小鼠中脑多巴胺神经元发育的机制

成绩

中国农业大学

课程论文

（2011-2012学年秋季学期）

论文题目：小鼠中脑多巴胺神经元发育起源及命运决定

课程名称：发育生物学

任课教师：周波

班级：生化082

学号：0807090106

姓名：贾晓波

小鼠中脑多巴胺能神经元发育起源及命运

决定的分子机制

贾晓波

（生物学院生化082 0807090106）

摘要中脑多巴胺能神经元在哺乳动物中枢神经系统中有着极其重要的生理功能，其功能包括随意运动、认知、情感及奖赏等方面，多巴胺能神经元的特异性缺失将会造成巨大的损害，其中就包括帕金森症。一方面明确多巴胺能神经元的发育及起源的分子机制对于了解神经递质系统是一件重要的工作，另一方面，还可以为这些多巴胺能神经元缺失的疾病的治疗带来福音。

关键词胚胎发育；中脑；转录因子；命运决定

1中枢神经系统中的多巴胺能神经元

中枢神经系统递质表型的发育是大脑形成完整的、具有正常生理功能神经环路过程中的重要一环。中枢神经系统包括大量形态不同、类型各异的神经元，同时它们所产生和释放的神经递质也有所不同，在一定程度上决定了神经系统功能的多样性和复杂性，最终导致了神奇的神经系统功能。多巴胺（dopamine，DA）是儿茶酚胺类神经递质之一，它在哺乳动物中枢神经系统中有着极其重要的生理功能，包括运动的整合、神经内分泌激素释放的调节、认知、情感、奖赏、意识和记忆。特异性分泌多巴胺神经递质的神经元成为DA神经元。多巴胺能神经元主要源自中脑。

在小鼠的中脑，有3个DA神经元的核群：黑质（substantia nigra，SN）致密带（A9，有近10000个DA神经元）、腹侧被盖区（ventral tegmental area，VTA，A10，有近25000个DA神经元）和红核后区（retrorubral field ，RRF，A8）。其他的DA神经元群分布于视丘下部的中间未定带（medial zona incerta）（A13，有近900个DA神经元）等。位于黑质区的DA神经元发出的上行纤维投射至纹状体（尾核及壳核；中脑纹状体通路，mesostriatal pathway）释放DA，其退行性病变可造成纹状体内多巴胺释放量的减少，因而成为帕金森症（Parkinson’sdisease，PD）运动障碍产生的直接原因。腹侧被盖区内DA神经元集中投射至伏隔核的边缘叶（中脑边缘叶通路，mesolimbic pathway），它的过度活跃则与精

神分裂症和药物成瘾有关。黑质和红核去DA神经元投射至大脑前额叶皮层的通路则与情绪和动机有关，而中间未定带的DA神经元则参与调节内分泌的过程。

了解中脑DA神经元的起源与发育过程，将对PD等DA神经元退行性疾病的治疗带来新的曙光。

2中脑发育：中脑和后脑组织结构形成

神经元命运的决定和分化是一个级联过程，目前认为，首先是神经前体细胞产生神经元前体细胞和胶质前体细胞，前者有在不同诱导信号的作用下，分化成各种递质表型的神经元类型，不同类群的神经元在位置信号的诱导下沿着神经管的背腹轴和前后轴的精确排布并各自特化和分化。

DA神经元发源于腹侧神经管与底板的相连处，当小鼠胚龄为E8.5~E10.5时，一组DA神经前体细胞在中脑后端的区域内增殖，最后这些细胞逐渐退出细胞周期，接受和相应各种早期发育信号，并迁移至中脑前端（小鼠中E10.5~E12.5），然后逐步分化为成熟的DA神经元表型，生长出轴突与树突，并与靶区形成一系列链接，这个过程可以从E12.5一直持续到出生时。当DA神经元表达分子标记物酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase，TH）时，表示其递质表型分化成熟。E14以后DA神经元的投射逐步建立、成熟并形成神经环路。

2.1组织中心区的发育

神经管区室化时期是中脑DA神经元发育的关键时期之一，在该时期中脑和后脑组织结构形成（mesencephalic region，MMR），在中脑和后脑交界处（mesencephalic boundary，MMB）的局部组织被成为组织中心区（isthmus organizer，Iso），该区是隔离中后脑的边界，更重要的是，它同时又是指导中后脑发育的信号集中地。再次中心区分泌出的信号分子和神经管底板分泌出的信号分子共同作用，可使一部分神经前体细胞变成DA神经元前体细胞，走向DA神经元分化之路。

来自遗传学的证据表明，Iso的形成与一系列调控步骤密切相关。追溯到胚胎中后脑泡的形成过程中，E8表达的同源框转录因子（homebox transcription factor）OTX2和GBX2参与限制中后脑组织结构形成，OTX2表达在中脑而GBX2表达在后脑，它们相互影响，决定了中后脑的边界并形成组织中心区（Iso），OTX2及GBX2的突变小鼠直接证明了这点，OTX2敲除的小鼠缺乏前脑及中脑，GBX2敲除的小鼠则后脑前端发育缺失且中脑后端扩展。特别是OTX2，它可能在中脑早期命运决定中起作用，而且调节Shh（sonic hedegehog）与FGF8（fibroblast growth factor-8）在Iso附近的表达，2008年Omodei等的研究显示OTX2还能特

异性的促进DA神经元的增殖。Iso的起始形成还与形态发生原FGF8密切相关。

已有实验表明，早期分泌因子Wnt1（表达起始于E8）表达与中脑和Iso区，它是中脑和Iso形成所需要的，Wnt1基因敲除导致小鼠中脑、后脑和Iso组织结构缺失。由此可见，Wnt1对于中脑的发育起着非常重要的作用，并且Wnt1表达的时辰与Shh和FGF8相近，但是与FGF8不同的是，Wnt1并无独立诱导出中后脑结构的能力，但是却能诱导并维持FGF8在Iso的表达，研究表明，分泌因子Wnt3a和Wnt5a在DA神经元的发育中发挥作用，Wnt3a可以促进DA神经前体细胞增殖，但不能增加TH阳性细胞数，而Wnt5a可以增加DA前体细胞分化成DA神经元表型的细胞数。

2.2多巴胺能神经元的诱导

形成Iso之后，来自底板及顶板的信号将中脑与间脑分为背腹两侧，各有其不同的发育信号级联。研究表明，两个重要的分泌信号分子对DA神经元的产生起关键作用，即表达在神经管腹侧的Shh和定位于组织中心区的FGF-8。在胚胎早期（E7~E8.5），FGF8与Shh就已开始表达，而到E13左右终止表达，两者的联合作用可以在神经管的多个区域诱导出DA神经元，为DA神经元早期发育所必须。在Shh存在时，异位表达FGF8可以诱导出中后脑结构，FGF8基因敲除的小鼠则缺失大部分的中后脑组织，因而无法形成DA神经元。2009年，Joksimovic等发现Wnt和Shh信号的相互作用来决定中脑和后脑底板细胞的增殖，Shh的作用为抑制DA神经前体细胞的增殖和神经发生，而Wnt信号通路则是拮抗Shh作用促进DA神经元生成的充分必要条件。

多种转录因子在不同时空对DA神经元的发育起不同作用。转录因子在DA 神经元发育过程中的表达有着明显的时序性。早期出现的转录因子对中后脑细胞的存活、组织结构的维持和细胞命运的决定起关键作用，而在中后脑早期表达的转录因子（E8~E9）除OTX2和GBX2以外，还有同源框转录因子En1、En2、Lmx1b、含配对盒的转录因子Pax2、Pax5、Pax8（E7.5~E8.5）。它们表达区域多数重叠，在中脑与后脑都有表达。Pax2是最早表达的基因，En1和Wnt1紧接着也开始出现，随后Pax5和En2表达，Pax8最后一个出现，这是Pax2的表达区域已经被非常特异的限制在中后脑交界处。2007年Ferri等证明了Foxa1、Foxa2参与了DA神经元发育的多个过程，Foxa1/2功能缺失证明其在DA神经前体细胞的增殖中起重要作用，还可诱导随后DA神经元命运决定的Nurr1等的表达。这些证据表明，在发育过程中转录因子的表达有着严格的时序性和空间限制，而且随着时间推移，基因的表达区域表达量都会发生明显的变化。