Entschlüsselung der molekularen Uhr, die die Neurogenese im Sehzentrum von Drosophila steuert

Das Nervensystem besteht aus verschiedenen Zellen, die in einem bestimmten zeitabhängigen Muster aus Vorläuferzellen hervorgehen. In einer neuen Studie veröffentlicht in Naturkommunikationhaben Forscher die beteiligten molekularen Akteure aufgedeckt und wie das Timing gesteuert wird.

„Wir sind daran interessiert zu untersuchen, wie neuronale Diversität während der Tierentwicklung entsteht. Erstens produzieren die Stammzellen verschiedene Arten von Neuronen, die wiederum das Gehirn aufbauen“, sagte Hailun Zhu, ein Doktorand in der Li-Gruppe.

Die Erzeugung neuraler Diversität durch neurale Vorläufer, sogenannte Neuroblasten, wird auf zwei verschiedene Arten reguliert: räumlich, wo Neuroblasten an verschiedenen Orten unterschiedliche Neuronentypen bilden, und zeitlich, wodurch dieselben Neuroblasten mit zunehmendem Alter unterschiedliche Neuronentypen erzeugen.

„Wir konzentrieren uns auf die zeitliche Strukturierung von Neuroblasten und verwenden das Drosophila-Medulla, das Teil des visuellen Verarbeitungszentrums ist, als Modell“, sagte Xin Li (GNDP), Assistenzprofessor für Zell- und Entwicklungsbiologie.

Lis Postdoktorandenarbeit hatte gezeigt, dass es in Drosophila medulla-Neuroblasten eine Kaskade zeitlicher Transkriptionsfaktoren (TTFs) gibt, bei der einige Faktoren früh exprimiert werden und andere sukzessive aktivieren. Allerdings wurden Lücken in dieser ursprünglichen Kaskade beobachtet, und es war auch nicht bekannt, wie der zeitliche Kaskadenverlauf reguliert wurde.

Um diese Probleme zu lösen, verwendete die Li-Gruppe in Zusammenarbeit mit Sihai Dave Zhao (GNDP), einem außerordentlichen Professor für Statistik, Einzelzell-RNA-Sequenzierungstechnologie, um zu untersuchen, wie sich die Genexpression mit zunehmendem Alter von Medulla-Neuroblasten verändert.

„Wir haben zwei Marker verwendet, um die Zellen zu markieren. Einer wurde in allen Neuroblasten exprimiert und der andere wurde speziell im Medulla-Teil des Sehzentrums exprimiert“, sagte Zhu. „Dann haben wir die Zellen sortiert und die RNA in einzelnen Medulla-Neuroblasten sequenziert.“

Die Einzelzell-RNA-Sequenzierung fügt den Transkripten spezifische Barcodes hinzu, die gebildet werden, wenn die Informationen in der DNA in RNA umgewandelt werden. Dadurch hat jede Zelle einen anderen Barcode und am Ende können die Forscher die Transkripte in jeder einzelnen Zelle identifizieren. Die sequenzierten Zellen wurden dann basierend auf der Ähnlichkeit ihrer Genexpression gruppiert.

Die Forscher fanden heraus, dass die TTFs, die zuvor durch Lis Postdoktorandenarbeit identifiziert worden waren, in bestimmten Zellclustern exprimiert wurden. Diese Ergebnisse zeigten, dass Medulla-Neuroblasten tatsächlich nach ihrem Alter gruppiert waren, von den jüngsten bis zu den ältesten. Darüber hinaus identifizierten die Forscher neun weitere Transkriptionsfaktoren, die in Medulla-Neuroblasten in zeitlichen Mustern exprimiert werden.

Die Gruppe bestätigte ihre Ergebnisse anhand von Mutanten von Drosophila. Sie fanden heraus, dass frühe Transkriptionsfaktoren erforderlich sind, um späte Transkriptionsfaktoren zu aktivieren, während späte Transkriptionsfaktoren frühe unterdrücken und eine zeitliche Kaskade bilden. „Wir haben Mutanten verwendet, denen diese Transkriptionsfaktoren fehlten, um zu testen, ob sie in der Kaskade benötigt werden. Wir konnten einige TTFs finden, die in den vorherigen Studien fehlten, was es uns ermöglichte, ein vollständigeres zeitliches Mustergennetzwerk zu entwickeln“, sagte Zhu .

Sie entdeckten auch, dass die Geschwindigkeit der Kaskadenprogression durch Transkriptionsfaktoren reguliert wird, die keine TTFs sind. „Wir fanden heraus, dass der Transkriptionsfaktor Lola zwar nicht in einem bestimmten Stadium exprimiert wird, die Kaskade sich aber ohne ihn verlangsamt“, sagte Zhu. „Es ist sehr interessant und unterscheidet sich von dem, was wir zuvor gesehen haben.“

Die Forscher sind daran interessiert, die Transkriptionsmechanismen, die das TTF-Netzwerk regulieren, weiter zu untersuchen. „Die aus der Mutantenanalyse abgeleiteten Wechselwirkungen zwischen den Transkriptionsfaktoren sind nicht unbedingt direkt. Der nächste Schritt besteht darin, zu sehen, ob sie direkt wirken“, sagte Li. „Wir wollen auch untersuchen, wie diese TTFs die nachgelagerte Spezifikation verschiedener Neuronentypen steuern.“