文摘
离子通道和泵的共同行动建立一个静止膜电位是最彻底的上下文中研究兴奋性细胞,尤其是神经元,但新兴证据表明他们也参与控制nonexcitable成体干细胞的增殖和分化。的重要性理解干细胞对组织的贡献形成胚胎发育期间,成人体内平衡和再生在疾病促使许多团体研究和操作干细胞的膜电位在各种系统。本文旨在总结当前知识离子通道的作用和泵的哺乳动物corticogenesis特别强调他们的贡献的开关神经干细胞增殖,分化和代更坚定的祖细胞和神经元,其家族在大脑发育最近阐明。
1。介绍
一个广泛的文献描述了生物的特性和属性梯度和信号在各种组织的许多物种在开发期间,成年和再生1- - - - - -5]。特别是神经系统的发展,它已成为明显的共同行动膜通道和离子泵建立静止膜电位()和其他生物参数在迁移中扮演重要角色,生存,成熟,新生神经元的功能(6- - - - - -8]。更调查是否相似参数也可能发挥作用在控制开关的神经干细胞和祖细胞(完全称为NSC)增殖的神经源性分歧但近年来各种证据积累使这种可能性可能;特别是,当考虑多种因素耦合生物梯度和细胞周期进展(1,7,9,10)的影响以及增殖与分化的神经细胞周期的长度,和其他体细胞,干细胞(11,12]。
然而,我们的知识在这一领域的局限性非常明显在哺乳动物大脑发育中建立新的、复杂的工具最近才允许NSC的生理血统的特征。具体来说,在哺乳动物大脑皮质的胚胎发育,极化radial-glial细胞,也称为顶端祖细胞(美联社)形成心室区(VZ),逐步从分歧,产生额外的美联社分歧,产生更多的承诺,神经源性祖细胞离开VZ形成subventricular区(SVZ)软膜的,或基底边界;因此得名基底祖细胞(BP) (13,14]。BP失去极性,有有限的自我更新潜能,通过对称神经性的分歧很快消耗生成一对postmitotic神经元迁移对软膜的表面形成了各种哺乳动物大脑皮质的神经元层(13,14)(图1)。目前,大多数哺乳动物的大脑皮层神经元被认为是来自英国石油公司,而不是AP,有趣的是,这个族群的外观提出了特别是在哺乳动物的细胞是一个关键的步骤,通过它的大规模扩大在皮质面积已经达到我们物种的进化(15- - - - - -17]。
不幸的是,主要的技术限制在调查生物信号的作用在神经源性承诺在开发过程中促使大多数组织使用相同的有机体,缺乏石油,作为模型系统。此外,很少有报道,哺乳动物NSC的使用,绝大多数的文化进行了分离细胞的位置信息和极性的损失很难识别和比较美联社和英国石油公司的特点。由于这些原因,我们对生物信号在哺乳动物大脑发育的知识是非常有限的,它的作用在控制开关从增殖美联社神经性BP只能回顾推断从先前的研究中,这些问题,如果任何,只有间接解决。
其他作者已经总结了我们当前的知识的潜在作用生物信号在各种组织或干细胞功能,在神经系统中,不考虑祖血统的哺乳动物大脑皮质1- - - - - -4,7- - - - - -9]。因此,在本文中,我们试图让回顾链接可以帮助解决其作用的哺乳动物NSC增殖神经发生,这是基本对大脑发育和理解,也许,设计新方法治疗哺乳动物的中枢神经系统。考虑到这句的研究领域广泛,我们决定集中我们的注意力完全集中在离子通道的作用,泵和他们的角色在建立静止膜电位在哺乳动物胚胎NSC发展中没有讨论其他生物特性,如电容和输入电阻,或额外的离子通道的角色和metabotropic转运蛋白参与细胞内Ca2 +信号,讨论了在其他地方(1- - - - - -8]。
2。建立一个在NSC静止膜电位
NSC的基本机制控制静止膜电位基本上是相同的其他细胞类型被离子通道的渗透率和监管的活性离子泵和换热器建立离子跨膜梯度(8,18- - - - - -20.]。第一组的成员包括“泄漏”以及电压和ligand-gated渠道,允许离子通过细胞膜的被动扩散打开后由于改变电压或绑定到一个特定的配体,分别为(18,20.]。第二组的例子包括各种类型的atp酶和其他酶复合物交换离子通过膜反对他们的梯度消费的能源,包括无处不在的Na+/ K+H+、钙2 +atp酶和Na+/ K+/ Cl−生物相关的离子转运蛋白几乎覆盖整个光谱(18,19]。三个主要的角色类哺乳动物胚胎神经发生的离子通道和泵将分别讨论。
2.1。电压门控离子通道
电压门控离子通道的研究尤为重要,理解动作电位的起源,但最近的证据表明,他们可能也扮演了一个重要的角色在nonexcitable细胞如NSC。几个负责建立一个渠道在NSC在开发过程中21和成年22特点,但仍存在许多矛盾和不确定性对生物的特定的功能状态和信号NSC的不同的亚种。特别是,几种主要类型的K+电流外,延迟整流(21,23- - - - - -25)和内向整流电流响应超极化脉冲(21)被检测到。另一方面,快速,a类型,瞬态向外K+电流检测在NSC文化21,23- - - - - -25)而不是VZ organotypic片(26]。
因为大多数动物细胞的静止膜电位是略高于逆转K的潜力+的整体效果,阻止K+渠道是促进去极化;这通常与增加细胞增殖。事实上,电压门控K+电流与ce将周期的规定,特别是G1,在许多细胞类型(1,7,9,10,27),包括国家安全委员会(8,22),和治疗NSC某些K+通道拮抗剂宣传他们的扩散的分析(23,28- - - - - -30.]。例如,电压门控延迟整流K的堵塞+通道在细胞分离大鼠中脑的比例将增加从ca前兆。10 - 30% (23]。在人类胎儿12周NSC,抑制delayed-rectifier K+渠道并不影响扩散或增加,取决于所使用的拦截器,而抑制a类型K+渠道受损细胞生存能力(29日]。这种扩散效应的某些阻滞剂K+渠道也被证实在胚胎转变成人神经源性或祖细胞增加或减少扩散已经观察到这取决于特定亚型的K+渠道已经被封锁(28,30.]。沿着这些线路,一块在K+渠道少突细胞祖细胞与抑制增殖和增加的水平G1-specific细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂p21和p27 [31日]。
协调这些部分对比结果不仅是困难的,因为NSC多样的药理方法和起源的研究也因为对膜电位的影响由于一块K给定类型之一+通道很少是测量证实了对德-和超极化的影响。
K+电流在NSC发现也存在于未成熟神经元内Na+电流很快出现,增加他们的振幅在神经元成熟直到达到成熟神经元的特征值(26,32]。与K+电压门控钠的存在+渠道NSC是有争议的。几项研究已经发现低钠+电流在NSC的准备工作,但这些在场只有在一个相对较小的分组人口多数的细胞分类早出生的神经元(21,33),结论也证实了直接测量的NSC VZ鼠皮质片(34]。然而,它不能被排除在外,Na+电流可能出现在更多的神经源性祖细胞,如英国石油公司(BP),因为这些细胞被报道启动基因的表达典型识别postmitotic神经元(35,36]。这种可能性是一致的Na的检测+目前只有一个族群的皮质祖细胞(33不失效)和Na的缺失+电流的VZ [34)自后者的研究仅限于细胞径向形态,美联社。
直接的证据去极化的Na的外观+电流从美联社的英国石油公司可以从一项研究回顾性推断Bahrey和穆迪organotypic片文化从胚胎天(E) 14只老鼠大脑用来测量生物电参数不同的祖亚型(26]。在标签和至关重要的染料,作者可以确定径向和nonradial细胞内VZ观察Na的存在的偏见+电流在后者的人口(26]。有趣的是,VZ显示Na细胞的比例+30岁的电流增加了在开发过程中从0然后E9 50%,分别E14灯头和E16天(26]。不仅这些值相当吻合,BP在VZ[发现的比例37),但一年后Bahrey和穆迪三个独立报告的研究也表明,绝大多数的VZ nonradial细胞,实际上,英国石油公司(38- - - - - -40]。因此,它现在可以回顾得出结论,这项工作由Bahrey穆迪首次提供了强有力的证据,在美联社和英国石油(BP)电流时,值得注意的是,英国石油(BP)的细胞和分子特征甚至没有的特点。
类似于K+电压门控钙的存在2 +电流在NSC一直通过各种研究报道。内向电流检测在脑切片和细胞内的VZ的文化(26,41,42,因为类似的电流从E10鼠脊髓引起也在准备21),已知的缺乏石油,很可能电压门控钙2 +渠道是所有国家安全委员会的一个特征。细胞中分离出人类胚胎中枢神经系统(43)和P0小鼠皮层(44小Ca)2 +电流只发现在分化条件与神经元细胞形态。治疗NSC的l型电压门控钙阻滞剂2 +通道被发现减少神经元分化的条件,相反,激活渠道引发相反的效果(44]。然而,因为相同的实验未能发现Ca2 +电流在未分化的国家安全委员会(44),它可能会得出结论,不同数量的神经元在这项研究中发现可能归因于对神经元存活的影响或改变时间的表达神经元标记postmitotic细胞而不是改变NSC适当的命运。
的表达模式在发展第四类型的离子通道,Cl−,也被描述45),但功能实验他们的角色在NSC分化失踪。
总之,一些报告指出电压门控离子通道的作用与K NSC增殖+渠道更持续参与这个过程。大多数研究在这一领域进行了使用分离细胞,或切片文化但是没有考虑不同的祖亚型,因此很难推断美联社和英国石油公司之间的差异;后者可能被Na的存在为特征+电流(26]。有人建议,对扩散(去极化有积极影响1,7,9上面讨论),许多的研究扩展这个观点通过操纵NSC,改变电压门控离子通道的活性(图2)。然而,这种关系的分子机制是未知的。
2.2。Ligand-Gated离子通道
ligand-gated研究离子通道是最通常的理解neurotransmitter-dependent兴奋性神经元和神经内分泌细胞,但多年来收集证据表明,至少有两个配体γ酸氨基丁酸(GABA)和谷氨酸,扮演了一个重要的角色在NSC活动不仅在成年人的(46),但也在发展中大脑功能性突触形成之前(41,47,48]。
其中最广泛研究,伽马氨基丁酸一个受体是ligand-gated Cl−渠道,因为Cl的特定模式−转运蛋白表达的NSC的胚胎大脑49,50),这些细胞低Cl−逆转可能暗示在开发过程中GABA去偏光NSC和未成熟神经元而不是超极化与成熟的大脑(48]。功能和GABA受体表达的哺乳动物NSC在大脑发育(41,51代理通过自分泌/旁分泌信号(47,52,53],NSC VZ开始应对GABA的去极化在E15但不是[41]。nonsynaptic GABA释放的细胞起源仍然是有争议的,但是有证据表明存在一种合成机械安全委员会(51]。
几项研究已经指出一个GABA对NSC增殖的影响。LoTurco等人发现GABA能抑制DNA合成以来胚胎鼠皮质外植体和GABA (Ca可逆增加引起的2 +]我,去极化K+GABA有相似的影响,作者推测,对扩散的影响是通过激活介导的电压门控钙2 +渠道(41]。一致,GABA政府分离细胞被发现抑制增殖,同时促进分化(54,55]。另一方面,海达尔等人随后发现GABA增加增殖与细胞周期的缩短和降低分化之后,有趣的是,相反的效果被发现在SVZ BP居住(56]。显然,美联社和英国石油公司之间的差异时,NSC拉在一起(41)或使用分离的文化研究(54,55]。其他报道也指出,一个积极的GABA对扩散的影响(57),和一个巨大的文献描述了它的许多影响生存,迁移,成熟,新生神经元的突触发生48,52,53]。
中主要的兴奋性神经递质谷氨酸的成人大脑皮层信号,至于GABA,由ionotropic和metabotropic受体介导。前者是进一步细分为三种类型根据其药理和电生理特性和命名他们的特定的受体激动剂:门冬氨酸,AMPA, KA受体(58]。考虑到类似的GABA和谷氨酸对去极化的影响,也就不足为奇了神经递质在NSC引发了类似的效果。
NSC NMDA受体的存在已被报道在多个系统包括NSC,小学文化,organotypic片制剂显示这种受体表达水平低和小NMDA-mediated电流(59- - - - - -62年]。NMDA-elicited洋流的VZ中观察到除了一小部分的皮质板、神经元居住,62年或许可以解释为什么这些电流没有检测到之前的研究(41]。
一个早期的工作报告增加扩散在块NMDA受体的NSC VZ和SVZ片文化(62年),但是后来的研究得出了相反的结论,表明NMDA受体受体激动剂扩散而增加,相反,对手引发相反的效果在体外和体内42,63年- - - - - -65年]。
AMPA和KA受体表达在开发过程中尽早E10乙醇(60,66年]。在鼠皮质切片中,之后越来越多的细胞去极化的AMPA或者KA暴露的函数发展时间从0到100%之间E14灯头和E16天41]。暴露在KA在鼠皮质切片中减少NSC增殖(41),而接触AMPA或KA受体激动剂在小鼠皮质切片中的细胞周期缩短VZ但SVZ而抑制神经发生了相反的影响(56]。
其他ionotropic为甘氨酸受体,乙酰胆碱、血清素也被主要涉及神经发展但在成熟,迁移,postmitotic神经元的突触发生,和电路形成而不是在NSC增殖与分化的规定适当的(52,53]。
大部分局限在压敏电阻器的背景下讨论离子通道对他们参与美联社在哺乳动物的大脑皮层BP过渡开发适用于ligand-dependent离子通道,同样有效的整体操作之间的正相关关系,去偏光NSC,增加扩散(图2)。
2.3。离子泵
第三个大家庭的蛋白质必不可少的建立一个跨膜电势由酶macrocomplexes转换能量,最典型的化学形式的ATP或电化学梯度,注入离子对他们的浓度梯度18,19]。额外的,同样重要的是,确定泵的作用是调节离子的浓度在细胞内的隔间,例如,在无处不在的情况下H+atp酶负责核内体的酸化和其他细胞器(67年,68年]。
尽管它们的重要性在许多基本的生物过程,很少有研究涉及操纵的影响在神经发育的活性离子泵;关注的是哺乳动物corticogenesis更少。例如,Na+/ K+和Ca2 +atp酶已被证明调解哺乳动物的大脑皮层神经元的树突分枝[69年)和中线信号在斑马鱼胚胎70年]。损失函数的H+腺苷三磷酸酶在非洲爪蟾蜍已表现出抑制发展和再生(71年,72年功能),而获得了相反的效果(71年]。
由于多个角色(67年,68年),目前难以确定的操作引起的程度上影响atp酶主要是由于膜电位的变化比其他功能包括内吞作用、贩运和信号。然而,一些观察表明后者功能在开发过程中可能是最相关的。特别是,Na的操作+/ K+腺苷三磷酸酶在dendritogenesis鼠皮质神经元没有伴随着膜电位的变化,而是由Ca的变化2 +/ calmodulin-dependent蛋白激酶基因表达信号和cAMP-responsive元素(69年]。此外,Ca的抑制2 +atp酶诱导斑马鱼发育缺陷显示是通过控制泵特别的内质网导致细胞内钙增加2 +,从而改变复杂的Ca2 +端依赖信号事件发生在开发过程中多变化适当的(70年]。最后,对H的角色+腺苷三磷酸酶各种实验室独立表明其抑制影响重要的信号转导的分子,如切口(73年,74年]和Wnt [75年),已知的控制扩散,组织模式和开发在整个动物王国(76年- - - - - -79年]。
虽然本质上所有实验的作用+腺苷三磷酸酶在干细胞分化进行非哺乳类物种,我们实验室最近的证据可以延长作用的质子泵Notch信号在哺乳动物的大脑皮层(80年]。在这些实验中,显性负子单元的H+atp酶过表达在NSC引发小鼠胚胎发育期间他们过早分化通过减少内源性Notch信号(80年]。这些和其他的实验73年,74年,80年]支持了这样的观点,即细胞内激活的乳沟缺口需要通过酸性贩卖核内体(81年- - - - - -83年),但内在的困难区分细胞自动和外在影响,和报告显示Notch信号可能不需要内吞作用[84年- - - - - -86年),导致了长时间的辩论。然而,atp酶可以有多个层面的影响(我)细胞生物物理状态,(ii)的分化信号分子,和(3)细胞周期长度,地方这些酶复合物在理想的位置在哺乳动物corticogenesis控制NSC的分化。
Cation-chloride转运蛋白是膜蛋白家族的一员,它们使用Na+/ K+跨膜运输Cl电化学梯度−对其梯度。这个家庭是由7名成员,其中大多数是表达的神经元,只有一个K+(KCC4)和Na+(NKCC1)耦合协同转运蛋白被发现在增殖区发展中皮层和负责抽水Cl−细胞内外的,分别49,50,87年]。KCC4表达特定的VZ SVZ及其水平似乎在开发过程中从E12汽油增加E14灯头和位围产期消失50]。NKCC1表达NSC同样增加在开发期间,但它然后从NSC开关神经元在出生之前(50]。
NKCC1的高表达在胚胎VZ [50对于高(Cl)提供了一个解释−]我潜在的GABA一个据美联社(去极化反应50,88年]。除了NSC, NKCC1也是不成熟的大脑皮层神经元中高度表达从E18第一产后一周(49,50]虽然KCC2显示显著增加只有第一次产后一周后45,49,50]。这些变化在Cl的成分−转运蛋白在生命的头几个星期可能的原因(Cl减少−]我负责GABA的兴奋性与抑制性效应(88年- - - - - -91年]。
3所示。膜电位和NSC增殖与分化
采取协调一致的行动的主要作用的离子通道和泵是调节的细胞,因此,它是合理的假设影响扩散NSC的上下文中应该解释这个函数。
各种哺乳动物组织测量了膜电位NSC在通过不同的方式导致胚胎发育值,范围从最高mV的最低−−70 mV (21,25,26,50,88年,92年- - - - - -94年]。因为更高的增殖活动与一个不那么消极,或去极化的,(1,7,9)和国家安全委员会,尤其是BP,延长他们的细胞周期发展进行12,95年),这将是预期的不同测量不同作者应该反映NSC的使用在不同的发展阶段。加强这种期待,更多的负面或超极化,在开发过程中也可以推导出的事实(i)成人NSC往往比胚胎NSC[超极化22),(2)的活动K+/ Na+/ 2氯−在开发过程中运输减少(88年),(3)发育调控生长因子和信号分子也影响细胞周期影响离子通道的活动(32,96年]。然而,尽管比较测量在不同的发展阶段,或从不同的区域包含的中枢神经系统,或缺乏,英国石油公司(21,25,26,50,88年,92年- - - - - -94年我们无法检测到任何特定的趋势。
当然,缺乏证据的变化在开发过程中,特别是在美联社和英国石油(BP)之间,不应被视为一个证据缺乏,因为这比较从未直接追求。上面讨论的许多报道一致认为,人为的去极化NSC可能会增加他们的增殖潜力和延迟神经发生,但有些不协调是特别困难的,如果考虑使用的不同方法和实验条件之一的研究包括NSC不同的起源和文化条件,不同的药理方法操纵各种离子通道的活动或泵不必测量影响或者,更少,细胞周期的长度。此外,在几乎所有的研究讨论,很难评估是否超极化是一个细胞内在特性区分NSC的给定的族群,如英国石油公司增加数量在开发期间,或者,或者,一个组织的整体特征在不同胚胎阶段,预计将从这一事实脑脊液离子浓度的波动在哺乳动物发展(97年]。事实上,这些可能性之间的差别将需要测量和操纵与此同时在两个共存的亚种群的细胞,如多功能美联社和英国石油公司,在一个给定的发展时间。显然,理想条件下进行这样的实验是那些其他NSC的生物特性,包括电容、电导、电耦合由连接保存在一个完整的组织。
内在的技术限制在这些实验是艰巨的,但最近的进展提供关键解决的作用在哺乳动物的神经发生。
4所示。结论
多年的血统NSC在哺乳动物corticogenesis已经从固定组织或间接推断回顾性推导出标签在s阶段体内。直到最近建立延时videomicroscopy和转基因技术的进化,直接可视化的美联社和英国石油公司部门organotypic片文化成为可能(38- - - - - -40]。此外,英国石油(BP)的分子标记的鉴定(37),生成转基因老鼠记者让他们可视化在活组织98年,99年),新方法基因操纵单个细胞在大脑皮质切片One hundred.),同时监测G1 / S / G2进展[101年]目前允许我们直接研究离子通道的作用,泵,及其对膜电位的影响在哺乳动物corticogenesis在单细胞水平。克服游离细胞培养物的使用和不确定性对祖细胞亚型的身份不同,这些强大的新工具允许我们可能揭示生物信号的新角色NSC分化和可能调和不同的报道,本文讨论了。
同样,注重apicobasal极性的角色在美联社/ BP过渡和神经发生最近出现在特定的上下文中不对称解理面取向(102年),细胞周期调控的亚细胞定位103年),而哺乳动物的大脑的进化(104年]。这反过来触发问题是否某些渠道或泵的亚细胞定位,而不是绝对的表达水平,可能是重要的细胞命运改变。然而,不幸的是,离子泵的识别和渠道组织历史上建立了电生理学或者,或者,通过原位杂交,不提供任何有关蛋白质的定位信息。当免疫组织化学特征进行(23,25,44,54,55,64年,65年),这是执行在apicobasal游离细胞极性丢失或完整的组织,但专门为Na-K-Cl转运蛋白显示没有优惠本地化apicobasal轴(50]。
显然,两大领域包括(i)细胞生物学家研究细胞周期,血统,和极性NSC和(2)生理学家研究他们的渠道,泵和膜电位很少见面。我们希望我们的论文可能强调这个跨学科领域的重要性。
确认
j . Aprea和f . Calegari DFG-funded再生疗法中心的支持下,德累斯顿技术大学医学院的分子细胞生物学和遗传学的马克斯普朗克研究所,和SFB655 DFG-Collaborative研究中心(子项目A20)。