),不同的结构和功能。深度常数展品层流和cerebellum-like架构包括颗粒细胞系统而VCoN没有层状结构。由于它的重要性在声音感知,反对一直强烈从解剖研究,生理和组织化学的观点108年- - - - - -110年]。
组织学观察推断部分神经元产生的背后脑neuroepithelia无关地迁移到引起反对神经元(111年,112年]。更直接、基因命运映射使用转基因小鼠的研究证实,许多反对细胞是来源于背区域的后脑neuroepithelia的地方Wnt1启动子是活跃的113年,114年]。rostro-caudal轴,反对神经元的起源似乎鸟类和哺乳动物之间的不同。嫁接研究发现,鸟CoN神经元来自更广泛的后脑的一部分(r3 ~ r8), (115年- - - - - -117年),而老鼠基因的研究也指出更多的吻侧和窄的起源(r2 ~ r5) (113年]。
非常复杂的基因命运映射法拉格等所进行的研究。113年使用FLP-FRT和Cre-loxP-based双重血统追踪系统。除了表明反对神经元来自r2 ~ r5,他们还透露,神经元的前部VCoN (“aVCoN)后的一部分VCoN (pVCoN)和深度常数通常来自吻侧(~ r2, 3),中期(~ r3, 4),和尾(~ r4, 5)部分反对neuron-producing后脑(r2 ~ 5),分别有一些重叠。
欺诈包含多种神经元有不同的特性108年- - - - - -110年]。例如,深度常数包括gaba ergic神经元(例如,高尔基体和分子层(ML)星状细胞),glycinergic神经元(例如,车轮和tuberculoventral细胞)和glutamatergic神经元(如颗粒、unipolar-brush巨头和梭状细胞)。VCoN由glutamatergic神经元(例如,章鱼,globular-bushy spherical-bushy, T-stellate细胞)和D-stellate等glycinergic神经元细胞。
中间神经上皮的后脑(r2 ~ r5), Ptf1a和Atoh1表示在不同的地区像小脑(图的表达模式3)。使用Cre-LoxP-based基因命运映射研究,我们小组确定的起源耳蜗神经核的抑制和兴奋性神经元;抑制(gaba ergic和glycinergic)和神经元兴奋性(glutamatergic)来自Ptf1a——Atoh1-expressing神经上皮的区域,分别为(118年),他们的发展是依赖于相应bHLH蛋白质。这些发现表明,Ptf1a Atoh1参与指定的抑制和兴奋性神经元的案子,分别以类似的方式在小脑中找到。然而,人们很少知道分子机制来生成不同类型的神经元具有相同的神经递质,例如,高尔基体和ML-stellate细胞。
6。结论和未来的角度
这里所描述的那样,许多最近的研究有助于阐明分子机制控制的规范gaba ergic后脑和脊髓神经元细胞的命运。而脊髓腹侧的模式沿着背腹轴主要是指导下组合的高清转录因子的表达,在后脑,包括小脑、耳蜗核、背侧脊髓,bHLH转录因子发挥重要作用在不仅模式祖域还指定不同的神经元亚型。在早期发展中背侧脊髓,独特的神经元亚型是由bHLH转录因子的具体表达式,包括Atoh1 Neurog1/2, Ptf1a, Ascl1祖细胞以及出生的时机和HD转录因子的不同组合。在这些因素中,Ptf1a是一个关键分子gaba ergic中间神经元的生成和规范这些因素之一。吻侧(r1)和中等(r2 ~ 5)后脑,Ptf1a和Atoh1是表达不同的神经上皮的地区和参与产生抑制和兴奋性神经元,分别。然而,这条规则并不适用于尾(r6 ~ r8)后脑。尾的神经上皮域Ptf1a后脑(r6 ~ r8)生产不仅抑制性神经元(本地电路神经元)也glutamatergic神经元(爬神经元纤维)[119年),而Atoh1域生成glutamatergic苔藓纤维神经元。
尽管令人印象深刻的进步对我们理解兴奋和抑制性神经元的机制控制平衡这些转录因子在后脑,命运的许多基本问题仍有待解决。例如,尽管Ptf1a的要求适当的平衡的兴奋和抑制性神经元的后脑已经证明,目前尚不清楚Ptf1a如何多样化的类型gaba ergic抑制性神经元产生的常见神经上皮的地区在不同的发展阶段。识别下游Ptf1a的目标将帮助我们理解分子机制指定每个gaba ergic神经元亚型。此外,我们需要考虑bHLH函数的监管等其他机制的转译后的修改基因表达的转录因子或表观遗传控制的多元化gaba ergic神经元。
确认
作者感谢迈乌米山田,Yusuke濑户,Tomoyuki富士山讨论和图建设和露丝于阅读。