Transcriptional Regulation of GABAergic neuron differentiation in the developing diencephalon, midbrain and anterior hindbrain

Abstract

The delicate balance of excitation and inhibition of neuronal activity is important for normal brain functions.Gamma-aminobutyric acid,GABA,is the predominant neurotransmitter in the adult brain regulating inhibitory synaptic transmission.GABA is employed in over 40% of the synaptic connections in the central nervous system and GABAergic neurons can be found in all regions of the brain.Mature GABAergic neurons are essential elements of neuronal circuitries by coordinating,balancing and reducing the excitatory activity of neurons.Imbalance between neuronal excitation and inhibition can lead to severe psychiatric and neurological diseases.Several anxiolytic,sedative and addictive drugs act by modulating GABA-mediated inhibitory neurotransmission.

The regulation of GABAergic neuron differentiation has been extensively characterized in the developing forebrain. However,GABAergic neurons are abundant in more posterior brain regions.Although these GABAergic neurons mediate crucially important functions in mature brain and are involved in psychiatric illnesses,rather little is known of the developmental mechanisms of GABAergic neurons in the diencephalon,midbrain and anterior hindbrain.

Neuronal differentiation and identity is regulated by cell-type specific transcriptionfactors.In this study,we have characterized Ascl1 as well as Gata and Tal family transcription factor functions in the GABAergic neuronal precursors.We showed that the proneural gene Ascl1 was region specifi cally required for GABAergic neurogenesis in distinct midbrain GABAergic neuron subpopulations.By comparing the GABAergic neuronal phenotypes and specific transcription factor expressions in Ascl1 and Gata2 mutant mice,we proposed a model how specific neuroepithelial regions of developing midbrain give rise to different mature GABAergic neuron subpopulations.We also characterized the requirement of Gata2 and Ascl1 for GABAergic neurogenesis in diencephalic prosomeres and showed that there Gata2 acts as a post-mitotic selector gene and is specifi cally required for the differentiation of different GABAergic neuron sybtypes in the developing diencephalon.In the midbrain and diencephalon Ascl1 promoted or repressed cell cycle progression depending on the regions of developing neuroepithelium.

We also analyzed the functions of Gata2 cofactors Tal1 and Tal2 for midbrain GABAergic neuron differentiation.Tal2 and Gata2 were both required for complete activation of GABAergic target genes and subsequent GABAergic neuron identity formation in the midbrain.They were not needed in the anterior hindbrain,where Tal1 was required for GABAergic neuron differentiation.

Finally,we studied the developmental origin of midbrain Ventral tegmental area and Substantia Nigra-associated GABAergic neurons and showed that these GABAergic neurons are born in ventrolateral rhombomere 1 and migrate to midbrain as postmitotic precursors.Thus, we showed that there is developmental heterogeneity between different GABAergic neuron subpopulations in the midbrain.Compared to other midbrain GABAergic neuron subpopulations, the GABAergic neurons associated with Ventral tegmental area-Substantia Nigra dopaminergic nuclei utilize genetically different transcriptional regulation and have unique developmental origins.

These studies elucidate the transcriptional regulatory mechanisms controlling the development of essential neuronal populations in brain regions which have important impact for normal brain functions.Understanding the developmental processes and molecular pathways regulating GABAergic neuron differentiation may thus lead to new advanced diagnostics and treatment for psychiatric disease.

Gamma-aminovoihappo (GABA) on keskushermoston keskeisin estävä eli inhiboiva hermovälittäjäaine. GABAa välittäjäaineenaan käyttäviä eli GABAergisia hermosoluja on laajalla alueella keskushermostossa. GABA tasapainottaa ja koordinoi eri hermosolutyypeistä muodostuvien hermoverkkojen signaaleja ja vähentää muiden hermosolujen aktiivisuutta. Epätasapaino hermosolujen aktivaation ja inhibition välillä voi aiheuttaa vakavia neurologisia ja psyykkisiä sairauksia. Monet ahdistusta lievittävät lääkeaineet sekä alkoholi tehostavat GABA-välitteistä inhibitorista vaikutusta hermostossa.

GABAergisten hermosolujen erilaistuminen kehityksen aikana tunnetaan hyvin etuaivoissa. GABAergisiä hermosoluja esiintyy kuitenkin runsaasti myös muilla aivoalueilla, kuten väli-, keski- ja taka-aivoissa, jossa niillä on tärkeä rooli yksilön tunnetilojen, motivaation ja ahdistuneisuuden säätelyssä. Huolimatta siitä, että väli, -keski- ja taka-aivojen GABAergisillä hermosoluilla on aivojen ja yksilön toiminnan kannalta elintärkeitä tehtäviä, niiden yksilönkehityksen aikainen erilaistuminen ja monimuotoisuus ovat vielä huonosti tunnettuja. Yksilönkehityksen aikainen hermoston erilaistuminen ja eri hermosolutyyppien molekulaarinen säätely on hyvin monimutkainen prosessi, jossa tärkeässä osassa toimivat solutyyppi spesifiset transkriptiotekijät. Nämä aktivoivat tiettyjen geenien ilmenemisen juuri tiettyyn aikaan tietyssä paikassa ja siten mahdollistavat soluidentiteetiltään erilaisten hermosolutyyppien erilaistumisen kehittyvissä aivoissa.

Tässä tutkimuksessa olemme selvittäneet eri transkriptiotekijöiden toimintaa GABAergisten hermosolujen erilaistumisessa väli-, keski- ja taka-aivoissa. Hiiren alkioita tutkimusmalleina hyödyntäen osoitimme, että tietyt transkriptiotekijät ohjaavat GABAergisten hermosolujen erilaistumista aluespesifisesti kehittyvässä neuroepiteelissä. Osoitimme, että kehittyvän neuroepiteelin eri alueilta syntyvät GABAergiset hermosolut muodostavat myöhemmin kypsissä väli- ja keskiaivoissa GABAergisiä osapopulaatioita, joiden erilaistumisen säätelyyn vaikuttavat tietyt transkriptiotekijät. Tämän lisäksi selvitimme transkriptiotekijöiden yhteisvaikutuksia GABAergisten hermosolujen erilaistumiselle ja soluidentiteetin kehittymiselle. Osoitimme myös, että keskiaivojen GABAergiset hermosolupopulaatiot ovat syntyperältään ja geenisäätelyltään heterogeenisiä ja että ventraalinen GABAerginen osapopulaatio syntyy taka-aivojen puolella, josta solut alkionkehityksen myöhemmässä vaiheessa vaeltavat keskiaivoihin. Tämä tutkimus selventää aivojen normaalille toiminnalle tärkeiden hermosolupopulaatioiden syntymekanismeja ja erilaistumisen molekulaarista säätelyä. Yksilönkehityksen aikaisen normaalin geenisäätelyn ja hermosolujen erilaistumisprosessien ymmärtäminen on tärkeä kulmakivi aivojen toiminnan ymmärtämisessä ja neurologisten sairauksien hoitomuotojen kehityksessä.