The role of teashirt 1 during motor neuron development

Abstract

Motor neurons (MNs) relay between the central nervous system and muscles, and eventually trigger muscle contraction. Motor neurons cluster in the brainstem and spinal cord according to the target muscles they are innervating. Tshz1, a member of the teashirt zinc finger family of transcription factors, is strongly expressed in the central nervous system of the mouse during development and adulthood. However, Tshz1 expression and function during motor neuron development had not been addressed. I defined the precise spatio- temporal expression pattern of Tshz1 in hindbrain and spinal motor neurons using in situ hybridization and immunological detection of GFP that was expressed from a Tshz1GFP allele. Tshz1 was expressed exclusively by postmitotic somatic motor neurons. Hypoglossal and phrenic MNs expressed Tshz1 strongly and persistently, and MNs of the lateral motor columns in the cervical and lumbar spinal cord expressed Tshz1 transiently. Next, I generated mice that lack Tshz1 specifically in somatic motor neurons (Olig2Cre/+; Tshz1flox/∆, subsequently called Tshz1MN∆). Tshz1MN∆ pups were born in Mendelian ratio but died on the day of birth. Tshz1MN∆ pups had no milk in their stomach, air in their gastrointestinal tract and they gasped and were mildly cyanotic. I assessed the integrity of several motor nuclei/columns in Tshz1MN∆ animals by staining and counting MNs in the hindbrain and spinal cord. Interestingly, the number of motor neurons in the hypoglossal nucleus and in the phrenic motor column, which innervate tongue muscles and the diaphragm, respectively, was reduced at birth. Motor neurons in both nuclei were born in correct number but increased numbers died subsequently by apoptosis. Labeling of the nerves (neurofilament NF200 staining and Hb9GFP allele) revealed that hypoglossal and phrenic nerves both displayed aberrant branching patterns. The numbers of spinal motor neuronal populations were unaffected by Tshz1 mutation. Altogether, my results demonstrate that Tshz1 is required for survival of specific motor neuron subtypes and for the branching of their efferent nerves. I propose that the deficits in these motor neurons cause the changes in feeding and breathing behaviors that are observed in Tshz1MN∆ mutants.

Motoneurone sind eine Schaltstelle zwischen dem Zentralnervensystem und der Muskulatur und können die Muskelkontraktion auslösen. Motoneurone sind topologisch organisiert, d.h. sie sind in Gruppen im Hirnstamm und Rückenmark lokalisiert und jede der Gruppen innerviert einen bestimmten Muskel. Tshz1, ein Mitglied der teashirt Familie von Zinkfinger Transkriptionsfaktoren, wird im Zentralnervensystem der Maus während der Entwicklung und im adulten Stadium stark ausgeprägt. Die Expression und Funktion von Tshz1 während der Entwicklung der Motoneurone war bisher nicht untersucht worden. Zuerst habe ich das genaue räumlich-zeitliche Expressionsmuster von Tshz1 in Motoneuronen des Rhombenzephalons und des Rückenmarks definiert. Tshz1 ist ausschließlich in postmitotischen somatischen Motoneuronen exprimiert: Motoneurone der hypoglossalen und phrenischen Nerven im Rhombenzephalon bzw. zervikalen Rückenmark exprimieren Tshz1 stark und persistent. Motoneurone der lateralen Motorsäule im zervikalen und lumbalen Rückenmark exprimieren Tshz1 transient. Anschließend haben ich Tshz1 mutante Mäuse generiert, in denen Tshz1 spezifisch in somatischen Motoneuronen mutiert wurde (Olig2Cre/+; Tshz1flox/∆ Tiere, die im weiteren Tshz1MN∆ genannt werden). Tshz1MN∆ Jungtiere wurden im erwarteten mendelschen Verhältnis geboren, starben aber noch am Tag der Geburt. Tshz1MN∆ Jungtiere hatten keine Milch im Magen und Luft im gastrointestinalen Trakt. Außerdem zeigten sie Schnappatmung und eine bläuliche Körperfarbe. Ich analysierte die Integrität mehrerer Kerne und Säulen von Motoneuronen im Rhombenzephalon und Rückenmark von Tshz1MN∆ Tieren, in dem ich Motoneurone anfärbte und ihre Anzahl bestimmte. Die Anzahl der Motoneurone im Nucleus hypoglossus und Nucleus phrenicus, welche die Muskeln der Zunge beziehungsweise des Zwerchfells innervieren, waren zum Zeitpunkt der Geburt reduziert. Motoneurone beider Kerne/Säulen wurden in korrekter Anzahl angelegt und starben anschließend. Die Anfärbung der Nerven (Neurofilament NF200 Färbung und Hb9GFP Allel) zeigte, dass sowohl hypoglossale als auch phrenische Nerven ein verändertes Verzweigungsmuster aufwiesen. Andere Motoneuronpopulationen (laterale Motorsäule des zervikalen und lumbalen Rückenmarks) waren durch die Mutation von Tshz1 nicht beeinträchtigt. Zusammen demonstrieren meine Ergebnisse, dass Tshz1 für das Überleben von spezifischen Subtypen von Motoneuronen notwendig ist und die korrekte Innervation/Verzweigung der entsprechenden efferenten Nerven moduliert. Ich schlage vor, dass die Veränderungen im Säuge- und Atmungsverhalten von Tshz1 mutanten Tieren durch die Fehlbildung der hypoglossalen und phrenischen Nerven verursacht wird.