Mechanisms controlling striatal projection neurone generation, from patterning to early differentiation

Abstract

The striatum is part of the telencephalon, the most anterior part of the vertebrate brain. From when it first can be identified, telencephalic morphology is highly complex and a wide range of mechanisms has been suggested to participate in its induction, patterning and neurogenesis. Sonic hedgehog (shh), a gene coding for a secreted protein has been suggested to be required for ventral telencephalic, including striatal, development. The first study in this thesis demonstrates that shh is important for striatal development but that aspects of this process can occur in shh mutant mice. Once the lateral ganglionic eminence (LGE, the source of striatal projection neurones) has been defined, mechanisms are required to ensure correct identity of striatal progenitor cells. The second study shows that two homeodomain transcription factor genes control aspects of this: Pax6, which is expressed in cortical progenitors and Gsh2 found in striatal progenitors. By analysing mice, mutant for either one or both of these genes, we concluded that they oppositely regulate the identity of cortical and striatal progenitors. Interestingly, we were able to demonstrate that in the absence of Gsh2, the highly similar gene Gsh1 rescues aspects of striatal development (paper III) while other aspects appear Gsh gene-independent.. When striatal neurogenesis has started, post-mitotic cells most likely rely on cell-intrinsic as well as cell-extrinsic mechanisms to ensure correct differentiation. In study four we describe the identification of candidates to the first category; homeodomain genes of the Meis and Pbx family. Finally, in the fifth study, retinoids are presented as a candidate cell-extrinsic regulator of striatal projection neurone development.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Detta arbete handlar om utvecklingsneurobiologi. Ett långt ord men så beskriver det också precis vad det rör sig om: biologiska studier rörande nervsystemets utveckling. Generellt sett kan man säga att utvecklings-neurobiologisk forskning på lång sikt syftar till att förstå nervsystemets utveckling såpass väl att man skall kunna använda denna kunskap för att reparera ett sjukt eller skadat nervsystem. Detta är ett forskningsfält som rymmer en stor mängd vitt skilda underområden från den första induktionen av nervsystemet (det sker när ett människoembryo är tre till fyra veckor gammalt och 1,5 till 2 mm långt) till förändringar i den vuxna hjärnan som tros ligga bakom vår förmåga att minnas. Innehållet i avhandlingen du håller i din hand ligger någonstans mellan dessa två. Mer specifikt rör avhandlingsarbetet utvecklingen hos möss under embryo- och fostertiden av ett område i hjärnan som kallas striatum. Striatum hittar du i en däggdjurshjärna om du plockar bort det yttre lagret hjärnceller som kallas hjärnbarken och som hos oss människor täcker större delen av hjärnan med sin vackra, karaktäristiskt veckade, form. Hjärnceller (eller neuron) i striatum mottar information via fina nervtrådar från många områden i hjärnan, bl a hjärnbarkens celler. Ett annat viktigt område som har förbindelse med striatum heter substantia nigra. Det är celler i substantia nigra som dör hos patienter med Parkinsons sjukdom, en förhållandevis vanlig neurologisk sjukdom som med tiden leder till ökande funktionsstörningar hos patienterna pga minskad förmåga att utföra rörelser. En sjukdom med motsatta symtom är Huntingtons sjukdom, också kallad danssjuka. Huntingtonpatienter förlorar kontrollen över sina rörelser, därav namnet danssjuka. Orsaken till Huntingtons sjukdom är ärftlig och leder bl a till att neuronen i striatum dör.



Det finns en mängd sätt att angripa biologiska frågeställningar av typen “hur bildas hjärnceller i striatum”. När Marcel Proust skrev det jag citerat i början av boken tänkte han faktiskt på sådan mänsklig nyfikenhet som leder fram till forskning. Han fortsätter nämligen med ett exempel; en man som alltid, direkt då han går till sängs, somnar som en stock och vaknar på morgonen pigg och utvilad har givetvis låg motivation att fundera över sömnens mysterier. På samma sätt skulle vi kanske vara betydligt mindre intresserade av striatum om det inte vore för att människor blir sjuka i Parkinsons och Huntingtons sjukdomar. I de fall då det inte finns några sjukdomar som orsakar störningar i de normala livsprocesserna har biologer länge på egen hand skapat störningar och sedan studerat konsekvenserna. Även om man måste vara försiktig när man drar sina slutsatser så är logiken klar, exempelvis: Fråga: “vilken funktion har område X i hjärnan?” Svar: “vi opererar bort det så ser vi vad som händer!”. Här har uppfinnings-rikedomen varit nästintill oändlig och hela tiden pågår det en utveckling av nya metoder för att lära sig mer om normala processer genom att störa dem. Mycket av arbetet beskrivet här baserar sig på moderna tekniker med vars hjälp man kan modifiera möss genetiskt. Gener styr hela vårt liv för de rymmer koden för varje byggsten, minimaskin och lilleputtkommunikations-utrustning som finns i våra celler och krävs för att de skall fungera normalt. En gen är en del av en kromosom. Kromosomerna är långa trådar av DNA som finns i cellkärnan. I varje cellkärna har vi två meter (!) DNA men DNA-trådarna är bara två miljontedels millimeter tjocka så de får lätt plats. Om en gen modifieras kallas det att man har en mutation i den genen. Beroende på vilken gen det rör sig om är det inte alltid så lyckat att ha en mutation. Huntingtons sjukdom till exempel beror på en mutation i en specifik gen. Gener (med eller utan mutationer) ärver man från sina föräldrar och om en förälder har en viss mutation så löper barnet 50% risk att ärva den. Mutationer har alltid uppstått naturligt, utan dem skulle aldrig livet här på jorden ha utvecklats vidare. Biologer har länge använt sig av kemikalier som ökar antalet mutationer (cancer orsakas av mutationer alltså är sådana ämnen cancerframkallande) för att få djur med olika störningar som deras avkomma sedan ärver. Nu för tiden kan man vara betydligt mer elegant. Alla gener är nämligen inte aktiva i alla kroppens celler (i många av figurerna i delarbetena I-V ser du exempel på detta där vi färgat in olika genprodukter). Om man därför hittar en gen som är aktiv specifikt i exempelvis striatum finns det god chans att denna gen är viktig för striatums normala funktion. Detsamma gäller under utvecklingen och en del gener har hittats som är aktiva specifikt i striatum under embryo- och fostertiden. Med moderna tekniker kan man isolera de delar av kromosomerna där de intressanta generna finns och sedan skapa mutationer. De muterade generna kan sedan föras in i möss och därefter kan man studera vilka följder detta har för individen, i vårt fall embryot eller fostret. Våra genetiska studier har visat att en gen som heter sonic hedgehog och som alla förutsatt krävs väldigt tidigt under embryotiden för striatumutveckling, faktiskt inte är helt nödvändig. Detta är viktigt eftersom man nu måste leta rätt på andra tidiga gener som har denna funktion. Vi har också visat att en annan gen, Gsh2, krävs för att striatum skall växa till rätt storlek. Intressant nog fann vi också att en gen som liknar Gsh2 (och heter Gsh1) räddar en del av striatumutvecklingen om man muterar Gsh2. Striatum utvecklas alldeles intill hjärnbarken och vi kunde visa att en gen som normalt krävs för dess utveckling (Pax6), och aldrig är aktiv i striatum, aktiveras i striatum om Gsh2 är muterad. Mycket viktigt var att vi kunde visa att det var just denna felaktiga aktivering av Pax6 som gav upphov till det förkrympta striatum man ser hos möss med muterad Gsh2. Med hjälp av muterade gener har vi alltså stört utvecklingsprocessen och dessa resultat har givit värdefulla ledtrådar till hur såväl hjärnbarken som striatum utvecklas. I den sista studien visar vi att en modifierad form av vitamin A (vitamin A-syra eller retinolsyra) finns i hög mängd i striatum hos foster. Om man tar ut striatumceller från ett tidigt musfoster och odlar dem i en skål med näringslösning så överlever de men de flesta trivs inte tillräckligt bra för att mogna ut fullt. Det viktigaste resultatet var att även mycket små tillsatser av retinolsyra till näringslösningen leder till att man får mer än dubbelt så många fullt utmognade striatumceller.

• author: Toresson, Håkan
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr Guillemot, François, Strasbourg, France
• organization: Clinical Memory Research (research group)
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurosciences
• keywords: pbx, meis, sonic hedgehog, small eye, pax6, gsh2, gsh1, cerebral cortex, striatum, telencephalon, mutant, development, mouse, embryo, retinoic acid, Clinical biology, Klinisk biologi
• pages: 100 pages
• defense location: Segerfalksalen, WNC Sölvegatan 17
• defense date: 2001-10-09 14:00:00
• ISBN: 91-628-4974-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 60b8fd4a-b00c-4b9b-85ae-d92b0c26ea93 (old id 41838)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:07:58
• date last changed: 2018-11-21 20:56:57