Forscher untersuchen Neuronendifferenzierung im Gehirn von Fruchtfliegen

Die Gehirne aller Tiere höherer Ordnung sind mit einer Vielzahl von Neuronentypen mit spezifischen Formen und Funktionen gefüllt. Doch wenn sich diese Gehirne während der Embryonalentwicklung bilden, steht zunächst nur ein kleiner Pool an Zelltypen zur Verfügung, mit denen sie arbeiten können. Wie also diversifizieren sich Neuronen während der Entwicklung des Embryos? Forscher wissen, dass sich neurale Stammzellen, sogenannte Neuroblasten, mehrfach teilen, um nacheinander Neuronen mit spezialisierter Funktion zu produzieren, aber die Mechanismen dieses Prozesses und wie das Timing für verschiedene Gene und Neuronentypen variiert, sind noch nicht vollständig verstanden.

In einem neuen Artikel, erschienen in eLifeAlokananda Ray, ein Doktorand während der Studie und jetzt graduiert, und Xin Li (GNDP), ein Assistenzprofessor für Zell- und Entwicklungsbiologie an der University of Illinois Urbana-Champaign, beleuchten den Prozess in der Optikusmark von Drosophila melanogaster, der Fruchtfliege.

Wenn sich Neuroblasten teilen und differenzieren, exprimieren sie Transkriptionsfaktoren, die letztendlich die Tochterzellen anweisen, welche Art von Neuron sie sein sollen. Da sie abhängig vom Zeitpunkt ihrer Teilung auf eine bestimmte Weise exprimiert werden, fungieren diese als zeitliche Transkriptionsfaktoren bezeichneten Transkriptionsfaktoren als Marker, der den Forschern mitteilt, in welchem ​​​​bestimmten Stadium sich der Neuroblast befindet, und es ihnen ermöglichen, die Reihenfolge der Ereignisse darin zusammenzusetzen Kaskade der Neurogenese. Die Forscher konzentrierten sich auf zwei verschiedene TTFs im Fruchtfliegengehirn, genannt augenlos und schlampig gepaart, um besser zu verstehen, wie Unterschiede in der Expression von TTFs zu unterschiedlichen Neuronenschicksalen führen.

„Nervensysteme diversifizieren sich von einem kleinen Pool neuraler Stammzellen zu der großen Vielfalt von Neuronen, die wir in erwachsenen Gehirnen von Tieren höherer Ordnung sehen“, sagte Ray. „Wir wollten wirklich die molekularen Mechanismen verstehen, die den Übergang dieser Neuroblasten von der Expression eines temporalen Transkriptionsfaktors zum nächsten Transkriptionsfaktor vorantreiben, der letztendlich bestimmt, zu welcher Art von Neuronen diese Nachkommen werden.“

Die Forscher verwendeten Genetik und eine Reihe von Techniken, darunter Reporter-Assays, Antikörperfärbung und Mikroskopie, um das Expressionsmuster von Genen im Sehmark von Fruchtfliegengehirnen während der Entwicklung zu messen. Typischerweise sind die Regionen der DNA, die als „wichtig“ angesehen werden, die Sequenzen, die Gene enthalten. Durch diese Experimente entdeckten die Forscher jedoch, dass zwei nicht codierende Regionen in der Nähe der schlampig gepaarten Gene wesentlich waren, um sicherzustellen, dass die schlampig gepaarten TTFs zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Menge exprimiert wurden. Die Forscher entfernten dann diese nicht codierenden DNA-Regionen, sogenannte Enhancer, mit der Gen-Editing-Technik CRISPR, um zu sehen, wie das Gehirn der Fliegen beeinflusst wurde, und stellten fest, dass Fliegen mit deletierten Enhancern ein völliges Fehlen der Expression des schlampig gepaarten TTF zeigten in Medulla-Neuroblasten.

„Äußerlich sehen wir keine morphologischen Veränderungen durch das Entfernen von schlampig gepaarten Enhancern, aber Neuronen, die im schlampig gepaarten Stadium erzeugt wurden, werden im Gehirn fehlen, und ich denke, die in späteren Stadien erzeugten Neuronen werden ebenfalls verloren gehen.“ sagte Li.

Die zweite wichtige Erkenntnis in der Veröffentlichung war, dass ein Mechanismus namens Notch-Signalisierung mit den vorhergehenden TTFs zusammenarbeitet, um die Expression der nächsten fraglichen TTFs zu aktivieren. Die Forscher stellten fest, dass die Notch-Signalübertragung nicht nur wichtig für die Regulierung der TTF-Expression ist, sondern auch davon abhängt, wo sich die Zellen in der Neurogenese-Kaskade befinden. Mit anderen Worten, sobald eine bestimmte Anzahl eines bestimmten Neuronentyps hergestellt wurde, reguliert die Notch-Signalgebung den Übergang so, dass die Neuroblasten beginnen, sich in einen anderen Neuronentyp zu differenzieren.

„Ein TTF ist erforderlich, um das nächste TTF zu aktivieren, aber das allein reicht nicht aus, um den Übergang zu bewirken“, erklärte Li. „Nach jedem Zellzyklus wird die Notch-Signalisierung das nächste TTF weiter aktivieren, bis ein bestimmtes Niveau erreicht ist, an welchem ​​Punkt es das vorherige TTF unterdrückt; dann erfolgt der Übergang zur nächsten TTF-Stufe. Im Grunde koppelt dieser Mechanismus die zeitliche Musterung in diesen neuralen Stammzellen mit der Erzeugung der entsprechenden Anzahl von Neuronen in jedem zeitlichen Stadium.“

Obwohl die TTFs zwischen den Tieren variieren, ist die Notch-Signalübertragung hochgradig konserviert, was bedeutet, dass das Verständnis der molekularen Mechanismen, die die Neuronendifferenzierung in der Fliege regulieren, möglicherweise auf andere Tiere höherer Ordnung übertragen werden kann. Die Ergebnisse dieser Studie beleuchten einige der Mechanismen, die der Neuronendiversität im Gehirn zugrunde liegen, aber die Forscher sagten, dass noch mehr erforscht werden muss.

„Die Identifizierung der molekularen Determinanten oder Verstärker, die für den Übergang von augenlos zu schlampig gepaart erforderlich sind, gibt uns Ideen dafür, wie andere Übergänge ebenfalls reguliert werden können“, erklärte Ray. „Wir werden versuchen, andere Enhancer zu identifizieren, an die frühere TTFs binden, um die Expression nachfolgender Faktoren zu aktivieren.“