Лекция 12 НЕЙРОГЕНЕЗ (у высших животных: ЦНС- нервная трубка периферическая НС - нервный гребень и плакоды)

Основные производные эктодермального зародышевого листка позвоночных

Основные составлящие нервной системы

Нейроны – биполярные клетки, аксон растет от тела клетки

Глиальные клетки позвоночных изолируют аксоны, содержат миелиновые мебраны, обеспечивая передачу электрических импульсов от тела нейрона к аксону

В течение развития нейральные стволовые клетки дают начало нейронам ЦНС Они также – источник всех типов макроглии ЦНС (астроцитов, олигодендроцитов)

НЕЙРУЛЯЦИЯ 1. Начальная стадия нейрогенеза у позвоночных - нейруляция. У позвоночных участок эктодермы специфицируется как нейроэктодерма и клетки этого участка приобретают вид столбчатого эпителия. Этот район называется нейральной пластинкой. Затем инвагинацией и замыканием нейральной пластинки формируется нервная трубка. Различают первичную и вторичную нейруляцию. 2. Дифференцировка нервной трубки в передне- заднем и дорсо-вентральном направлениях 3. Образование нервного гребня

Нейруляция у амфибий (первичная)

Нейроглия дрозофилы Edenfeld et al. 2005, Curr.Opin. Neuribiol. 15, 34-39

Виды нейроглии у насекомых Freeman, Doherty, 2006, Trends in Neurosci. 29, 82-90

Хотя миелиновая оболочка глии у многих беспозвоночных отсутствует, у некоторых беспозвоночных она встречается и отличается от таковой позвоночных, причём биохимическая структура этого миелина варьирует. Вероятно, первичная функция миелина глиальных клеток животных, окружающая аксоны - изоляция последних от возможных контактов с клетками других структур.

Нейруляция первичная и вторичная Роль вертикальных и планарных сигналов в индукции ЦНС Градиенты факторов, ответственных за спецификацию структур вдоль передне-задней и дорсо-вентральной осей у зародыша амфибии ( По Gilbert, 2003; модифицированная схема)

Нейруляция у куриного зародыша (вид сверху). А - плоская нейральная пластинка. B- нейральная пластинка (с подлежащей хордой - зачаток головы), С- нервная бороздка, D- начало формирования нервной трубки в головном отделе, Е- головные и спинные отделы нервной трубки

Первичная нейруляция у куриного зародыша. Изгибание нейральной пластинки в районах контакта с хордой и эктодермой. Замыкание нервных валиков и образование трубки, образование нервного гребня

Окончание нейруляции в головном отделе куриного зародыша 24-х часов развития. В каудальном отделе ещё происходит гаструляция

Особенности гаструляции у млекопитающих. Формирующаяся хорда у зародыша мыши контактирует с энтодермальными клетками первичной кишки (и, возможно, c пластинкой дна нервной трубки). Реснички клеток узелка (слева) важны для направления миграции клеток

Вторичная нейруляция в хвостовом районе (после 25-ого сомита) у куриного зародыша. Образование медуллярного тяжа из которого путём кавитации образуется нервная трубка

Нейруляция у человека (формирование нервной трубки)

Нейруляция у человека. Важность своевременного закрытия переднего и заднего нейропоров для нормального развития. Дефекты, связанные с нарушением закрытия нейропоров в разных районах -(anencephaly, spina bifida) и замыкания всей нервной трубки (craniorachischisis)

Смена типов кадгерина в клетках эктодермы в ходе нейруляции обусловливает образование нервной трубки и нервного гребня

Основные производные эктодермального зародышевого листка позвоночных

Участие двух сигнальных центров: узелка (node) и антериорной висцеральной энтодермы (AVE) в формирование головы и головного мозга млекопитающих. AVE экспрессирует гены – ТФ: Lim1, Otx2, Hex и секретируемых факторов: Cerberus, Dickkopf. Узелок – гены секретируемых факторов: хордина, Noggin и др.

Региональная специфичность нервной трубки и её производных вдоль передне-задней оси (развитие мозговых структур). Стадии трёх и пяти мозговых пузырей и т.д.

Головной мозг позвоночных Forebrain Midbrain Hindbrain Embryonic Shark Goose Human

Гомеотические (гомеозисные) гены контролируют спецификацию в передне-заднем направлении заднего отдела головного (ромбомеры) мозга и всего спинного мозга мыши

Факторы, участвующие в закладке различных отделов головного и спинного мозга млекопитающих

Участие гомеотических генов в спецификации нейральных структур вдоль передне-задней оси позвоночных и дрозофилы (ортологичные гены отмечены одинаковым цветом)

Экспериментальное увеличение концентрации ретиноевой кислоты в заднем отделе головного мозга вызывает превращение ромбомеров одного вида в другой

Образование различных слоев нервной трубки и образование различных отделов мозга в ходе нейрогенеза

Пролиферация и миграция дифференцирующихся нейробластов в ЦНС млекопитающих (будущие головной и спинной отделы)

Градиент «изнутри наружу» миграции нейронов при образовании слоев коры переднего отдела мозга макаки-резус

Миграция нейрона из вентрикулярного слоя в один из верхних слоев по отростку глиальной клетки. А-схема, B- адгезия нейрона к отростку глиальной клетки. Внизу (С) миграция нейрона в мозжечке млекопитающего

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

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 BMP и chordin. Результатом их взаимодействия является активация пронейральных basicHLH- транскрипционных факторов achaete, scute (у млекопитающих гомолог -MASH-1,2 )

Последовательная спецификация линии нейробластов (в виде кластеров клеток) у Drosophila вдоль дорсо-вентральной и передне-задней осей (продолжение). Delta/Notch-сигналинг определяет дифференцировку пронейральных клеток на нейральные и и ненейральные (эктодермальные).

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

Гены нейрональной дифференцировки дрозофилы (biparous/tap) Гены кодируют ТФ со структурой bHLH, но не проявляют большой гомологии с первыми двумя семействами ПГ и действуют на более поздних этапах нейрогенеза (в ходе формирования нейронов). Сходны с геном нейрогенина позвоночных

Пронейральные гены дрозофилы семейства achaete/scute

Часть нейрогенных генов дрозофилы могут экспрессироваться в ненейронных клетках и тогда их белковые продукты действуют как антогонисты ТФ –продуктам пронейральных генов Эти гены кодируют белки, аналогичные белкам пронейральных генов. Они являются ТФ, со структурой двух типов: HLH (extamacrochaeta –emc), не имеющего основного домена связывания ДНК basicHLH Hairy -семейства ( hairy, E(spl)-C, deadpan). Вместо E-бокса эти гены содержат N-бокс, кодирующий основный (basic) домен другого типа Оба эти обстоятельства не дают возможности их гетеродимерам с белками пронейральных генов нормально функционировать в качестве положительных ТФ.

Функции транскрипционных факторов и сигнальных молекул беспозвоночных, ортологичных генам позвоночных (см. ранее)

Спецификация и дифференцировка клеток спинного мозга

Нейруляция первичная и вторичная Роль вертикальных и планарных сигналов в индукции ЦНС Градиенты факторов, ответственных за спецификацию структур вдоль передне-задней и дорсо-вентральной осей у зародыша амфибии (S. Gilbert, 2003, модифицированная схема)

Осевое паттернирование нервной трубки. Указаны паракринные факторы, принимающие участие в нейруляции вдоль передне-задней оси зародыша.

Участие паракринных факторов в дорсо-вентральном паттернировании нервной трубки- последовательность индуцирующих воздействий хорды и эпидермиса на нейральную пластинку (Sonic hedgehog- Shh, факторы семейства BMP)

Развитие спинного мозга человека. Дифференцировка слоев мозга (поперечный срез). Отметить эпендимный, маргинальный, мантийный слои, silcus limitans, расположение различных типов нейронов

Образование новых сигнальных центров в пластинке дна (Shh) и крыши (BMP) нервной трубки под воздействием одноимённых индуцирующих сигналов из хорды и эктодермы. Гипотетически, соответствующие участки нервной трубки высших позвночных могли произойти из примыкающих структур хордомезодермы и эктодермы

Поляризация нервной трубки доль дорсо-вентральной оси

Дорсо-вентральная спецификация нервной трубки (продолжение). Становление градиентов паракринных факторов в нервной трубке в дорсо- вентральном направлении, определяющие дифференцировку нейронов (мотонейронов, вставочных) и глии

Дорсо-вентральная спецификация нервной трубки (поперечный срез нервной трубки куриного зародыша). Экспрессия Shh (в нижней части) -маркирована зелёным цветом, экспрессия дорcалина (в верхней части) -маркирована голубым цветом. Моторные нейроны, дифференцирующиеся при умеренных концентрациях Shh, окрашены в желто-оранжевый цвет.

Каскадная индукция в вентральной части нервной трубки (вентральных V3 и моторных нейронов), инициированная участком хорды прилежащим к нервной трубке. Эктопическая индукция моторных нейронов в срединной части нервной трубки участками хорды, пластинки дна нервной трубки и т.п.районов, секретирующих Shh.

Региональная активация в нервной трубке различных факторов транскрипции (Pax3,6,7; Mash1,2, Lim1,2,3; Isl1,2) и сигнальных молекул (Delta, Serrate, Notch) определяющих спецификацию нейральных клеток в дорсо-вентральном направлении

Поляризация нервной трубки вдоль передне-задней оси (продолжение)

Поляризация нервной трубки вдоль проксимо-дистальной оси

Семейство факторов транскрипции LIM, включающих подсемейство Islet Lim transcription factors are responsive for axon target selection during motor neuron axon guidance

Спецификация различных групп двигательных нейронов в передне-заднем и дорсо-вентральном направлениях в зависимости от активации в них различных транскрипционных факторов LIM-семейства (Lim1,3; Isl1,2). Иннервация моторными нейронами различных мышц определяется позициями моторных нейронов в спинном мозге (на разных уровнях вдоль передне-задней оси и в колонках на одном уровне)

Организация двигательных (моторных) нейронов (спецификация LIM-содержащих нейронов спинного мозга.

Нервный гребень (только у позвоночных) Клетки нервного гребня позвоночных – предшественники периферической (парасимпатической и симпатической) нервной системы и её глии (шванновских клеток), но не только их.

Нервный гребень (НГ) – производное эмбриональной эктодермы (существует временно), закладывается по краям нейральной пластинки и окончательно формируется при отделении нервной трубки от эктодермы в ходе нейруляции. Клетки НГ мигрируют в процессе или по завершении нейруляции и образуют популяции клеток в различных тканях. Иногда клетки НГ называют в виду их важности «четвёртым зародышевым листком». Из клеток НГ формируются нейроны и глия ПНС, некоторые элементы скелета челюстно-лицевого скелета (кости, хрящи, связки, мышцы), гладкомышечные клеткт ствола аорты и некоторых артерий,хондроциты, меланоциты кожи, разновидности гормон-продуцирующих клеток некоторых желез внутренней секреции (надпочечников и щитовидной железы).

Нервный гребень (НГ) – эволюционно появляется у позвоночных. В эмбриогенезе формируется дорсолатерально в передне-заднем направлении и продуцирует клетки нескольких типов в зависимости от различной локализации его отделов. Головной отдел - производные НГ: хрящи, кости и соединительная ткань головы, нейроны черепно-мозговых нервов и клетки глии. Клетки НГ входят также в состав висцерального скелета (одонтобласты, структуры челюсти, среднего уха), в состав тимуса. Туловищный отдел НГ -меланоциты (синтезируют пигмент меланин), мигрируют дорсолатерально в эктодерму или через передний отдел склеротомов вентролатерально. Те клетки, которые остаются в склеротоме, формируют ганглии дорсальных корешков (содержат сенсорные нейроны). Мигрирующие вентрально образуют мозговое вещество надпочечников, симпатические ганглии и кластеры нервных клеток, окружающие аорту (вблизи сердца) Клетки НГ крестцового отдела образуют парасимпатические ганглии.

Производные клеток нервного гребня (НГ)

Миграция клеток нервного гребня в туловищном отделе куриного зародыша (два пути миграции у птиц и млекопитающих, но не у рыб и лягушек). Дорсолатерально -меланоциты, заселяют кожу, волосяные луковицы; вентрально- через передний отдел склеротомов, становятся сенсорными и симпатическими нейронами, швановскими клетками, хромафинными клетками.

Специфические маркеры НГ свидетельствуют о миграции клеток НГ куриного зародыша вентрально через антериорные отделы склеротомов (роль эфрина- Ephrin и эфринового рецептора-Eph в постериорной части склеротома, запрещающих миграцию в этом отделе путём отталкивания мигрирующих клеток)

Роль белков RhoB и Slug в клетках НГ, способствующих миграции клеток. (Rho участвует в упрочении цитоскелета для облегчения миграции, а Slug участвует в ослаблении прочных контактов между клетками НГ)

Последовательное ограничение путей дифференцировки клеток НГ (гипотетическая модель)

Дифференцировка клеток НГ определяется последовательными индуцирующими воздействиями паракринных факторов FGF и NGF (NGF-обусловливает миграцию клеток, действуя как хемоаттрактант и как ингибитор апоптоза)

Конечные стадии дифференцировки клеток нервного гребня туловищного отдела. Альтернативные варианты дифференцировки в хромоафинные клетки мозгового вещества надпочечников и в симпатические нейроны.

Черепные плакоды – третий источник нервных клеток (и не только их)

Черепные плакоды - временные локальные утолщения эктодермы между эпидермальной и нейральной эктодермой головы. Формирование плакод индуцируется соседними тканями. Преплакодный эпибранхиальный (подковообразный) зачаток образуется дорсально, там, где жаберные карманы контактируют с эпидермисом. Эта структура затем расщепляется, образуя парные зачатки обонятельных, хрусталиковых плакод, плакод ряда черепно- мозговых нервов, слуховых структур, непарный зачаток аденогипофиза. Эти структуры впоследствии расщепляются, формируя плакоды коленчатую, лицевую и узловатую плакоды, которые служат материалом для сенсорных нейронов лицевого, языкоглоточного в блуждающего черепных нервов.

Черепные плакоды

Как растут аксоны?

Схематическое изображение моторного нейрона. Электрические импульсы приходят от дендритов и передаются по аксону. Длина аксона может быть больше метра. Конус роста аксона имеет двигательный и сенсорный аппараты. По окончании движения он образует синапс с клеткой ткани-мишени

Внутриклеточные причины роста аксонов: взаимодействия актиновых и миозиновых структур

Внешние факторы управления движением конуса роста аксона (проецирование его на ткани- мишени) в принципе те же, что и при миграции клеток нервного гребня (молекулы аттракции и репульсии).

Конус роста аксона нейрональной клетки бражника. Видны микрошипики (филоподии, содержащие микрофиламенты, окрашены в зелёный цвет, и ориентированные радиально к аксону) и микротрубочки (окрашены красным цветом) ориентированы параллельно к аксону).

Семафорины (наряду с эфринами) - мембранные или секреторные белки ряда (эпителиальных) клеток ограничивают рост аксонов в нежелательном направлении (репелленты). Внизу трансгенный (по семафорину) фибробласт куриного зародыша избирательно угнетает выросты механорецепторного аксона. Наоборот, нетрины являются хемоаттрактантами и привлекают к себе растущие аксоны.

Общая схема организации в зародыше направления роста аксонов нейрональных клеток мозга и нервного гребня (путём отталкивания и хемоаттрактации)

Формирование синапсов

Polyneuronal innervation and its elimination