果蝇视髓质的神经元分化依赖notch信号

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员阐明了果蝇视髓质的发育过程中神经元如何分化成不同类型。

　　

   

   

细胞和发育生物学助理教授Xin Li和Li实验室的博士后研究员(左)Alokananda Ray

所有高等动物的大脑都充满了各种不同类型的神经元，具有特定的形状和功能。然而，当这些大脑在胚胎发育过程中形成时，最初只有少量的细胞类型可供使用。那么在胚胎发育过程中神经元是如何多样化的呢?研究人员知道，被称为神经母细胞的神经干细胞会多次分裂，从而依次产生具有特定功能的神经元，但这一过程的机制，以及不同基因和神经元类型的时间如何变化，仍未完全了解。Alokananda Ray是该研究期间的博士候选人，现已毕业，Xin Li (GNDP)是伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的细胞和发育生物学助理教授，他们在eLife杂志发表文章阐明了黑腹果蝇的视髓质。

当神经母细胞分裂和分化时，它们表达转录因子，这些转录因子最终指导子细胞成为什么样的神经元。由于它们以特定的方式表达，取决于它们分裂的时间，这些被称为时间转录因子的转录因子充当了一个标记，告诉研究人员神经母细胞处于哪个阶段，并允许他们拼凑出神经发生级联中的事件顺序。研究人员关注果蝇大脑中两种不同的TTFs，无眼eyeless和松散成对sloppy-paired基因，以更好地理解TTF表达的差异如何导致不同的神经元命运。

Ray说：“神经系统多样化，从一小部分神经干细胞到我们在高阶动物成年大脑中看到的大量神经元。我们真的想了解驱动这些神经母细胞从表达一种时间转录因子转变为下一种转录因子的分子机制，这最终决定了这些后代将成为什么类型的神经元。”

研究人员使用遗传学和一些技术，包括报告分析、抗体染色和显微镜，来测量果蝇大脑发育过程中视髓质的基因表达模式。通常，DNA中被认为“重要”的区域是包含基因的序列。然而，通过这些实验，研究人员发现，在松散成对基因基因附近的两个非编码区域对于确保松散成对基因TTF在正确的时间和数量表达至关重要。然后，研究人员使用基因编辑技术CRISPR删除了这些被称为增强子的非编码DNA区域，观察果蝇的大脑是如何受到影响的，发现删除增强子的果蝇在髓质神经母细胞中显示出完全缺乏凌乱配对TTF的表达。

“从表面上看，我们没有看到去除松散成对增强子后的形态变化，但在松散成对阶段产生的神经元将从大脑中消失，我认为在后期阶段产生的神经元也将丢失，”Li说。

这篇论文的第二个主要发现是，一种叫做notch信号的机制与前面的TTF共同作用，激活下一个TTF的表达。研究人员确定notch信号不仅对调节TTF表达很重要，而且它的调节方式取决于细胞在神经发生级联中的位置。换句话说，一旦产生了一定数量的特定神经元类型，notch信号就会调节这种转变，使神经母细胞开始分化成另一种不同的神经元类型。

“一个TTF需要激活下一个TTF，但仅凭这一点不足以引起过渡，”Li解释说。“在每个细胞周期之后，notch信号将进一步激活下一个TTF，直到达到一定的水平，在这一点上它将抑制前一个TTF，然后过渡到下一个TTF阶段将发生。基本上，这种机制将这些神经干细胞中的时间模式与每个时间阶段产生的适当数量的神经元结合起来。”

虽然TTF在动物之间有所不同，但notch信号是高度保守的，这意味着理解调节果蝇神经元分化的分子机制可以潜在地转化为其他更高阶动物。这项研究的发现揭示了大脑中神经元多样性的一些潜在机制，但研究人员表示，还有更多的东西需要探索。

Ray解释说:“确定从无眼到有眼的转变所需的分子决定因素或增强子，让我们了解到其他转变可能是如何被调节的。我们将尝试识别其他增强子，这些增强子与之前的TTF结合，从而激活后续因子的表达。”

A Notch-dependent transcriptional mechanism controls expression of temporal patterning factors in Drosophila medulla