Research Article1 May 1991free access Pax-3, a novel murine DNA binding protein expressed during early neurogenesis. M. D. Goulding M. D. Goulding Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, Germany. Search for more papers by this author G. Chalepakis G. Chalepakis Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, Germany. Search for more papers by this author U. Deutsch U. Deutsch Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, Germany. Search for more papers by this author J. R. Erselius J. R. Erselius Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, Germany. Search for more papers by this author P. Gruss P. Gruss Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, Germany. Search for more papers by this author M. D. Goulding M. D. Goulding Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, Germany. Search for more papers by this author G. Chalepakis G. Chalepakis Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, Germany. Search for more papers by this author U. Deutsch U. Deutsch Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, Germany. Search for more papers by this author J. R. Erselius J. R. Erselius Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, Germany. Search for more papers by this author P. Gruss P. Gruss Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, Germany. Search for more papers by this author Author Information M. D. Goulding1, G. Chalepakis1, U. Deutsch1, J. R. Erselius1 and P. Gruss1 1Max Planck Institute for Biophysical Chemistry, Göttingen, Germany. The EMBO Journal (1991)10:1135-1147https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1991.tb08054.x PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info We describe the isolation and characterization of Pax-3, a novel murine paired box gene expressed exclusively during embryogenesis. Pax-3 encodes a 479 amino acid protein with an Mr of 56 kd containing both a paired domain and a paired-type homeodomain. The Pax-3 protein is a DNA binding protein that specifically recognizes the e5 sequence present upstream of the Drosophila even-skipped gene. Pax-3 transcripts are first detected in 8.5 day mouse embryos where they are restricted to the dorsal part of the neuroepithelium and to the adjacent segmented dermomyotome. During early neurogenesis, Pax-3 expression is limited to mitotic cells in the ventricular zone of the developing spinal cord and to distinct regions in the hindbrain, midbrain and diencephalon. In 10–12 day embryos, expression of Pax-3 is also seen in neural crest cells of the developing spinal ganglia, the craniofacial mesectoderm and in limb mesenchyme of 10 and 11 day embryos. Previous ArticleNext Article Volume 10Issue 51 May 1991In this issue RelatedDetailsLoading ...

ABSTRACT The segmented mesoderm in vertebrates gives rise to a variety of cell types in the embryo including the axial skeleton and muscle. A number of transcription factors containing a paired domain (Pax proteins) are expressed in the segmented mesoderm during embryogenesis. These include Pax-3 and a closely related gene, Pax-7, both of which are expressed in the segmental plate and in the dermomyotome. In this paper, we show that signals from the notochord pattern the expression of Pax-3, Pax-7 and Pax-9 in somites and the subsequent differentiation of cell types that arise from the somitic mesoderm. We directly assess the role of the Pax-3 gene in the differentiation of cell types derived from the dermomyotome by analyzing the development of muscle in splotch mouse embryos which lack a functional Pax-3 gene. A population of Pax-3-expressing cells derived from the dermomyotome that normally migrate into the limb are absent in homozygous splotch embryos and, as a result, limb muscles are lost. No abnormalities were detected in the trunk musculature of splotch embryos indicating that Pax-3 is necessary for the development of the limb but not trunk muscle.

Pain information processing in the spinal cord has been postulated to rely on nociceptive transmission (T) neurons receiving inputs from nociceptors and Aβ mechanoreceptors, with Aβ inputs gated through feed-forward activation of spinal inhibitory neurons (INs). Here, we used intersectional genetic manipulations to identify these critical components of pain transduction. Marking and ablating six populations of spinal excitatory and inhibitory neurons, coupled with behavioral and electrophysiological analysis, showed that excitatory neurons expressing somatostatin (SOM) include T-type cells, whose ablation causes loss of mechanical pain. Inhibitory neurons marked by the expression of dynorphin (Dyn) represent INs, which are necessary to gate Aβ fibers from activating SOM(+) neurons to evoke pain. Therefore, peripheral mechanical nociceptors and Aβ mechanoreceptors, together with spinal SOM(+) excitatory and Dyn(+) inhibitory neurons, form a microcircuit that transmits and gates mechanical pain. PAPERCLIP:

A murine multigene family has been identified that shares a conserved sequence motif, the paired box, with developmental control and tissue-specific genes of Drosophila. To date five murine paired box-containing genes (Pax genes) have been described and one, Pax-1, has been associated with the developmental mutant phenotype undulated. Here we describe the paired boxes of three novel Pax genes, Pax-4, Pax-5, and Pax-6. Comparison of the eight murine paired domains of the mouse, the five Drosophila paired domains, and the three human paired domains shows that they fall into six distinct classes: class I comprises Pox meso, Pax-1, and HuP48; class II paired, gooseberry-proximal, gooseberry-distal, Pax-3, Pax-7, HuP1, and HuP2; class III Pax-2, Pax-5, and Pax-8; class IV Pax-4; class V Pox neuro; and class VI Pax-6, Pax-1 and the human gene HuP48 have identical paired domains, as do Pax-3 and HuP2 as well as Pax-7 and HuP1, and are likely to represent homologous genes in mouse and man. Identical intron-exon structure and extensive sequence homology of their paired boxes suggest that several Pax genes represent paralogs. The chromosomal location of all novel Pax genes and of Pax-3 and Pax-7 has been determined and reveals that they are not clustered.

The sequential stepping of left and right limbs is a fundamental motor behavior that underlies walking movements. This relatively simple locomotor behavior is generated by the rhythmic activity of motor neurons under the control of spinal neural networks known as central pattern generators (CPGs) that comprise multiple interneuron cell types. Little, however, is known about the identity and contribution of defined interneuronal populations to mammalian locomotor behaviors. We show a discrete subset of commissural spinal interneurons, whose fate is controlled by the activity of the homeobox gene Dbx1, has a critical role in controlling the left-right alternation of motor neurons innervating hindlimb muscles. Dbx1 mutant mice lacking these ventral interneurons exhibit an increased incidence of cobursting between left and right flexor/extensor motor neurons during drug-induced locomotion. Together, these findings identify Dbx1-dependent interneurons as key components of the spinal locomotor circuits that control stepping movements in mammals.

To understand how the skeletal muscle lineage is induced during vertebrate embryogenesis, we have sought to identify the regulatory molecules that mediate induction of the myogenic regulatory factors MyoD and Myf-5. In this work, we demonstrate that either signals from the overlying ectoderm or Wnt and Sonic hedgehog signals can induce somitic expression of the paired box transcription factors, Pax-3 and Pax-7, concomitant with expression of Myf-5 and prior to that of MyoD. Moreover, infection of embryonic tissues in vitro with a retrovirus encoding Pax-3 is sufficient to induce expression of MyoD, Myf-5, and myogenin in both paraxial and lateral plate mesoderm in the absence of inducing tissues as well as in the neural tube. Together, these findings imply that Pax-3 may mediate activation of MyoD and Myf-5 in response to muscle-inducing signals from either the axial tissues or overlying ectoderm and identify Pax-3 as a key regulator of somitic myogenesis.

Association and relay neurons that are generated in the dorsal spinal cord play essential roles in transducing somatosensory information. During development, these two major neuronal classes are delineated by the expression of the homeodomain transcription factor Lbx1. Lbx1 is expressed in and required for the correct specification of three early dorsal interneuron populations and late-born neurons that form the substantia gelatinosa. In mice lacking Lbx1, cells types that arise in the ventral alar plate acquire more dorsal identities. This results in the loss of dorsal horn association interneurons, excess production of commissural neurons, and disrupted sensory afferent innervation of the dorsal horn. Lbx1, therefore, plays a critical role in the development of sensory pathways in the spinal cord that relay pain and touch.

Complex movements such as walking or swimming are produced by networks of nerve cells embedded in the spinal cord. A new study in mice has identified, for the first time, a subset of such nerve cells that controls the speed of locomotion. A unique combination of genetic and electrophysiological techniques reveals how these cells help set the rhythmic activity of spinal cord neurons. This work should be of interest to those studying neurological disorders. Intriguingly the V1 neurons that serve this function are conserved between swimming and walking vertebrates. The neuronal networks that generate vertebrate movements such as walking and swimming are embedded in the spinal cord1,2,3. These networks, which are referred to as central pattern generators (CPGs), are ideal systems for determining how ensembles of neurons generate simple behavioural outputs. In spite of efforts to address the organization of the locomotor CPG in walking animals2,4,5,6, little is known about the identity and function of the spinal interneuron cell types that contribute to these locomotor networks. Here we use four complementary genetic approaches to directly address the function of mouse V1 neurons, a class of local circuit inhibitory interneurons that selectively express the transcription factor Engrailed1. Our results show that V1 neurons shape motor outputs during locomotion and are required for generating ‘fast’ motor bursting. These findings outline an important role for inhibition in regulating the frequency of the locomotor CPG rhythm, and also suggest that V1 neurons may have an evolutionarily conserved role in controlling the speed of vertebrate locomotor movements.

A robust and well-organized rhythm is a key feature of many neuronal networks, including those that regulate essential behaviors such as circadian rhythmogenesis, breathing, and locomotion. Here we show that excitatory V3-derived neurons are necessary for a robust and organized locomotor rhythm during walking. When V3-mediated neurotransmission is selectively blocked by the expression of the tetanus toxin light chain subunit (TeNT), the regularity and robustness of the locomotor rhythm is severely perturbed. A similar degeneration in the locomotor rhythm occurs when the excitability of V3-derived neurons is reduced acutely by ligand-induced activation of the allatostatin receptor. The V3-derived neurons additionally function to balance the locomotor output between both halves of the spinal cord, thereby ensuring a symmetrical pattern of locomotor activity during walking. We propose that the V3 neurons establish a regular and balanced motor rhythm by distributing excitatory drive between both halves of the spinal cord.

Abstract Neurons coordinate their activity to produce an astonishing variety of motor behaviors. Our present understanding of motor control has grown rapidly thanks to new methods for recording and analyzing populations of many individual neurons over time. In contrast, current methods for recording the nervous system’s actual motor output – the activation of muscle fibers by motor neurons – typically cannot detect the individual electrical events produced by muscle fibers during natural behaviors and scale poorly across species and muscle groups. Here we present a novel class of electrode devices (“Myomatrix arrays”) that record muscle activity at unprecedented resolution across muscles and behaviors. High-density, flexible electrode arrays allow for stable recordings from the muscle fibers activated by a single motor neuron, called a “motor unit”, during natural behaviors in many species, including mice, rats, primates, songbirds, frogs, and insects. This technology therefore allows the nervous system’s motor output to be monitored in unprecedented detail during complex behaviors across species and muscle morphologies. We anticipate that this technology will allow rapid advances in understanding the neural control of behavior and in identifying pathologies of the motor system.