Cellular and molecular mechanisms controlling the migration of telencephalic interneurons : a role for postmitotic Nkx2-1 in neuronal migration

Abstract

The homeodomain transcription factor Nkx2-1 plays fundamental roles in the development of the ventral subpallium. As for the majority of NK-2 class of transcription factors, Nkx2-1 function mainly in controlling cell-fate decisions in progenitor cells, such as interpreting Sonic Hedgehog (Shh) graded signalling in early patterning events and conferring subtype-specific properties to medial ganglionic eminence (MGE) and preoptic area (POA) precursors. During development, the MGE is simultaneously the source for several telencephalic cell types, such as cortical and striatal interneurons, but interestingly, the expression of Nkx2-1 is only maintained in the striatal population. This evidence suggests a possible function for Nkx2-1 in controlling the migration and/or differentiation of postmitotic striatal interneurons; however the contribution of this transcription factor at this level has not been characterized. Using experimental manipulations and mouse genetics, we demonstrated a new postmitotic function for the cell-fate determinant Nkx2-1 in controlling neuronal migration in the developing telencephalon. Downregulation of Nkx2-1 expression in MGE-derived postmitotic cells is necessary for the migration of interneurons to the cortex, whereas maintenance of Nkx2-1 expression is required for interneuron migration to the striatum. The sorting of MGE-derived cortical and striatal interneurons is mediated by the differential expression of receptors for the class 3 semaphorins, neuropilins, which are expressed only by cortical migrating interneurons in order to prevent their accumulation in the developing striatum. We showed that Nkx2-1 regulates the segregation of MGE-derived interneurons by controlling the neuropilin/semaphorin interactions; Nkx2-1 overexpression leaves migrating interneurons insensible to a source of Sema3A/3F and reduces the expression of Neuropilin-2 (Nrp2), the binding receptor for Sema3F. Furthermore, Nkx2-1 exerts this role by direct binding to Nrp2 regulatory elements in MGE cells and interaction with this sequence is sufficient to repress transcription in vitro through a mechanism that requires the Nkx2-1 homeodomain (HD) motif. These results demonstrate that Nkx2-1 postmitotic expression controls the migration of MGE-derived interneurons by direct repression of the Nrp2 guidance receptor, a transcriptional strategy of guidance selectivity operating in many other migrating neurons. Furthermore, we provide evidence that, apart from the neuropilin/semaphorin interactions, the precise migration of interneurons to the developing striatum is regulated by additional guidance systems. We demonstrated that a population of MGE-derived interneurons co-expresses Nkx2- and ErbB4, and relies in an ErbB4-dependent signalling to specifically accumulate in the striatum. Furthermore, Nkx2-1-expressing interneurons are actively prevented from invading the developing cortex by a yet unidentified chemorepulsive activity and we believe that the cooperative action of these signalling systems will ultimately determine the directionality of striatal migrating interneurons. In addition, these results suggest that postmitotic Nkx2-1 is a fundamental factor in conferring guidance specificity to striatal migrating interneurons and open the possibility for additional downstream target effector genes.

O factor de transcrição Nkx2-1 desempenha funções fundamentais durante o desenvolvimento do telencéfalo ventral. Como a maior parte dos factores de transcrição pertencentes à classe NK-2, o Nkx2-1 controla processos de decisão e especificação celular em células progenitoras. Em particular, é responsável por interpretar a via de sinalização do morfogénio “Sonic Hedgehog” (Shh) e pela indução de várias propriedades que conferem identidade às células progenitoras da eminência ganglionar medial (“MGE”) e da área pré-óptica anterior (“POA”). Durante o desenvolvimento, as células progenitoras da eminência ganglionar medial originam simultaneamente diversos tipos de neurónios, como os interneurónios do córtex e do estriado e, curiosamente, a expressão deste factor de transcrição mantém-se apenas na população diferenciada de interneurónios do estriado. Esta evidência sugere que o Nkx2-1 poderá controlar a migração ou diferenciação dos interneurónios do estriado; contudo, a contribuição deste factor de transcrição para estes processos não estava caracterizada. Neste estudo identificámos uma nova função para o factor de transcrição Nkx2-1 no controlo da migração de interneurónios durante o desenvolvimento embrionário do telencéfalo. A realização de estudos funcionais e o uso de murganhos transgénicos permitiu-nos demonstrar que os interneurónios corticais necessitam de deixar de expressar Nkx2-1 para migrarem para o córtex e, por outro lado, a migração dos interneurónios do estriado requer a expressão contínua deste factor de transcrição. A segregação destas duas populações de interneurónios originados na “MGE” tinha sido previamente atribuída à expressão diferencial de receptores para as semaforinas da classe 3, moléculas repulsivas existentes no estriado. Estes receptores, as neuropilinas, expressa-se apenas pelos interneurónios corticais em migração e previnem a sua entrada no estriado. Os nossos resultados permitiram-nos inferir que Nkx2-1 regula a segregação destas populações de interneurónios através do controlo das interacções neuropilina/semaforina; a sobre-expressão de Nkx2-1 tornou os interneurónios derivados da MGE insensíveis a uma fonte externa de semaforinas e reduziu a expressão de Neuropilina-2 (Nrp2), o receptor de ligação para a semaforina 3F. Nkx2-1 exerce esta função por união directa a elementos reguladores do gene de Nrp2 em células da “MGE” e a interacção com esta sequência é suficiente para reprimir a transcrição in vitro por um mecanismo que envolve o homeodomínio (HD) de Nkx2-1. Estes resultados demonstram que Nkx2-1 controla a migração de interneurónios provenientes da “MGE” através de repressão directa do receptor Nrp2, uma estratégia de controlo de direcção de movimento adoptada por vários tipos de neurónios em migração. O trabalho apresentado nesta dissertação sugere que, para além das interacções neuropilina/semaforina, a migração de interneurónios do estriado é regulada por outros sistemas de sinalização. Observámos que uma população de interneurónios originados na “MGE” expressa o factor de transcrição Nkx2-1 e o receptor ErbB4, e que estes interneurónios usam uma via de sinalização dependente de ErbB4 para migrar para o estriado. Estudos funcionais indicaram também que a sobre-expressão de Nkx2-1 incapacita os interneurónios de invadirem o córtex, possivelmente devido à presença de uma actividade repulsiva nesta região cuja identidade é desconhecida. Estes resultados permitem concluir que a direcção de migração dos interneurónios do estriado é regulada pela acção conjunta de várias vias de sinalização e que o factor de transcrição Nkx2-1 desempenha um papel fundamental no movimento dos interneurónios do estriado.