The role of the zinc finger transcription factor Gli3 in murine hindbrain development

Abstract

The zinc finger transcription factor GLI3 is a downstream component of the Sonic Hedgehog signaling pathway and functions mostly as a transcriptional repressor. GLI3 is required for the proper development of dorsal forebrain, dorsal midbrain and cerebellum. In contrast, the function of GLI3 in the development of the posterior dorsal hindbrain is not well understood. Precerebellar mossy fiber and climbing fiber neurons (MFNs and CFNs) provide afferent input into the cerebellum and arise from progenitor pools at the dorsal edge of the posterior embryonic hindbrain, the caudal part of the lower rhombic lip (clRL). These neurons follow well defined migratory routes before settling at different axial levels in the hindbrain. Previous studies demonstrated that precerebellar migratory streams are disrupted and precerebellar nuclei are disorganized in <em>Gli3</em> null mutant mice (<em>Gli3 extra toe; Gli3^xt/xt</em>). This thesis dissects how GLI3 influences the development of the murine precerebellar system and investigates the function of GLI3 in non-precerebellar structures in the developing posterior hindbrain. The analysis of <em>Gli3^xt/xt</em> embryos at different embryonic stages shows that precerebellar progenitors are properly established in the clRL of <em>Gli3^xt/xt</em> embryos, but the generation of a subpopulation of CFNs is compromised. Moreover, the migration of MFNs is severely altered: the onset of migration in MFNs that remain in the posterior hindbrain (posterior extramural stream) is delayed and the MFNs migrating anteriorly (anterior extramural stream; AES) fail to assemble into a compact migratory stream. Moreover, the subset of AES neurons arising from the most posterior part of the clRL fails to migrate anteriorly and settles at ectopic posterior positions. Aside from the defects in precerebellar system development, the only other alteration in the hindbrain of <em>Gli3^xt/xt</em> mutants uncovered in this study was a change in neurotransmitter phenotype in neurons of the spinal trigeminal nucleus. To investigate whether GLI3 plays a cell- or non cell-autonomous role in precerebellar neurons, <em>Gli3</em> was conditionally inactivated either in all MFN progenitors or in the central nervous system (CNS) after embryonic day 10.5. In these conditional gene inactivation models, the precerebellar system developed normally, suggesting that the function of GLI3 in precerebellar development is not cell-autonomous and may even be outside of the CNS. Analysis of cranial ganglia and their projections in <em>Gli3^xt/xt</em> embryos revealed an increased size of the trigeminal ganglion and a severe disorganization of its central descending projections, the spinal trigeminal tract (sp5). Neurons of the AES were in close contact with the sp5 during their anteriorly-directed migration in control embryos, while the AES-sp5 interactions were disrupted in <em>Gli3^xt/xt</em> mutants. Thus, the normal development of the sp5 requires GLI3 function and might be a prerequisite for correct AES migration. These results point to a novel mechanism in precerebellar migration, but further studies will be necessary to investigate whether and how the sp5 acts as a guiding structure for precerebellar migration, and which other hindbrain nuclei and projections influence precerebellar migration.

Der Zinkfinger-Transkriptionsfaktor GLI3 ist eine der nachgeschalteten Komponenten des Sonic Hedgehog Signalwegs, und fungiert hauptsächlich als transkriptioneller Repressor. GLI3 ist für die normale Entwicklung des dorsalen Vorderhirns, des dorsalen Mittelhirns und des Cerebellums erforderlich. Im Gegensatz dazu ist die Funktion von GLI3 während der Entwicklung des posterioren dorsalen Hinterhirns nicht gut verstanden. Präcerebelläre Moos- und Kletterfaserneurone (MFN und KFN) senden afferente Projektionen zum Cerebellum und entstehen aus Vorläuferzellen am dorsalen Rand des posterioren embryonalen Hinterhirns, der kaudalen unteren Rautenlippe (kuRL). Diese Neuronen folgen klar definierten Migrationswegen, bevor sie sich auf verschiedenen axialen Ebenen im Hinterhirn ansiedeln. Bisher ist bekannt, dass in Mäusen, die homozygot für ein <em>Gli3</em> Nullallel (<em>Gli3 extra toe; Gli3^xt/xt</em>) sind, die präcerebellären Migrationsströme gestört und die präcerebellären Kerne desorganisiert sind. Diese Promotionsarbeit untersucht sowohl die Funktion von GLI3 in nicht-präcerebellären Strukturen im sich entwickelnden posterioren Hinterhirn als auch wie GLI3 die Entwicklung des murinen präcerebellären Systems beeinflusst. Die Analyse von <em>Gli3^xt/xt</em>-Embryonen zeigt, dass präcebelläre Vorläuferzellen in der kuRL von <em>Gli3^xt/xt</em>-Embryonen richtig etabliert sind, aber die Bildung einer Subpopulation von KFN beeinträchtigt ist. Darüber hinaus ist die Migration von MFN stark verändert: Der Migrationsbeginn der MFN, die im posterioren Hinterhirn verbleiben (posteriorer extramuraler Strom; PES), ist verzögert und die MFN, die ins anteriore Hinterhirn wandern (anteriorer extramuraler Strom; AES) bilden im Unterschied zu MFN in Kontrollembryonen keinen kompakten Migrationsstrom aus. Darüber hinaus wandert die Teilpopulation der AES-Neurone, die aus dem am weitestens posterior liegenden Teil der kuRL stammt, nicht nach anterior und siedelt sich anstatt in ektopischen posterioren Positionen an. Abgesehen von diesen Defekten in der Entwicklung des präcerebellären Systems, ist die einzige andere Veränderung im Hinterhirn von <em>Gli3^xt/xt</em>-Mutanten, die in dieser Studie gezeigt werden konnten, eine Änderung im Neurotransmitter-Phänotyp in den Neuronen des <em>Nucleus spinalis nervi trigemini</em>. Um zu untersuchen, ob GLI3 eine zellautonome oder nicht zellautonome Rolle in präcerebellären Neuronen spielt, wurde <em>Gli3</em> entweder in MFN Vorläuferzellen oder im Zentralnervensystem (ZNS) konditionell inaktiviert. In diesen konditionellen Geninaktivierungmodellen entwickelte sich das präcerebelläre System normal, was darauf hindeutet, dass die Funktion von GLI3 in der präcerebellären Entwicklung nicht zellautonom ist und möglicherweise sogar außerhalb des ZNS liegt. Die Analyse der Hirnnerven-Ganglien und ihrer zentralen Projektionen in <em>Gli3^xt/xt</em> -Embryonen zeigt, dass das Ganglion trigeminalis in <em>Gli3^xt/xt</em> -Embryonen vegrößert ist und dass seine zentralen absteigenden Projektionen zum <em>Nucleus spinalis nervi trigemini</em> (sp5) disorganisiert sind. Neuronen des AES stehen während ihrer nach anterior gerichteten Migration in Kontrollembryonen in engem Kontakt mit dem sp5, während die AES-sp5-Interaktion in <em>Gli3^xt/xt</em>-Mutanten gestört ist. Die abnormale Entwicklung des sp5 in <em>Gli3^xt/xt</em> Maus-mutanten könnte daher einen indirekten Effekt auf die AES-Migration haben. Diese Ergebnisse deuten auf einen bisher nicht beschriebenen Mechanismus in der präcerebellären Migration hin. Weitere Studien werden notwendig sein, um zu untersuchen, ob und wie der sp5 als Migrationshilfe für die präcerebellären MFN dient und welche anderen Hinterhirnkerne und Projektionen die präcerebelläre Migration beeinflussen.