论文总字数：33708字

摘 要

新皮质内存在数目众多、类型多样的投射神经元，由此建立了各脑区的精确联系和功能性神经环路，以感知、整合信息并控制机体的相关行为。近年来，在投射神经元有丝分裂后亚型特化机制的研究中取得了重大进展，发现转录因子Tbr1、Fezf2、Ctip2和Satb2通过相互抑制作用，以亚型特异的模式调控投射神经元有丝分裂后的亚型特化，但仍有大量未知的分子有待鉴定。转录因子Foxg1在端脑发育模式中起着很重要的作用，在本实验中我们利用NEX-Cre在皮质有丝分裂后神经元中将其敲除，借以研究Foxg1在新皮质各投射神经元亚型特化中的作用以及机制。Foxg1敲除后，我们发现：1、离皮质投射神经元特化异常，没有形成亚型特异的分布。2、Foxg1敲除后CPN在皮质板缺失，原CPN亚型特化失败，定位于皮质深层，并且表达TBR1。进一步关于分子机制的探究发现，Foxg1可能通过调节Sox5的表达来控制离皮质投射神经元的有序特化，而且，Foxg1在CPN亚型特化早期发挥重要作用。

关键词：投射神经元；有丝分裂后；亚型特化

Foxg1 Regulates the Subtype Specification of Neocortical CFuPN and CPN

ABSTRACT

In the mammalian neocortex, there are numerous and diverse types of projection neurons, which build accurate association between brain regions and functional neuron circuitry to sense and integrate the information to control behavior. In recent years, tremendous progress has been made towards the mechanism of specification of postmitotic projection neurons, and the transcription factors, like Tbr1/Fezf2/Ctip2 and Satb2, which work in a subtype-specific model under the mutually suppressive interaction, have been identified, while other controls unknown remaining to be confirmed. In this article, we delete a transcriptional factor, Foxg1, postmitotically in cortex with NEX-Cre to investigate the regulation of it in the subtype specification of projection neuron. Foxg1 has critical role in the development of telencephalon, and after its deletion in projection we found that: CFuPNs had defect in subtype specification, observed as non-subtype specific distribution. CPNs are almost lost without Foxg1, and pre-CPNs locate at deep layers in cortex converted to expressing Tbr1. Further investigation in the mechanism found that Foxg1 may bind directly to Sox5 to regulate the orderly specification of CThPN and SCPN, and also, Foxg1 may has great importance in early postmitotic specification of CPN in the neocortex.

KEY WORDS: projection neuron; postmitotic; subtype specification

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪 论 1

1.1 引言： 1

1.2 新皮质投射神经元产生的时序性及其皮层定位 1

1.3 投射神经元亚型特化的转录调控机制 2

1.3.1 以Fezf2为中心的网络调控CFuPN的特化 2

1.3.2 Satb2通过Fezf2-Ctip2 pathway调控CPN亚型特化 4

1.4 调控投射神经元亚型特化的亚型特异的网络模式 4

1.4.1 Satb2在SCPN神经特化成熟中也发挥重要作用 5

1.4.2 Tbr1在CPN分化，胼胝体形成中起重要作用 5

1.5 总结与讨论 6

1.6 本文的研究目的 6

第二章 材料和方法 9

2.1 材料 9

2.1.1 实验动物 9

2.1.2 主要仪器或设备 9

2.1.3 溶液配置 9

2.2 实验方法 10

2.2.1 小鼠组织消化 10

2.2.2 灌流和固定 10

2.2.3 切片制备 11

2.2.4 组织切片免疫荧光染色 11

2.2.5 抗原修复染色 11

2.2.6 显微成像 11

2.2.7 染色质免疫共沉淀ChIP实验 11

第三章 实验结果 15

3.1在新皮质有丝分裂后神经元中敲除Foxg1后，CFuPN表达混乱，CPN缺失 15

3.2 E12.5和E13.5的Birth-dating实验显示CFuPN不能正常特化为CThPN和SCPN 16

3.3有丝分裂后神经元敲除Foxg1导致Sox5表达缺失 17

3.4 Foxg1可能直接结合到Sox5启动子区域调控其转录表达 18

3.5 E15.5 BrdU-birthdating实验证明pre-CPN亚型特化失败，可能发生了亚型转变 19

第四章 讨 论 21

4.1 Foxg1可能通过控制Sox5参与调节CThPN和SCPN的有序产生 21

4.2 Foxg1可能在CPN亚型特化早期发挥重要作用 21

第五章 结 论 23

参考文献（References） 24

致 谢 27

第一章 绪 论

新皮质投射神经元亚型特化机制的研究进展

1.1 引言：

哺乳动物新皮质在结构上分为六层，含有诸多神经元亚型。皮质神经元可大致分为兴奋性的锥体投射神经元和抑制性的中间神经元，前者占所有皮质神经元数目的80%以上^[1-3]。皮质内不同亚型的投射神经元可通过其独特的基因表达和突触联系模式以及电生理学属性加以区分^{[4, 5]}。根据轴突投射模式，皮层投射神经元可分为皮质内投射的神经元和离皮质投射神经元。皮质内投射神经元主要定位于皮质浅层2-4层（Layer2-Layer4，L2-L4），少数定位于深层，主要包括联系大脑同侧皮质或脑功能区的联络性神经元（如第四层多棘卫星细胞）和联系对侧大脑皮质的连合性投射神经元（主要为胼胝体投射神经元，callosal projection neuron, CPN）。离皮质投射神经元（corticofugal projection neuron, CFuPN）主要与皮质下结构建立联系，包括特异定位于第六层（Layer6，L6）的皮质丘脑投射神经元（Corticothalamic projection neurons, CThPN）和定位于第五层（Layer5，L5）的脑下投射神经元（Subcerebral projection neurons, SCPN），主要与脑干和脊髓等脑下核团建立联系 ^{[6, 7]}。为与各脑区的功能相适应，皮质内不同脑区细胞的联系也存在差异。比如感觉皮质是主要的信息接受区，其L4较其他皮质区明显。而运动皮质主要通过L5的SCPN输出信息指导皮质下结构。就CThPN而言，感觉皮质和运动皮质的CThPN则分别与丘脑内的感觉和运动核团形成联系 ^{[8, 9]}。阐明皮质投射神元亚型特的调控机制，对全面理解皮质功能和相关疾病机制至关重要。本部分内容介绍了近几年里投射神经元有丝分裂后亚型特化调控的研究进展。

1.2 新皮质投射神经元产生的时序性及其皮层定位

在神经发生过程中，端脑神经前体细胞在不同时间节点产生新皮质特定的投射神经元亚型。小鼠中，新皮质神经发生开始于胚胎期10.5天（embryonic day 10.5, E10.5）最早产生的神经元向外迁移形成前板（preplate）。随后产生的神经元迁移进入前板，将其分离为边缘区（marginal zone）和底板（subplate），并在两者之间建立皮质板^[10-12]。底板神经元（SPN）主要在E11.5产生，定位于皮质最底层。之后新生神经元按照“由内向外”模式（in-out pattern）形成皮质六层结构。继底板之后，E12.5产生的主要是CThPN，定位于L6，E13.5产生的SCPN则定位于L5，与此过程中，还产生部分胼胝体投射神经元，也定位于深层。E14.5之后产生的神经元主要定位于皮质浅层，依次形成L4-L2 ^[7-9]。

新皮质前体细胞的多样化决定了早期不同的投射神经元的亚型命运，但有丝分裂后的精确调控是新生神经元获得和维持其亚型身份所必须的。前体细胞谱系命运决定完成之后，各亚型的投射神经元在复杂精细的调控下进行亚型身份的特化、区域特化以及二者的整合。

1.3 投射神经元亚型特化的转录调控机制

新皮质不同亚型投射神经元在皮层的定位与其产生时间密切相关，这一时间依赖性模式可能是通过神经发生过程中启动的神经元内在的特定基因表达，有序调控各亚型神经元的产生、迁移定位和亚型特化。

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