Μελέτη του ρόλου της Geminin στη δημιουργία και διαφοροποίηση των πολυδύναμων κυττάρων του εγκεφαλικού φλοιού

Abstract

Cortical development is a highly ordered process, involving the timely orchestration of the appearance of different neural progenitor lineages, which succeed one another in order to generate the neurons and glia comprising the cortex. It is a process requiring coordination of proliferation and differentiation which in turn depends upon the precise control of cell cycle parameters, chromatin remodeling and transcriptional activity. Geminin has been shown to regulate cell proliferation, fate determination and organogenesis, representing a potential link between these processes. We show here that Geminin and its binding partner Cdt1 are expressed by neural progenitor cells of the ventricular and subventricular zone of the developing mouse cortex. However, the majority of the Geminin and Cdt1 expressing cells are distinct from fate-restricted precursor cells expressing the bHLH proneural proteins Mash1 and Neurogenin2. Importantly, BrdU incorporation experiments show a cell cycle specific expression pattern of Geminin and Cdt1 in neural progenitors of the mouse cortex. In order to investigate Geminin in vivo role in the self-renewal, maintenance, lineage commitment and differentiation of cortical neural progenitors, we have specifically over-expressed and deleted Geminin in the developing cortex. Our results showed that Geminin function in the developing mouse cortex regulates the number of the apical progenitors. Interestingly, this impact on progenitor number is the consequence of the accelerated cell cycle that these apical progenitors exhibit during early stages of cortical development. Moreover, Geminin deletion and over-expression in the cortex also regulated the fate specification of the basal cortical progenitors of the subventricular zone. Furthermore, our results demonstrated that Geminin affects the population of the committed neural precursors, the rate of cell cycle exit and, subsequently, the numbers of cortical neurons. Our study assigns Geminin with a role in regulating the progenitor cell number, the timing of lineage transition, the progenitor neuronal commitment and the subsequent neuron generation.

Η δημιουργία του εγκεφαλικού φλοιού στηρίζεται στη διαδοχική εμφάνιση πληθυσμών προγονικών κυττάρων, οι οποίοι δίνουν γένεση σε νευρικά και γλοιακά κύτταρα. Πρόκειται για μία διαδικασία που απαιτεί το συγχρονισμό των διεργασιών αυτο-ανανέωσης και διαφοροποίησης των προγονικών νευρικών κυττάρων, και διαμεσολαβείται από τον ταυτόχρονο έλεγχο των διαδικασιών κυτταρικού κύκλου, μεταγραφικής ρύθμισης και αναδιαμόρφωσης της δομής της χρωματίνης. Η πρωτεΐνη Geminin έχει προταθεί ως ένα μόριο που ρυθμίζει τόσο τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό όσο και την κυτταρική διαφοροποίηση. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής δείχνουν ότι η πρωτεΐνη Geminin και ο μοριακός της συνεργάτης Cdt1 εκφράζονται στα προγονικά νευρικά κύτταρα της κοιλιακής και υποκοιλιακής ζώνης του αναπτυσσόμενου φλοιού του μυός. Στα προκαθορισμένα προς νευρωνική διαφοροποίηση πρόδρομα κύτταρα που εκφράζουν τις προνευρικές bHLH πρωτεΐνες Mash1 και Neurogenin2 η έκφρασή τους μειώνεται. Επίσης δείχνουμε ότι οι παράγοντες Geminin και Cdt1 επιδεικνύουν ένα περιοδικό πρότυπο έκφρασης στα προγονικά νευρικά κύτταρα του φλοιού του μυός που εξαρτάται από τη φάση του κυτταρικού κύκλου. Προκειμένου να διερευνηθεί ο ρόλος της πρωτεΐνης Geminin in vivo στις διαδικασίες αυτο-ανανέωσης, διαδοχής και διαφοροποίησης των προγονικών νευρικών κυττάρων του φλοιού, πραγματοποιήθηκαν πειράματα υπερέκφρασης και αποσιώπησης του γονιδίου της Geminin στον αναπτυσσόμενο εγκεφαλικό φλοιό του μυός. Τα αποτελέσματά μας υποδεικνύουν ότι η απουσία της Geminin αυξάνει τον αριθμό των προγονικών κυττάρων της κοιλιακής ζώνης του φλοιού, μεταβάλλοντας τον ρυθμό κυτταρικής διαίρεσης που εμφανίζουν τα παραπάνω κύτταρα κατά τα πρώιμα στάδια της φλοιϊκής νευρογένεσης. Η Geminin ρυθμίζει επίσης τον καθορισμό των βασικών πρόδρομων κυττάρων της υποκοιλιακής ζώνης, ενός πληθυσμού προγονικών νευρικών κυττάρων που δίνει κυρίως γένεση σε διαφοροποιημένα νευρικά κύτταρα. Επιπλέον, η υπερέκφραση της Geminin αυξάνει τον πληθυσμό των προκαθορισμένων προς νευρωνική διαφοροποίηση πρόδρομων κυττάρων καθώς και τον αριθμό των φλοιϊκών νευρώνων προάγοντας την έξοδο από τον κυτταρικό κύκλο. Συνοψίζοντας, τα αποτελέσματά μας καταδεικνύουν ότι η Geminin συμμετέχει στη ρύθμιση του πληθυσμού των προγονικών κυττάρων του φλοιού και στη μετάβαση μεταξύ των διαδοχικών προγονικών πληθυσμών ρυθμίζοντας τελικά την παραγωγή των φλοιϊκών νευρώνων. Τα αποτελέσματά μας επομένως προσδίδουν στη Geminin ένα φυσιολογικό ρόλο στο σχηματισμό του φλοιού των θηλαστικών.