The vertebrate circulatory system is composed of arteries and veins. The functional and pathological differences between these vessels have been assumed to reflect physiological differences such as oxygenation and blood pressure. Here we show that ephrin-B2, an Eph family transmembrane ligand, marks arterial but not venous endothelial cells from the onset of angiogenesis. Conversely, Eph-B4, a receptor for ephrin-B2, marks veins but not arteries. ephrin-B2 knockout mice display defects in angiogenesis by both arteries and veins in the capillary networks of the head and yolk sac as well as in myocardial trabeculation. These results provide evidence that differences between arteries and veins are in part genetically determined and suggest that reciprocal signaling between these two types of vessels is crucial for morphogenesis of the capillary beds.

Using the phage P1–derived Cre/loxP recombination system, we have developed a method to create mice in which the deletion (knockout) of virtually any gene of interest is restricted to a subregion or a specific cell type in the brain such as the pyramidal cells of the hippocampal CA1 region. The Cre/loxP recombination–based gene deletion appears to require a certain level of Cre protein expression. The brain subregional restricted gene knockout should allow a more precise analysis of the impact of a gene mutation on animal behaviors.

The neuron-restrictive silencer factor (NRSF) binds a DNA sequence element, called the neuron-restrictive silencer element (NRSE), that represses neuronal gene transcription in nonneuronal cells. Consensus NRSEs have been identified in 18 neuron-specific genes. Complementary DNA clones encoding a functional fragment of NRSF were isolated and found to encode a novel protein containing eight noncanonical zinc fingers. Expression of NRSF mRNA was detected in most nonneuronal tissues at several developmental stages. In the nervous system, NRSF mRNA was detected in undifferentiated neuronal progenitors, but not in differentiated neurons. NRSF represents the first example of a vertebrate silencer protein that potentially regulates a large battery of cell type-specific genes, and therefore may function as a master negative regulator of neurogenesis.

Defensive behaviors reflect underlying emotion states, such as fear. The hypothalamus plays a role in such behaviors, but prevailing textbook views depict it as an effector of upstream emotion centers, such as the amygdala, rather than as an emotion center itself. We used optogenetic manipulations to probe the function of a specific hypothalamic cell type that mediates innate defensive responses. These neurons are sufficient to drive multiple defensive actions, and required for defensive behaviors in diverse contexts. The behavioral consequences of activating these neurons, moreover, exhibit properties characteristic of emotion states in general, including scalability, (negative) valence, generalization and persistence. Importantly, these neurons can also condition learned defensive behavior, further refuting long-standing claims that the hypothalamus is unable to support emotional learning and therefore is not an emotion center. These data indicate that the hypothalamus plays an integral role to instantiate emotion states, and is not simply a passive effector of upstream emotion centers.

The mouse Mash-1 gene, like its Drosophila homologs of the achaete-scute complex (AS-C), encodes a transcription factor expressed in neural precursors. We created a null allele of this gene by homologous recombination in embryonic stem cells. Mice homozygous for the mutation die at birth with apparent breathing and feeding defects. The brain and spinal cord of the mutants appear normal, but their olfactory epithelium and sympathetic, parasympathetic, and enteric ganglia are severely affected. In the olfactory epithelium, neuronal progenitors die at an early stage, whereas the nonneuronal supporting cells are present. In sympathetic ganglia, the mutation arrests the development of neuronal precursors, preventing the generation of sympathetic neurons, but does not affect glial precursor cells. These observations suggest that Mash-1, like its Drosophila homologs of the AS-C, controls a basic operation in development of neuronal progenitors in distinct neural lineages.

Abstract

 OLIG1 and OLIG2 are basic-helix-loop-helix (bHLH) transcription factors expressed in the pMN domain of the spinal cord, which sequentially generates motoneurons and oligodendrocytes. In Olig1/2 double-mutant mice, motoneurons are largely eliminated, and oligodendrocyte differentiation is abolished. Lineage tracing data suggest that Olig1^−/−2^−/− pMN progenitors instead generate V2 interneurons and then astrocytes. This apparent conversion likely reflects independent roles for OLIG1/2 in specifying motoneuron and oligodendrocyte fates. Olig genes therefore couple neuronal and glial subtype specification, unlike proneural bHLH factors that control the neuron versus glia decision. Our results suggest that in the spinal cord, Olig and proneural genes comprise a combinatorial code for the specification of neurons, astrocytes, and oligodendrocytes, the three fundamental cell types of the central nervous system.

Electrical stimulation of certain hypothalamic regions in cats and rodents can elicit attack behaviour, but the exact location of relevant cells within these regions, their requirement for naturally occurring aggression and their relationship to mating circuits have not been clear. Genetic methods for neural circuit manipulation in mice provide a potentially powerful approach to this problem, but brain-stimulation-evoked aggression has never been demonstrated in this species. Here we show that optogenetic, but not electrical, stimulation of neurons in the ventromedial hypothalamus, ventrolateral subdivision (VMHvl) causes male mice to attack both females and inanimate objects, as well as males. Pharmacogenetic silencing of VMHvl reversibly inhibits inter-male aggression. Immediate early gene analysis and single unit recordings from VMHvl during social interactions reveal overlapping but distinct neuronal subpopulations involved in fighting and mating. Neurons activated during attack are inhibited during mating, suggesting a potential neural substrate for competition between these opponent social behaviours. Certain regions of the hypothalamus are known to be important in aggression. Until recently, it has not been possible to learn much more than that because it was difficult to stimulate specific cell types within a mixed population of cells. David Anderson and colleagues have used optogenetics to solve this specificity problem, and find that optogenetic stimulation of neurons in a subdivision within the ventromedial hypothalamus can elicit inappropriate attack behaviours — but that electrical stimulation does not produce the same result. Additional analysis of genetic and electrophysiological activity revealed overlapping neuronal subpopulations involved in fighting and mating, with potential competition between these behaviours, as neurons activated during aggression are inhibited during mating. Certain regions of the hypothalamus are important in aggression, but until recently, it has been difficult to specifically stimulate specific cell types within a mixed population of cells. Here, optogenetics is used to solve this specificity problem, finding that optogenetic stimulation of a subdivision within the ventromedial hypothalamus can elicit inappropriate attack behaviours in mice, but electrical stimulation does not produce the same result. Additional analysis of genetic and electrophysiological activity revealed overlapping neuronal subpopulations involved in fighting and mating, with potential competition between these behaviours, as neurons activated during aggression are inhibited during mating.

Several bHLH proteins are involved in vertebrate neurogenesis, but those controlling early stages of neuronal determination have not yet been identified. Here we describe a novel, NeuroD-related bHLH protein, NEUROGENIN, whose expression precedes that of NeuroD in both mouse and Xenopus. Expression of Xenopus NEUROGENIN-related-1 (X-NGNR-1) defines the three prospective territories of primary neurogenesis. Overexpression of X-NGNR-1 (or NEUROGENIN) induces ectopic neurogenesis and ectopic expression of XNeuroD mRNA. Endogenous X-ngnr-1 expression becomes restricted to subsets of cells by lateral inhibition, mediated by X-Delta-1 and X-Notch. The properties of X-NGNR-1 are thus analogous to those of the Drosophila proneural genes, suggesting that it functions as a vertebrate neuronal determination factor.

Abstract

 We have isolated mammalian neural crest cells using a monoclonal antibody to the low affinity NGF receptor, and established conditions for the serial propagation of these cells in clonal culture to assess their developmental potential. This analysis indicates that, first, single mammalian neural crest cells are multipotent, able to generate at least neurons and Schwann cells like their avian counterparts. Second, multipotent neural crest cells generate multipotent progeny, indicating that they are capable of self-renewal and therefore are stem cells. Third, multipotent neural crest cells also generate some clonal progeny that form only neurons or glia, suggesting the production of committed neuroblasts and glioblasts. Manipulation of the substrate alters the fate of the multipotent cells. These findings have implications for models of neural crest development in vivo, and establish a system for studying the generation of cellular diversity by a multipotent stem cell in vitro.