The embryonic midbrain and hindbrain give rise to brain stem structures and the cerebellum. The ventral midbrain and anterior hindbrain include highly important brain nuclei such as the dopaminergic substantia nigra and the ventral tegmental area, as well as serotonergic dorsal raphe neurons. These specific brain structures are affected in several disorders such as Parkinson s disease, depression, schizophrenia and drug addiction.
Between the developing midbrain and hindbrain is a signalling centre called the Isthmic Organizer. This Isthmic Organizer secretes signalling molecules, such as Wnts and Fibroblast growth factors (Fgfs). Fgf8 is able to induce midbrain and anterior hindbrain characteristics in ectopic locations, and thus Fgf8 can act as an organizer molecule. Fgf signals are mediated by Fgf receptors (Fgfr). Of the four Fgfrs, Fgfr1-Fgfr3 are expressed in the nervous system. Fgfr1 is required to maintain coherence of a slowly dividing midbrain-hindbrain boundary cell population. However, the role of Fgfr2 and Fgfr3 in the development of midbrain and anterior hindbrain is poorly understood as well as cell adhesion molecules related to the maintenance of the coherent isthmic constriction.
In this study, we elucidated the role of Fgfr2 and Fgfr3 during the development of the mid-brain and hindbrain. We showed that loss of either Fgfr2 or Fgfr3 alone or even both together did not result in any structural abnormalities. Thus, Fgfr1 is the major Fgf receptor in the midbrain and anterior hindbrain region. However, when Fgfr1 and Fgfr2, or all three Fgfr1, Fgfr2 and Fgfr3 were simultaneously inactivated, the defects in the midbrain-hindbrain development were much more severe than in the Fgfr1 mutants alone. Dorsal midbrain structures and the cerebellum were lost. Although some dopaminergic precursors appeared in the ventral midbrain, all dopaminergic neurons and several other ventral neuronal populations were lost by birth. We showed that Fgfr cooperatively regulate cell survival, antero-posterior patterning, and the maintenance of neural progenitor properties. Loss of Fgf signalling in the ventral midbrain resulted in a thinner ventricular zone and premature neurogenesis. This was not caused by shortened cell cycle length or abnormalities in cellular polarity, cellular architecture or the orientation of mitotic spindles. Instead, loss of Fgf signalling lead to a downregulation of neural stem cell transcription factors, which allowed upregulation of proneural genes. Thus, these gene expression changes drove neural progenitors to exit the cell cycle. In addition, we showed that Fgf8 is localized in the basal membrane. Thus, Fgf signalling may maintain proliferative identity of the midbrain neural progenitors, and the cells likely receive these guiding Fgf signals through their basal processes. Finally, we showed that an Fgf-regulated adhesion molecule Cadherin22 (Cdh22) is not essential for the maintenance of the coherent compartment boundary between the midbrain and the hindbrain. Possibly, Cdh22 acts redundantly with other type II cadherins. In addition, specific expression patterns in distinct brain nuclei suggest roles for Cdh22 in the segregation of neuronal populations cooperatively with other cadherins.
In summary, these results demonstrate that Fgf signalling, and especially cooperation of the Fgf receptors, is required for proliferation, cell survival, and patterning of the neural progenitors in the midbrain and anterior hindbrain. A good understanding of developmental processes such as detailed mechanisms of signalling pathways and their regulation elucidates possibilities for therapeutic use.Alkionaikainen keski- ja taka-aivo muotoutuvat toimiviksi aivorungon rakenteiksi ja pikkuaivoiksi sikiön kehityksen aikana. Aivorungossa prosessoidaan mm. kuulo- ja näköimpulsseja, ja pikkuaivot toimivat kehon liikkeiden koordinoijana ja tasapainon säätelijöinä. Aivorungossa sijaitsee myös tärkeitä hermosolutumakkeita, joiden toiminnalliset häiriöt aiheuttavat mm. Parkinsonin tautia, masennusta, skitsofreniaa sekä huumausaineriippuvuutta. Näin ollen keski- ja taka-aivon kehityksen tutkimuksella saavutetaan tärkeää tietoa hermoston perustoiminnasta ja mahdollisista kehityksen aikana muodostuneista häiriöistä. Lisäksi hermosolujen kehityksen tuntemus voi mahdollistaa myös hermosolujen tuhoutumiseen johtavien tapahtumien ymmärtämistä.
Aivot muodostuvat hermosoluista ja niiden toimintaa tukevista gliasoluista. Näiden erityyppisten hermo- ja gliasolujen on muodostuttava oikeissa paikoissa oikeaan aikaan ja sen lisäksi niiden pitää kytkeytyä toisiin hermosoluihin toimivan hermoverkoston saavuttamiseksi. Alkionaikaista tapahtumaa, joka määrittää, mitkä solut mihinkin aivojen osaan milloinkin muodostuu, kutsutaan kaavoittumiseksi. Tätä kaavoittumista ohjataan signaalikeskusten kautta, jotka yleensä muodostuvat eri aivoalueiden rajapinnalle. Kehittyvien keski- ja taka-aivon rajapinnalle muodostuu yksi näistä signaalikeskuksista, Istmuksen säätelykeskus. Tämä signaalikeskus ilmentää erilaisia signaalimolekyylejä, kuten Wnt -signaaleja ja Fibroblastikasvutekijöitä (Fgf). Signaalimolekyylit taas ohjaavat erilaisten transkriptiotekijöiden aktivoitumista tietyissä paikoissa kehittyvää aivokudosta. Erilaisten traskriptiotekijöiden ilmentyminen määrää, minkä tyyppisiä hermosoluja syntyy millekin aivoalueelle. Tässä väitöskirjatutkimuksessa keskityin tarkastelemaan Fgf signalointia keski- ja taka-aivojen alueella. Tutkimuksessa käytimme muutogeenisiä hiiriä, joilta tarkasteltavien geenien toiminta oli poistettu kyseiseltä aivoalueelta.
Tutkimuksemme osoitti, että keski- ja taka-aivojen kehityksessä Fgf signaalit välittyvät solun sisään kaikkien kolmen alueella ilmentyvän Fgf reseptorimolekyylin kautta. Osoitimme, että näiden reseptorien yhteistyö ja sitä kautta tapahtuva Fgf signalointi säätelee kaavoittumista ja solujen hengissä pysymistä, sekä ylläpitää hermoston esiastesolujen jakautumista keski- ja taka-aivojen alueella. Fgf signaloinnin puuttuminen alueelta johti ennenaikaiseen hermosolujen muodostumiseen ja täten vähentyneeseen hermosolujen määrään alueella. Vähentynyt Fgf signalointi johti solun jakautumista ylläpitävien transkriptiotekijöiden vähenemiseen ja tätä kautta erilaistumista edistävien geenien toiminnan lisääntymiseen sekä hermosolujen ennenaikaiseen erilaistumiseen. Oikean kaavoittumisen lisäksi hermoston kehitykselle on tärkeää tiettyjen tumakkeiden muotoutuminen ja pysyminen tiiviinä hermosolupopulaationa, sekä hermosolujen kytkeytyminen toisiin soluihin oikealla tavalla. Solujen välisten kontaktien muodostumisesta vastaavat soluadheesiomolekyylit. Samanlaiset hermosolut ja usein myös hermoverkostot ilmentävät samaa soluadheesiomolekyyliä. Tässä tutkimuksessa selvitimme erityisesti keski- ja taka-aivojen rajapinnalla esiintyvän soluadheesiomolekyylin toimintaa. Havaitsimme, ettei tätä soluadheesiomolekyyliä yksinään tarvita pitämään keski- ja taka-aivojen rajapinnan soluja tiiviinä populaationa. Todennäköisesti useamman soluadhesiomolekyylin yhteistoimintaa tarvitaan tähän prosessiin.
Tämä tutkimus osoittaa, että keski- ja taka-aivojen alueella Fgf signalointia tarvitaan hermoston esiastesolujen jakautumiseen, hengissä pysymiseen ja oikeaan kaavoittumiseen. Kyseisen aivoalueen kehityksen parempi tuntemus, erilaisten signaalireittien toiminnan valottaminen sekä yhteisvaikutusten selvittäminen avaa mahdollisuuksia hoitomuotojen kehittämiselle esimerkiksi neurologisissa häiriöissä ja syövissä
