FGF signaling in neurogenesis and patterning of the developing midbrain and anterior hindbrain

Embryonic midbrain and hindbrain are structures which will give rise to brain stem and cerebellum in the adult vertebrates. Brain stem contains several nuclei which are essential for the regulation of movements and behavior. They include serotonin-producing neurons, which develop in the hindbrain, and dopamine-producing neurons in the ventral midbrain. Degeneration and malfunction of these neurons leads to various neurological disorders, including schizophrenia, depression, Alzheimer s, and Parkinson s disease. Thus, understanding their development is of high interest. During embryogenesis, a local signaling center called isthmic organizer regulates the development of midbrain and anterior hindbrain. It secretes peptides belonging to fibroblast growth factor (FGF) and Wingless/Int (Wnt) families. These factors bind to their receptors in the surrounding tissues, and activate various downstream signaling pathways which lead to alterations in gene expression. This in turn affects the various developmental processes in this region, such as proliferation, survival, patterning, and neuronal differentiation. In this study we have analyzed the role of FGFs in the development of midbrain and anterior hindbrain, by using mouse as a model organism. We show that FGF receptors cooperate to receive isthmic signals, and cell-autonomously promote cell survival, proliferation, and maintenance of neuronal progenitors. FGF signaling is required for the maintenance of Sox3 and Hes1 expression in progenitors, and Hes1 in turn suppresses the activity of proneural genes. Loss of Hes1 is correlated with increased cell cycle exit and premature neuronal differentiation. We further demonstrate that FGF8 protein forms an antero-posterior gradient in the basal lamina, and might enter the neuronal progenitors via their basal processes. We also analyze the impact of FGF signaling on the various neuronal nuclei in midbrain and hindbrain. Rostral serotonergic neurons appear to require high levels of FGF signaling in order to develop. In the absence of FGF signaling, these neurons are absent. We also show that embryonic meso-diencephalic dopaminergic domain consists of two populations in the anterior-posterior direction, and that these populations display different molecular profiles. The anterior diencephalic domain appears less dependent on isthmic FGFs, and lack several genes typical of midbrain dopaminergic neurons, such as Pitx3 and DAT. In Fgfr compound mutants, midbrain dopaminergic neurons begin to develop but soon adopt characteristics which highly resemble those of diencephalic dopaminergic precursors. Our results indicate that FGF signaling regulates patterning of these two domains cell-autonomously.

Väitöskirjatyössäni olen tutkinut fibroblastikasvutekijöiden (FGF) merkitystä keskiaivojen sekä taka-aivojen etuosan kehitykselle käyttämällä hiiren alkiota tutkimusmallina. Aikuisen selkärankaisen aivojen aivorunko ja pikkuaivot muodostuvat alkionkehityksen aikana keski- ja taka-aivoiksi kutsutulta alueelta. Aikuisella aivorunko sisältää useita hermosolutumakkeita joita tarvitaan liikkeiden ja käytöksen säätelyyn. Näihin kuuluvat esimerkiksi serotoniinia tuottavat hermosolut, jotka kehittyvät taka-aivojen alueella, sekä dopamiinia tuottavat hermosolut, jotka puolestaan muodostuvat keskiaivojen alueella. Näiden solujen heikentynyt toiminta tai kuolema johtaa erilaisiin neurologisiin sairauksiin, kuten masennukseen, skitsofreniaan, tai Alzheimerin ja Parkinsonin tauteihin. Sekä diagnostiikan että hoitomuotojen kehittäminen vaativat ymmärtämystä niistä mekanismeista, jotka vaikuttavat näiden hermosolujen kehitykseen. Alkionkehityksen aikana paikallinen viestikeskus, nimeltään istminen säätelijä, säätelee keskiaivojen ja taka-aivojen etuosan kehitystä. Tämä viestikeskus koostuu joukosta soluja, jotka erittävät ympäristöönsä FGF sekä Wingless/Int-perheisiin kuuluvia viestimolekyylejä. Nämä molekyylit kulkeutuvat naapurisoluihin, joissa ne sitoutuvat solun pinnalla sijaitseviin kohdereseptoreihinsa. Sitoutuminen käynnistää solunsisäisen viestinvälitysverkoston, joka johtaa muutoksiin geenien ilmenemisessä ja proteiinien toiminnassa. Tämä puolestaan vaikuttaa solujen jakautumiseen, elinkykyyn, kaavoittumiseen ja hermostolliseen erilaistumiseen. Väitöskirjatyössäni poistin FGF-viestejä vastaanottavia reseptoreita hiiren alkion keski- ja taka-aivojen soluista, ja tutkin mitä vaikutuksia tällä on aivojen varhaiskehitykselle. Tulokset osoittavat, että kolme eri FGF reseptoria vastaanottaa istmisen säätelijän alueelta tulevia viestimolekyylejä, ja näiden reseptorien yhteistoimintaa tarvitaan solujen elinkyvyn, jakautumisen, sekä hermostollisten esiastesolujen säilymiselle. FGF viestinnän vähentyminen johti hermokantasolujen määrän vähenemiseen keskiaivojen alueella, kun ne alkoivat erilaistua hermosoluiksi liian varhain. Lisäksi laajamittainen solukuolema surkastutti sekä pikkuaivot että keskiaivojen kuulo- ja näköhavaintoja välittävät alueet. Puutteellinen FGF-viestintä johti myös kehityshäiriöihin serotoniinia tuottavissa sekä dopamiinia tuottavissa hermosolupopulaatioissa. Tutkimuksen tulokset paljastivat yllättäen myös, että alkion keski- ja väliaivojen alueella sijaitsevat dopamiinia tuottavien hermosolujen esiasteet koostuvat itse asiassa kahdesta eri populaatiosta, jotka reagoivat eri lailla FGF-viestinnän vähenemiseen.