果蝇中的细胞凋亡及其在神经系统发育构建中的作用
生物体中细胞增殖和细胞死亡是两个相对的过程，这两个过程通过精细的调控处于动态平衡当中，来维持生物体发育和组织稳态。细胞死亡依据启动或执行它所需的分子机制可以分为多种不同的类型，包括细胞凋亡、自噬、坏死和非自主性细胞死亡。细胞凋亡一般是指机体细胞在发育过程中或某些因素作用下通过细胞内基因及其产物的调控而发生的一种程序性细胞死亡过程，其特点是凋亡途径中各事件的发生是有时序性的。
相对早期的对细胞凋亡的研究最著名的例子就是蝌蚪在发育成青蛙的过程中尾巴的消失以及高等脊椎动物的趾的形成，发育过程中细胞凋亡通过相关机制消除趾间结构。因此，完整的细胞死亡途经是胚胎正常发育和维持组织稳态所必需的。
1. 果蝇中细胞凋亡在发育和组织稳态中的相关机制
目前，有关于果蝇细胞凋亡通路或者说细胞凋亡途径中关键因子的识别已经有了比较充分的研究。凋亡的起始由多个上游通路调控着三种促凋亡蛋白的表达和激活，这三种促凋亡蛋白在果蝇细胞凋亡的调控中起着关键作用，分别是Reaper、Hid和Grim，统称为RHG蛋白。编码这三种蛋白的基因位于一个小的基因组区域H99，由于这三个基因在基因组上是串联排列的，因此它们可以通过H99的一次缺失突变来去除。研究表明，在H99缺失突变体中，这三个基因的缺失会阻止发育性细胞的凋亡。细胞凋亡的实施或者说完成主要依赖于半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶Caspase，一旦被激活，这些Caspase会催化活化一系列反应来消灭细胞。果蝇中细胞凋亡的调控主要涉及两个方面：一方面，凋亡抑制因子DIAP1作为一个关键的凋亡控制点，通过与上游RHG蛋白以及下游Caspase相作用来调控细胞凋亡。另一方面是BCL-2家族蛋白，包括一些促凋亡蛋白和抗凋亡蛋白，它们已被证明相互关联发挥作用，从而控制细胞色素c等物质从线粒体的释放，调控线粒体凋亡通路。简单总结一下果蝇中细胞凋亡通路：首先由DNA损伤、microRNA等外源性信号或内源性信号起始促凋亡蛋白RHG的表达，RHG蛋白通过调控降解凋亡抑制因子DIAP1来激活Caspase，从而引起靶细胞凋亡，另外，BCL-2家族蛋白通过控制细胞色素c等物质从线粒体的释放来调控细胞凋亡。细胞凋亡的这种精细调控在线虫、果蝇和哺乳动物中都是相对保守的。
细胞凋亡在发育和组织稳态中主要的功能体现有哪些呢？有关于凋亡的功能，从线虫、果蝇和哺乳动物可以总结出以下几点：（1）首先是通过适当的结构修饰来实现正常的形态发生，一个例子就是通过细胞凋亡消除趾间结构；（2）第二个功能是某些组织结构的清除。在果蝇的变态过程中，大部分的幼虫结果会被破坏，比如唾液腺SG、某些肌肉组织和肠道组织，而成蝇中一些新的结构由成虫盘发育而来。果蝇幼虫某些结构的消除还涉及到除了细胞凋亡以外的细胞死亡途径比如坏死和自噬；（3）像神经系统在发育过程中，细胞凋亡可以通过相关机制调节细胞数量，以获得适当的神经元数量；（4）除了在发育阶段，在成年阶段，一个例子就是哺乳动物的免疫系统中，程序性细胞死亡可以清除异常的或潜在危险的细胞。有关于果蝇这种模式生物中细胞凋亡在其发育中的作用，主要有以下几个典型的例子：（1）通过凋亡的区域激活来调控节段的形态发生。在果蝇中，细胞凋亡在关节的形成和节段的形态发生中起着重要作用，尤其是头部，这些都需要RHG促凋亡蛋白所介导的细胞凋亡。（2）另外，组织旋转也需要细胞凋亡，从而驱动果蝇雄性生殖器的环状形态发生，这里细胞凋亡可能不是提供旋转的直接动力，而是有助于邻近组织的适当装配，这也体现了组织发育调控的精确性。（3）通常，程序性细胞死亡可能由某一种死亡程序来介导的，而果蝇幼虫唾液腺在变态期的退化或者清除是一个很好的例子来说明可以由几种不同的细胞死亡程序来协同清除细胞。
有关于fruitless和doublesex与细胞凋亡的关系，主要的研究是性别特异性细胞凋亡对中枢神经系统性别二态性神经元形成的调控。具体来说，FruM的表达抑制了雄性大脑中的mAL神经元的细胞凋亡，而DsxF促进了雌性大脑中的P1神经元和胸神经节中的TN1神经元细胞凋亡。另外，有研究表明，Hox基因Abdominal-B利用DsxF作为辅助因子促进果蝇VNC中神经干细胞的凋亡。
2. 细胞凋亡在神经元发育中的作用
果蝇神经发生始于胚胎发生的早期阶段，具有神经源性与非神经源性区域，由原神经基因的早期活动和 Notch信号决定。在每组等效的神经源性细胞中，一个细胞获得称为神经母细胞的神经元祖细胞命运。随后以不对称分裂的方式开始第一波神经发生，产生所有的幼虫神经元及10%的成虫神经元；它们在胚胎发育晚期变得静止，在幼虫中重新进入细胞周期开始第二波神经发生。幼虫 NB 在每次细胞分裂后重新生长，因此可以更频繁地分裂。在蛹阶段，NBs 消失，这结束了第二波神经发生。不同的NB在不同的时间点退出细胞周期。
果蝇的神经发生受到时间上和空间上的精准调控，在胚胎中，每个节段的特性取决于 Hox 基因活性，果蝇胚胎发育的节段特异性由在神经上皮、成神经细胞、神经元和神经胶质中起作用的 Hox 基因的表达定义，以节段特异性方式控制细胞规格和增殖/凋亡，进而决定头胸腹尾的分化。胚胎成神经细胞（NBs）表达一系列神经节母细胞（GMC）相关的转录因子。
果蝇从胚胎发育为成虫经历完全变态，这意味着他们需要截然不同的两套神经系统来行使功能，因此，果蝇神经系统进行多方面的重塑。在果蝇胚胎发育过程中，第11阶段副神经索开始逐渐脱离腹侧表皮并发生凝聚现象，并通过染色发现细胞凋亡标志物，通过caspase抗体染色记录细胞死亡数，细胞死亡主要集中在13-14阶段。在果蝇幼虫 VNC 中，一组神经元表达 Capa 神经肽，被命名为Va神经元。在幼虫中，这些神经元仅存在于位于神经索腹面的三个腹节（A2-A4）中。而在胚胎16阶段对capa染色后发现，该神经元并不仅限于A2-A4段。在Hox基因家族突变体中，只有abdb突变才可以有效防止前端va神经元的凋亡，说明ABDB对前端va神经元的促凋亡作用。dMP2 神经元是 VNC 中最先分化的神经元之一，可在幼虫期间“转分化”成表达 ilp-7 的神经内分泌神经元。在第 16 阶段，每个段中都存在一对 dMP2 神经元。在第 17 阶段，大多数前部 dMP2 经历细胞凋亡，只在A6,A7,A8存在完整的dMP2细胞。总的来说，不同类型的神经元通过Hox基因（如Abd-B）的表达差异来调控不同节段的凋亡与否，从而在空间上调控果蝇不同节段的分化。另外，在果蝇蛹期，蜕皮激素信号在神经系统发育中起重要作用，它是在蛹期促进细胞凋亡的重要信号。
3. 胶质细胞与程序性细胞死亡
哺乳动物神经胶质细胞可以分为放射状神经胶质细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞和小胶质细胞。放射状神经胶质细胞是中枢神经系统祖细胞，直接或间接通过中间祖细胞产生大部分的神经元和神经胶质细胞。星形胶质细胞是一种星形细胞，可能与所有类型的中枢神经系统细胞相互作用，表现出一系列帮助驱动神经系统发育和塑造其活动的功能。少突胶质细胞祖细胞是中枢神经系统中增殖能力最强的细胞，在整个生命过程中产生有髓鞘的少突胶质细胞，并可能在回路的形成和功能中发挥其他尚未确定的作用。成熟的少突胶质细胞产生髓鞘，加速神经冲动传导并为轴突提供代谢支持。在果蝇神经胶质中，表面神经胶质是包围幼虫和成蝇中枢神经系统的最外层保护层，包括两种亚型:神经周围神经胶质和神经下神经胶质(SPG)，这些神经胶质细胞只起到血脑屏障的作用，阻止超过一定大小的有害分子进入中枢神经系统。皮质胶质细胞，在结构上与哺乳动物的星形胶质细胞相似，介导细胞体和气管之间的气体交换，并提供营养支持。神经纤维网胶质分为两类，一种是包裹突触神经胶质的胶质细胞和星形细胞样胶质。外周神经胶质则分为三种类型：外周胶质，亚外周胶质和包裹胶质。有关于胶质细胞的功能，这里介绍了（1）神经胶质细胞胰岛素信号将氨基酸/TOR依赖性FDS（脂肪体源性信号）与神经母细胞中的InR/PI3K/TOR信号连接起来。（2）椎板lamina是视神经叶中第一个接收光感受器输入的神经节。视网膜的800个单位眼(小眼)中，每只眼在视叶中都有一个对应的lamina单位(卡)，由5个lamina神经元类型和多个胶质亚型组成。在这些回路中填充正确数量的细胞和细胞类型，并在空间上组织它们，要求光感受器、层神经元和胶质细胞的发育精确协调。通过胶质细胞的信号传递来实现光感受器和薄层细胞之间的通信需要。
果蝇表面胶质细胞具有吞噬神经细胞的功能。对胶质细胞的研究发现，机体神经损伤会触发神经胶质细胞的快速反应，包括胶质细胞迁移和对受损神经元的吞噬清除。果蝇胚胎中枢神经系统中的细胞死亡主要是通过细胞凋亡进行的，凋亡细胞不会在中枢神经系统中积聚，而是被吞噬细胞不断清除和吞噬。
本次journal club的 slides 见附件pdf：
by 陈江涛