在前脑和出生后消除胚胎谱系中相互竞争的少突胶质细胞波外文翻译资料

在前脑和出生后消除胚胎谱系中相互竞争的少突胶质细胞波

Nicoletta Kessaris¹, Matthew Fogarty¹, Palma Iannarelli¹, Matthew Grist¹, Michael Wegner² amp; William D Richardson¹

摘要：少突胶质细胞祖细胞在前脑的发育起源一直是存在争议的。我们现在通过转基因小鼠的Cre-lox的命运图谱分析表明，第一个OLPSs起源于内侧神经节隆起（MGE）和早期脚内核（AEP）。它们从那里填充整个胚胎端脑，包括大脑皮层，然后由第二波OLPs从侧面和/或尾神经隆起（LGE和CGE）加入。最后，第三波在出生后的皮质内出现。当任何一个群体由于白喉毒素的靶向表达而在源头被破坏时，剩余的细胞发挥主要作用而使小鼠存活并且行为正常，具有少突胶质细胞和髓磷脂的正常补充。因此，OLPSs的功能冗余种群在发育中的大脑中争夺空间。更值得注意的是，MGE-和AEP来源的种群在出生后就被淘汰，引发了关于竞争性质和目的的质疑。

在发育中的脊髓和脑的心室区的不同部分中依次产生不同的神经元亚类和神经胶质细胞。例如，脊髓运动神经元和少突胶质细胞（OLs，髓磷脂形成细胞）来自位于腹侧脑室区的称为运动神经元前体（pMN）的专门领域的前体，由转录因子Olig2的表达定义（参考文献1-4）。从那以后，OLPs在分化成髓磷脂OLs之前全部迁移通过脊髓。后来，在背侧脊髓中至少还有另外一种OLPS来源，占最终OLs转移的10-15％^5-7。 在pMN中的OLPS代取决于信号分子Sonic hedgehog（Shh），而背侧来源可能是Shh独立的^5-9。

在更多的神经管前部—尤其是前脑——中的OLs世代并不十分清楚。 MGE的神经上皮和前脑腹侧中的AEP表达Shh及其受体Patched（Ptc）以及Olig2，表明OLPS可能主要在这些区域中形成^10-12。实际上，可以看到由血小板衍生生长因子受体-alpha;（Pdgfra）表达决定的迁移性OLPS在小鼠胚胎第12天（E12）后在各个方向上从MGE和AEP离开，大约在E16的时候进入了发育中的大脑皮质（背端脑）（参考文献11,13）。 在E16到出生之间（～E18），大脑皮层中的OLPS数目显著增加，但是不知道这是否反映了腹侧衍生的OLPS的继续向内迁移和增殖或皮质内的OLPS的一种新来源。 双方都有一些证据能够证明自己的观点。例如：皮层中的一些OLPs表达转录因子Dlx1和Dlx2，表明它们起源于Dlx1和Dlx2首先被激活的腹侧远端区域。此外，在鸡胚中，少突胶质细胞谱系标志物髓鞘蛋白脂质蛋白（Plp-Dm20）和O4抗原的表达最初仅限于AEP16，并且小鸡鹌鹑嫁接实验表明所有皮质OLs在鸟中都是腹侧来源的。相反，使用Emx1-Cre转基因小鼠的细胞命运图谱表明皮层中的许多OLs是局部产生的。 此外，逆转录病毒命运图谱表明，皮质OLs继续在出生后期从位于侧脑室顶端的室下区（SVZ）中的前体在皮质纹状体边界形成。 解决这种不确定性很重要，因为具有不同发育起源的OL可能通过不同的信号途径来指定，可能在成熟大脑中具有不同的特性和功能。

为了解决OLs的起源问题，我们在转基因小鼠中使用Cre-lox方法来跟踪端脑中不同的腹侧或背侧前体群的发育。我们发现OLs细胞系在前脑中的发育出乎预料的复杂和动态运动。在腹侧前脑中有来自表达Nkx2.1的前体的OLP一代的早期波; 它们首先出现在E12.5附近的腹侧MGE和AEP的脑室区，并且随后广泛地迁移到颅脑的所有部分，在E16之后进入大脑皮层。起初他们是前脑中唯一的OLPs，但很快他们对总OLPs的贡献就下降了。到出生后第10天（P10），尽管皮层仍然是腹侧（亚皮下）区域的主要群体，但皮质中Nkx2.1衍生的OLPs或OLs很少。 相反，它们被皮层中的其他的OLPs取代，其首先从LGE和CGE中的Gsh2阳性前体衍生，然后由内源性Emx1阳性皮质前体衍生。 即使在前脑腹侧，靠近其原始来源的地方，Nkx2.1衍生的OLPs和OLs也逐渐丧失并被其他群体所取代，几乎完全从成体前脑中消除。 这些研究结果有助于整合以前的多种研究：腹侧，背侧或多个OLP起源。

我们的研究结果提出了来自MGE-AEP，LGE-CGE和皮质的不同OL系是否在功能上专业化的问题。为了解决这个问题，我们设计了一种遗传消融策略，分别用白喉毒素A片段（DTA;参考文献25）消除三个OLP群体中的每一个。 我们发现，当我们杀死任何一个种群时，效果是良性的：邻近种群扩散到空白区域，OLPs的正常分布恢复，小鼠正常发育并存活。 因此，到目前为止，我们尚未发现前脑中不同OL谱系之间功能异质性的证据。我们的数据表明，OLPs的不同区域亚群在发育中的大脑中争夺空间。 这可能有助于胚胎MGE-AEP（Nkx2.1）衍生的OLP群体的最终消亡。

图1在前脑发育的不同时间从不同前体群体产生的三个连续的OLs波。（a，b）第一波Pdgfra OLPs的产生始于E12.5，来自MGE-AEP中表达Nkx2.1的前体。这些OLP在Nkx2.1-Cre / Rosa26R-GFP胚胎中表达GFP（绿色）（箭头b）。（c，d）通过E14.5，Pdgfra GFP 细胞开始出现在Nkx2.1-Cre / Rosa26R-GFP胚胎中的皮质纹状体边界处（d中的箭头），表明MGE-AEP衍生的OLP迁移到发育中的皮层。（e，f）通过E16.5，在Nkx2.1-Cre / R26R-GFP皮层中观察到新的（Pdgfra ，GFP^-）OLP波;这些必须是由Nkx2.1前体产生的（f中的箭头）。 （g，h）端脑中的所有Pdgfra 细胞在Nkx2.1-Cre / Gsh2-Cre / Rosa26R-GFP三重转基因胚胎（h中的箭头）中共表达GFP，表明所有OLP源自腹侧前脑（MGE-AEP和LGE-CGE）。 （i，j）在产后早期的Nkx2.1-Cre / Gsh2-Cre / Rosa26R-GFP小鼠的端脑中出现（Pdgfra ，GFP^-）OLP的另一波（j中的箭头）。（k，l）表达Emx1的皮质前体在出生后开始产生OLP和OL（箭头在l中）。（m，n）通过腹侧衍生的OLP入侵皮层前，在E9.5处给予怀孕的Emx1-CreERT2雌性一次他莫昔芬一次，在胚胎中激活Cre重组并且导致GFP报道子在Sox10 OLPs（n中的箭头） - 因此必须由内源性皮层前体产生。（o）模型说明我们的结论，即来自远端脑室区的不同部分的三个连续波的OLP基因评分：（i）从表达Nkx2.1的前体开始于E12.5; （ii）从E15.5开始的表达Gsh2的LGE-CGE前体;和（iii）来自表达Emx1的皮层前体在出生时开始（P0）。比例尺：（a，c，e，g，i，k），500毫米; （b，d，f，h，j，l，n），60mm。

结果

第一批OLPs来源于MGE-AEP

先前的免疫组织化学和移植研究表明在腹侧前脑（MGE和AEP）中至少有一种OL谱系细胞来源。 为了直接测试OLPs是否在腹侧端脑中产生，我们产生了P1-衍生的人工染色体（PAC）转基因小鼠，其在Nkx2.1的转录控制下表达Cre重组酶，其编码在MGE中表达的同源结构域转录因子，间隔，AEP，视前区和其他更多后腹前脑区域。 Cre转基因的表达概括了内源性Nkx2.1模式（补充图1）。 我们将Nkx2.1-Cre小鼠杂交至Cre依赖性Rosa26R-GFP系，并检查胚胎后代中是否存在也表达绿色荧光蛋白（GFP）的Pdgfra阳性（Pdgfra ）OLP，表明它们必须具有 起源于表达Nkx2.1的前体。

在端脑的大部分区域，GFP Pdgfra OLP种群仅占所有GFP 细胞的一小部分。 在皮层中，大多数GFP 细胞代表已知来源于MGE的GABAergic中间神经元。 第一个GFP Pdgfra OLPs出现在E11.5-E12.5的腹侧MGE和AEP中（图1a，b），并以腹侧至背侧的方式逐渐遍布整个端脑。 直到E14.5，腹侧端脑和大脑皮层中大部分Pdgfra OLPs共表达GFP，表明胚胎前脑中OLs的主要来源位于表达Nkx2.1的神经上皮细胞内（图1.1C，d）。 然而，到E16.5时，出现了GFP阴性（GFP^-）Pdgfra OLP的新群体，主要在皮质中间区域内（箭头，图1e，f）。 这些GFP-OLPs肯定发源于MGE-AEP之外。

OLPs随后的波来自LGE-CGE和皮层

表达Olig2并可能产生OLs的端脑的另一个区域是LGE。为了命运图谱LGE，我们在Gsh2控制组下产生了表达Cre的PAC转基因。 Gsh2在LGE-CGE中表达强烈，但与MGE中的Nkx2.1部分重叠（补充图1）。为了绘制腹侧前脑的整体图谱，我们设计了三种转基因Gsh2-Cre / Nkx2.1-Cre / Rosa26R-GFP小鼠。在E16.5三重转基因动物中，端脑中的所有Pdgfra OLPS（包括侧皮层）也都是GFP （图1g,h）。这表明在出生之前，皮层中的所有OLP都是腹侧来源的，首先从MGE-AEP迁移，然后从LGE，CGE或两者迁移。然而，在出生当天，GFP-OLPs再次开始在三重转基因小鼠的皮质中积累（箭头，图1i,j），表明至少有一种OLPs来源于MGE- AEP或LGE-CGE-可能在皮层内。

为了检查内源性皮质前体的命运，我们产生了Emx1-Cre转基因（补充图1）。 在这些小鼠中，Cre在皮质前体中表达强烈，并且Emx1-Cre / Rosa26R-GFP小鼠中GFP报道分子的激活在出生后皮质中广泛存在（补充图1）。 GFP存在于细胞的整个细胞质中，甚至沿着轴突，使得从皮质突出到腹侧前脑的纤维束被GFP标记（箭头，图1k）。 Emx1衍生的（GFP Pdgfra ）OLPs首先出现在出生后的皮层（图1k，1），之后迅速增加。 在腹侧端脑中从未观察到Emx1-derived OLPs。

我们的数据表明，皮层OLP由MGE-AEP和LGE-CGE两个移动群体以及固定皮质群组成。为了排除Emx1衍生的OLPs是腹部衍生的细胞在它们迁移到皮层区后从头开始表达Emx1的可能性，我们设计了另一种在Emx1对照下表达其他三磷酸可诱导形式的Cre重组酶（CreERT2）的转基因系 （补充图1）。 我们通过在E9.5，在胶质形成发生之前使用tamoxifen一次，瞬时诱导Cre活性。因为tamoxifen在48小时内被清除，所以Cre在〜E11.5后从别处迁移到皮质的OLP中不能被激活。我们分析了他莫昔芬治疗的P9小鼠。中枢神经系统中的Pdgfra表达限于早期的OLPs，一旦细胞退出细胞周期并开始分化成OLs29,30，它就会下调。因此，我们使用了Sox10的抗体，这种抗体开始在OLP中比Pdgfra稍晚表达，但是在Pdgfra下调后仍然存在于成熟的OL中（参考文献31）。与常规Cre相比，CreERT2介导的重组效率相对低，因此在整个皮质中观察到分离良好的GFP标记的细胞或细胞群。这些包括Sox10 OL和OLPs，以及具有神经元和星形胶质细胞形态的细胞（图1m，n）。 GFP Sox10 细胞占所有GFP 细胞的约20％，并且在皮质的所有部分都观察到（箭头，图1n）。我们得出结论，它们是由内源皮质前体形成的，而不是从内向迁移的细胞形成的。

图2胚胎Nkx2.1衍生的OL谱系在出生后期迅速消除。（a，b）在Nkx2.1-Cre / Rosa26R-GFP小鼠中，GFP （绿色），Sox10 ^（红色）双阳性OLP在P10皮层中已经是少数（箭头在a中），并且它们的贡献降至零由P80。（c，d）在P10，实际上腹部区域中的所有OLP（如隔膜）都来源于表达Nkx2.1的（MGE-AEP衍生的）前体（GFP，Sox10双阳性; c中的黄色核），但即使在此它们被P80的其他种群（GFP-）所取代。（e-j）Sox10 OL谱系细胞的三种不同群体的比例贡献表示为每个区域中Sox10 细胞总数的百分比（平均值plusmn;s.d.）。来自表达Nkx2.1的前体的OL和OLP在大部分检查区域的出生和成年期间基本上被消除。由皮层前体（Emx1衍生的）产生的OL和OLP在所有阶段都保持在皮质内。表达Gsh2的前体产生OLs和OLP，传播到整个端脑。 POA，视前区; MC，运动皮层; AC，前连合; LOT，侧嗅束; CC，胼胝体。

比例尺，100毫米。

出生后根除Nkx2.1衍生的谱系

我们的数据表明，在MGE-AEP，LGE-CGE和皮层分别有三个连续波形的OLP在胚胎端脑中产生和迁移（图1O）。我们分析了Nkx2.1-Cre / Rosa26R-GFP，Gsh2-Cre / Rosa26R-GFP和Emx1-Cre / Rosa26R-GFP，并分析了这三个OLP群体如何影响出生后和成熟端脑，从新生儿（P0）到青壮年（

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