Study of the interpeduncular nucleus and the trigeminal sensory complex as paradigms of neuronal migration and brain segmentation in the hindbrain

Resumen

Esta tesis doctoral se incluye en el campo de la Neurobiología del Desarrollo. El objetivo principal ha sido profundizar en el conocimiento de dos procesos fundamentales para la formación del encéfalo: la migración neuronal y la segmentación cerebral. Para ello, me he centrado en dos estructuras relacionadas respectivamente con estos procesos: el núcleo interpeduncular (IPN), que estudios previos han descrito como modelo de migración neuronal en el rombencéfalo rostral; y la columna sensorial del trigémino, que se extiende a través de sucesivas unidades segmentarias a lo largo del rombencéfalo. Para el estudio de ambas estructuras, este trabajo toma como base el modelo neuromérico, que considera sucesivas unidades segmentarias o metaméricas a lo largo del eje longitudinal del encéfalo. Estos neurómeros se denominan rombómeros (r) en el rombencéfalo. Muestran expresión específica de combinaciones de genes de desarrollo y dan lugar a dominios transversales respectivos del rombencéfalo adulto. En cuanto aI IPN, está formado íntegramente por la migración neuronal de diversas poblaciones neuronales con diferentes orígenes dorsoventral y rostrocaudal. Esta estructura se subdivide en tres componentes rostrocaudales, el prodromal (Pro) ubicado en el istmo (también llamado r0), y el rostral interpeduncular (IPR) y caudal interpeduncular (IPC), localizados en rostral r1 (r1-r) y caudal r1 (r1-c), respectivamente. Algunos autores han propuesto que r1-r y r1-c pueden considerarse como segmentos independientes, de modo que los tres dominios del IPN antes mencionados corresponderían a sus respectivos neurómeros. Estudios previos demostraron que las poblaciones celulares del IPN expresan varios factores de transcripción (TF) (Nkx6.1, Pax7, Otp, Otx2, Irx2) durante el desarrollo de esta estructura, permitiendo así determinar su origen, vías migratorias y destino final. En el estudio 1 (García-Guillén et al., 2020) el objetivo fue estudiar el proceso de migración del IPN en un ratón mutante que carece de DCC (Deleted in Colorrectal Cancer), que es un receptor de Netrin-1. Esta molécula participa en múltiples procesos de migración durante el desarrollo del rombencéfalo. La técnica principal utilizada fue la hibridación in situ con sondas de ARN para los TF mencionados anteriormente en encéfalos de ratón DCC- / - knockout frente a sus homólogos de tipo salvaje. A continuación, en el estudio 2 (García-Guillén et al., 2021) nos centramos en la regionalización molecular dentro de este núcleo, mediante la búsqueda de genes expresados diferencialmente dentro de las subregiones del IPN. Realizamos esta selección y análisis utilizando los datos de Allen Developing Mouse Brain Atlas (ADMBA) (https://developingmouse.brain-map.org/). Los estudios 1 y 2 se realizaron en estadios perinatales (principalmente E18.5 y también P4) debido a que el IPN es un núcleo de formación tardía, por lo que se pensó que el cribado daría lugar a genes que podrían participar tanto en la migración neuronal como en la regionalización de este núcleo. En cuanto a la columna sensorial del trigémino, se extiende a lo largo de la mayor parte del rombencéfalo, abarcando así varios rombómeros. Esta columna está formada por el núcleo sensorial principal (Pr5), ubicado en los rombómeros r2 y r3, y el núcleo espinal del trigémino (Sp5), que cubre desde r4 hasta el límite rombencéfalo/médula espinal, según estudios previos en ratón. El objetivo perseguido en el estudio 3 (García-Guillén et al., 2021b) fue estudiar su organización segmentaria, buscando genes expresados diferencialmente dentro de esta estructura. Para ello, buscamos en las bases de datos ADMBA y Allen Mouse Brain Atlas (AMBA) (https://mouse.brain-map.org/) en juveniles (P4, P14, P28) y adultos (P56), ya que pretendíamos brindar un nuevo soporte molecular para las posibles subdivisiones romboméricas de esta estructura que no solo serían transitorias en el embrión, sino que también se mantendrían en los encéfalos adultos. Los resultados del estudio 1 muestran que la vía de señalización Netrin-1 / DCC es uno de los mecanismos implicados en la migración de la IPN, ya que en el mutante existe un deterioro general pero diferencial de la migración neuronal de todas las poblaciones analizadas. La ausencia de DCC afecta principalmente a aquellas poblaciones de los dominios Pro e IPR de este núcleo. En el estudio 2 obtuvimos 135 genes expresados en el IPN de forma regionalizada. El análisis funcional de estos genes destacó una sobrerrepresentación de familias de genes relacionadas con el desarrollo de neuronas, la morfogénesis celular y la guía de axones. En el estudio 3, caracterizamos el patrón de expresión de 12 genes expresados diferencialmente a lo largo de la columna del trigémino: Baiap3, Camk2a, Calb1, Calb2, Irx2, Kcng4, Fn1, Mafb, Tac1, Tac2, Pde1c y Zbtb16. A través del análisis del patrón de estos genes, proporcionamos un nuevo soporte genético de la segmentación de esta columna en el adulto. En general, estos trabajos aportan nuevos conocimientos sobre los mecanismos de desarrollo de dos estructuras del rombencéfalo, el IPN y la columna sensorial del trigémino, como ejemplos de migración y segmentación celular. Este conocimiento puede servir de base para futuros estudios sobre la función o farmacología de ambas estructuras, o puede aplicarse también al estudio de otras poblaciones neuronales en cuya formación están implicadas la migración y / o la segmentación.