Лекция 13 Специфические черты организации нервной системы животных, её основные клеточные составляющие и сигнальные молекулы

Клеточные составляющие у высших позвоночных

Нейроны –поляризованные клетки (по Gilbert, 2003)

Структура нейрона

Спинной мозг (по Gilbert, 2003)

Головной мозг Forebrain Midbrain Hindbrain Embryonic Shark Goose Human

Ряд тяжелых заболеваний нервной системы имеет врожденный характер. Они могут вызваны действием тератогенов. В ряде случаев развитие таких болезней имеет генетическую природу: мутации, хромосомные аномалии

Пример врожденных аномалий мозга (по Gilbert, 2003)

Наследственное заболевание, вызванное мутацией гена FMR1– синдром хрупкой Х-хромосомы (пациент с умственной задержкой) (по Gilbert, 2003)

Нервная система Caenorhabditis elegans nervous system. (A) Взрослый червь C. elegans интерференционнная контрастная микроскопия; (B) флюоресцентная микроскопия того же червя, выявленная благодаря активности в нейронах зелёного флуоресцирующего белка GFP. Видны: нервное кольцо, вентральная и дорсальная нервные цепочки (Guziewicz et al Cell. Biol. Educ )

Брюшная нервная цепочка (ЦНС) зародыша дрозофилы A Drosophila embryo stained with anti-slit antibodies. The nerve pathways areas visible along the axis of the central nervous system. Darkly staining glial cells are in the centre of the CNS.

Нервная система взрослой дрозофилы, визуализированная специфическими флуоресцирующими антителами.

Несмотря на различия в развитии и организации нервных систем эволюционно отстоящих групп различных животных, молекулярные и клеточные основы процессов коммитирования и дифференцировки имеют общие характеристики.

Процесс коммитирования включает: 1) спецификацию клеток (на этой стадии коммитирование может быть обратимо) 2) детерминацию клеток (необратимая стадия, но клетки ещё не дифференцированы) Эмбриональные стволовые клетки позвоночных включают популяции плюрипотентные и уже коммитированных, в том числе и нейрогенных клеток.

Ранние зародышевые нейрогенно коммитированные клетки –исходный материал для развития нервной системы

For more primitive organisms with determined (especially) development we may say about cellular precursors (neural lineage) of nervous system cells For high animals we may say about embryonic committed stem cells as neural progenitors There is a lot of evidence that genetic materials and signaling pathways for neurogenesis of very different animals have common base

Развитие нервной ткани происходит в 4 этапа 1. компетенция, в ходе которой клетки могут стать нейральными предшественниками (нейробластами) при условии, что они получат соответствующее сочетание сигналов; 2. спецификация, при которой клетки получают необходимое сочетание сигналов,чтобы стать нейробластами, но их дальнейшая нейральная дифференцировка все еще может быть репрессирована другими сигналами; 3. коммитирование (детерминация), в результате которого, нейробласты вступают на путь пре вращения в нейроны даже при наличии сигналов, ингибирующих нейрогенез; 4. дифференцировка, в ходе которой нейробласты выходят из митотического цикла и экспрессируют гены, характерные для нейронов.

Стадии развития нервной системы: Нейрогенез Нейральная дифференцировка Миграция нервных клеток Направленный рост аксонов (иннервация) Синаптогенез

Нейрогенез у дрозофилы

У дрозофилы центральная нервная система (ЦНС) начинается вентрально, с отщепления от вентральной нейроэктодермы по 30 нейробластов с каждого полусегмента. Они дают начало примерно 350 нейронам и 30 глиальным клеткам в ходе эмбрионального развития. Понимание механизма ведущего к спецификации клеток, требует предварительной идентификации клеточных линий (по Gilbert, 2003).

Последовательная спецификация линии нейробластов (в виде кластеров клеток) у Drosophila вдоль дорсо-вентральной и передне-задней осей. За нейральную спецификацию - (А) у дрозофилы в ходе гаструляции отвечают факторы Dpp и Sog (decapentaplegic и short gastrulation). Они гомологичны факторам позвоночных соответственно BMPи chordin. Результатом их взаимодействия является активация пронейральных basicHLH- транскрипционных факторов achaete, scute (у млекопитающих гомолог - MASH-1,2 ) (по Gilbert, 2003).

Гены, ответственные за нейрогенез у беспозвоночных и позвоночных – весьма консервативны (ортологичные гены) Пронейральные гены Нейрогенные (нейрональные) гены

Пронейральные гены дрозофилы кодируют белки-ТФ с характерным доменом: basic- Helix-Loop-Helix: 4 гена A-S –Complex Нейрогенные гены: I-я группа (Atonal-семейства)- то же ТФ имеют сходную bHLH-структуру, но лишь на 50% гомологичны первым

ё

Гены нейрональной дифференцировки Downstream in genetic cascade are neuronal differentiation of CNS and PNS family of first family neurogenic genes (atonal) To provide following differentiation of neuronal cells C. elegans and D. melanogaster use 2 nd neurogenic genes (also family bHLH proteins): Tap/Biparous. High animals have in this family very analogous genes: neurogenin and NeuroD

Гены с антогонистическим эффектом к пронейральным и нейрогеннным These genes are very similar to proneural genes. They are of two types: the HLH (extamacrochaeta –emc), which lacks a basic domain (DNA-binding) and the bHLH Hairy family ( hairy, E(spl)-C, deadpan). Instead E-box the second type genes contain N-box as basic domain. Their protein products may associate with proneural bHLH proteins but their dimers cannot function as activators that result in repression transcription of target genes. Sometimes all these genes are cold as neurogenic genes

Нервная система позвоночных

During development, neural stem cells give rise to all the neurons of the mammalian central nervous system (CNS) and peripherial nervous system (PNS). They are also the source of the all types of macroglial cell in the CNS astrocytes and oligodednrocytes and also Schwann cells of PNS.

Most glia are derived from ectodermal tissue of the developing embryo, particularly the neural tube and neyral crest. The exception is microglia, which are derived from hemopoietic stem cells. In the adult, microglia are largely a self-renewing population and are distinct from macrophages and monocytes which infiltrate the injured and diseased CNS. In the central nervous system, glia develop from the ventricular zone of the neural tube. These glia include the oligodendrocytes, ependymal cells, and astrocytes. In the peripheral nervous system, glia derive from the neural crest. These PNS glia include Schwann cells in nerves and satellite cells in ganglia.

Стадии развития нервной системы: Нейрогенез Нейральная дифференцировка Миграция нервных клеток Направленный рост аксонов (иннервация) Синаптогенез

У млекопитающих

Спецификация трёх зародышевых слоев и их производных у млекопитающих

Нейруляция G.C. Schoenwolf The neural plate forms after gastrulation is completed. The neural tube narrows along its medial-lateral axis. The plate begins to role into a tube. The cells at the midline produce a medial hinge point (MHP). As the tube forms and segregates into the embryo, neural crest cells emigrate from the dorsal aspect of the neural tube.

Expression of N- and E- cadherin adhesion proteins during neurulation in Xenopus. A-normal development. B-no separation of the neural tube occur when one side of the frog embryo is injected with N-cadherin mRNA.

Dorsal-ventral specification of the neural tube. The newly formed neural tube is influenced by two signaling centers. The roof of the neural tube is exposed to BMP4 and BMP7 from the epidermis and the floor of the neural tube is exposed to Sonic hedgehog protein from the notochord. Secondary signaling centers are established within the neural tube. BMP4 is expressed and secreted from the roof plate cells; Sonic hedgehog is expressed and secreted from the floor plate cells. (по Gilbert, 2003).

Dorsal-ventral specification of the neural tube BMP4 establishes a nested cascade of TGF - factors, spreading ventrally into the neural tube from the roof plate. Sonic hedgehog diffuses dorsally as a gradient from the floor plate cells. The neurons of the spinal cord are given their identities by their exposure to the gradients of the paracrinic factors. The amounts and types of paracrinic factors present cause different transcription factors to be activated in the nuclei of these cells, depending on their position in the neural tube (по Gilbert, 2003).

Regional activation of transcription factors (Pax3,6,7; Mash1,2, Math1, Neurogenin, Lim1,2,3; Isl1,2) and signal molecules (Delta,Serrate,Notch) in spinal cord in course of its development (along dorsal-ventral axis) (Gilbert, 2000).

Нерная трубка также поляризована в проксимо-дистальном направлении

Нейрогенные стволовые клетки The self-renewal of neural stem cells can occur either by symmetric cell divisions, which generate two daughter cells with the same fate, or by asymmetric cell divisions, which generate one daughter cell that is identical to the mother cell and a second, different cell type

Самоподдерживающиеся нейрогенные стволовые клетки могут делиться симметрично и асимметрично

Радиальная глия Radial glia cells arise from neuroepithelial cells after the onset of neurogenesis. Their differentiation abilities are more restricted than those of neuroepithelial cells. In the developing nervous system, radial glia function both as neuronal progenitors and as a scaffold upon which newborn neurons migrate. In the mature brain, the cerebellum and retina retain characteristic radial glial cells. In the cerebellum, these are Bergman glia, which regulate synaptic plasticity. In the retina, the radial Müller cell is the principal glial cell, and participates in a bidirectional communication with neurons.

; Before neurogenesis, the NEURAL PLATE and NEURAL TUBE are composed of a single layer of cells (neuroepithelial cells) which form the neuroepithelium. The neuroepithelium looks layered (pseudostratified), because the nuclei of neuroepithelial cells migrate up and down the apical–basal axis during the cell cycle (interkinetic nuclear migration)

The relationship between apical-basal polarity, cleavage-plane orientation and the symmetric, proliferative versus asymmetric neurigenic division of neuriepithelial and radial glial cells

(по Gilbert, 2003).

В период развития мозга в коре головного мозга и гиппокампе появляется рилин, продуцируемый клетками Кахаля-Ретциуса, а также клетками Кахаля и клетками Ретциуса Рили́н (reelin); иногда используется ошибочная русская транскрипция реелин) белок, содержащийся в мозге и в других тканях и органах тела человека и животных. Этот гликопротеин выполняет множество функций, важнейшей из которых является регулировка миграции и позиционирования нервных стволовых клеток в период фетального и раннего послеродового развития, необходимая для нормального формирования коры и других структур головного мозга. Во взрослом мозге рилин регулирует позиционирование нейронов, образуемых в процессе взрослого нейрогенеза, а также вносит вклад в работу механизмов памяти и обучения, модулируя синаптическую пластичность, усиливая и поддерживая долговременную потенциацию, стимулируя развитие дендритов и дендритных шипиков.

Рождение нейронов. Нейрогенез Neurons are born in the ventricular zones close to the brain ventricles Neurons are born mostly prior to birth Birth dating studies can determine the time of the last cell division [3H]thymidine or BrdU labeling to determine birthdate of the neurons Glia cells proliferate throughout life

Миграция нейронов вдоль отростков радиальной глии в развивающихся мозжечке, гиппокампе, коре головного мозга Cerebellum, Hippocampus and Cortex In vitro migration of hippocampal neurons along the process of astroglia cells from the cerebellum. Neurons can migrate along a variety of radial glia fibers. Migrating neurons are apposed to glia cells, which guide them from the ventri- cular zone to their final destination.

«Дни рождения» нейронов и их последующая миграция определяют слои коры головного мозга (по Gilbert, 2003).

(по Gilbert, 2003).

Глиальные клетки ЦНС: участие в развитии ЦНС (трофике, выделении, сигналинге и секреции паракринных факторов)

Глиальные клетки ЦНС позвоночных подразделяются на отчётливые классы: Astrоcytes make contacts with cappilaries and neurons (fibrous astrocytes, which contain filamenta and are prevalent among bundles of myelinated nerve fibers in the white matter of the brain; protoplasmic astrocytes, which contain less fibrous material and are abundant in the gray matter around nerve cell bodies, dendrites and synapses Oligodednrocytes are predominant in the white matter, where they form myelin around large axones Radial glial cells play essential role in the developing mammalian central nervous system. In adult CNS resembling radial glia are the Bergman cells in the Cerebellum and Müller cells in the retina. Ependymal cells that line the inner surfaces of the brain, in the ventricles, are usially classified as glial cells Microglial cells are distinct from neuroglial cells in structure, properties, and lineage. They resemble marophages in the blood and probably arise from them.

Глиальные клетки ЦНС млекопитающих: олигодендроциты и астроциты

Глиальные клетки, визуализированные внутриклеточными инъекциями и антителами (Gilbert, 2003).

Глиальные клетки, участвующие в миелинизации аксонов у позвоночных (по Gilbert, 2003)

Миелин в составе глиальных клеток и его роль в обеспечении электрической проводимости аксонов

Миелин и «перехваты Ранвье»

Основные функции астроцитов

Главные функции олигодендроцитов и шванновских клеток

Главные функции олигодендроцитов

Главные функции шванновских клеток

Структура шванновских клеток Small diameter axons are grouped together by non-myelinating Schwann cells into structures called Remak bundles. When investigators blocked communication between these cells and neurons in mice, these bundles fell apart and the animals lost feeling for hot and cold. The results suggest that non-myelinating Schwann cells play an essential role in the adult peripheral nervous system. In the peripheral nervous system, however, less is known about the necessity for communication between different cell types. It has been shown that cross-talk between neurons and non-myelinating Schwann cells is required during development, but the importance of this in the adult has not been established. In November's Nature Neuroscience, 2003, Gabriel Corfas, reports that such interactions are, indeed, essential in adult mice. "We have shown," said Corfas, "that non-myelinating Schwann cells play critical roles in peripheral neuronal function, in axon maintenance, and in neuronal survival."