Ο ρόλος του ομοιοτικού γονιδίου LHX7 στον αναπτυσσόμενο και ενήλικο εγκέφαλο των θηλαστικών
Authors: Φραγκούλη Αποστολία 
Published: January 2014

Οι χολινεργικοί νευρώνες του προσθεγκεφάλου αποτελούν τον πιο πρόσθιο υποπληθυσμό χολινεργικών νευρώνων στο κεντρικό νευρικό σύστημα. Συνίστανται από δύο υποκατηγορίες: τους χολινεργικούς ενδονευρώνες του ραβδωτού σώματος και τους προβλη- τικούς νευρώνες του βασικού πρόσθιου εγκεφάλου. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων 50 ετών, οι χολινεργικοί νευρώνες του πρόσθιου εγκεφάλου έχουν αποτελέσει αντικείμενο έντονης ερευνητικής δραστηριότητας, κυρίως λόγω της εμπλοκής τους σε νευροεκφυλιστικές νόσους (όπως η νόσος Alzheimer) και αναπτυξιακά σύνδρομα που συνοδεύονται από νοητική υστέρηση (όπως το σύνδρομο Rett). Εντούτοις, οι μηχανισμοί που διέπουν την ανάπτυξη των νευρώνων αυτών παραμένουν σε μεγάλο βαθμό άγνωστοι. Οι χολινεργικοί νευρώνες του προσθεγκεφάλου πιστεύεται ότι προέρχονται κυρίως από τον βασικό τελεγκέφαλο, περιοχή στην οποία εκφράζεται το LIM-ομοιοτικό γονίδιο Lhx7. Στην παρούσα μελέτη αναλύσαμε λεπτομερώς την έκφραση του γονιδίου Lhx7 στον εγκέφαλο του ποντικού καθώς και τον φαινότυπο ποντικών από τους οποίους απουσιάζει η λειτουργική πρωτεΐνη LHX7. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν γενετικά τροποποιημένοι ποντικοί, ετερόζυγοι και ομόζυγοι για το μεταλλαγμένο αλληλόμορφο Lhx7nLacZ. Στο αλληλόμορφο αυτό, η περιοχή που περιέχει τα εξόνια 3, 4, 5 και μέρος του εξονίου 6 έχει αντικατασταθεί από το γονίδιο-δείκτη LacZ. Χρησιμοποιώντας το LacZ, δείξαμε ότι στα ετερόζυγα πειραματόζωα -που δεν διαφέ- ρουν από τα φυσιολογικά ως προς τον κυτταρικό τους φαινότυπο- το πρότυπο έκφρασης της β-γαλακτοσιδάσης αναπαριστά το πρότυπο έκφρασης του γονιδίου Lhx7. Από τη μελέτη μας προκύπτει ότι η έκφραση του γονιδίου Lhx7 περιορίζεται αποκλειστικά σε δομές της κεφαλής και συγκεκριμένα στο πρώτο βραγχιακό τόξο, το βασικό τελεγκέφαλο και τον πρόσθιο υπο- θάλαμο. Η έκφραση του γονιδίου Lhx7πρωτοεμφανίζεται στο πρώτο βραγχιακό τόξο περί- που την εμβρϋική ημέρα 9,5. Στην περιοχή του εγκεφάλου, η έκφραση του γονιδίου Lhx7 πρωτοανιχνεύεται μία ημέρα αργότερα (περίπου την εμβρϋική ημέρα 10,5) και διατηρείται καθόλη τη διάρκεια της ενήλικου ζωής. Στον ενήλικο εγκέφαλο, το γονίδιο Lhx7 εκφράζεται στην περιοχή του βασικού πρόσθιου εγκεφάλου, του ραβδωτού σώματος και του πρόσθιου υποθαλάμου. Στο εν ραβδωτό σώμα ενήλικων πειραματοζώων, το γονίδιο αυτό εκφράζεται κυρίως στους χολινεργικούς ενδονευρώνες, ενώ στον βασικό πρόσθιο εγκέφαλο τόσο σε χολινεργικούς, όσο και σε GABAεργικούς νευρώνες. Εντούτοις, ιδιαίτερα σημαντική είναι η παρατήρηση ότι όλοι οι χολινεργικοί νευρώνες του πρόσθιου εγκεφάλου εκφράζουν το γονίδιο Lhx7. Επιπρόσθετα, από τα πειράματά μας προκύπτει ότι οι ομόζυγοι μεταλλαγμένοι ποντικοί εμφανίζουν σοβαρά ελλείμματα στο χολινεργικό υποσύστημα του πρόσθιου εγκεφάλου: στον εγκέφαλο των ποντικών αυτών παρατηρείται απώλεια των χολινεργικών νευρώνων του βασικού πυρήνα και δραστική ελάττωση του αριθμού των χολινεργικών νευρώνων σε όλες τις υποφλοιώδεις περιοχές του πρόσθιου εγκεφάλου, συμπεριλαμβανομένων του μέσου πυρήνα του διαφράγματος, των πυρήνων της διαγώνιας ταινίας, του μεγαλοκυτταρικού προοπτικού πυρήνα και του ραβδωτού σώματος. Η παρατηρούμενη ελάττωση των χολινεργικών νευρώνων στον πρόσθιο εγκέφαλο των ομόζυγων μεταλλαγμένων ποντικών συνοδεύεται από σημαντική μείωση της δραστικότητας της ακετυλοχολινεστεράσης (AchE) στις περιοχές του εγκεφάλου, που προβάλλουν οι χολινεργικοί νευρώνες του βασικού πρόσθιου εγκεφάλου, δηλαδή στον ιππόκαμπο και τον φλοιό. Αντίθετα, δεν βρέθηκαν μεταβολές στα επίπεδα των μουσκαρινικών υποδοχέων της ακετυλοχολίνης τύπου Μ1 και Μ2. Χρησιμοποιώντας το δείκτη LacZ, δείξαμε επίσης ότι στον πρόσθιο εγκέφαλο των ομόζυγων μεταλλαγμένων ποντικών τα προγονικά κύτταρα των χολινεργικών νευρώνων επιβιώνουν, αλλά αποτυγχάνουν να διαφοροποιηθούν σε χολινεργικούς νευρώνες του ραβδωτού σώματος ή του βασικού πρόσθιου εγκεφάλου. Στην περιοχή του ραβδωτού μάλιστα, απουσία του LHX7, τα κύτταρα που τον εκφράζουν φυσιολογικά, φαίνεται να αποκτούν αντί του χολινεργικού, GABAεργικό φαινότυπο. Σε αντίθεση με ότι συμβαίνει στον πρόσθιο εγκέφαλο, στην περιοχή του πρόσθιου υποθαλάμου των ομόζυγων μεταλλαγμένων ποντικών, τα κύτταρα που φυσιολογικά εκφράζουν το γονίδιο Lhx7, αποτυγχάνουν να επιβιώσουν. Ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα είναι επίσης η παρατήρηση ότι σε όψιμα εμβρυϊκά στάδια, κύτταρα που εκφράζουν το γονίδιο της β-γαλακτοσιδάσης εντοπίζονται έκτοπα στον αναπτυσσόμενο εγκεφαλικό φλοιό των ομόζυγων μεταλλαγμένων εμβρύων, ενώ δεν ανιχνεύονται στον εγκεφαλικό φλοιό ενήλικων μεταλλαγμένων ποντικών. Επιπρόσθετα, από την ανάλυση της συμπεριφοράς των πειραματόζωων σε μία σειρά από δοκιμασίες που ελέγχουν τις ικανότητες χωρικής και μη-χωρικής μάθησης και μνήμης προκύπτει ότι ο κυτταρικός φαινότυπος των ομόζυγων μεταλλαγμένων ποντικών συ- σχετίζεται με διαταραχές στις διαδικασίες χωρικής μάθησης και μνήμης. Τέλος, δεν ανιχνεύτηκαν μεταβολές στα επίπεδα άγχους ή την κινητική συμπεριφορά των ομόζυγων μεταλλαγμένων ποντικών. Συνοψίζοντας, από τα πειράματα της παρούσας διατριβής προκύπτει ότι το γονίδιο Lhx7 παίζει καθοριστικό ρόλο στη διαφοροποίηση των χολινεργικών νευρώνων του πρόσθιου εγκεφάλου, που εμπλέκονται στην επεξεργασία πληροφοριών από το περιβάλλον.