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斑马鱼发育与再生中的胶质细胞生态学

2020年05月25日 浏览量: 评论(0) 来源:中国实验动物信息网 作者:李晓菲译 责任编辑:admin
摘要:已发现斑马鱼是生物学和生物医学研究中的重要模式生物,尤其在发育生物学和遗传学方面具有许多优势。斑马鱼在受伤后有再生脊髓的能力。然而,斑马鱼胶质桥形成的完整分子和细胞机制仍不清楚。在综述文章中,我们研究了控制斑马鱼前脑胶质细胞桥连和胶质细胞发育的细胞外和细胞内分子信号因子。在胶质细胞生长、运动和分化过程中,启动和终止分子反馈循环之间的相互作用值得进一步研究。

摘要:已发现斑马鱼是生物学和生物医学研究中的重要模式生物,尤其在发育生物学和遗传学方面具有许多优势。斑马鱼在受伤后有再生脊髓的能力。然而,斑马鱼胶质桥形成的完整分子和细胞机制仍不清楚。在综述文章中,我们研究了控制斑马鱼前脑胶质细胞桥连和胶质细胞发育的细胞外和细胞内分子信号因子。在胶质细胞生长、运动和分化过程中,启动和终止分子反馈循环之间的相互作用值得进一步研究。


关键词:细胞生物学  发育生物学  遗传学  分子生物学  神经科学  胶质桥  ctgfa

Fgf 信号 斑马鱼


简介:斑马鱼不同于人类,在受伤后有再生脊髓的能力。胶质细胞在发育、疾病进展和损伤反应中起着至关重要的作用。此外,轴突再生是脊髓再生过程中的一个重要步骤。在我们的综述文章中,主要关注细胞外和细胞内的分子信号如何整合来控制脊髓损伤后胶质桥的形成。此外,我们将重点介绍室管膜细胞、桡神经胶质细胞和星形胶质细胞,而不是少突胶质细胞,斑马鱼脊髓再生中的细胞类型。在胶质细胞增殖后,胶质细胞迁移并分化为胶质细胞双极性形态。胶质细胞桥接的特征是成熟的神经胶质在病变处延伸形成神经胶质桥。 胶质细胞在空间和时间上发育和修复的这些阶段和过渡点被定义为胶质细胞生态学。我们使用术语“细胞生态学”来描述其胶质细胞类型在其细胞周围环境或生理或再生条件下的微环境之间的关系。


图1.斑马鱼脊髓再生过程中的细胞生态学框架。斑马鱼脊髓再生过程中,细胞外趋化信号和细胞信号(洋红色圈)控制生长(橙色圈)、细胞运动(蓝色圈)和细胞分化(绿色圈)的生态框架。


在过去的几十年里,对脊髓损伤的细胞机制进行了重要的研究。例如,使用免疫染色法对金鱼进行的脊髓损伤研究表明,在损伤部位的再生轴突后面出现了尾随的星形胶质细胞。Wehner及其同事进行的另一项研究表明,轴突细胞功能和轴突生成的能力取决于斑马鱼损伤部位成纤维细胞样细胞中Wnt /β-catenin诱导的XIII胶原蛋白的表达。在对脊髓再生的每一个阶段所发生的分子和细胞事件进行反思之后,仍不清楚如何在脊髓损伤后随时间和空间控制每个阶段。此外,目前还不清楚细胞如何整合分子,并解释它们增殖,迁移,以及与其他细胞类型的沟通(例如新分化的轴突和神经胶质细胞)。分子正反馈和负反馈机制有助于控制细胞稳态和控制细胞分化。例如,Hildago和Logan提出了正反馈信号或“ go”信号,以及负反馈或反馈抑制或“ stop”信号框架来解释果蝇神经胶质再生的机制。通过扩展果蝇和小鼠模型生物在细胞生长和分化过程中的“go-stop”信号,我们希望提供一个反馈循环机制框架。我们希望提供一个反馈循环机制框架的观点,在这个框架中,细胞或其微环境在胶质细胞桥形成过程中提供一系列正信号波和终止信号波之间的循环。将主要讨论以下内容:(1) 斑马鱼胶质细胞桥形成过程中的Fgf信号和ctgfa;(2)斑马鱼前脑轴突导向分子的分子作用与Wnt/β-catenin信号转导;(3)斑马鱼脊髓损伤后神经胶质细胞桥形成过程中Wnt抑制剂Dkk1和糖皮质激素通过受体的特异性分子作用。

图2.胶质细胞发育和再生中的反馈周期。

斑马鱼脊髓损伤后胶质桥形成过程中的分子信号传导

为了确定胶质细胞桥形成所需的分子因子,我们对脊髓再生过程中上调的分泌因子进行了全基因组分析筛选。结果表明,结缔组织生长因子a(ctgfa)在胶质细胞内及周围表达,在胶质细胞桥形成的初期即有表达。功能丧失的ctgfa突变体导致脊髓修复受到破坏,而过表达促进脊髓损伤后的再生。在此过程中,我们发现成纤维细胞生长因子(Fgf)信号传导是胶质桥形成的必要条件。此外,Fgf信号调节胶质细胞的活化,Fgf功能丧失导致对胶质桥的抑制,从而破坏了神经胶质桥接的双极性成分。有趣的是,延迟的热激诱导的Fgf信号传导抑制导致了一组新的神经元双极细胞。


在脊髓再生和轴突形成过程中,揭示这些Fgf信号独立细胞类型的细胞身份具有重要意义。此外,ctgfa在这些Fgf信号独立细胞类型中的作用尚待确定。研究还表明,还可能涉及其他独立于Fgf的信号传导机制,其中一些候选信号包括Notch和经典Wnt信号传导。在Wehner和同事的另一项研究中,Mtz前药诱导的GFAP+胶质细胞系消融研究表明,在没有GFAP+表达的胶质细胞的情况下,轴突桥仍然形成。此外,通过Wnt抑制剂Axin1(而非室管神经胶质细胞谱系)的过表达来全面抑制经典Wnt /β-catenin信号传导,导致损伤后胶质桥形成的数量减少。总之,Fgf信号和ctgfa是斑马鱼胶质桥形成的必需条件。


斑马鱼前脑胶质细胞发育的分子机制

虽然,斑马鱼脑和脊髓胶质细胞的发育过程不同,但细胞外的共同主题是信号传导,它可能为今后胶质细胞和神经元再生的研究提供进一步的分子和细胞见解。例如,Shimizu 等人发现,在损伤后,神经胶质细胞的生理和再生过程中,典型的Wnt/β-catenin信号是神经胶质细胞分化和生长所必需的。我们将首先回顾斑马鱼前脑神经胶质细胞发育的已知分子机制,为斑马鱼脊髓再生的研究提供了分子基础。以双极形态形成的胶质桥,胶质细胞以相互直接交叉的方式聚集,在损伤处拉长以促进轴突再生。重要的研究是什么引导神经胶质细胞以双极性方式积聚,以及它们如何在脊髓再生中发挥整体作用。  在缺乏两种轴突导向分子slit 1和slit 2表达的区域发现了胶质细胞形成桥的双极形态。


在神经胶质桥形成的背景下,通过调节slit 1、slit 2和slit 3的表达,证明了神经胶质桥需要Sonic Hedgehog信号。抑制slit 2和slit 3的功能导致了引导胶质细胞到达其所需位置进行胶质桥连的中断,从而阻碍双极形态。另一方面,Slit1a的抑制导致轴突中线交叉减少,提示Slit1a在促进轴突中线交叉中起着特殊的作用。控制诱导分子表达的细胞外信号对未来胶质桥的形成有重要作用。例如,Wnt信号,如Frizzled 3,与轴突交叉有关。与调控端脑中线轴突交叉的导向分子slit 2相关的Frizzled 3(Fzd-3)是前连合形成所需的受体。Frizzled 3已知与Wnt配体家族结合,Wnt配体家族是一个高度保守的富含半胱氨酸的胞外结构域。Hofmeister和他的同事发现端脑Frizzled 3A是通过调节趋化信号slit2的表达,来实现轴突交叉和神经胶质桥的形成。Hofmeister等人发现,Frizzled-3A的敲除导致前连合完全丧失,然后伴随着神经胶质桥的丧失和slit2表达的增加。slit2表达增加防止连合轴突沿端脑中线交叉。


此外,在对Wnt基因的研究中发现,Wnt8b与Frizzled-3a相互作用,调节轴突的导向,Frizzled-3a或Wnt8b的功能缺失突变导致slit2表达增加,从而阻碍胶质桥形成。除了控制斑马鱼前脑发育过程中导向分子的表达外,Wnt信号在控制转录因子的表达方面也很重要,如对Wnt典型核β-catenin靶基因的fryzzled依赖性调控。这种有趣的基因相互作用表明Wnt和Frizzled共同调节slit2的表达。未来一个重要的研究方向是Wnt或其他信号通路,如Sonic Hedgehog信号通路,在脊髓再生后胶质桥或轴突桥形成的背景下,是否控制slit2等神经导向分子的表达。

斑马鱼脊髓胶质桥形成的终止信号:

我们综述了斑马鱼脊髓损伤后促进胶质细胞桥形成的细胞外和细胞内信号,包括ctgfa、Fgf信号和Wnt/β-catenin诱导的CollagenXIII表达。终止信号提供反馈抑制,防止斑马鱼脊髓胶质细胞的形成。Wnt抑制蛋白Dkk1b的过表达是一个终止信号。Strand等人证明损伤后β-连环蛋白水平升高,无论是幼鱼还是成年斑马鱼Wnt/β-catenin信号都是保守的。有趣的是,Dkk1b抑制了脊髓中β-catenin报告因子的激活,并破坏了运动恢复,胶质桥形成和轴突伸长。总之,这些研究表明成年和幼虫斑马鱼的Wnt /β-catenin信号传导具有明确的协同作用。此外,最近的一项研究表明,糖皮质激素信号通过受体Nr3c1作为终止信号抑制成年斑马鱼室管膜胶质细胞胶质桥的形成。总之,至少有两个信号Dkk1和Nr3c1充当脊髓损伤后斑马鱼胶质桥形成的终止信号。


讨论:斑马鱼脊髓再生新能力的分子机制对于开发可能转化为人类健康的治疗方法是必要的。细胞外和细胞内的分子正反馈和负反馈机制可调节细胞生长、分化和发育。通过总结果蝇在神经胶质细胞生长和分化过程中的“go和stop”信号,认为需对中枢和外周神经系统中促进和/或终止神经胶质桥接每个阶段的信号开展进一步研究。此外,有待进一步研究胶质细胞异质性的机制,胶质桥细胞的分化和迁移。特定的生长因子(例如ctgfa)是脊髓再生所必需的,但是在空间和时间上尚不清楚信号如何终止。希望在神经胶质发育和再生的背景下,研究控制神经胶质细胞桥接的可能终止因子。


原文出自:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405844020303522

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